手持式汽车转速表计量检定装置的设计与实现

手持式汽车发动机转速表是用于检测汽车发动机瞬时转速的一种仪器。它一般包括两种类型的转速表：用于测量汽油发动机转速的汽 油机转速表和用于测量柴油发动机转速的柴油机转速表。手持式汽车发动机转速表具有体积小、质量轻、操作方便等特点，在汽车和发动机生产、研究、维修以及监督检测部门都得到广泛的使用。由于这种类型的发动机转速表的检测原理和使用方法与传统的转速表有较大的区别 。计量部门现有的转速计量标准装置无法对其测量精度进行检定。目前.比较常用的检定方法都是将它同磁 电式或光电式等其他类型的转速表进行比对 。但这种比对工作需要在专门的发动机试验台架上进行。这种方法不仅在测量范围、测量精度和稳定度等方面都不能满足发动机转速表的计量要求，而且一般计量部门也很难具备此种条件。因此，有必要研制一种检定装置.用以解决手持式发动机转速表的计量检定难题。
 
1 手持式汽车发动机转速表的测量原理
 
1.1 汽油机转速表的测量原理
汽 车的汽油发动机属于点燃式发动机 。它在每次点火时由于高压放电都会导致发动机点火系统中点火线圈和高压点火线等部件周围的磁通量发生变化.汽油机转速表传感器中的电磁线圈能够感应到这种 变化并把这种磁通量的变化转换成频率与发动机点火频率相同的电流脉冲信号。汽油机转速表传感器的安装方式有多种：有的是夹在高压点火线上 .有的是用吸盘将传感器吸在点火线圈上：另外还有非接触式 ，只要将转速表传感器靠近发动机点火系统 。就可以感应到点火信号。汽油机转速表通过将汽油机转速表传感器所采集的点火脉冲信号频率值与所测量发动机的冲程数值以及缸数值进行运算 .就能够得到发动机的转速值。汽油发动机转速值与点火脉冲频率之间的关系如下 ：
 
N=3Okf/m
 
式中 ，Ⅳ为转速表显示 的转速 点火脉冲频率 ；为发动机冲程数：m为发动机缸数。
 
1.2 柴油机转速表的测量原理
柴 油机转速表则是将其传感器以一定的预紧力卡夹在柴油发动机第一缸的高压油管上。发动机每次喷油时会在高压油管内产生较高的压力 ，高压油管在油压的作用下产生微小膨胀。挤压传感器内的压电传感元件。在传感元件两端产生压电电荷。从而将喷油压力信号转换成电脉冲信号 ，这个电脉冲信号频率值与发动机第一缸的喷油频率值相等。柴油机转速表通过将传感器采集的脉冲信号频率值与所测量发动机冲程数一起运算就能得到发动机转速值。由于目前汽车柴油发动机都是4冲程发动机.因此所使用的手持式汽车柴油机转速表也都是针对4冲程柴油发动机而设计的。对于这种柴油机转速表来说.柴油 发动机的转速与喷油频率之问的转换关系为：
 
N=120f
 
式中，Ⅳ为转速表显示的转速；厂为喷油频率。

 
2 检定装置的测量原理和构成
 
2.1 总体设计方案
由 于上述手持式发动机转速表检测原理的特殊性。为了对其进行检定 .就应该抛开用机械标准转速装置等传统的转速计量思路。我们的方案是设计一个低电压信号发生装置.提供一个频率准确、稳定的低电压脉冲信号 ，该信号的频率与某一标准转速所对应 的汽油机点火脉冲频率或柴油机喷油频率相等.再用这个低电压脉冲信号去驱动用于模拟转速表传感器所需要的信号的点火装置或压力脉冲发生装置。产生出标准转 速所对应的点火信号和压力脉冲信号。
 
基于以上思路.我们研制了用于检定手持式发动机转速表的标准装置。该标准装置由三部分构成 ：低压脉冲信号发生器、用于汽油机转速表检定的高压点火发生器、用于柴油机转速表检定的振动脉冲发生器 (见 图1)。


图 1 检定装置框图
 
2.2 低压脉冲信号发生器
低 压脉冲信号发生器的工作原理见图2。其作用是根据输入的转速表相关信息和设置的转速值产生出相应的低电压脉冲信号。信号的频率与设定的转速值所对应 的高压点火脉冲频率或喷油频率相等。为达到这个 目的。我们设计了以MCS一51系列单片机系统为主体电路构成的装置.利用单片机的定时中断功能来产生电压脉冲信号。系统工作时首先用装置面板上的拨码盘和按键设置转速表类型 (汽油，柴油机)、发动机缸数、冲程数 、转速等信息。单片机系统工作时先读取这些信息。并通过运算变换成相应的中断延时时间。与此同时系统开始计时。并在延时时间到达后输出一个脉冲。然后再重复“读取输入 信息一计时一输出脉冲”过程。如此往复循环。就产生出相应频率的脉冲信号。单片机系统输出的脉冲信号经过驱动隔离电路分别送到高压点火发生器和振动脉冲发生器。


图2 低电压脉冲信号发生器
 
2.3 高压点火发生器
高 压点火发生器用于产生汽油机转速表检定所需要的高压点火信号。它完全模拟了汽油发动机点火系统的实际工作情况 。由点火放大器 、高压点火线圈和火花塞等构成(见图3)。来 自低电压脉冲信号发生器的脉冲信号首先送到点火模块输入端 。点火模块内部的驱动开关电路使得点火线圈初级线圈产生通断电流。进而在次级线圈产生数千伏的高压并通过火花塞放电，产生出高压放电信号。构成高压点火发生器的所有元器件全部使用汽车成品电器部件。
 
这样一方面使产生的点火脉冲接近实际情况，另一方面也便于各种汽油机转速表传感器的安装。


图3 高压点火发生器
 
2.4 振动脉冲发生器
检 定柴油机转速表所需要的标准频率的喷油压力脉冲信号很难通过简单的方法或装置来得到 ，我们只有想办法用其他信号来替代喷油压力脉冲信号。通过试验 。我们发现将柴油机转速表传感器固定在一根金属棒上并敲击金属棒 .金属棒的振动同样能使传感器中的压电元件受到挤压 。从而产生与敲击信号同步的电脉冲信号。因此 ，我们可以利用机械振动敲击金属棒的方式来模拟柴油发动机喷油压力的作用，使柴油机转速表传感器产生感应。为此 ，我们设计了振动脉冲发生器 。它由小型功率放大器、激振器 、固定支架等组成(见图4)。从低压脉冲信号发生器来的低电压脉冲信号经功率放大器驱动激振器产生机械振动.安装在激振器上的金属锤头以输入的电压脉冲相同的频率敲击固定柴油机转速表传感器的金属棒.金属棒发生模拟喷油压力的脉冲振动使传感器感应 。达到检定柴油机转速表的目的。


图4 柴油机转速信号发生器
 
3 误差分析
本 计量标准装置中的高压点火发生器和脉冲振动发生器工作频率较低。所以只要安装调试正确.就不会产生误操作。由此引起的误差可以不予考虑。影响检定精度和稳定度的主要因素是单片机系统产生电压脉冲信号的频率误差。由于本计量标准装置是采用单片机定时中断方式来产生脉冲信号的 。因此误差大小主要取决于将输入信息转换成延时时间的转换误差。只要程序设计合理 ，由此引起的检定误差完全可以控制在0.1％以下。
 
4 结 论
此检定装置适用于检定各种手持式汽车发动机转速表 ，检定范 围为100—9900r/min，精度优于0.1％。该检定装置经过一段时间的使用 ，达到了预期效果。它主要有以下特点：
 
(1)兼顾了汽油机和柴油机两种转速表的检定 ，适应范围广，精度高，操作简便。工作可靠；
(2)体积小，结构简单，成本较低，易于制造；
(3)有一定推广价值，能够解决计量部门检定手持式发动机转速表的难题。