王立新，李榮廷

(河北科技大學(xué)機械工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

基于虛擬儀器LabVIEW的發(fā)動機臺架試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

王立新，李榮廷

(河北科技大學(xué)機械工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

發(fā)動機臺架試驗系統(tǒng)是測試發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性、可靠性的必要手段，其自動化水平與測試精度能夠直接影響試驗數(shù)據(jù)采集及分析處理的準確性?；谔摂M儀器LabVIEW設(shè)計了發(fā)動機臺架試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，硬件部分主要包括實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速、溫度、振動等信息獲取的傳感器，以及匹配傳感器的信號調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)采集卡；軟件部分是基于虛擬儀器LabVIEW編寫的數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序。調(diào)試運行結(jié)果表明構(gòu)建的發(fā)動機臺架試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速特性、負荷特性、振動等信息的準確采集并能在界面窗口直觀顯示，能夠滿足發(fā)動機性能測試過程中運轉(zhuǎn)特性參數(shù)信息準確獲取的需求。

發(fā)動機臺架試驗；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；LabVIEW；性能測試；轉(zhuǎn)速特性

發(fā)動機臺架試驗是用科學(xué)試驗的方法來揭示發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性、可靠性、耐久性等性能的主要途徑，是發(fā)動機性能測試的主要基礎(chǔ)。在發(fā)動機的開發(fā)研制及使用過程中，發(fā)動機臺架試驗環(huán)節(jié)對于發(fā)動機理論研究、新產(chǎn)品設(shè)計制造都發(fā)揮著重要作用[1-4]。同時，發(fā)動機臺架試驗?zāi)軌蛑庇^揭示發(fā)動機性能參數(shù)的檢測方法與獲取途徑，有助于發(fā)動機整體結(jié)構(gòu)與工作原理的直觀闡釋。因此，設(shè)計發(fā)動機臺架試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)發(fā)動機整體性能參數(shù)的準確獲取與分析處理，無論是對于高性能發(fā)動機的研發(fā)，還是對于實踐教學(xué)都具有重要意義。

在發(fā)動機臺架試驗中，需要同時檢測轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率、油耗等多個相關(guān)參數(shù)并記錄各個時刻的參數(shù)信息。目前現(xiàn)存發(fā)動機試驗臺架試驗系統(tǒng)的自動化程度較低，在試驗過程中需要實驗員作相應(yīng)的記錄，不可避免地引入操作誤差，造成測試精度不高及實時性、穩(wěn)定性不強等問題[5-8]。虛擬儀器技術(shù)是計算機技術(shù)與測試技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其實質(zhì)是基于計算機強大的軟件功能實現(xiàn)由I/O接口設(shè)備采集數(shù)據(jù)信息的分析處理和運算，利用計算機顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板并以多種形式直觀顯示和輸出檢測結(jié)果。虛擬儀器技術(shù)已逐步應(yīng)用于發(fā)動機運行參數(shù)檢測和測功機控制、發(fā)動機缸壓和振動的測量、ECU檢測及模擬，以及與發(fā)動機性能檢測相關(guān)的其他方面[9-15]。

本論文基于虛擬儀器LabVIEW設(shè)計了發(fā)動機臺架試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要包括獲取發(fā)動機轉(zhuǎn)速、溫度、振動等信息的傳感器的選擇及相應(yīng)信號調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)采集卡的匹配選取。基于LabVIEW編寫了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序，用以實現(xiàn)發(fā)動機主要性能參數(shù)的準確采集、分析處理與直觀顯示。對設(shè)計的發(fā)動機臺架試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了運行調(diào)試，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動機性能測試過程中對運行特性參數(shù)的準確采集。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計配置與實現(xiàn)

1.1傳感器的選擇與固定安裝

發(fā)動機臺架試驗過程中需要獲取轉(zhuǎn)速、進排氣溫度、冷卻液溫度、缸體振動等信息，以此量化表征發(fā)動機的轉(zhuǎn)速特性、負荷特性、燃油經(jīng)濟性等。針對所要采集的發(fā)動機運行特性信息，需結(jié)合發(fā)動機運轉(zhuǎn)特性與工作環(huán)境合理選取傳感器，實現(xiàn)各種信號的準確、可靠采集。

1.1.1 轉(zhuǎn)速傳感器的選取

轉(zhuǎn)速是表征發(fā)動機運行狀況的重要參數(shù)，可用于計算發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩、有效功率，還可判定發(fā)動機工況的穩(wěn)定度。目前普遍采用磁電式傳感器測量發(fā)動機轉(zhuǎn)速，此類型傳感器能夠把發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘?yīng)電動勢，屬于機械能—電能的變換型傳感器。在發(fā)動機輸出軸上安裝齒數(shù)均勻分布的導(dǎo)磁齒盤，將由鐵芯、磁鋼、感應(yīng)線圈等部分組成的磁電式傳感器固定在導(dǎo)磁齒盤的正對面，發(fā)動機運轉(zhuǎn)帶動導(dǎo)磁齒盤轉(zhuǎn)動，引起傳感器感應(yīng)線圈中磁力線的產(chǎn)生，處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的導(dǎo)磁齒盤齒輪切割磁力線，從而最終導(dǎo)致感應(yīng)線圈中感應(yīng)電動勢的產(chǎn)生。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器輸出的感應(yīng)電動勢正比于發(fā)動機轉(zhuǎn)速，即轉(zhuǎn)速越大，感應(yīng)電動勢越大[16]。依據(jù)發(fā)動機臺架試驗系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速的測試范圍與精度要求，以及綜合考慮發(fā)動機運轉(zhuǎn)工況及工作環(huán)境，選擇CDG02B-A型磁電式轉(zhuǎn)速傳感器作為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測試傳感器，其主要性能指標如表1所示。

表1 磁電式轉(zhuǎn)速傳感器CDG02B-A主要性能指標Tab.1 Performance parameter of magneto-electric tachometric transducer CDG02B-A

1.1.2 溫度傳感器的選取

發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，溫度信息是反映發(fā)動機熱負荷狀態(tài)的重要參數(shù)。發(fā)動機臺架試驗過程中，需要實時監(jiān)測發(fā)動機冷卻液溫度及進排氣溫度等，以便獲取用于量化發(fā)動機工作性能指標的參數(shù)信息。目前普遍使用NTC(negative temperature coefficient)熱敏傳感器測試發(fā)動機運轉(zhuǎn)時的冷卻液溫度及進排氣溫度。NTC熱敏傳感器是指具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻器，其以錳、鈷、鎳等金屬氧化物為主要材料，采用陶瓷工藝制成。熱敏電阻器具有半導(dǎo)體性質(zhì)，能夠吸收周圍熱源的輻射并表現(xiàn)出熱敏材料阻值的變化，因具有較好的響應(yīng)特性、較高的靈敏度及測試精度等特點而被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜工況下的溫度測量[17]。選擇VT340R0型熱敏電阻作為系統(tǒng)的溫度信息采集傳感器，主要參數(shù)如表2所示。

表2 熱敏電阻傳感器VT340R0主要性能指標Tab.2 Performance parameter of thermistance sensor VT340R0

1.1.3 振動傳感器的選取與安裝

發(fā)動機振動信息能夠反映運轉(zhuǎn)狀態(tài)與評價發(fā)動機性能，振動幅值超出合理范圍預(yù)示發(fā)動機故障的出現(xiàn)，獲取發(fā)動機振動信息是發(fā)動機臺架試驗數(shù)據(jù)采集的重要環(huán)節(jié)。發(fā)動機振動信號具有頻率范圍寬(10～1 000 Hz)、振動加速度范圍廣(0～100 m/s2)、機體溫度較高(70～80 ℃)等特點，因而對振動信號的測試較為困難[18]。針對發(fā)動機振動信號的特征及測試環(huán)境的惡劣程度，采用壓電式加速度傳感器作為系統(tǒng)的振動信號采集傳感器。該傳感器基于壓電效應(yīng)，能夠感受發(fā)動機的振動并將其轉(zhuǎn)換成電參量變化。當(dāng)被測發(fā)動機振動頻率遠小于傳感器的固有頻率時，傳感器輸出電參量的變化正比于發(fā)動機振幅的變化。該系統(tǒng)采用壓電式加速度傳感器DTS0103獲取發(fā)動機振動信息，其主要性能指標如表3所示。發(fā)動機氣門閥座力、氣缸內(nèi)燃氣壓力及慣性力、進排氣力，以及主軸及其附屬零件的承載力最終作用于缸蓋上并引起了缸蓋表面振動，因此采用永久磁鐵固定法將傳感器安裝于發(fā)動機缸體頂蓋上。

表3 壓電式加速度傳感器DTS0103主要性能指標Tab.3 Performance parameter of piezoelectric accelerometer DTS0103

注：g為重力加速度。

1.2傳感器輸出信號調(diào)理模塊配置

傳感器獲取的發(fā)動機運轉(zhuǎn)特性信號多為摻雜干擾噪聲的毫伏級電壓或毫安級電流，需要進行調(diào)理，以便準確獲取發(fā)動機運轉(zhuǎn)特性信息。信號調(diào)理模塊可對摻雜干擾噪聲的微弱傳感器輸出信號進行去噪、濾波、放大等處理，轉(zhuǎn)換成能夠滿足數(shù)據(jù)采集卡采集量程的伏級電壓信號。經(jīng)過比較分析，選擇美國NI公司的SCXI-1520作為發(fā)動機臺架試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳感器輸出信號的調(diào)理模塊。SCXI-1520具有8路同步采樣模擬通道，通道激勵電壓為0～10 V，通道增益最高可達1 000，可完成對1/4橋、半橋和全橋式應(yīng)變片式傳感器輸出信號的調(diào)理。

1.3數(shù)據(jù)采集卡選擇

數(shù)據(jù)采集卡能夠使信號調(diào)理模塊輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成計算機程序能夠識別的數(shù)字信號。為使發(fā)動機臺架試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的發(fā)動機運行特性信息精度不受采集卡分辨率的影響，選擇性能較好的美國NI公司的PCI-6221作為完成A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集卡。該型號數(shù)據(jù)采集卡的輸入和輸出電壓最大范圍為±10 V，輸入和輸出分辨率為16 bits，采樣頻率最高250 kHz，輸入電壓的分辨率0.03 mV，能夠同時采集8路模擬信號。

2 發(fā)動機臺架試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序編寫

2.1LabVIEW軟件簡介

基于虛擬儀器技術(shù)及其開發(fā)語言LabVIEW編寫了發(fā)動機臺架試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序。虛擬儀器技術(shù)可由用戶自己定義通用儀器系統(tǒng)，功能靈活且容易構(gòu)建，符合國際上流行的“硬件軟件化”趨勢，因而廣泛用于測量、檢測、控制等領(lǐng)域。LabVIEW是由美國NI公司推出的虛擬儀器開發(fā)平臺，以計算機強大的圖形化編程語言(G語言)實現(xiàn)信號采集處理分析與界面顯示程序的高效編寫[9,19]。

2.2程序總體設(shè)計方案

發(fā)動機臺架試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序應(yīng)采用模塊化設(shè)計，以方便程序的擴展與維護修改。同時需要使程序具有良好的操作性能，以降低操作人員運行程序時對專業(yè)知識的要求；需要采用圖標控件或菜單實現(xiàn)人機對話，以增強程序的操作簡便性；需要具有一定的試驗狀態(tài)檢測與程序診斷功能，便于程序出現(xiàn)運行故障時能夠及時保存采集的發(fā)動機運行特性參數(shù)信息。

圖1 發(fā)動機臺架試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序功能流程圖Fig.1 Program flow chart of data processing and displaying program in engine test-bed experiment data acquisition system

基于上述原則，制定發(fā)動機臺架試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序功能流程圖，如圖1 所示。該程序的主要任務(wù)是按既定采樣頻率實現(xiàn)信號調(diào)理模塊輸出傳感器信號的采集與分析處理，繪制發(fā)動機運行特性信息曲線并在界面窗口顯示，以便直觀檢測發(fā)動機運行過程中特性參數(shù)的變化與表征發(fā)動機運行性能。采樣完成時，該程序還應(yīng)完成采集數(shù)據(jù)的讀取存儲和所繪制發(fā)動機運行特性曲線的存儲。

2.3數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序編寫

數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序的編寫應(yīng)簡潔、直觀和有效地顯示發(fā)動機臺架試驗過程中運行特性參數(shù)，還應(yīng)具有操作簡便性?；谏鲜鲈瓌t，在虛擬儀器LabVIEW環(huán)境下編寫了發(fā)動機的轉(zhuǎn)速特性與負荷特性、振動特性等信息采集及界面顯示程序。

2.3.1 發(fā)動機轉(zhuǎn)速特性和負荷特性信息采集及界面顯示程序

發(fā)動機轉(zhuǎn)速特性和負荷特性用于確定發(fā)動機的合理標定轉(zhuǎn)速與常用轉(zhuǎn)速范圍，以及用于確定發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性，是表征發(fā)動機運轉(zhuǎn)性能的重要信息。發(fā)動機轉(zhuǎn)速特性和負荷特性數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序包含前面板程序和主程序兩部分，前面板程序可劃分為轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、溫度、功率、耗油量、燃油消耗率等數(shù)據(jù)信息的界面顯示程序(見圖2)及轉(zhuǎn)速特性曲線、負荷特性曲線的繪制與界面顯示程序(見圖3、圖4)，主程序主要涉及采集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與分析處理(見圖5)和數(shù)據(jù)曲線圖的存儲(見圖6)。

發(fā)動機臺架測試試驗開始，開啟數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序，傳感器組采集轉(zhuǎn)速、溫度、功率、耗油量、燃油消耗率等發(fā)動機運行特性信息，經(jīng)信號調(diào)理模塊調(diào)理后輸入數(shù)據(jù)采集卡完成A/D轉(zhuǎn)換；系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序能夠獲取離散的發(fā)動機運行特性信息并將其實時顯示在界面窗口，并完成轉(zhuǎn)速特性曲線、負荷特性曲線的繪制。測試試驗結(jié)束時點擊程序停止按鈕，程序能夠?qū)?shù)據(jù)組及曲線圖存儲到指定的文件夾，然后關(guān)閉程序完成測試任務(wù)。

圖2 發(fā)動機運行特性參數(shù)顯示界面Fig.2 Displaying interface of engine operating characteristics parameter

圖3 發(fā)動機轉(zhuǎn)速特性曲線圖繪制顯示界面Fig.3 Graphing and displaying interface of engine rotating characteristics

圖5 發(fā)動機運行特性數(shù)據(jù)處理與界面顯示主程序Fig.5 Main program of engine operating characteristics parameter processing and displaying interface

圖6 發(fā)動機運行特性數(shù)據(jù)組與曲線圖存儲主程序Fig.6 Main program of engine operating characteristics data group and graphs storage

2.3.2 發(fā)動機振動信息采集及界面顯示程序

發(fā)動機振動信息的有效采集可以直觀反映發(fā)動機運轉(zhuǎn)性能，振動信號幅值超出合理范圍預(yù)示著發(fā)動機故障的出現(xiàn)。發(fā)動機振動信號采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序主要包括用于顯示發(fā)動機運行過程中振動信息的前面板程序(見圖7)和用于振動信息分析處理及存儲的主程序(見圖8)。

圖7 發(fā)動機振動特性曲線圖繪制顯示界面Fig.7 Graphing and displaying interface of engine vibration characteristics

圖8 發(fā)動機振動特性數(shù)據(jù)處理與界面顯示主程序Fig.8 Main program of engine vibration characteristics parameter processing and displaying interface

啟動發(fā)動機臺架試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件部分，同時啟動振動信息數(shù)據(jù)處理及顯示程序，前面板程序的采樣指示燈變亮，開始采集發(fā)動機振動信息。壓電式加速度傳感器獲取發(fā)動機振動信息并輸出毫伏級電壓信號，經(jīng)信號調(diào)理模塊調(diào)理轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)采集卡能夠辨別處理的伏級電壓信號，數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序按既定采樣頻率采集經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，通過主程序分析處理后在界面窗口以曲線圖形式實時顯示。發(fā)動機振動信息采集任務(wù)結(jié)束，點擊前面板的停止按鈕，程序?qū)⒄駝有畔⑶€圖存儲到指定文件夾，然后關(guān)閉程序結(jié)束采集任務(wù)。

3 發(fā)動機臺架試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序調(diào)試

針對編寫的發(fā)動機臺架試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序，進行了發(fā)動機運轉(zhuǎn)負荷特性的耗油量-功率、發(fā)動機振動信號信息的采集，以檢驗程序的功能。

啟動發(fā)動機臺架試驗系統(tǒng)，預(yù)熱發(fā)動機約20 min，固定發(fā)動機轉(zhuǎn)速在1 800 r/min(<5%誤差)，將發(fā)動機負荷依次調(diào)整至標準負荷的10%，20%，…，100%。對于每次工況，采集發(fā)動機的耗油量-功率信息，獲取發(fā)動機運轉(zhuǎn)負荷特性信息并在界面窗口顯示(見圖9 a))，存儲到指定文件夾的發(fā)動機運轉(zhuǎn)負荷特性曲線如圖9 b)所示。發(fā)動機臺架試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠準確獲取發(fā)動機運轉(zhuǎn)負荷特性的耗油量-功率信息并在界面窗口以曲線形式直觀顯示，所采集的耗油量-功率信息能以圖像形式保存到指定文件夾。

圖9 發(fā)動機運轉(zhuǎn)負荷特性耗油量-功率信息Fig.9 Information on oil consumption-power of engine operating loading characteristics

啟動發(fā)動機臺架試驗系統(tǒng)，預(yù)熱發(fā)動機約20 min，設(shè)定發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 200 r/min。發(fā)動機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生振動并傳遞到氣缸頂蓋，固定在頂蓋表面的壓電式加速度傳感器采集發(fā)動機振動信息并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)信號調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)采集卡傳遞到發(fā)動機臺架試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在界面窗口以曲線圖形式實時顯示發(fā)動機振動信號(見圖10 a))，程序保存的發(fā)動機振動信息圖像如圖10 b)所示。對于所要采集的發(fā)動機振動信號，程序按照振動信號幅值的大小將振動信號劃分為3個等級，即振動正常、振動稍大、振動過大。對采集的發(fā)動機振動信號，程序?qū)雌鋵崟r幅值自動評定并在界面窗口顯示所屬等級。

圖10 發(fā)動機振動信息Fig.10 Vibration information of engine

4 結(jié) 語

發(fā)動機臺架試驗是獲取用于量化表征發(fā)動機運轉(zhuǎn)性能參數(shù)信息的重要途徑，基于虛擬儀器LabVIEW設(shè)計構(gòu)建了發(fā)動機臺架試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件部分主要包括用于采集發(fā)動機轉(zhuǎn)速、溫度、振動等信息的傳感器選取，以及傳感器輸出信號調(diào)理模塊與數(shù)據(jù)采集卡的匹配；基于LabVIEW編寫了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序。以發(fā)動機負荷特性、振動特性等信息的采集為例，對發(fā)動機臺架試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了運行調(diào)試，結(jié)果表明系統(tǒng)能夠準確獲取發(fā)動機運行特性參數(shù)信息并能在界面窗口直觀顯示，能夠準確獲取發(fā)動機性能測試的參數(shù)信息。

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Design of engine test-bed experiment data acquisition system based on virtual instrument LabVIEW

WANG Lixin, LI Rongting

(School of Mechanical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang Hebei 050018, China)

Engine test-bed experiment system is an essential approach to measure dynamic property, economic performance and reliability of the engine, and the automaticity and accuracy directly influences the exactitude of acquired and analyzed data. In this paper, engine test-bed experiment data acquisition system is designed based on virtual instrument LabVIEW. Hardware of this system consists of sensors which is used to obtain engine information of rotation, temperature and vibration, as well as of the signal conditioning module and data acquisition card which match the sensors properly. Data processing and interface displaying software are programmed based on LabVIEW. Debugging results confirm that the engine test-bed experiment data acquisition system can accurately acquire the information of engine rotation characteristic, load characteristic and vibration, as well as intuitively display the obtained information, therefore, the system satisfies the accuracy acquisition of operation parameters during testing engine operating functions.

engine test-bed experiment; data-acquisition system; LabVIEW; performance test; rotation characteristic

2013-11-01；

2013-12-10；責(zé)任編輯：馮 民

國家自然科學(xué)基金(51205107)；河北科技大學(xué)教學(xué)改革研究項目

王立新(1981-)，男，山東日照人，講師，博士，主要從事機械仿生及摩擦學(xué)方面的研究。

E-mail:ck_021@tom.com

1008-1542(2014)02-0109-09

10.7535/hbkd.2014yx02001

TK422

A

王立新，李榮廷.基于虛擬儀器LabVIEW的發(fā)動機臺架試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].河北科技大學(xué)學(xué)報,2014,35(2):109-117.

WANG Lixin, LI Rongting.Design of engine test-bed experiment data acquisition system based on virtual instrument LabVIEW[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2014,35(2):109-117.