瞬时转速测量系统的分析研究

忸酬’佤｛匿　摘要：给出一种磁电式内燃机瞬时转速坝ｆ量的虚拟仪器，在简单介绍其工作原理和构成的基础上，详细分析了磁电　式转速浸Ｉ量系统所固有的测量误差。　关键词：瞬时转速；测量；误差；内燃机　中图分类＂￣：ＴＫ４０Ｉ　文献标识码？Ａ　文章编号：１０００－６４９４［２００２）０３—００２３—０３　Ａｎ　Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ｅｌｒｒｏｒ　ｔｏ　Ｍｅａｓｕｒｅ　ｔｈｅ　Ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ　Ｓｐｅｅｄ　ｏｆ　Ｉ．Ｃ．Ｅｎｇｉｎｅ　ＤＯＮＧＤａ—ｗｅｉ，ＹＡＮＢｉｎｇ，［ＶｉＡ　Ｈｏｎｇ—ｂｉｎｇ，ＴＡＮＤａ—ｒｎｉｎｇ　（Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００３１，Ｃｈｉｎａ）　ＡｈｓＵ＇ａｃｔ：Ａ　ｖｉｒｔｕａｌｉ￣ｍａｍｅｎｔｍｅａｓｕｒｉｎｇｔｈｅｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ　ｓｐｅｅｄ　ｏｆＩ　Ｃ．ｅｎｇｉｎｅｉｓ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｎｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ　ｐ　ｎｄｐＩｅ，　ｔｈｅ　ｓ＇ａ＇ｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｄｃ￣。ｆ　ｔｈｅ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｉｎｓｔｒｍ￣ｅｎｔ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．，Ｔ　ｈＬｅ　ｍｅａｓａｍｎｇ　ｅｒｒｏｒ　ｏｆ　ａｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｓｐｅｅｄ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ】ｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｐａｒｔｉｃｕｔａｒｔｙ　Ｋｅｙ　ｗ０ｒ出：ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ　ｓｐｅｅｄ；ｍｅａｓｃｃｒｍ￣ｔ；ｅｒｒｏｒ；Ｉ　Ｃ　ｅｎｇ【ｎｅ　内燃机在稳定运转时，虽然其平均转速不变，但　瞬时转速却是波动的。假设有一个各缸工作状况绝　对一致的理想的多缸内燃机，尽管它的每个缸都应　１　系统的基本工作原理及构成　设在被测轴系上安装了齿数为Ｎ的齿盘（每个　齿对应的角度为　＝２ｎ／Ｎ），轴系转动ｒ周（ｒ与　发出相同的扭矩，但各缸的工作冲程却分别在不同　的时刻进行。当某～个气缸处于燃烧膨胀过程时，　它就有扭矩施加在曲轴上，因而曲轴转速增加。反　冲程数有关，对二冲程内燃机ｒ＝１，对四冲程内燃　机，ｒ＝２）的平均时间为Ｔ（转动一个齿的平均时间　之，当它处于吸气、压缩及排气过程时，就需要曲轴　推动活塞，因而曲轴转速降低。转速波动的情况，取　决于内燃机的冲程数、缸数以及排列形式。对于一　个直列Ｌ缸的四冲程内燃机而言，在一个工作循环　ｆ＝Ｔ／（Ｎ・ｒ），其平均角速度为二＝２ｎ／Ｔ或日０　０。　当测出轴系转过第ｉ个齿和第ｉ十１个齿之间的时　间差为△“则￡　时刻瞬时转速为：　＝０ｏ／Ａｔ　＝　内，它的转速应变化Ｌ次，其周期按曲轴转角计则　为７２　／Ｌ。而在实际的内燃机上，由于各缸工作不　可能绝对一致，它们发出的扭矩不可能完全一样，所　以在内燃机的一个工作循环内，其瞬时转速曲线上　（１）　’　袅　．（２）　的各个波形不尽相同。正是这种瞬时转速曲线，含　有丰富的信息，可以广泛地应用于内燃机故障诊断　及控制中　Ｊ。所以，准确测量内燃机瞬时转速，　式中，　｛．ｄａｔ　，ｔｉ　享　血　测量系统由传感器部分、计算机插卡和软件包　等３个基本部分组成。　研究分析产生其测量误差的原因，以便提高测量精　度，具确　分重要的意义。　作者简介：董太伟（１９６３一）．男．四川人，副教授，硕士　ａ．传感器：采用装在轴系上一齿盘旁的一个或　两个电磁式传感器。其作用是将轴系的转速变化转　变成电信号周期的变化，轴每转动一个齿，传感器输　出的电压信号就变化一个周期。轴系在旋转时，若　匀速转动，则轴的各瞬对速度都等于其平均速度，这　样，传感器输出的每齿一个脉冲信号的重复周期是　・主要从事内燃机故障诊断方面莳研究。　收稿日期：２００２—０Ｉ一１４　内髂机２００２年第３期　２３・　维普资讯 http://www.cqvip.com

检测・试验　相同的。而当轴系非匀速转动时，则相当于在其平　２．１测量齿盘加工误差　均速度基础上叠加了一个波动速度。于是传感器输　出的脉冲序列就不再是均匀间隔的了，而是一个载　前述测量原理中，是假定齿盘各齿间的齿间距　均匀相等，而实际齿盘制造中总存在分齿误差，导致　齿间距不均匀。当被测轴匀速转动时，测量的结果　不是一条直线，而是随分齿误差分布情况而变化的。　这部分误差叫做分齿误差引起的测量误差Ｅ　。设　齿轮的分度误差为△Ｗ，则　波频率被波动速度信号调制的调频信号。　ｂ．计算机插卡：其功能是用硬件方法精确测出　传感器输出电信号的周期及其变化规律。传感器输　出电压信号经过光电隔离、限幅、放大、整形、单稳等　电路后变成ＰＰＭ信号（即定幅、定宽的脉冲位置凋　制信号）Ｖｓ。用ｖｓ的上升沿（对应着齿盘上某一齿　正好转过传感器的时刻）作为有效沿去申请中断，将　计数器当时的输出值ｋ　记录于锁存器中，并使状态　字有效；且当状态字有效时，计算机读取锁存器的　值，读完后使状态字无效，计数器初期为２　一１（计　数器在最先初始化时，也置为２　一１）。该过程持续　下去，直到计算机得到所需的数据点数后停止。　设高频晶体振荡器的频率为　，程控分频器的　分频数为ｄ，则轴转过一个齿的时间（即相邻两次　Ｖｓ上升沿所对应的时间差）血，为　血　：（２　一ｌ—ｋ　）・７ｄ　（３）　Ｊｆ　将式（３）代人式（１）和式（２）即得ｔ　时刻（即轴　转过第ｉ个齿时）的瞬时转速。　由于在内燃机转动状况的应用中，常常需确定　所测瞬时转速中上止点位置，或者要求测试从上止　点开始。所以从上止点传感器输出的电压信号同样　经光电隔离、放大、限幅、整形、单稳等电路后送ＰＩＯ　端口，前述测量过程必须在该端口信号的上升沿才　开始进行。　ｃ．软件包：其功能是实现瞬时转速的计算，数　据预处理，数据分析等。数据预处理的目的是降低　测量误差，主要有时域平均、低通滤波、剔出错点、双　传感器处理方法等。　２系统测试误差的分析研究　系统测量误差一方面来自传感器部分（包括齿　盘的加工误差，齿盘的安装偏心误差等），另一方面　来自于计算机插卡硬件及测试软件部分（如：放大倍　数、触发电平、计数频率、中断等待、频响等都会给测　量带来误差）。下面就影响测量精度的主要因素进　行分析研究。　・２４・　Ｅ　＝１一　（４）　式中，Ｒ为测量点盘半径。准确地讲，Ｒ应为　测量齿盘中心与磁电传感器之阈的距离。　表１给出６～９级加工精度的测量齿盘引起的　测量误差Ｅ　。　表１　６～９级测量齿盘引起的误差Ｅ　％　直径＼情度等级　（一）模数＼＼　６　７　８　９　１２５～４００　１～３　５　０　２３３　０．３３９　０　４６７　０　６７９　ｌ～３．５　０　１２４　０　１７２　０　２３９　０　３４４　４００～８００　３　５～６．５　０　１２７　０　１８９　０　２５５　０　３６４　６．５～１０　０　０８８　０．１２２　０　１４７　０　２４５　注：假设齿数为１２０。　此外，齿轮外圆的椭圆度误差，会影响每齿经过　传感器时的感应电压的幅值，如计算经过两齿间的　时间时采用峰值处理法，就可减小这部分误差的影　响。　２．２测量齿盘安装误差　在齿盘安装误差中，直接影响测量精度的为测　量齿盘安装偏心误差。下面分析推导中，假定仅有　安装偏心误差。　如图１，Ａ为齿盘的旋转中心，０为其几何中　心，安装偏心距为ＯＡ＝ｅ。若ｅ：０，即无偏心的存　在，则　ＢＡＣ＝　ＢＯＣ＝２，＇ｒ／Ｎ＝０，ｏ，传感器经过两　齿的时间间隔△ｔ可测出，则瞬时转速为　＝　ＢＡＣ／Ａｔ＝０　／Ａｔ。但是，当ｅ＃－Ｏ时，　ＢＡＣ≠　Ⅸ）ｃ＝０Ⅲ．　ＢＡＣ的大小可由下列推导而得：　在／＇ｘＯＢＣ中．ＯＢ＝ＯＣ＝Ｒ　ＢＣ＝、　２Ｒ　一２Ｒ　∞ｓ瓯　在ＡＡＣＯ中，ｓｉｎ￣／ＡＣＯ：　＾　从Ｎ￣ＡＯＣ＝　一￣ＡＣＯ＝　一ａｒｃｓｉｎ（　１　聍燃机２００２年第３辅　维普资讯 http://www.cqvip.com

图１偏心安置模型　ＬＢＣＡ＝　＋ＬＡＣ￣９：要　—　ａｒｃ一　ｓｉｎ（　）　Ａ０Ｂ＝　ＡＯＣ＋　ＣＯＢ　一ａｒｃｓｉｎ（　）＋　在△ＡＢｏ中，　：ｖ／Ｒ２＋．Ｐ２二２ＲｅｃｏｓＬＡＯＢ　在△ＡＨｃ中，ｓｉｎＬＢＡＣ＝面ＢＣｓｉｎ／＂ＢＣＡ　ｓ—＝＿ｎ［＝＝＝詈一＝＝譬＋ａ＝＝＝＝＝＝ｒｃｓｉｎ＝＝＝＝　＝＝＝＝＝，／＝＝＝—２－＝＝＝＝２ｃ—ｏｓＯ，，　　／Ｒ　＋　一Ｎ，２Ｒｅｃｏｓ［一ａｒｃｓｉｎ（！　Ｒ　）＋　］　设偏心度ｅｐ　ｅ，则　Ｋ４Ｃ＝　孚＋　（　）］・厢］　１＋　ｊ一２ｅｐｍｓ［９一ａｒｃｓｉｎ（ｅｐｓｉｎｆ）＋　］　（５）　故而测量误差Ｅ　为　ａｒｃｓｍＩ　ｎ［专一譬＋　ｎ｛　）］　佩、　√１＋　ｊ一２ｅ　∞：Ｐ一　（　ｆ）＋　］ｊ　ｆ６　测量误差￡　的大小随　的变化关系见图２。　４　３　ｚ　Ｉ　图２测量误差Ｅ眦的太小随　的变化关系　电肚机２ｏ０２年第３期　检测・试验　２．３测量软硬件误差　从磁电传感器到输出瞬时转速之间的一切误　差，包括计数量化误差，磁电传感器和计算机插卡硬　件频响、放大倍数和触发电平、计数频率、中断等待　等造成的测量误差，统称为测量软硬件误差Ｅ　。其　中磁电传感器和计算机插卡硬件频响、放大倍数和　触发电平、计数频率、中断等待等造成的误差很小，　一般在万分之一以下。而计数量化误差　为　Ｅ　＝　（７）　当　ｌ４－３２　ＭＨｚ，　５０００　ｒ／ｒａｉｎ，Ｎ　１２（】　时，Ｅ　仅为０．０６９８％，况且因Ｅ　是随机时，可采用　多次平均的方法减少这部分误差的影响　Ｊ。　３结论　ａ．笔者所述测量系统为一种虚拟仪器，其设计　台理，操作简便，功能完善。生产和科研等部门的实　际应用表明，该系统适用于各种旋转机械的瞬时转　速测量分析，也可用于轴系扭振测量分析等，为内燃　机故障诊断及控制提供了测试手段。　ｂ．测量齿盘的加工误差和安装误差对瞬时转　速测量精度影响较大，对所有磁电式转速测量系统　均存在这部分误差。在一般工程应用中，要求测量　齿盘有７级以上加工精度，偏心度小于０．００２为好。　Ｃ．本系统测量软硬件误差很小，在万分之几以　下，经多次平均后该误差更小，可忽略不计。　［参考文献］　［１］张立梅等．各缸工作不均匀性的诊断研究［Ｊ］　汽车　工程，１９９６．（５）．　［２］陈样初等．柴油机转速的测量与应用［Ｊ］．小型内燃　机，１９９５，（１）．　（３］Ｇ．Ｒｂ．ｚｏｎｉ．Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ｏｆｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ　ＣｙｌｉｎｄｅｒＭｉｓｉｆｒｅｓ　ｂｙ　Ｓｉｇｎａｔｕｒｅ　ｂｍａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ　Ｓ口ｅｅｄ　ＦＩｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ　８９０８８４　：４］　董大伟等．根据曲轴转动状况量化内燃机各缸作功太　小的方法研究［Ｊ］．内燃机工程、１９９８，（４）　［５］黄世霖工程信号生上理［Ｍ］．北京：人民交通出版社，　】９８６　・２５