爆震传感器测试系统的初步建立分析

顾燕 王萍

摘   要：目前爆震传感器设计研究已相当成熟，在结构原理上没有新的进展。因此，需要在传感器的测试环节方面进行调节完善，使传感器在使用前的测试过程中获得较高的测试性能，这样可以在爆震传感器工作时获取最好的测量效果。文章重点研究使用PXI-5105采集卡初步建立爆震传感器的测试系统，通过设计并改善激振器，从而比较压电片性能得出结论。对该系统后续的优化有着至关重要的作用。

关键词：爆震传感器;性能测试;激振器

爆震，俗称敲缸，是引擎燃烧过程中所产生的异常燃烧现象，不是一种理想的燃烧方式。它是自发和随机产生的导致锐利的压力脉冲，并伴随着冲量及机体振动和特征相同的噪声。因此，设计出能很好地提取爆震信号特征的爆震传感器，可以准确地判断爆震是否发生以及强度的大小，从而达到控制汽油机工作在期望的轻微爆震状态，其意义重大。常用的爆震传感器有两种：一种是磁致伸缩式爆震传感器，另一种是压电式爆震传感器，压电式爆震传感器又分为共振型和非共振型两种结构。

压电式共振型传感器应用最多，一般安装在发动机缸体中间，以四缸机为例，通常安装在2缸和3缸之间，或者1，2缸中间一个3，4缸中间一个。是用来测定发动机抖动度，当发动机产生爆震时用来调整点火提前角。

目前爆震傳感器的设计已经趋于成熟，因为结构原理上的改善并无太明显的效果，所以需要另辟蹊径，笔者与常州市一传感器企业研发部一起致力于从传感器的测试环节入手，利用PXI-5105采集卡建立测试系统，自制激振器和HAS 4025功率放大器，以建立更完善的测试系统来获取爆震传感器更精确的爆震信号特征。

1    初步建立测试系统，使用PXI-5105采集卡

1.1  测量原理

利用LXI 33220A信号发生器发出0.2～10 kHz的正弦信号，每0.2 kHz采集一个数据，通过功率放大器输送到激振器、传感器和加速度计随之振动。加速度计的输出信号不能直接被A/D采集电路获取，必须经恒流源电路为其供电，并将其信号调成标准信号。从而在计算机上通过Labview程序得到传感器和加速度计的输出电压，计算得到灵敏度。

1.2  计算公式

传感器的灵敏度（mV/g）=传感器输出电压（mV）/加速度（g）。

系统如图1所示，针对之前毕设采集信号失真的问题，本测试系统中采用PXI-5105采集卡，提高采样频率，利用Labview编写针对PXI的简单采集程序，对信号进行滤波处理，从而保证采集信号仍然为正弦信号。

爆震发生在5～10 kHz，故要求在该频段内灵敏度的值要比较稳定，发动机在某个频率位置工作时，爆震的强度越大冲击峰值就越大，从而监测反馈控制。

从测试结果来看，在低频段，灵敏度值虽小但均比较平稳，高频段时变化较大，可能是由于HEX-50功率放大器在高频时测试效果不佳的原因。5～10 kHz时，BOSCH的两个传感器灵敏度值在70 mV/g左右变化。

从频响曲线来看，在2.4 kHz处电压和加速度频响均有明显的峰值，这是由于HEX-50激振器的固有频率在该处附近。因此理想的测试结果是：频响曲线在该处有峰值、其他处均应尽量平直，灵敏度曲线也应当尽量平直，至少要保证在 5～10 kHz时平直稳定。若激振器固有频率在测试范围之外，则3条曲线均应尽量平直，从这个角度来看，高频段加速度的减小是灵敏度增大的原因。在频响图中，各个传感器的峰值有很大差异，可能是此因素影响比较大：每个传感器都有差异，所以不可能都正好在2.4 kHz产生共振，共振附近频率的微小变化会引起幅值的较大改变，由于测试数据较少，导致结果看起来是峰值有大幅度变化[1-2]。

1.3  存在的问题

（1）目前配套使用的HEX-50激振器其固有频率在测试范围之内、HEX-50功率放大器在高频段测量效果不好，而使用自制的激振器配套使用HAS 4052功率放大器可以避免这些问题。

（2）在共振附近，测试信号一般都比较好，灵敏度也较平稳，手动测试可以满足要求。但是这样频响曲线只能观察其趋势，为了更好地监控频响，扫频是比较好的解决方法。

（3）虽然爆震通常发生在5～10 kHz，但是在标定传感器性能时，测试10 kHz以上的数据还是很有必要的[3-4]。

2    设计并改善激振器，比较压电片性能

该套测试系统在第一套的基础上使用了自制的激振器和HAS4025功率放大器。

2.1  对激振器共振频率的研究

对振动理论可知，激振器的共振频率计算公式为：

若想提高系统的共振频率，可增加蝶形弹簧的刚度或减小振动块的质量。蝶形弹簧的刚度公式为：

2.2  激振杆设计

针对以上情况，设计了3种激振杆，一种为与HEX-50激振杆的连接型，因模态较多，测试过程中干扰成分多，故而淘汰;另外两种单杆型激振杆如图2所示，测试结果显示使用细杆型激振杆，系统共振频率为6.5 kHz;使用粗杆型激振杆，系统共振频率为6 kHz，均是用另一款加工的单杆型激振杆测试（见图3），共振频率提高到6.5 kHz，由于在使用过程中细杆型激振杆与激振器其他零件更不易产生摩擦，故实验均采用细杆型激振杆。与该激振器配套使用了HAS4052功率放大器，以解决高频段的问题。本次将测试频率从10 kHz提高到了13 kHz[5-6]。

[参考文献]

[1]武得钰，顾笑映，李继军，等.火花点火发动机爆震燃烧研究的发展与现状（Ⅰ）[J].车用发动机，1995（5）：1-6.

[2]姜卓，卓斌.现代汽油机电控系统的爆震检测与控制[J].车用发动机，2000（3）：38-41.

[3]李峥.浅谈爆震传感器的故障检修[J].广东交通职业技术学院学报，2002（1）：51-54.

[4]吉国光.爆震传感器的结构与检测[J].世界汽车，2002（4）：58.

[5]刘景春.爆震传感器检测与维修[J].农机使用与维修，2015（10）：75-76.

[6]黄永刚.汽车爆震传感器检测与维修[J].南方农机，2019（2）：160.