（机械工程专业论文）发动机燃油消耗测量方法的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 发动机燃油消耗是评价发动机经济性的重要指标。油耗测量方法和油耗仪的优 劣，直接影响经济性评价的准确性。 开展发动机燃油消耗测量方法的研究，旨在提高现用油耗仪的测量精度，简化 仪器标定校准操作。研究内容涉及接口电路设计，零点、增益校准，d 采集数据 处理的控制算法。 在油耗测量的传统设计方法中，模拟接口电路必须设置前置放大器。在测量仪 器标定校准时，需要调整模拟电路的零点、增益、基准电压电位器。模拟参数调整， 长期以来一直存在校准精度重复性和稳定性差的弊端。发动机油耗测量时，采集数 据未经控制算法处理被计算直接引用，油耗计算结果误差波动大。 发动机燃油消耗测量方法的研究，体现了接口电路设计和软件编程的几项关键 应用技术：应用z 一a d 转换技术，称重传感器直接与a d 转换器接口，取消前 置放大器。零点、增益数字校准，取代调整电位器的模拟校准。静态标定、动态测 量a d 采集数据处理，采用算术平均滤波、一阶数字低通滤波控制算法，提高测量 精度。 应用发动机燃油消耗测量方法的研究结果，开发设计了e m e 4 0 2 油耗仪。在应 用效果评价实验中，静态标定测量误差保持在1 5 o f s 以内，小于以往5 f s 的测 量误差。动态测量燃油消耗量值重复性误差，最大不超过0 6 ，小于改进前的o 8 l 的重复性误差，测量数据精确度高。 下步的研究方向是动态测量的控制算法，传感器交流激励，c a n 总线的发动 机燃油消耗测量仪。 关键词： 油耗测量，油耗仪，接口电路，校准，控制算法 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ef i l e lc o n s u m p t i o ni sa l li m p o r t a n ti n d e xt oe v a l u a t et h ee c o n o m i cp e r f o r m a n c eo f a ne n g i n e m e a n w h i l e ，t h em e a s u r em e t h o do ff u e lc o n s u m p t i o na n dt h eq u a l i t yo ff u e l m e t e ri n f l u e n c et h ea c c u r a c yo fe c o n o m ya s s e s s m e n td i r e c t l y t h ep u r p o s eo fs t u d y i n gt h em e a s u r em e t h o do ft h ee n g i n ef u e lc o n s u m p t i o ni st o i m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h em e t e r sw h i c ha r ew i d e l yu s e da n dt os i m p l i f yt h ec a l i b r a t i o n p r o c e d u r e t h i ss u b j e c tr e l a t e st ot h ed e s i g no ft h ei n t e r f a c ec i r c u i t ，z e r op o i n ta n dg a i n c a l i b r a t i o n ，a n dc o n t r o la l g o r i t h m so ft h ea ds a m p l ed a t ap r o c e s s i nt h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o do ft h ef u e lc o n s u m p t i o nm e a s u r e m e n t ，i tn e e d st os e t u pap r e a m p l t r i e rf o rt h ea n a l o gi n t e r f a c e t oc a l i b r a t et h em e a s u r ed e v i c e ，i ti sl l e c e s s a r y t oa d j u s tt h ez e r op o n ，t h eg a i na n dt h er e f e r e n c ev o l t a g eo ft h ep o t e n t i o m e t e r si nt h e a n a l o gc i r c u i t t oa d j u s tt h ea n a l o gp a r a m e t e r s ，w eh a v et oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e s s u c ha sp o o rr e p e t i t i o na n ds t a b i l i z a t i o n d u r i n gt h em e a s u r e m e n to ft h ee n g i n ef u e l c o n s u m p t i o n ，t h es a m p l ed a t aa r et r e a t e dd i r e c t l yw i t h o u tb e e np r o c e s s e dv i ac o n t r o l a l g o r i t h m s ，i tl e a dt ob i ge i t o rf o rt h ef u e lc o n s u m p t i o ne s t i m a t e t h es t u d yo ft h em e a s u r em e t h o do ft h ee n g i n ef u e lc o n s u m p t i o ni n c l u d e saf e w k e y a p p l i c a t i o nt e c h n i q u e sf o rt h ei n t e r f a c ec i r c u i td e s i g na n ds o f t w a r ep r o g r a m m i n g ：t h a n k s t ot h et e c h n o l o g yo fz aa dc o n v e r s i o n ，t h ew e i g hs c a l es e n s o rn o wc o n n e c t st ot h e i n t e r f a c ew i t ht h ea dc o n v e r t e rd i r e c t l yi n s t e a do ft h r o u g hap r e a m p l i f i e r t h ez e r op o i n t a n dg a i nd i g i t a lc a l i b r a t i o nw a su s e di n s t e a do fa n a l o ga d j u s t i n gw i t hp o t e n t i o m e t e r s t h e a ds a m p l ed a t aw a sp r o c e s s e dt h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no fb o t hs t a t i cc a l i b r a t ea n d d y n a m i cm e a s u r e m e n t ，w i t ht h ea d o p t i o no fc o n t r o la l g o r i t h m so fa v e r a g ev a l u eo f a r i t h m e t i cf i l t e r i n g ，a n dt h ef i r s t o r d e r d i g i t a ll o w - p a s sf i l t e r i n g , t h ea c c u r a c yo ft h e m e a s u r er e s u l th a si m p r o v e dm u c h w i t ht h er e s e a r c hr e s u l to ft h ef u e lc o n s u m p t i o nm e a s u r e m e n t t h ee m e 0 2f o e l c o n s u m p t i o nm e t e rh a v eb e e nd e s i g n e d d u r i n gt h ea s s e s s m e n tt e s to ft h em e a s u r i n g e f f i c i e n c y , i t ss t a t i cc a l i b r a t em e a s u r i n ge r r o rr a n g ew a sl e s st h a n1 5 f s 1 e s st h a n 。m e a s u r i n ge r r o r a t 5 0 f s b e f o r e t h e r e p e t i t i o n e r r o r o f d y n ，a m i c f u e l c o n s u m p 。t i o n l i 华中科技大学硕士学位论文 m e a s u r e dv a l u er a n g em a x i m u ml i m i tl e s s0 6 ，l e s st h a n0 8 1 b e f o r e ，e n g i n ef u e l c o n s u m em e a s u r i n gh a sg o tb e t t e ra c c u r a c y t h en e x tr e s e a r c hd i r e c t i o ni st h ec o n t r o la r i t h m e t i ci nt h ed y n a m i cm e a s u r e m e n t ， a ce x c i t a t i o no ft h es e n s o ra n dc o n t r o l l e ra r e an e t w o r kb u si nt h ef i l e lm e t e r k e yw o r d s ：f u e lc o n s u m p t i o nm e a s u r e m e n t ，f u e lm e t e r ，i n t e r f a c ec i r c u i t ， c a l i b r a t i o n ，c o n t r o la l g o r i t h m s i l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名：( 司跃钢 日期： 己u 1 巧年f c 7 月j o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密由 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：f 勺欧与。 日期：2 峨筘t q 月3 0 日 指导教师签名：勇黝 日期：夕t 田年，9 月；1 日 华中科技大学顽士学位论文 1 绪言 称重式、容积式、活塞式、科里奥利式测量方式，组成了发动机燃油消耗测量 的应用基础。四种测量方式的实施，无一例外涉及到检测传感器与a d 转换器的接 口电路设计，零点、增益校准，采集数据计算处理的控制算法。发动机燃油消耗测 量方法，正是围绕上述相关内容展开具体研究。 1 1 研究背景 发动机燃油消耗，是衡量发动机动力性、经济性、可靠性、以及排气净化的重 要指标。测量方法的优劣，直接影响发动机燃油经济性能指标评价的准确性。 发动机燃油消耗测量方法的研究，其测量电路接口设计，零点、增益校准，测 量过程中a d 采集数据的处理，决定了测量装置的实用性和测量精度。发动机燃油 消耗测量仪【1 1 ( f u e lm e t e r ) ，无论采用称重式、容积式、活塞式、科里奥利式测量 方式，检测传感器与a d 转换器的模拟接口，传统的设计方法需要设置前置放大电 路或接口模块，将传感器输出的低量程信号放大到a d 转换器的接口电平信号。使 用前置放大器，首先增加硬件电路开销，同时必须考虑信号放大的同时容易导入噪 声电平的干扰，以及输入失调电压、电流和温飘对测量精度的影响。 发动机燃油消耗测量仪，传统的标定校准方式需要调整接口电路的零点、增益、 基准电压电位器。手动调整，零点、增益、基准电压模拟参数值重复性和稳定性差。 当遇到测量环境温度变化，发动机台架试验电磁干扰，导致测量装置零点、增益参 数飘移发生变化；重新进行标定校准时，零点、增益模拟参数需要反复多次调整。 发动机燃油消耗测量，长期以来一直存在标定复杂、校准精度差的弊端。而且所用 a d 转换器的输出位数低于1 6 位，a d 转换的有效分辨率和测量精度低。 另一方面，发动机燃油消耗测量a d 采集数据的处理，所涉及的控制算法应用， 是油耗测量方法中软件编程设计的关键研究内容。发动机油耗测量传统的计算方 法，根据测量时间计算a d 采集数据的差值，a d 采集数据未进行控制算法处理被 华中科技大学硕士学位论丈 计算直接引用，发动机台架试验油耗计算结果误差波动大。 发动机燃油消耗测量方法的研究，目的是对东风汽车有限公司商用车研发中心 现用的e m e 4 0 2 发动机燃油消耗测量仪为提高校准和测量精度，进行新一轮的研 究设计。模拟接口电路取消前置放大器，采用2 4 位高分辨率的一a a d 转换器 a d 7 7 3 0 1 2 , 3 1 ，与称重传感器直接接口。零点、增益数字校准方式，取代手调电位器 的模拟校准方式。a d 转换速率由软件编程控制，其有效分辨率可在模拟输入量程、 数据输出速率、噪声系数之间作出最佳选择。动态测量选择一阶数字低通滤波对采 集数据进行处理，有效提高了发动机燃油消耗测量装置的标定校准精度、测量精度。 1 2 发动机燃油消耗测量方式 发动机燃油消耗测量方式，分别在容积式、称重式、活塞式、科里奥利式四项 研究领域内开展进行。 1 2 1 容积式测量 根据不同的试验工况，选择不同玻璃容泡的测量容积，已知燃油密度，通过计 量时间测量发动机消耗的燃油容积，计算出所消耗的燃油质量和油耗。 容积式测量精度受容积和燃油密度变化的影响，当测量环境温度变化，或燃油 回油气泡增多，导到燃油容积改变，进而影响燃油测量精度。容积式油耗仪仅在汽 油机台架试验中使用。 1 2 2 称重式测量 称重式测量【4 5 1 采用称重传感器或称重天平，测量一段时间内油杯消耗的燃油重 量。根据测量前后油杯燃油重量的差值，计算燃油消耗，以k g h 或s 的单位显示 瞬时油耗和平均油耗。 称重式测量方式只与燃泊的重量直接相关，与燃油的密度、容积无关，不受燃 油气泡的影响导致容积的变化而引起的测量误差。测量精度很大程度上取决于称重 传感器和a d 转换器的精度。国外采用电容传感器的天平式称重方式，测量精度可 达1 2 f s ，国内采用电阻应变式荷重传感器和积分型、逐次逼近型d 转换器 华中科技大学硕士学位论文 的称重式测量，测量精度介于5 8 f s 之间。 1 2 3 活塞式测量 活塞式流量计中的四活塞容量式传感器，由十字型配置的四个对置活塞和旋转 曲柄构成，燃油在油泵压力下推动活塞运动，活塞运动推动曲柄旋转，曲柄旋转 周既四个活塞各往复运动一次，完成一个排油循环。通过测量曲柄的转角，计算四 缸排出的燃油体积流量。转角测量采用光电法测量与蓝柄同步的光栅转角而得到， 然后把转角脉冲信号计数累加、用设定的时间累计发动机工作中所消耗的燃油总容 量，计算燃油消耗量。 活塞式流量计测量精度可达5 f s ，尤其适合整车道路试验中汽油、柴油机 燃油消耗的便携式移动测量。 1 2 4 科里奥利式测量 科里奥利式测量【6 】属于质量流量计量，当流体通过振动测量管时，在流体推动 及外加于测量管韵振动力作用下，测量管将获得附加的科里奥利力，其大小与流体 的质量流量成正比，将科里奥利力引起的测量管的微小扭曲导致振动时的相位差转 换为线性的电信号输出，即可获得质量流量的指示。 科罩奥利质量流量计，实现流体质量的直接精密测量，与被测流体压力、温度、 密度、粘度变化的影响无关，因而无需任何压力、温度、密度、粘度等系数换算或 修正，被测的流量以质量流量单位( k g h 、t h 或g s ) 显示。测量精度：1 2 。f s l 零点稳定度( 零点稳定度为量程上限的万分之三) 。 科里奥利质量流量计，更多地用于天然气、液化气发动机试验的质量流量计量， 近年也有应用于柴油发动机的燃油流量计量，这是一种很有发展前途的油耗测量装 置。 l 。3 发动机燃油消耗测量仪的应用现状 发动机燃油消耗测量仪，国内企业在用的国外产品有奥地利李斯特发动机测 试公司( a v l ) a v l 7 3 3 或a v l 7 3 3 s 称重式油耗仪，以及a v l 7 3 5 科里奥利式油耗 华中科技大学硕士学位论文 仪，日本小野测器株式会社c o y d ) d f - 2 4 2 0 活塞转子式油耗仪。 国产称重式发动机燃油消耗测量仪，主要有上海内燃机研究所研制开发的 f c m d 油耗仪，成都诚邦动力测试仪器有限公司研制的e t 2 5 0 0 油耗仪，长沙湘仪 动力测试仪器有限公司生产的f c 2 2 1 0 油耗仪，江苏启东中天测试设备有限公司生 产的s h 2 3 0 1 g 油耗仪，采用4 位半b c d 码1 c l 7 1 3 5a d 转换器，测量精度5 0 f s 。杭州奕科机电技术有限公司研制开发的f c m 0 1 系列油耗佼，江苏宿测测功器 有限公司生产的y h 2 系列油耗仪，采用3 位半b c d 码m c l 4 4 3 3a d 转换器，测 量精度5 0 8 f s 。 称重式油耗仪在使用中存在的缺陷，主要体现在： 校准繁琐复杂。零点、增益、基准电压校准，完全依靠手动调整电位器的模拟 校准【7 i 方式。控制程序中即便有零点、增益的数字校准，也是基于在硬件电路手动 调整电位器的模拟校准基础上进行，数字校准相当于系统零点、增益的细调或微调。 接口电路设计复杂。检测传感器与a d 转换器的模拟接口，传统的设计方法需 要设置前置放大电路或接口模块，增加硬件接口电路设计成本及模拟调试难度。特 别是当称重式油耗仅油杯液位处在低量程时，检测传感器的输出信号经前置放大器 放大，容易被混杂在输入信号中的噪声电平干扰掩盖，影响测量精度。数字接臼使 用并行传输，占用单片机c p u 的数据口线过多。 a d 转换分辨率低。a d 转换分辨率依靠所选用的积分型、逐次逼近型a d 转 换器的输出位数来保证。a 转换器普遍采用4 位半b c d 码双积分型1 c l 7 1 3 5 ， 满量程b c d 码数字输出1 9 9 9 9 ，占数据位不足1 5 位。使用逐次逼近型a d 转换器 a d 5 7 4 或a d 9 7 6 ，输出位数分别为1 2 位或1 6 位，由于噪声系数的影响，a d 转换 的有效分辨率低于实际输出位数。 测量精度有待提高。a d 转换器分辨率低，直接制约t n 量精度的提高。平均 油耗测量方法，大部分直接采用称重重量差除以测量时间、或将每秒瞬态油耗累加 除以时间的简单计算方法，靠拉长测量时间来获得测量精度的保证。测量精度各个 生产厂家给出的指标，实质是某一动态测量段的最佳指标。部分厂家，还给出平均 油耗测量精度与称重液位、测量时间有关。例5 0 1 0 0 f s 量程，测量时间至2 0 s ， 4 华中科技大学顽士学位论文 平均油耗测量精度为5 f s 。2 0 5 0 f s 量程。测量时间- 4 0 s 。平均油耗测量精 度为8 f s 。1 0 2 0 f s 量程，测量时间兰8 0 s ，平均油耗测量精度为1 0 f s 。油 耗测量时间，国产油耗仪普遍选用3 6 s 。 油杯放油存在缺陷。部分国产油耗仪油杯进出油管位于油杯上方，油杯放油需 借助负压吸出，标定校准阶段油杯放油操作极为不便。 燃油回油的波动影响测量精度。发动机燃油回油的波动，对称重式测量精度的 影响，在发动机台架试验中影响明显。 1 4 称重式发动机燃油消耗测量的研究领域 发动机燃油消耗测量，早期开展的研究项目是容积式测量。由于柴油粘度大容 易附着容泡玻璃管壁，导致测量精度变化波动大，容积式测量不适合在柴油发动机 台架试验中应用，现对该项目的研究已趋于停止。活塞式、科里奥利式油耗仪测量 装置，研究领域主要侧重于四活塞传感器、科里奥利v 型振动测量管的机械测量装 罱的研究，精密机械测量装置是这两类油耗仪的优势擅长项目。称重式油耗仪侧重 于电信号检测控制方面的研究，研究领域主要集中在检测传感器和a d 转换器的接 口电路设计，零点、增益数字校准取代手调电位器的模拟校准，d 采集数据处理 的控制算法。 检测传感器，国外侧重于选择电容传感器，它具有瞬态响应快、检测灵敏度高 的特点，适合于天平摆臂称重式的瞬态溺量【8 l 。国内由于受到电容传感器加工制作 精度的影响，几乎无一例外地选择电阻应变片称莺传感器作为检测元件，传感器激 励源全部采用宣流激励方式。对电阻应变片称重传感器开展的研究主要集中在抑制 零飘、温飘、输出蠕交、非线性，传感器交流激励f 9 1 ，在3 6 k g 的小量程范围内 提高输出灵敏度。 接口电路设计，应用研究的重点将放在与检测传感器的接口设计上。在发动机 燃油消耗测量数据低频采样过程中，以往需要前置放大器或接口电路模块的传统的 积分型、逐次逼近型并口a d 转换器将被无前置放大电路、无接口模块、有效分 辨率高达2 0 位以上的串口一aa d 转换器所取代。具有片内可编程增益放大器 华中科技大学硕士学位论文 ( p g a ) 的a a d 转换器，能够直接接收传感器的低量程输入信号。通过选择适 当的采样速率和数字滤波器带宽，对5 0 h z 或6 0 h z 的工频干扰具有极强的抑制。奥 地利a v l 7 3 3 油耗仪使用1 6 位a d 转换器a d 7 7 1 0 ，东风商用车研发中心 e m e 4 0 2 发动机燃油消耗测量仪，使用2 4 位。a a d 转换器a d 7 7 3 0 。另一种采用 含8 0 5 2 或a r m 7 u l 微处理器内核、闪速存贮器( f l a s h m e m o r y ) 的a d 转换器， 或采用d s p t l 2 , 1 3 1 数字处理芯片，执行更复杂的数值计算，由于将外围器件集成到a f d 转换器芯片内部，减少了外围电路尺寸，虽然有效分辨率与单片a d 转换器尚 存在差足巨【1 4 1 ，但如果在应用中妥善解决好分辨率与噪声系数的关系，预计这种类型 的a i ) 转换器也将受到设计师的选型青睐。 零点、增益标定校准，将用软件控制取代传统的手动调整电位器方式。随着称 重传感器和一aa d 转换器的线性度提高，数字校准的控制方式将极大地简化模拟 校准过程，将以往多点的分段标定改为一点集中标定。硬件电路取消调整电位器， 设计成无模拟参数调整电路。 发动机燃油消耗测量控制算法，标定、测量程序采用a d 数据算术平均滤波运 算( “j 、数字低通滤波运算【“、差分线性方程等控制算法，将动态测量中a d 数据 进行加权滤波或差分算术平均运算，提高测量精度。低频采样过程中使用高输出位 数的- aa d 转换器取代积分型、逐次逼近型a d 转换器，提高测量分辨率。测 量时间采用编程控制时钟日历芯片精确秒定时，取代单片机晶振分频定时的传统方 式。采用l a b v i e w 、c + + 、v c 控制语言编写溅量数据数理统计【1 7 l 软件，计算油耗 测量最小值、最大值、平均值、标准偏差。通过建立数学模型，对油杯充油阶段内 的失落数据进行插补，因而在计量充油时也能进行瞬态油耗和平均油耗的不问断测 量计算。上位机存贮测量数据，绘制瞬态油耗与测量次数的动态曲线。控制软件采 取上述研究策略，是为进一步提高测量精度及测量稳定性，即在同一工况相同时间 间隔的动态测量下，发动机台架试验平均油耗显示数据重复稳定性好。 称重式发动机燃油消耗测量精度的提高，一是采用新型a d 转换器取消前置放 大器的接口电路设计，零点、增益数字校准取代硬件电路模拟调整。二是动态测量 控制算法的研究，通过建立动态测量的差分方程，数理统计，将定时称重测量采集 6 华中科技大学硕士学位论文 的a d 值，进行科学的统计计算。 1 5 研究目标与方法 发动机燃油消耗测量方法的研究，涉及测量装置接口电路设计，零点、增益校 准方式，标定和测量的控制算法。 模拟、数字接口电路的设计研究。模拟接口电路检测传感器与a d 转换器直接 接口，取消前置放大电路或接口模块。应用一a a d 转换原理【1 8 】，a d 转换量化噪 声被移至数字滤波器的截止频带以外，具有优良的抗噪声性能。数字接口电路 a d 7 7 3 0 三线或四线串行输出接口，可以方便地与各种微控制器和数字信号处理嚣 d s p 连接。与并行接口相比，占用芯片管脚小节省了c p u 的i ，o 口，并且适合远 距离的数据传输。 数字校准的应用研究。零点、增益数字校准取代手调电位器的模拟校准，消除 调整精度重复性差的弊端。 标定和测量控制算法的应用研究。a d 采集数据处理，静态标定、动态测量采 用算术平均滤波、一阶数字低通滤波控制算法，提高系统校准、测量精度。 华中科技大学硕士学位论文 2 理论基础 发动机燃油消耗测量原理，一a d 转换原理，组成了发动机燃油消耗测量方 法研究的理论基础。 2 1 燃油消耗测量原理 发动机燃油消耗测量属于质量流量c k g h ) 差值测量，油耗测量对精度要求非常 高，测量值相对误差小于2 ，测量方法采用“定时测重”的失重测量法，测量一段 时间( g b t 1 8 2 9 7 2 0 0 1 伸i 国家标准规定测量时间不能小于2 0 s ) 内燃油消耗的重量， 经式( 2 1 ) 计算平均油耗 a v a i ：w t i - w , 2 ( 2 1 ) ，2 一t l 职j ，职2 ：测量始点、终点时刻燃油重量( g ) ， t 2 ，t l ：测量终点、始点时间( s ) 。 称重传感器输出与油杯和杯内燃油重量之和成正比的电压信号 v = k w = k ( 圪+ 职)( 2 2 ) k ：单位换算量缌， 胍油杯自重加杯内燃油重量之和， 坼：油杯自重， 嘶：杯内燃油重量。 对测量过程中传感器输出电压信号求导，有 华：七堡：k d o e o + w , ) ：k 盟：g f d fd fd td r 。 在实际应用中，重量微分由数值化后的重量数值差分实现。对差分信号进行数 值计算，求出瞬态的流量信号，瞬态油耗和重量差值的关系可表示为 g，=t警=k訾=-kl。imat2a t l 。警t 2 ( 2 s ， 。 d f t ! _ f 1一“ 华中科技大学硕士学位论文 瞬态油耗测量最一般的用途是监视试验过程中发动机油耗的动态变化，受测量 精度的影响试验中不要求做记录。平均油耗则是在发动机稳定工况试验时给出的测 量值。 平均油耗的获取是基于连续的瞬态流量信号回，即有 a v g f = 专妻g 癣= 专k ( d w , d t ) d t = 专k 婶弼f m ；墨堕二! ! ! ：f ( w o - w ) ( 2 4 ) nn 式( 2 4 ) 的意义在于求平均油耗采用的重量采样值是经过对瞬态油耗积分求和 处理的，f 单位换算量纲，：平均油耗测量时间。 2 2 d 转换原理 一体系结构1 2 0 】，起源于1 9 5 0 年美国贝尔试验室利用调制器开展的差值脉 冲编码调制数据传输系统试验。到1 9 6 0 年底，结构日趋完善。但由于片内数字 滤波器受到集成电路制作工艺水平的限制，直到1 9 8 0 年c m o s 技术的出现， a d 转换器的应用才成为现实。a d 转换原理由过采样、噪声成形、数字滤波、 采样抽取四部分组成。 理想的常规n 位采样a d c 的量化噪声有效值( r m s ) 为曰，压 2 t l ，均匀分布 在奈奎斯特( n y q u i s t ) 频带直流l 2 范围内( 口是1 l s b 对应的模拟电压值，正采 样频率) ，如图2 1 a 所示。 向 q m l k 9 8 “伍 l ：! ：二二二j d 、。， 。”“ b 矗互霞盛：! ：! ： 2警 q l 堑： 图2 1 过采样、数字滤波、噪声整形和采样抽取 9 矗缸盘卣凿 华中科技大学硕士学位论文 如果将采样频率提高k 倍，以蜀倍过采样频率聪采样模拟输入信号( k 为过采 样速率) ，奈奎斯特频率增至k f j 2 ，量化噪声分布在直流至k h z 更大的带宽范围内 ( 图2 1 b ) 。若使用数字滤波器来限制带宽，在数字滤波器的频带范围h 2 之内，量 化噪声降低到q 4 1 2 k ，即为原来的1 k 。三一a 模拟低通滤波器只滤除k f j 2 以上 的噪声，数字滤波器滤除f ；2 至k f s 2 之间的量化噪声和无用信号而又不影响有用信 号，从而提高了信噪比。 一a 调制器具有量化噪声整形功能，噪声整形将信号带宽h i 2 内的大部分量化 噪声，移至a d 转换频带之外的 d 2 至k f j 2 之间的较高频段，而仅仅- d , 部分留在 直流和f j 2 之内( 图2 1 e ) 。噪声频谱被调制器整形后，使其处在超出数字滤波器的 通带范围之外，a d 转换有效带宽内的信噪比远大于其它带宽的信噪比。 数字滤波器转折频率低于过采样频率，因此数据输出速率应低于原始采样 速率，降低数据输出速率是通过对滤波器输出以原始采样速率的l i m 进行采样抽取 来完成的。采样抽取的原则应满足n y q u i s t 采样定律i 捌，采样频率大于信号频率的 两倍( p 2 f o ) 。大多数a d 转换器是采样一次，转换一次，输出一次，三者统一。 但采用过采样技术的- aa d 转换器。数据输出速率低于原始采样速率。 差分放太器比抽器 号 图2 2 一a d 转换器原理图 图2 2 差分放大器、积分器、比较器、d a c ( 数模转换器) 组成a 模拟调 制器，它以很高的采样速率采样模拟信号，将模拟输入信号和d a 反馈信号之间的 差值( a ) 进行一阶或多阶积分( ) ，通过比较器输出脉冲占空比的二进制码流。 该码流一路通过一位或n 位d a c 后和输入信号比较产生差值信号，构成一个反馈 循环。另一路通过数字滤波器和采样抽取形成数字输出信号，调制器输出中“1 ” 的密度将正比于模拟输入信号。 一a a d 转换通过数字滤波和采样抽取，提取频带内的有用信号，滤除频带之 1 0 华中科技大学硕士学位论文 外的量化噪声和无用信号，提高信噪比和有效分辨率。 2 3 分辨率与噪声系数 一a d 转换器具有高分辨率，实际使用必须充分考虑噪声对分辨率的直接影 响。当a d c ( a d 转换器) 直流输入或输入接地时，以某一输出码为中心的a d c 输出码分布见图2 3 。如果没有噪声，不管进行多少次采样，理想a d c 始终输出单 一的代码。然而，转换器内部的各种噪声源将引起输出代码扩散，分布在中心码的 周围。 一一置 曩一 出现# 26 6x 宥效值， 、 、 一“| ，i - i h 旧 1 - - 2l nn n 嵋时3n + 4 出碍 图2 3a d 输出码分布的直方图 a d c 中的这种噪声源是由热噪声和散射噪声，以及未被数字滤波器滤除的残余 量化噪声所产生。总噪声可看成是同进入理想无噪声a d c 中的输入信号相加的输入 噪声源，称为输入折合噪声或有效输入噪声，噪声呈高斯分布，因而可以确定出分 布的标准偏差，即有效值( r m s ) 噪声。 有效分辨率吲确定了输入折合噪声的特性，由式( 2 5 ) 确定 有效分辨率( 蹦。b ) - l 。科害雾蒜吕硒t ) ( 2 _ 5 ) 无噪声分辨率= l 。谣器】( b i t ) ( 2 6 ) 无噪声( n o i s c f r e e ) 分辨率，是输出单一代码时对应的分辨率。即对处于码中 心的直流输入总是得到单一代码输出分布，没有码闪烁( c o d ef l i c k e r ) ，又称峰峰分 华中科技大学硕士学位论文 辨率1 2 4 1 。 峰峰值噪声分布在有效值噪声的6 6 倍以内，因此式( 2 6 ) 无噪声分辨率可以 表示为 无噪声分辨率= 1 0 猷i 未器】( b i t ) ( 2 7 ) = 【有效分辨率- 2 7 2 】( b i t ) 式( 2 7 ) 表明无噪声分辨率是a d 转换器模拟输入信号量程、噪声系数幅值的 函数。实际使用a d c 器件，应提高a d c 电路的有效分辨率，使其最大限度地接近 a d c 器件自身的有效分辨率。还应指出，a d c 差动输入前端的外置模拟低通滤波器 和对a d c 输出数据取平均，能进一步降低输入折合噪声并提高有效分辨率。 2 4 量化误差和信噪比 理想的位模数转换器，模拟信号转变数字量的量化过程，对直流输入信号将 会产生量化误差，对交流输入信号将会产生量化噪声。图2 4 说明了3 位单极性a d c 习 祭 仆 巅 图2 4 模数转换器量化噪声的产生 量化噪声产生的原因。横坐标是模拟输入电压的相对值，纵坐标是经过采样量化的 数字输出量，以二进制0 0 0 1 1 1 表示。理想a d c 第一位的变迁发生在相当于1 2 l s b 的模拟电压值上，以后每隔i l s b 都发生一次变迁，直至距离满度的v f s r 1 2 l s b 。 因为a d c 的模拟输入可以是任何值，但数字输出是量化的，所以实际的模拟输入与 数字输出之间存在1 2 l s b 的量化误差。在交流采样应用中，这种量化误差会产生 1 2 华中科技大学硕士学位论文 量化噪声。 理想的位a d c 最大的量化误差值等于1 2 l s b ，当输入信号线性地由零点增 至满度时，量化误差电压呈现峰峰等于4 ( 即最小量化单位l s b 所对应的电压) 的 锯齿波信号。显然，量化噪声n 等于该锯齿波信号的有效值。 k = i ；f + - j q ) 。出= 盎 c ：剐 式( 2 8 ) 表明a i d 转换产生的量化误差是一种原理性误差，它只能减小而无法 完全消除。在实际使用中，a d c 的量化噪声与数据输出速率、输入信号幅度、有效 分辨率、谐波分量失真之间往往存在一定的相关性。 位的模数转换器，其理论信噪比可按如下方法求出 设a d c 的输入为一满量程的正弦波信号，则有 s n r = 2 0 l “嘣k ) 其中k ，“分别为信号和量化噪声的有效值电压。 设嵋，为信号的峰峰值，显然，= 2 k = 捂1 j b 吁j s i 2n 2 ( “+ 妒坤= 裳 所以， s n r = 2 0 1 9 2 ”q 2 4 2 瑶 , a 2 = 【6 0 2 n + i 7 6 ( r i b ) ( 2 9 ) ：a d 转换器位数。 式( 2 9 ) 第项表明转换器位数越高，也就是分辨率越高，量化电压越小，信 噪比越高。当信噪比改善( 或恶化) 约6d b 时，等效于转换器位数增加( 或降低) 一位。第二项与信号波形有关，对单一频率的正弦波为1 7 6 d b ，而对其它波形这一 项不同。若a d c 的噪声大于理论上的最小量化噪声i 2 ，则它的有效分辨率将小 于位。 华中科技大学顽士学位论文 定义过采样倍率k 为实际采样速率正与最高信号频率五f l q 二- 倍之比，即k = l 1 2 l 则对于满量程的正弦波信号，在过采样的情况下，理论信噪比为 s n r = 2 0 1 9 2 “q 2 4 2 q 4 1 2 k = 【6 0 2 n + 1 7 6 + 1 0 g q ( d b ) ( 2 1 0 ) ， = 【6 0 2 n + 1 7 6 + 1 0 1 9 ( 鲁) 】( d b ) 厶j 4 当k = 4 ，1 0 1 9 k = 1 0 1 9 4 = 6 0 2 由式( 2 1 0 ) 得知，。采样速率每增加4 倍，可以使信噪比提高6d b ，相当 于使a d c 提高了位分辨率。对比式( 2 9 ) 与式( 2 1 0 ) 可以得到个重要结论， 采用过采样倍率的a d 转换器，在同样输出位数的情况下，信嗓比高于积分型、 逐次逼近型a o 转换器。 2 5 小结 称重式发动机燃油消耗测量，根据式( 2 1 ) 差值计算等式，计算发动机瞬态油 耗、平均油耗。称重测量a d 转换器的数据采集和转换精度，直接影响发动机燃浊 消耗测量仪的测量精确度。 积分型、逐次逼近型、a 型a d 转换器，a d 转换过程由于存在噪声和失真 有效分辨率、峰一峰分辨率，低于额定输出位数的无失码分辨率。a d 转换正是 经历过采样、噪声整形、数字滤波、采样抽取，量化噪声被移至数字滤波器截止频 带之外。- a a d 转换提取频带内的有用信号，滤除频带之外的量化噪声和无用信 号，提高信噪比和有效分辨率。 1 4 华中科技大学顽士学位论文 3 测量方法研究 称重式发动机燃油消耗测量方法的研究内容，包括接口电路设计，零点、增益 数字校准，静态标定和动态测量a d 采集数据处理的控制算法。同传统的发动机燃 油消耗测量方法相比，研究内容体现了接口电路设计和数字校准的创新性研究成果。 3 1 取消前置放大器的模拟接口电路 测量电路a d 转换器与检测传感器接口，传统的设计方式需要设置前置放大器 或接口模块。e m e 4 0 2 发动机燃油消耗测量仪，在以往应用双积分型a d 转换器 i c l 7 1 3 5 或逐次逼近型a d 转换器a d 5 7 4 与称重传感器接口，采用仪表放大器 i n a l 2 9 组成前置放大电路( 图3 1 ) ，将称重传感器0 1 0 m v 的信号放大到i c l 7 1 3 5 的0 2 v 的接口电平信号或a d 5 7 4 的0 1 0 v 的接口电平信号。使用积分型和逐 次逼近型a d 转换器，a d 转换过程中产生的量化噪声不能去除。前置放大器在放 大检测信号的同时，也将混杂在输入信号中未被滤除的噪声电平放大，使a i d 转换 信嗓比受到影响。当流量液位信号低于满量程的2 0 时，检测传感器的小量程输入 信号容易淹没在噪声电平之中，造成测量精度急剧下降。此外，前置放大器对零点、 增益、基准电压模拟参数的校准精度有苛刻要求。 图3 1 使用前置放大器的模拟接口电路 在图3 1 使用前置放大器的模拟接口电路中，a d 转换器i c l 7 1 3 5 基准电压与激 励电压存在非比率关系，a d 转换输出码对传感器激励电压的变化非常敏感。由于 华中科技大学硕士学位论文 a d 输出数字码d o l r r 是转换器的输入a i n 与其基准电压v r e f 之比的函数，激励电压 的任何变化都会导致由a d c 检测的模拟输入电压的变化，a d 输出将反映激励电压 的变化。在非比率工作方式，激励电压引起的变化不但不会被消除，反而将在测量 中受到影响，因此要求使用高精确、精密且稳定的基准源和激励源。 发动机燃油消耗测量电路的研究设计，系统前端数据转换部分的核心a d 转换 器，选择“位可编程一a a d 转换器a d 7 7 3 0 。a a d 转换器的基本思想是采用 过采样技术，把更多的量化噪声压缩到a d 转换频带以外的高频区并由数字低通滤 波器滤除这些带外噪声。因而具有优良的噪声抑制能力，提高了a d 转换分辨率和 信噪比。a d 7 7 3 0 同时具备校准功能完善、输入量程动态范围广的前端处理系统，能 够直接接收传感器的低量程输入信号，无须任何附加的输入信号调理电路、前置放 大电路或接口转换模块。 3 2 数字校准取代模拟校准 传统的发动机燃泊消耗测量电路，从囤3 1 可知，零点、增益、基准电压校准， 完全依靠手动调整电位器的模拟校准方式，调整参数一直存在校准精度重复性、稳 定性差的弊端。 e m e 4 0 2 发动机燃油消耗测量仪零点、增益校准，通过单片机数字校准程序，控 制a d 7 7 3 0 片内校准微控制器执行内部校准，以消除芯片内部自身的零点和增益