基于虚拟仪器技术的发动机曲轴位置传感器的信号采集系统设计

隋美丽，杨立平，王楠，任小龙

（北京电子科技职业学院汽车工程学院，北京 100176）

基于虚拟仪器技术的发动机曲轴位置传感器的信号采集系统设计

隋美丽，杨立平，王楠，任小龙

（北京电子科技职业学院汽车工程学院，北京 100176）

当曲轴位置传感器发生故障时，发动机出现启动困难，加速不良等问题，对曲轴位置传感器的检测需用示波器读取波形，传统的方式采用诊断仪读取传感器的波形，文章通过采用虚拟仪器软件设计出曲轴位置传感器的信号采集系统，结果表明该采集系统可以实时的读取信号的波形。

曲轴位置传感器；虚拟仪器；信号采集

CLC NO.:U463.8Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-121-03

前言

随着汽车电子技术的不断发展，汽车上的使用的传感器越来越多。传感器是一种能够测量到信息和数据，并将测量到的结果按一定规律转化成其他形式的信息进行传递的检测装置[1]。发动机曲轴位置传感器是传感器中具有代表性的传感器，其作用为检测发动机曲轴转速，并将转速信号转换成电信号，把该信号传给发动机电子控制单元（ECU），ECU根据传感器信号判断是喷油和点火的时刻，是发动机电控系统中非常重要的传感器之一，一般采用霍尔式、磁电式及光电式转速传感器[2]，因磁电式传感器具有较强的抗干扰能力、灵活性、稳定性和分辨力特点，多被应用到测量曲轴位置的传感器[3]。

当曲轴位置传感器发生故障时，发动机出现启动困难，加速不良等问题，对该传感器测量时须要读取信号波形的输出特性，传统方式一般采用示波器或诊断仪来读取波形。

LabWindows/CVI又称为虚拟仪器技术，是美国国家仪器公司提出来的虚拟仪器开发平台，包含了集成式开发环境、交互式编程方法和简单的用户界面设计，适用于测试测量、自动控制和信号分析等领域，目前虚拟仪器的应用已涉及到机械、电子、汽车制造、生物技术、化工等生产领域，本文通过采用虚拟仪器技术读取曲轴位置传感器的信号输出波形，用于实时读取检测传感器信号波形，可用于检测该传感器是否正常工作[4]。

1、曲轴位置传感器的工作原理

1.1 传感器的结构

磁电式曲轴位置传感器常安装在发动机曲轴后端，由信号轮和传感器组成，传感器采用模块化设计，主要由一个永久磁铁和永久磁铁上电磁感应线圈构成。信号轮为齿盘式，在圆周上均匀间隔制作58个凸齿、57个小齿和一个大齿缺，大齿缺所占弧度相当于两个凸齿和3个小齿缺所占的弧度，大齿缺输出基准信号，对应发动机1缸或者4缸压缩上止点的位置，用以判断曲轴转速和曲轴转角信号。当信号盘转动时，凸齿和齿缺交替变换，通过信号盘的磁通变化率交替变换，从而使线圈感应出交变电压，并通过线圈两端的信号线输出，因此该传感器为无源传感器，一般车用会有三根线引出，信号线，信号地，屏蔽线。其结构原理如图1所示。

图1 磁电式曲轴位置传感器结构示意图

1.2 传感器的工作原理

曲轴位置传感器是磁电传感器的一种，是以电磁感应为基本原理实现测量的，利用电磁线圈产生的脉冲信号来确定发动机的转速和汽车各缸的工作位置。磁电传感器的电磁感应定律为：

其中，E指感应电势，V；n是线圈匝数；φ是磁通量，WB；t是感应时间，s。由式中可以看出，感应电动势随着匝数的增多而变大，随着磁通的变化率变大而变大。线圈的磁通量和电动势的变化关系如图2所示。

图2 线圈磁通量和电动势的变化关系

随着发动机转速的提高，单位时间通过感应线圈的磁通变化量会增大，感应电压的幅值也会增大。

2、基于虚拟仪器技术的信号采集系统设计

本系统主要由两部分组成，一部分为数据采集模块的硬件部分，和被测对象曲轴位置传感器相连；另一部分为LabWindows/CVI实现的数据采集系统的软件部分，并通过PC机将采集的数据显示出来，系统组成框图如图3所示。

图3 系统组成框图

2.1 数据采集模块硬件的选择

本系统采用中科泛华测控技术有限公司公司生产的PS PXI-3321数据采集卡，PS PXI-3321提供8路16bit分辨率的同步模拟输入通道，单通道采样速率最高达500KS/s；提供板载低通滤波器，截止频率200KHz，可有效降低高频噪声并减少频率混叠，适用于高速连续数据记录、传感器信号采集等需要高通道的数据同步采集场合[5]。

2.2 数据采集系统软件的实现

本系统的主程序是采用LabWindows/CVI 2012为开发环境实现的，需完成测试通道的选择、数据采集、数据均值滤波处理、图形显示等功能，系统程序流程图如图4所示。根据香农采样定理，以发动机转速为3000转为例，设定采样频率为6MHz。

图4 数据采集系统流程图

3、曲轴位置传感器的信号测量

数据采集系统的测试是采用上海双旭电子有限公司生产的YB1602P函数信号发生器，用该信号发生器模拟曲轴位置传感器的输出波形为正弦波信号的特性，将其设置为4V的正弦直流电输出，将测试系统与信号发生器的信号输出端相连，进行数据采集，数据输出波形如图所示，该测试系统满足设计要求。

图5 数据输出波形

4、结论

发动机曲轴位置传感器是发动机电控系统中非常重要的传感器，本系统采用Labwindow/CVI虚拟仪器技术编写主程序，该系统利用信号发生器进行测试，结果符合信号发生的特点，该系统的设计需要进一步实车测量，测试信号采集系统的可靠性。

[1](英)Peter Elgar著.测控传感器.同长虹等译.北京：机械工业出版社,2008 .

[2]李宏.曲轴位置传感器和凸轮位置传感器常见故障及检修[J].农机使用及维修.2014.8：32-33.

[3]董辉,王泌宝,董南波.汽车用传感器第二版[M].北京：北京理工大学出版社,2013.8.

[4]王建新,隋美丽.虚拟仪器测试技术及工程应用[M].化学工业出版社,2011.

[5]泛华恒兴发布大容量高精度PXI多功能数据采集卡.电子测量与仪器学报：2013.6(27)：514.

图6 进气歧管方案比较

3、结论

本文运用BOOST对整机性能提升研究：

对于自然吸气汽油发动机，减小进气损失、排气背压均可提高发动机动力性、经济性。

凸轮型线优化过程及结果表明，高转速区域动力性提高势必会导致低转速区域动力性下降，反之同理。高低转速区域整机性能存在跷跷板关系，因此需要结合开发需要进行有的放矢的选择。

本文仅对整机外特性工况进行性能预测，没有考究各提升方案对怠速工况以及部分负荷工况的影响。而发动机部分负荷工况对于整车节油具有非常重要的实际指导意义，需要日后做进一步的研究。

参考文献

[1]廖祥兵,戴启清,胡小平等.汽车不同行驶模式下的经济性模拟计算[J].内燃机学报.2003.21(1)： 62－64．

[2]刘敬平,李迎春,夏孝郎等.对应于整车行驶循环的发动机简化工况点确定方法的研究[J].汽车工程,2003,33(7)：563-568．

[3]刘永长.内燃机原理[M].武汉：华中科技大学出版社,2001,172-179.

Design of signal acquisition system of engine crankshaft position sensor based on Virtual Instrument Technology

Sui Meili, Yang Liping, Wang Nan, Ren Xiaolong
（Beijing electronic technology Training college, Beijing 100176）

When the crankshaft position sensor fails, the engine difficult to start, bad acceleration problems, need to detect the crankshaft position sensor reads the oscilloscope waveform, the traditional way of reading sensor using diagnostic instrument waveform, through the use of virtual instrument software design a signal acquisition system for crankshaft position sensor. The results show that the system can real-time acquisition the read signal waveform.

Crankshaft position sensor; Virtual instrument; Signal acquisition

U463.8

A

1671-7988(2017)02-121-03

隋美丽（1978.11- ）女，讲师，博士。主要从事汽车电子、车辆工程等方面的研究。

北京电子科技职业学院 科技类重点基金（YZKB2014003）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.041