手持式汽車(chē)轉速表計量檢定裝置的設計與實(shí)現

手持式汽車(chē)發(fā)動(dòng)機轉速表是用于檢測汽車(chē)發(fā)動(dòng)機瞬時(shí)轉速的一種儀器。它一般包括兩種類(lèi)型的轉速表：用于測量汽油發(fā)動(dòng)機轉速的汽 油機轉速表和用于測量柴油發(fā)動(dòng)機轉速的柴油機轉速表。手持式汽車(chē)發(fā)動(dòng)機轉速表具有體積小、質(zhì)量輕、操作方便等特點(diǎn)，在汽車(chē)和發(fā)動(dòng)機生產(chǎn)、研究、維修以及監督檢測部門(mén)都得到廣泛的使用。由于這種類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機轉速表的檢測原理和使用方法與傳統的轉速表有較大的區別 。計量部門(mén)現有的轉速計量標準裝置無(wú)法對其測量精度進(jìn)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(lèi)型的轉速表進(jìn)行比對 。但這種比對工作需要在專(zhuān)門(mén)的發(fā)動(dòng)機試驗臺架上進(jìn)行。這種方法不僅在測量范圍、測量精度和穩定度等方面都不能滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機轉速表的計量要求，而且一般計量部門(mén)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(dòng)機轉速表的計量檢定難題。

1 手持式汽車(chē)發(fā)動(dòng)機轉速表的測量原理

1.1 汽油機轉速表的測量原理
汽 車(chē)的汽油發(fā)動(dòng)機屬于點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機 。它在每次點(diǎn)火時(shí)由于高壓放電都會(huì )導致發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火系統中點(diǎn)火線(xiàn)圈和高壓點(diǎn)火線(xiàn)等部件周?chē)拇磐堪l(fā)生變化.汽油機轉速表傳感器中的電磁線(xiàn)圈能夠感應到這種 變化并把這種磁通量的變化轉換成頻率與發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火頻率相同的電流脈沖信號。汽油機轉速表傳感器的安裝方式有多種：有的是夾在高壓點(diǎn)火線(xiàn)上 .有的是用吸盤(pán)將傳感器吸在點(diǎn)火線(xiàn)圈上：另外還有非接觸式 ，只要將轉速表傳感器靠近發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火系統 。就可以感應到點(diǎn)火信號。汽油機轉速表通過(guò)將汽油機轉速表傳感器所采集的點(diǎn)火脈沖信號頻率值與所測量發(fā)動(dòng)機的沖程數值以及缸數值進(jìn)行運算 .就能夠得到發(fā)動(dòng)機的轉速值。汽油發(fā)動(dòng)機轉速值與點(diǎn)火脈沖頻率之間的關(guān)系如下 ：

N=3Okf/m

式中 ，Ⅳ為轉速表顯示 的轉速 點(diǎn)火脈沖頻率 ；為發(fā)動(dòng)機沖程數：m為發(fā)動(dòng)機缸數。

1.2 柴油機轉速表的測量原理
柴 油機轉速表則是將其傳感器以一定的預緊力卡夾在柴油發(fā)動(dòng)機第一缸的高壓油管上。發(fā)動(dòng)機每次噴油時(shí)會(huì )在高壓油管內產(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換成電脈沖信號 ，這個(gè)電脈沖信號頻率值與發(fā)動(dòng)機第一缸的噴油頻率值相等。柴油機轉速表通過(guò)將傳感器采集的脈沖信號頻率值與所測量發(fā)動(dòng)機沖程數一起運算就能得到發(fā)動(dòng)機轉速值。由于目前汽車(chē)柴油發(fā)動(dòng)機都是4沖程發(fā)動(dòng)機.因此所使用的手持式汽車(chē)柴油機轉速表也都是針對4沖程柴油發(fā)動(dòng)機而設計的。對于這種柴油機轉速表來(lái)說(shuō).柴油 發(fā)動(dòng)機的轉速與噴油頻率之問(wèn)的轉換關(guān)系為：

N=120f

式中，Ⅳ為轉速表顯示的轉速；廠(chǎng)為噴油頻率。


2 檢定裝置的測量原理和構成

2.1 總體設計方案
由 于上述手持式發(fā)動(dòng)機轉速表檢測原理的特殊性。為了對其進(jìn)行檢定 .就應該拋開(kāi)用機械標準轉速裝置等傳統的轉速計量思路。我們的方案是設計一個(gè)低電壓信號發(fā)生裝置.提供一個(gè)頻率準確、穩定的低電壓脈沖信號 ，該信號的頻率與某一標準轉速所對應 的汽油機點(diǎn)火脈沖頻率或柴油機噴油頻率相等.再用這個(gè)低電壓脈沖信號去驅動(dòng)用于模擬轉速表傳感器所需要的信號的點(diǎn)火裝置或壓力脈沖發(fā)生裝置。產(chǎn)生出標準轉 速所對應的點(diǎn)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(dòng)機轉速表的標準裝置。該標準裝置由三部分構成 ：低壓脈沖信號發(fā)生器、用于汽油機轉速表檢定的高壓點(diǎn)火發(fā)生器、用于柴油機轉速表檢定的振動(dòng)脈沖發(fā)生器 (見(jiàn) 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(jiàn)圖2。其作用是根據輸入的轉速表相關(guān)信息和設置的轉速值產(chǎn)生出相應的低電壓脈沖信號。信號的頻率與設定的轉速值所對應 的高壓點(diǎn)火脈沖頻率或噴油頻率相等。為達到這個(gè) 目的。我們設計了以MCS一51系列單片機系統為主體電路構成的裝置.利用單片機的定時(shí)中斷功能來(lái)產(chǎn)生電壓脈沖信號。系統工作時(shí)首先用裝置面板上的撥碼盤(pán)和按鍵設置轉速表類(lèi)型 (汽油，柴油機)、發(fā)動(dòng)機缸數、沖程數 、轉速等信息。單片機系統工作時(shí)先讀取這些信息。并通過(guò)運算變換成相應的中斷延時(shí)時(shí)間。與此同時(shí)系統開(kāi)始計時(shí)。并在延時(shí)時(shí)間到達后輸出一個(gè)脈沖。然后再重復“讀取輸入 信息一計時(shí)一輸出脈沖”過(guò)程。如此往復循環(huán)。就產(chǎn)生出相應頻率的脈沖信號。單片機系統輸出的脈沖信號經(jīng)過(guò)驅動(dòng)隔離電路分別送到高壓點(diǎn)火發(fā)生器和振動(dòng)脈沖發(fā)生器。


圖2 低電壓脈沖信號發(fā)生器

2.3 高壓點(diǎn)火發(fā)生器
高 壓點(diǎn)火發(fā)生器用于產(chǎn)生汽油機轉速表檢定所需要的高壓點(diǎn)火信號。它完全模擬了汽油發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火系統的實(shí)際工作情況 。由點(diǎn)火放大器 、高壓點(diǎn)火線(xiàn)圈和火花塞等構成(見(jiàn)圖3)。來(lái) 自低電壓脈沖信號發(fā)生器的脈沖信號首先送到點(diǎn)火模塊輸入端 。點(diǎn)火模塊內部的驅動(dòng)開(kāi)關(guān)電路使得點(diǎn)火線(xiàn)圈初級線(xiàn)圈產(chǎn)生通斷電流。進(jìn)而在次級線(xiàn)圈產(chǎn)生數千伏的高壓并通過(guò)火花塞放電，產(chǎn)生出高壓放電信號。構成高壓點(diǎn)火發(fā)生器的所有元器件全部使用汽車(chē)成品電器部件。

這樣一方面使產(chǎn)生的點(diǎn)火脈沖接近實(shí)際情況，另一方面也便于各種汽油機轉速表傳感器的安裝。


圖3 高壓點(diǎn)火發(fā)生器

2.4 振動(dòng)脈沖發(fā)生器
檢 定柴油機轉速表所需要的標準頻率的噴油壓力脈沖信號很難通過(guò)簡(jiǎn)單的方法或裝置來(lái)得到 ，我們只有想辦法用其他信號來(lái)替代噴油壓力脈沖信號。通過(guò)試驗 。我們發(fā)現將柴油機轉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(dòng)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(dòng)敲擊金屬棒的方式來(lái)模擬柴油發(fā)動(dòng)機噴油壓力的作用，使柴油機轉速表傳感器產(chǎn)生感應。為此 ，我們設計了振動(dòng)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(jiàn)圖4)。從低壓脈沖信號發(fā)生器來(lái)的低電壓脈沖信號經(jīng)功率放大器驅動(dòng)激振器產(chǎn)生機械振動(dòng).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(dòng)使傳感器感應 。達到檢定柴油機轉速表的目的。


圖4 柴油機轉速信號發(fā)生器

3 誤差分析
本 計量標準裝置中的高壓點(diǎn)火發(fā)生器和脈沖振動(dòng)發(fā)生器工作頻率較低。所以只要安裝調試正確.就不會(huì )產(chǎn)生誤操作。由此引起的誤差可以不予考慮。影響檢定精度和穩定度的主要因素是單片機系統產(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(shí)中斷方式來(lái)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換成延時(shí)時(shí)間的轉換誤差。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 論
此檢定裝置適用于檢定各種手持式汽車(chē)發(fā)動(dòng)機轉速表 ，檢定范 圍為100—9900r/min，精度優(yōu)于0.1％。該檢定裝置經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用 ，達到了預期效果。它主要有以下特點(diǎn)：

(1)兼顧了汽油機和柴油機兩種轉速表的檢定 ，適應范圍廣，精度高，操作簡(jiǎn)便。工作可靠；
(2)體積小，結構簡(jiǎn)單，成本較低，易于制造；
(3)有一定推廣價(jià)值，能夠解決計量部門(mén)檢定手持式發(fā)動(dòng)機轉速表的難題。