手持式汽車轉(zhuǎn)速表計量檢定裝置的設計與實現(xiàn)

手持式汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速表是用于檢測汽車發(fā)動機瞬時轉(zhuǎn)速的一種儀器。它一般包括兩種類型的轉(zhuǎn)速表：用于測量汽油發(fā)動機轉(zhuǎn)速的汽 油機轉(zhuǎn)速表和用于測量柴油發(fā)動機轉(zhuǎn)速的柴油機轉(zhuǎn)速表。手持式汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速表具有體積小、質(zhì)量輕、操作方便等特點，在汽車和發(fā)動機生產(chǎn)、研究、維修以及監(jiān)督檢測部門都得到廣泛的使用。由于這種類型的發(fā)動機轉(zhuǎn)速表的檢測原理和使用方法與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速表有較大的區(qū)別 。計量部門現(xiàn)有的轉(zhuǎn)速計量標準裝置無法對其測量精度進行檢定。目前.比較常用的檢定方法都是將它同磁 電式或光電式等其他類型的轉(zhuǎn)速表進行比對 。但這種比對工作需要在專門的發(fā)動機試驗臺架上進行。這種方法不僅在測量范圍、測量精度和穩(wěn)定度等方面都不能滿足發(fā)動機轉(zhuǎn)速表的計量要求，而且一般計量部門也很難具備此種條件。因此，有必要研制一種檢定裝置.用以解決手持式發(fā)動機轉(zhuǎn)速表的計量檢定難題。
 
1 手持式汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速表的測量原理
 
1.1 汽油機轉(zhuǎn)速表的測量原理
汽 車的汽油發(fā)動機屬于點燃式發(fā)動機 。它在每次點火時由于高壓放電都會導致發(fā)動機點火系統(tǒng)中點火線圈和高壓點火線等部件周圍的磁通量發(fā)生變化.汽油機轉(zhuǎn)速表傳感器中的電磁線圈能夠感應到這種 變化并把這種磁通量的變化轉(zhuǎn)換成頻率與發(fā)動機點火頻率相同的電流脈沖信號。汽油機轉(zhuǎn)速表傳感器的安裝方式有多種：有的是夾在高壓點火線上 .有的是用吸盤將傳感器吸在點火線圈上：另外還有非接觸式 ，只要將轉(zhuǎn)速表傳感器靠近發(fā)動機點火系統(tǒng) 。就可以感應到點火信號。汽油機轉(zhuǎn)速表通過將汽油機轉(zhuǎn)速表傳感器所采集的點火脈沖信號頻率值與所測量發(fā)動機的沖程數(shù)值以及缸數(shù)值進行運算 .就能夠得到發(fā)動機的轉(zhuǎn)速值。汽油發(fā)動機轉(zhuǎn)速值與點火脈沖頻率之間的關(guān)系如下 ：
 
N=3Okf/m
 
式中 ，Ⅳ為轉(zhuǎn)速表顯示 的轉(zhuǎn)速 點火脈沖頻率 ；為發(fā)動機沖程數(shù)：m為發(fā)動機缸數(shù)。
 
1.2 柴油機轉(zhuǎn)速表的測量原理
柴 油機轉(zhuǎn)速表則是將其傳感器以一定的預緊力卡夾在柴油發(fā)動機第一缸的高壓油管上。發(fā)動機每次噴油時會在高壓油管內(nèi)產(chǎn)生較高的壓力 ，高壓油管在油壓的作用下產(chǎn)生微小膨脹。擠壓傳感器內(nèi)的壓電傳感元件。在傳感元件兩端產(chǎn)生壓電電荷。從而將噴油壓力信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號 ，這個電脈沖信號頻率值與發(fā)動機第一缸的噴油頻率值相等。柴油機轉(zhuǎn)速表通過將傳感器采集的脈沖信號頻率值與所測量發(fā)動機沖程數(shù)一起運算就能得到發(fā)動機轉(zhuǎn)速值。由于目前汽車柴油發(fā)動機都是4沖程發(fā)動機.因此所使用的手持式汽車柴油機轉(zhuǎn)速表也都是針對4沖程柴油發(fā)動機而設計的。對于這種柴油機轉(zhuǎn)速表來說.柴油 發(fā)動機的轉(zhuǎn)速與噴油頻率之問的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：
 
N=120f
 
式中，Ⅳ為轉(zhuǎn)速表顯示的轉(zhuǎn)速；廠為噴油頻率。

 
2 檢定裝置的測量原理和構(gòu)成
 
2.1 總體設計方案
由 于上述手持式發(fā)動機轉(zhuǎn)速表檢測原理的特殊性。為了對其進行檢定 .就應該拋開用機械標準轉(zhuǎn)速裝置等傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速計量思路。我們的方案是設計一個低電壓信號發(fā)生裝置.提供一個頻率準確、穩(wěn)定的低電壓脈沖信號 ，該信號的頻率與某一標準轉(zhuǎn)速所對應 的汽油機點火脈沖頻率或柴油機噴油頻率相等.再用這個低電壓脈沖信號去驅(qū)動用于模擬轉(zhuǎn)速表傳感器所需要的信號的點火裝置或壓力脈沖發(fā)生裝置。產(chǎn)生出標準轉(zhuǎn) 速所對應的點火信號和壓力脈沖信號。
 
基于以上思路.我們研制了用于檢定手持式發(fā)動機轉(zhuǎn)速表的標準裝置。該標準裝置由三部分構(gòu)成 ：低壓脈沖信號發(fā)生器、用于汽油機轉(zhuǎn)速表檢定的高壓點火發(fā)生器、用于柴油機轉(zhuǎn)速表檢定的振動脈沖發(fā)生器 (見 圖1)。


圖 1 檢定裝置框圖
 
2.2 低壓脈沖信號發(fā)生器
低 壓脈沖信號發(fā)生器的工作原理見圖2。其作用是根據(jù)輸入的轉(zhuǎn)速表相關(guān)信息和設置的轉(zhuǎn)速值產(chǎn)生出相應的低電壓脈沖信號。信號的頻率與設定的轉(zhuǎn)速值所對應 的高壓點火脈沖頻率或噴油頻率相等。為達到這個 目的。我們設計了以MCS一51系列單片機系統(tǒng)為主體電路構(gòu)成的裝置.利用單片機的定時中斷功能來產(chǎn)生電壓脈沖信號。系統(tǒng)工作時首先用裝置面板上的撥碼盤和按鍵設置轉(zhuǎn)速表類型 (汽油，柴油機)、發(fā)動機缸數(shù)、沖程數(shù) 、轉(zhuǎn)速等信息。單片機系統(tǒng)工作時先讀取這些信息。并通過運算變換成相應的中斷延時時間。與此同時系統(tǒng)開始計時。并在延時時間到達后輸出一個脈沖。然后再重復“讀取輸入 信息一計時一輸出脈沖”過程。如此往復循環(huán)。就產(chǎn)生出相應頻率的脈沖信號。單片機系統(tǒng)輸出的脈沖信號經(jīng)過驅(qū)動隔離電路分別送到高壓點火發(fā)生器和振動脈沖發(fā)生器。


圖2 低電壓脈沖信號發(fā)生器
 
2.3 高壓點火發(fā)生器
高 壓點火發(fā)生器用于產(chǎn)生汽油機轉(zhuǎn)速表檢定所需要的高壓點火信號。它完全模擬了汽油發(fā)動機點火系統(tǒng)的實際工作情況 。由點火放大器 、高壓點火線圈和火花塞等構(gòu)成(見圖3)。來 自低電壓脈沖信號發(fā)生器的脈沖信號首先送到點火模塊輸入端 。點火模塊內(nèi)部的驅(qū)動開關(guān)電路使得點火線圈初級線圈產(chǎn)生通斷電流。進而在次級線圈產(chǎn)生數(shù)千伏的高壓并通過火花塞放電，產(chǎn)生出高壓放電信號。構(gòu)成高壓點火發(fā)生器的所有元器件全部使用汽車成品電器部件。
 
這樣一方面使產(chǎn)生的點火脈沖接近實際情況，另一方面也便于各種汽油機轉(zhuǎn)速表傳感器的安裝。


圖3 高壓點火發(fā)生器
 
2.4 振動脈沖發(fā)生器
檢 定柴油機轉(zhuǎn)速表所需要的標準頻率的噴油壓力脈沖信號很難通過簡單的方法或裝置來得到 ，我們只有想辦法用其他信號來替代噴油壓力脈沖信號。通過試驗 。我們發(fā)現(xiàn)將柴油機轉(zhuǎn)速表傳感器固定在一根金屬棒上并敲擊金屬棒 .金屬棒的振動同樣能使傳感器中的壓電元件受到擠壓 。從而產(chǎn)生與敲擊信號同步的電脈沖信號。因此 ，我們可以利用機械振動敲擊金屬棒的方式來模擬柴油發(fā)動機噴油壓力的作用，使柴油機轉(zhuǎn)速表傳感器產(chǎn)生感應。為此 ，我們設計了振動脈沖發(fā)生器 。它由小型功率放大器、激振器 、固定支架等組成(見圖4)。從低壓脈沖信號發(fā)生器來的低電壓脈沖信號經(jīng)功率放大器驅(qū)動激振器產(chǎn)生機械振動.安裝在激振器上的金屬錘頭以輸入的電壓脈沖相同的頻率敲擊固定柴油機轉(zhuǎn)速表傳感器的金屬棒.金屬棒發(fā)生模擬噴油壓力的脈沖振動使傳感器感應 。達到檢定柴油機轉(zhuǎn)速表的目的。


圖4 柴油機轉(zhuǎn)速信號發(fā)生器
 
3 誤差分析
本 計量標準裝置中的高壓點火發(fā)生器和脈沖振動發(fā)生器工作頻率較低。所以只要安裝調(diào)試正確.就不會產(chǎn)生誤操作。由此引起的誤差可以不予考慮。影響檢定精度和穩(wěn)定度的主要因素是單片機系統(tǒng)產(chǎn)生電壓脈沖信號的頻率誤差。由于本計量標準裝置是采用單片機定時中斷方式來產(chǎn)生脈沖信號的 。因此誤差大小主要取決于將輸入信息轉(zhuǎn)換成延時時間的轉(zhuǎn)換誤差。只要程序設計合理 ，由此引起的檢定誤差完全可以控制在0.1％以下。
 
4 結(jié) 論
此檢定裝置適用于檢定各種手持式汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速表 ，檢定范 圍為100—9900r/min，精度優(yōu)于0.1％。該檢定裝置經(jīng)過一段時間的使用 ，達到了預期效果。它主要有以下特點：
 
(1)兼顧了汽油機和柴油機兩種轉(zhuǎn)速表的檢定 ，適應范圍廣，精度高，操作簡便。工作可靠；
(2)體積小，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，易于制造；
(3)有一定推廣價值，能夠解決計量部門檢定手持式發(fā)動機轉(zhuǎn)速表的難題。