智能化针阀升程测试系统的设计

智能化针阀升程测试系统的设计

由于粘度高、乳化性能差、燃烧不足、排放严重，血脂排放。为降低燃油消耗和尾气排放,达到国家规定的机动车“欧Ⅲ”排放标准,许多科技工作者在柴油机的燃烧室、气道、喷油器等各方面做了许多不懈的努力,取得了许多成果,但我国的柴油机油耗和排放与发达国家相比仍有一定的差距。随着传感器技术和电子技术的发展和普遍应用,用现代传感器技术和电子技术对喷油器的燃油喷射过程进行智能化自动测量已成为可能。为更好的研究喷油器的燃油喷射过程与燃烧室、气道的配合及混合气的形成过程,研制了一种喷油器针阀升程测试系统,以在线显示喷油器的燃油喷射规律。本文就喷油器针阀升程测试系统的设计进行了阐述。1测试系统的组成和硬件设计1.1理电路、卡片和usb接口喷油器针阀升程测试系统的组成如图1所示。它由针阀升程传感器、喷油压力传感器、喷油泵转速传感器、信号处理电路、单片机、显示器、微型打印机、键盘和RAM接口等组成。工作中,传感器所测得的信号送入信号处理电路,经信号处理后送入89C51单片机进行数据处理,计算出喷油器针阀升程高度、针阀开启持续时间、喷油器喷油压力等所测参数值,其结果可由LED显示器显示或由PP40打印机输出,也可存储到外部数据存储器RAM中。1.2磁敏元件的工作原理本系统的设计主要是针阀升程传感器的设计。由于本测试系统的特殊要求,必须根据喷油器的结构特点自行设计传感器。图2为传感器的结构,它由喷油器和磁阻式传感器两部分组成。喷油器由针阀、加长挺杆、调压弹簧、调压螺母、壳体等组成。磁阻式传感器由磁敏元件和环绕在磁敏元件四周的感应线圈组成。喷油器加长挺杆的一端与针阀连接,另一端相对于磁敏元件。磁敏元件采用高性能的SMR元件作为敏感元件,用于测量针阀喷油过程中的轴向动态位移。工作中,喷油器喷油时,针阀上下运动使挺杆与磁敏元件之间的间隙发生变化,引起磁路中的磁阻变化,从而引起通过线圈的磁通量发生变化。根据电磁感应定律,线圈两端的感应电势e正比于线圈磁通的变化率,即e=-N·dΦ/dt式中,N为线圈匝数;dΦ/dt为磁通变化率。当喷油器的喷油量和喷油压力不同时,挺杆的上下位移量与移动速度不同,线圈的感应电势不同,该电信号送入信号处理电路进行信号处理。传感器的磁敏元件与挺杆的间隙为2mm,通电后不喷油时,传感器输出4V直流电压;喷油时,输出叠加在直流电压上的交流信号,此交流信号即是随挺杆上下振动频率和振幅大小,输出相对应的振幅和频率波形的交变电压信号。传感器的基本性能指标:工作电压:DC12V(或5～24V电源无明显交流波动)。使用温度:-25℃～+75℃。测量振动频率范围:0.3～20kHz。输出信号:不喷油时,输出4V直流电压;喷油时输出叠加在直流电压上的振动位移交流信号;输出幅度最小值0.01V,最大值幅度可达5V以上。1.3压力传感器电路喷油压力的测试采用BPR-39/300型压力传感器。压力传感器安装在专用接头上(如图3所示),专用接头的一端与喷油泵相接,另一端与高压油管连接。工作中,高压油管中的压力信号由压力传感器测得并经放大器放大后送入A/D转换电路,转换成8位数字量,其数字量范围为0～255,由于压力传感器在0～30MPa内其电压保持线性变化,所以可得压力计算公式:p=A/D转换后的数字量×30/255。BPR-39/300型压力传感器性能指标为灵敏度:1～5mV/V。线性度(%):非线性:<0.5%RO额定值。1.4标准脉冲采样计数转速的测试采用原喷油泵试验台上的MJKN8-05BL2型磁电式转速传感器,传感器测得的信号经放大后成一标准矩形波,由单片机对标准脉冲采样计数,记录每秒钟的脉冲数即可得转速值。其公式为N=60n/T(r/min)式中,T为时间,s;n为脉冲数。MJKN8-05BL2型磁电式转速传感器的性能指标为工作环境温度:-25℃～+125℃工作环境湿度:35%～95%最大电源电流:<25mA电源反极电压:<-35V工作频率范围:0～50kHz重复定位精度:0.02mm2设计电源和信号源电路2.1系统采用交流方式系统供电方案由于本系统三种传感器来拾取信号,所需电源各不相同。其中,喷油压力传感器需+10V电源,转速传感器需+12V电源,针阀升程传感器需直流+5V电源,单片机需+5V电源。因此,系统采用了交流稳压的多路供电方案。稳压部分采用集成固定三端稳压块7805、7815。通过两片7805、7815稳压块得到喷油压力传感器所需的+10V电源,油泵转速传感器的+12V电压,针阀升程传感器的+5V电压,以及单片机所需的+5V电压。2.2a/d转换系统测量系统的信号处理电路有信号放大电路、A/D转换电路、输入输出接口电路等组成。本系统需采集三个信号,即油泵转速信号、喷油压力信号和针阀升程信号。其中针阀升程信号和喷油压力信号是模拟信号,在量程范围内保持线性变化,通过放大器放大后即可实现A/D转换所需的要求。油泵转速信号为脉冲信号,只需将信号放大、调节到满足单片机输入要求的TTL电平即可。3系统的软件设计软件用MCS-51系列单片机汇编语言编写。软件采用模块化设计方法,包括传感器信号采集、数据处理、转速同步显示等子模块程序,先分别编制调试好各子模块程序后联机通调。软件总体结构框图如图4所示。系统所有工作都是在键盘的控制下完成。将键盘管理程序设计成主程序模块,用来管理系统的工作,系统设置复位、转速、压力、升程、开始、结束、显示、打印、存储九个功能键,每个功能键都有相应的子程序,各子程序模块在键盘的控制下完成任务,任务完成后都将返回主程序,等待键盘的下一指令。其程序框图如图5所示。为实现动态显示,将显示程序设计成子程序,进行反复调用,每调用一次,缓冲区字符轮流显示一次,每个字符显示时间为1ms。4a/d转换电路为实现系统的低功耗设计,单片机芯片采用低功耗、高性能的AT89C51芯片。单片机的时钟产生方式采用内部时钟方式。单片机复位方式采用按钮电平复位。由于该测试系统需采集、记录、储存大量数据,所以用6264作为外扩数据存储器。因该系统的针阀升程信号为模拟信号,需将输出的电压信号转换为数字量才能被计算机处理。A/D转换芯片选择ADC0809,ADC0809是逐次逼近式8位A/D转换器,片内有八路模拟开关,可对八路模拟电压量实现分时转换。单极性输入量程0～5V。转换速度100μs。片内带有三态输出缓冲器,可直接与单片机的数据总线相连。外部时钟CLK为A/D转换器提供同步脉冲,最高工作频率为640kHz。键盘采用4×4简易键盘控制系统的工作状态。系统测试结果由LED组成的7段发光管显示器显示,或外接PP40C四色绘图打印机打印数据输出。5测试系统的试验分析5.1测量频率及振动在《JZY-Ⅲ型检测与转换技术实验台》上对针阀升程传感器进行了性能试验,其试验结果如下工作电压:DC12V使用温度:-25℃～+75℃测量振动频率范围:0.3～20kHz输出信号:不喷油时,输出4V直流电压;喷油时输出叠加在直流电压上的振动位移交流信号;输出幅度最小值0.01V,最大值幅度可达5V以上。5.2试验系统对喷油泵实验台的试验分析5.2.1喷油泵试验和稳压电源为了观测传感器输出信号的强弱及信号的灵敏度、精度等,将针阀升程传感器安装在喷油泵实验台上进行试验。试验是在12PSDB110型喷油泵试验台上进行的。喷油泵用BH2Ⅰ型喷油泵。将针阀升程传感器(喷油器)的开启压力调整为12.5MPa和17.5MPa。传感器的输出信号端与示波器的输入端连接,示波器为XJ420A型,该示波器具有信号输出和存储功能。电源采用12V直流稳压电源。试验装置如图6所示。5.2.2喷油持续和传感器输出电压的变化试验是在规定的起动、怠速、额定、校正状态下进行的,试验时的环境温度为296K。油温298K。其试验结果见图7～图8所示。由图7～图8各工况下的曲线可见:工作中,在挺杆上升,挺杆与磁敏元件的间隙逐渐减小时,因磁阻逐渐减小,感应电势迅速升高,曲线迅速上升,在稳定喷油阶段曲线基本处于平直状态,喷油结束后,针阀迅速落座,挺杆与磁敏元件的间隙迅速增大,磁阻增大,感应电势迅速减小,曲线下降。由图7～图8可见:各工况的喷油持续时间(曲线段)长短不同。在校正状态下因喷油时间较长,线段的持续时间变化较为明显。在额定状态下,因转速的提高单次喷油时间缩短,线段的持续时间缩短,喷油持续时间的线段变化不太明显。由图7～图8可见:各工况下的曲线并不平滑,特别是喷油阶段,曲线出现锯齿波,这是喷油泵实验台的电机磁场干扰所致。曲线是将传感器的输出信号直接输入示波器所测得的,未经滤波电路,滤波后曲线会平滑显示。喷油泵实验台的外干扰信号见图9所示。表1为各工况不同喷油压力下的喷油持续时间和传感器输出电压。由表1可见:在相同喷油压力下各工况的输出电压不同,额定状态下的输出电压最高,校正状态下的输出电压最低,这是因额定状态下的针阀运动速度较高,而校正状态下的针阀运动速度降低;在不同喷油压力相同工况下的输出电压不同,12.5MPa比17.5MPa的输出电压低,这是因喷油压力降低后针阀的移动速度降低,输出电压降低。6喷油器启动工况由上述试验结果可知:该传感器能够清楚地显示出喷油器针阀的喷油升程过程,对于研究喷油器的喷油过程和喷油规律,以及相配套的进气涡流和燃烧室结构提供了一定的依据。且该传感器具有响应速度快,测量范围宽,灵敏度高,具有快速、精确、可靠地检测喷油器的各阶段燃油喷射过程的特点。由表1可见:在喷油器的开启压力为12.5MPa和17.5MPa时,其怠速工况下的针阀开启持续时间最短,分别为55μs和50μs,校正状态下的针阀开启时间最长,分别为75μs和70μ