基于LabVIEW的高效氧传感器检测系统开发

赖健明， 刘昌文， 杨延相， 张 平， 郗大光

(1.天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072;2.天津大学 内燃机研究所，天津 300072；3.浙江大学 能源工程系，浙江 杭州 310027；4.浙江福爱电子有限公司,浙江 杭州 310018)

基于LabVIEW的高效氧传感器检测系统开发

赖健明1， 刘昌文1， 杨延相2， 张 平3， 郗大光4

(1.天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072;2.天津大学 内燃机研究所，天津 300072；3.浙江大学 能源工程系，浙江 杭州 310027；4.浙江福爱电子有限公司,浙江 杭州 310018)

为了实现批量的氧传感器的高效下线检测，设计了一种基于LabVIEW的氧传感器检测系统。该方案采用按设定好空燃比变化规律循环的电控单元(ECU)控制发动机运行，其产生的尾气用来同时检测一组氧传感器。LabVIEW获取ECU的空燃比变化规律同时控制单片机AD采样获得到的各氧传感器的输出信号，通过实时处理获得的数据将得到一系列的氧传感器性能参数。当判断所有参数测量完后，LabVIEW将自动停止测量过程。通过用户自定义且可标定的评价标准，软件将直接给出每只所测氧传感器的性能评价结果。实验结果表明：该系统可以准确快速地检测出氧传感器的各种性能指标，包括起燃激活时间、稀浓信号大小、稀浓响应速度等。

氧传感器； 性能检测方法； 发动机； 空燃比； LabVIEW

0 引 言

随着排放法规的日趋严格，发动机都趋向于使用闭环控制的电喷系统，以消除产品空燃比控制的制造散差和耐久变化。氧传感器是其中控制排放的关键一环,一旦出现故障，电控单元(electronic control unit,ECU)将无法实时获知排气中的氧浓度信息，因而不能对空燃比散差进行回馈控制，可能导致发动机排放大幅增加、油耗增加、怠速不稳[1]。因此，必须对生产的氧传感器在下线时进行性能参数的严格而准确的检测评判。

本文采用LabVIEW检测系统与FAI(free armature injection)发动机电喷系统相结合的方式，利用ECU控制发动机在不同模式下产生不同状态的废气，进行氧传感器性能检测。FAI电喷系统采用电磁式脉冲加压独立喷射技术，并通过工作氧传感器检测排气中的氧分子浓度，将其转换为电信号,并传给ECU，实现对混合气的空燃比的精确控制[2]。本文利用LabVIEW图形化编程环境，设计了基于LabVIEW的8通道氧传感器自动检测系统，通过与ECU和下位机实时通信，实现了对氧传感器的快速自动检测、评价功能。

1 系统的工作原理与构成

当氧化锆型氧传感器的探头温度达到激活温度以上时，氧化锆就成为固态电解质，氧离子从高浓侧向低浓侧扩散，由此在两电极间产生电动势，该电动势在理论当量比附近会出现突然变化。开关型氧传感器直接利用氧传感器输出的电动势来判断发动机混合气的稀浓[3]。

氧传感器能够正常工作，首先必须处于激活状态，因此激活时间是一个重要指标。其次浓状态信号大小和稀状态信号大小必须处于一定范围，才能够正确无误地使用氧传感器信号。再有对混合气稀浓变化的响应时间，也会影响信号的正确使用，特别是反馈调节的空燃比波动结果。最后，传感器电路不能断路和短路，否则，用错误的信号反馈控制内燃机就会带来严重后果[4]。以上这些指标经过量化为参数，作为本系统评判氧传感器性能的依据。

ECU控制发动机按一定规律变化的空燃比工作，同时氧传感器也会产生相应规律变化的信号。LabVIEW上位机通过分析已有的ECU控制规律和采集到的氧传感器电压信号，分析各个性能参数与控制测量过程的启停。用户通过自己对氧传感器的性能要求，填入或调入评价指标，软件直接通过对每只氧传感器的实测结果与评价指标的比较，判断出氧传感器的品质等级或合格与否。

本文所开发的检测系统由FAI电喷发动机、设定好测量时序的ECU、排气测量段、传感器装卡操作机构、计算机、AD采样处理单元MECU和相应的软件组成，其装置如图1所示。

图1 检测装置组成Fig 1 Composition of detecting device

2 系统的软硬件设计

氧传感器通过气压装卡操作机构固定在小型汽油发电机组的排气测量段，可实现快速装卸，其信号传出线与MECU相连。

发动机由经改造的FAI电喷ECU闭环控制，按照检测参数的需求，ECU将控制发动机以一定的时序变化供油状态，实现由一系列浓状态、当量比反馈状态和稀状态组成的过程。

MECU使用Freescale处理器MC9SAW60作为主控芯片，其具有高达40 MHz的工作频率，8通道10位快速AD采样功能，完全满足氧传感器检测需要。每通道A/D转换电路如图2所示，氧传感器可以等效为有一定内阻的电池，RO等效为氧传感器内阻，VO等效为氧传感器的能斯特电动势。电源电压通过R1，R2分压形成参考电压Vm，与MΩ级电阻R3相连，氧传感器经过R4限流电阻，与单片机相连。这里，氧传感器内阻RO、氧传感器电压VO和采样电压VC之间满足如下关系，I为经过R3的电流

Vm-VO=I(RO+R3+R4),

(1)

(2)

在氧传感器处于冷态时Ro可看作无限大，采样电压VC基本等于参考电压Vm，而在氧传感器激活以后，Ro远小于R3，VC则基本等于氧传感器电压VO。在测试开始后首先根据采样得到的每个待测氧传感器的冷态电阻，用来判断传感器连接电路是否短路[5]。

图2 采样电路Fig 2 Sampling circuit

单片机TPM2CH1捕获管脚与ECU的状态输出口相连，用于获得ECU的工作状态。

下位机MECU编程使用Freescale公司的CodeWarrior开发平台，通过子程序模块化编程，实现整体功能，具体程序结构和流程如图3所示。

图3 MECU程序流程Fig 3 Flow chart of MECU program

本系统中，使用LabVIEW编程上位机软件，设计采用生产者消费者模式接收存储数据和状态机模式控制界面跳转，保证数据传输不失帧，同时具备控制测量过程、数据回放、评价处理等功能。其对数据的处理与对过程的控制如图4。

图4 LabVIEW程序数据处理与控制逻辑Fig 4 Data processing and control logic of LabVIEW program

3 参数测量策略与参数评价体系

根据氧传感器在FAI电喷系统中的实际使用要求，本检测系统主要检测以下几个参数:

1)冷态电阻RC:为氧传感器在环境温度下的电阻，用于检测内部是否有短路现象。

2)基本活化时间TS1：发动机启动后，氧传感器内阻随着温度不断升高而下降，因而，采样电压也会下降。采样电压到达1 020 mV以下的时间，记为TS1，作为表征氧传感器启动过程的快慢的指标之一。

3)浓态电压Vr：氧传感器激活后，发动机燃烧状态为过浓时，最大采样电压值。

4)稀态电压Vl：氧传感器激活后，发动机燃烧状态为过稀时，最小采样电压值。

5)最大稀浓切换幅度RDL：在预定时间后，ECU控制发动机进行稀浓切换，采样电压的相应变化幅度最大值为RDL，RDL也作为表征氧传感器激活快慢的指标之一。

6)浓稀响应时间t2：发动机燃烧状态从浓转稀，采样电压下降到(Vr+Vl)/2以下的时间。

7)稀浓响应时间t3：发动机燃烧状态从稀转浓，采样电压上升到 (Vr+Vl)/2以上的时间。

在氧传感器安装完成之后，ECU上电发动机启动前，传感器温度低，根据硬件电路和电压采样值，可以得到RC。

发动机启动后的运行状态过程模式如图5所示，ECU传出一定频率的脉冲宽度调制(PHM)波用以表征混合气稀浓状态，经LabVIEW解析后，以0,1,2,3分别代表停机、稀态、当量比、浓态运行状态。ECU先以当量比控制发动机运转，传出的状态信号为2，这时的待测氧传感器信号因温度不断上升导致内阻下降，当采样电压的峰值达到预设电压值(例如：1 020 mV)以下的时间，记为TS1，此时可认为氧传感器已经基本进入活化状态。在预设时间(例如：60 s)以后，ECU开始稀浓切换(每种状态持续2s、连续2次)，将这2次电压幅度变化最大值作为RDL。RDL大于一定值，才正式确认氧传感器已经进入活化状态。之后，ECU控制发动机以当量比控制运行20 s，以充分加热氧传感器。再以浓状态运行20 s，测试氧传感器保持浓信号的能力，将浓状态最后2s的平均值记为Vr，之后，ECU再开始稀浓切换(稀态1 s，浓态2 s，连续2次)，过程中稀态电压最小值为Vl，由浓转稀过程中，采样电压下降到 (Vr+Vl) /2以下的平均时间记为t2。由稀转浓过程中，采样电压上升到 (Vr+Vl) /2以上平均时间值记为t3。t2和t3是表征氧传感器对废气中氧浓度变化的响应快慢的指标。待检测完毕所有参数后，上位机软件将立即处理数据，并直接显示结果。

图5 发动机运行状态示意图Fig 5 Schematic diagram of engine operating status

LabVIEW通过处理得到以上参数后，用户通过点击“评价”按钮，可以修改、保存或加载评价方案，由于不同通道的氧传感器温度差异和应用于不同类型的发动机上对氧传感器的性能要求不一样，用户可以用标准的氧传感器标定每个安装位置的检测指标，从而制定结果尽可能一致的评价方案标准。软件编程中，通过移位寄存器，将评价方案动态地加载到每一次数据处理中。

根据用户选择的评价标准，软件将自动得到评价结果。

4 系统功能验证

取某一组氧传感器进行测量，完成整个测量流程后，经软件分析得到如表1所示。

表1 氧传感器性能参数实测举例Tab 1 Measured performances parameter of oxygen sensor

通过对该组传感器检测数据，可以发现：

1)通道5中Vr过低，Vl直接为0，表明该氧传感器无法正常获得氧浓差电压，为不合格产品。

2)通道7,8中t2过大，表明这2只传感器的稀浓响应过慢，可能与氧传感器外围保护层有关[6]。

3)其他传感器所有参数基本较好。

用标准氧传感器作为待测氧传感器，可以进行预先标定，再考虑到实际电喷系统性能要求，确定一个优良差的三级评价标准，软件将对检测结果自动做出优良差判断。本例使用表2评价标准。

表2 评价标准Tab 2 Evaluation criterion

可以得到表1所测一组传感器的最后评价结果如图6所示，其中对号表示优；感叹号表示合格；叉号表示不合格。由软件输出结果可以看出，其中传感器5,7,8的指标不合格。

将该组氧传感器分别安装在FAI电喷发动机上进行测试，使用5#氧传感器的发动机ECU直接判断为失效氧传感器，使用7#，8#氧传感器的发动机，空燃比波动剧烈，燃烧扭矩波动大，且排放变差，超出三效催化剂催化窗口。安装其余编号氧传感器的发动机均运行正常。结果显示:该系统对氧传感器的检测合理有效。

图6 氧传感器性能评价结果Fig 6 Performance evaluation result of oxygen sensor

5 结 论

本文开发了一种新的用于高效检测氧传感器的装置，使用发动机废气检测氧传感器，且空燃比由ECU直接控制，8个产品检测流程在2 min内完成，检测高效可靠。通过LabVIEW上位机软件和FAI电喷ECU以及测量MECU实时通信，可以自动控制测量过程，并根据可标定的评价指标直接判断氧传感器是否合格，减少了人工干预，实现了测量评价的半自动化，效率高。该装置可用于氧传感器生产的下线检测。

[1] 董正身，曹晓燕，武一民，等.汽车燃油经济性测试系统研究[J].仪器仪表学报,2006(S2):1465-1466.

[2] 郗大光，高 君.电喷摩托车用氧传感器的快速检测系统[J].小型内燃机与摩托车.2006，35(6)：35-38

[3] Detwiler Eric J,Coha Jeffrey T.Gas sensor design and method for forming the same:US,6797138[P],2004—09—18.

[4] 周志宾，王季峰，辛明华.汽车氧传感器电压输出特性研究[J].传感器与微系统,2007,26(5):30-32.

[5] Rabus Friedrich,Schweizer Hartmut. Method and apparatus for correcting sensor output signal:US,4140085[P].1979—02—20.

[6] 夏朝阳，卢旭晨，闫 岩，等.保护层对汽车尾气氧传感器响应特性影响[J].传感器与微系统,2011,30(8):25-27.

赖健明 (1990-)，男，江西广昌人，硕士研究生，主要研究领域为发动机电子控制。

Development of high efficient inspecting system for oxygen sensor based on LabVIEW

LAI Jian-ming1， LIU Chang-wen1， YANG Yan-xiang2， ZHANG Ping3， XI Da-guang4

(1.State Key Laboratory of Engines,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.Internal Combustion Research Institute,Tianjin University,Tianjin 300072,China;3.Department of Energy Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China;4.FAI Electronics Company,Hangzhou 310018,China)

In order to achieve the goal of high efficient inspection of oxygen sensor in production line,a kind of inspecting system for oxygen sensor is designed based on LabVIEW program system.The system detects a group of oxygen sensors via exhaust gaseous produced by engine which is controlled by ECU with preset running cycle process of changing air-fuel ratio.LabVIEW acquires ECU air-fuel ratio change rule and output signal of oxygen sensors at the same time,and these datas are processed simultaneously.With all the necessary performance parameters of the oxygen sensors are detected,the process of detecting will terminated by LabVIEW automatically.According to the criteria which can be calibrated set up by user，the software will present evaluation results of each oxygen sensor directly.Experimental results show that this system can inspect all the performance parameters accurately and rapidly,including the light-on time,thin and dense signal and response rate,etc.

oxygen sensor; performance inspection method; engine;air-fuel ratio; LabVIEW

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0105—04

2013—11—15

TP 212.2

A

1000—9787(2014)08—0105—04