壓電式爆震傳感器測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

壓電式爆震傳感器廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體或氣缸的爆震檢測(cè)中。汽車防爆震系統(tǒng)通過檢測(cè)出壓電傳感器的電壓值來判斷爆震強(qiáng)度。

因此，功能完善、性能穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單、測(cè)試精度高，可滿足大批量生產(chǎn)測(cè)試需要的爆震傳感器測(cè)試系統(tǒng)成為研發(fā)的重點(diǎn)。

汽車爆震傳感器簡(jiǎn)介

為防止爆震現(xiàn)象對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)帶來的損害，可以通過汽車爆震傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體或氣缸的爆震檢測(cè)。按原理的不同可將爆震傳感器分為磁致伸縮式與壓電式兩種，其中壓電式爆震傳感器的工作原理為：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體出現(xiàn)振動(dòng)且振動(dòng)傳遞到傳感器外殼上時(shí)，外殼與配重塊之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，夾在這兩者之間的壓電元件所受壓力發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電壓。汽車防爆震系統(tǒng)檢測(cè)出該電壓，并根據(jù)數(shù)值的大小判斷爆震強(qiáng)度。

測(cè)試系統(tǒng)的工作原理

本文所述汽車爆震傳感器測(cè)試系統(tǒng)主要用于壓電式爆震傳感器的終檢測(cè)試，可對(duì)傳感器內(nèi)電阻、絕緣電阻、電容、靈敏度及線性度等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。其中，電阻、電容等指標(biāo)可通過相應(yīng)的測(cè)量?jī)x器來測(cè)量，而靈敏度和線性度的測(cè)試較難實(shí)現(xiàn)。壓電式爆震傳感器靈敏度的一種表示方式為某振動(dòng)頻率下其輸出電壓與振動(dòng)加速度之比。本系統(tǒng)采用背靠背對(duì)比法檢測(cè)爆震傳感器的靈敏度，即采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器作為參考，將爆震傳感器與標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器背靠背安裝，在相同加速度下同步測(cè)量二者的輸出電壓，由于標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器的靈敏度已知，因此通過兩種傳感器的輸出電壓之比就可以求出爆震傳感器在該頻率下的靈敏度。

壓電式爆震傳感器的線性度檢測(cè)主要通過連續(xù)改變振臺(tái)的振動(dòng)頻率，即采用掃頻的方式，將振臺(tái)的振動(dòng)加速度穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)，對(duì)各個(gè)頻率下的傳感器靈敏度進(jìn)行檢測(cè)，輸出各個(gè)靈敏度與頻率相對(duì)應(yīng)的連續(xù)曲線，并檢測(cè)該曲線是否符合該傳感器產(chǎn)品的線性度要求，其測(cè)試流程如圖1所示。

圖1 線性度測(cè)試流程

為滿足靈敏度精確測(cè)量的需要，在系統(tǒng)中利用信號(hào)鎖相放大器的信號(hào)輸出功能，提供一定頻率的正弦激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)過濾波器電路處理和功率放大器放大后，驅(qū)動(dòng)振臺(tái)按設(shè)定頻率進(jìn)行振動(dòng)，軟件通過閉環(huán)方式控制激勵(lì)信號(hào)電壓幅值，使振臺(tái)在該頻率下產(chǎn)生穩(wěn)定的加速度振動(dòng)，并利用信號(hào)鎖相放大器的鎖相功能實(shí)現(xiàn)爆震傳感器與標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器兩路信號(hào)的同步測(cè)量，保證系統(tǒng)線性度測(cè)試過程的精確和高效。

測(cè)試系統(tǒng)的組成

1．硬件組成

為保證汽車爆震傳感器測(cè)試系統(tǒng)的可靠性、高效性和可擴(kuò)展性，在硬件組成上采用PXI系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制，硬件資源與系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示，主要包括PXI控制器、PXI數(shù)字I/O板卡、振臺(tái)、LCR表、高阻表、信號(hào)鎖相放大器、信號(hào)通道切換模塊和氣動(dòng)夾具系統(tǒng)等。

圖2 爆震傳感器測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成

其中，PXI控制器是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的控制核心，能夠通過GPIB總線與LCR表、高阻表、信號(hào)鎖相放大器等儀器進(jìn)行通信；PXI數(shù)字I/O板卡主要用于系統(tǒng)的狀態(tài)反饋和動(dòng)作控制；振臺(tái)為爆震傳感器的靈敏度、線性度提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的振動(dòng)測(cè)試環(huán)境，本系統(tǒng)采用的是定制的壓電類振臺(tái)，輸出頻率范圍為 3～50kHz，1kg負(fù)載下加速度最高可達(dá)250g的振動(dòng)；LCR表、高阻表主要用于傳感器電阻、絕緣電阻、電容等參數(shù)的檢測(cè)；信號(hào)通道切換模塊主要為電阻電容測(cè)、絕緣電阻、靈敏度的測(cè)試任務(wù)建立相應(yīng)的信號(hào)測(cè)量通道。

在生產(chǎn)線上進(jìn)行靈敏度和線性度的檢測(cè)，需要通過緊固螺釘實(shí)現(xiàn)傳感器與振臺(tái)的連接，為保證測(cè)試條件的一致性，采用定扭矩扳手為緊固螺釘提供固定的扭緊力。為保護(hù)振臺(tái)，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了專門的氣動(dòng)夾具系統(tǒng)，在裝卸傳感器過程中對(duì)振臺(tái)實(shí)施保護(hù)。

2．軟件實(shí)現(xiàn)

汽車爆震傳感器測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)控軟件基于LabVIEW進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，具有良好的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。系統(tǒng)測(cè)控軟件主要采用基于狀態(tài)機(jī)的并行處理結(jié)構(gòu)，同時(shí)將事件響應(yīng)與數(shù)據(jù)流執(zhí)行方式有機(jī)結(jié)合，使整個(gè)系統(tǒng)具有較高的實(shí)時(shí)性和可靠性。軟件在功能實(shí)現(xiàn)上采用模塊化的方式，主要組成模塊有測(cè)量驅(qū)動(dòng)模塊、振臺(tái)控制模塊、氣動(dòng)夾具控制模塊及系統(tǒng)安全保護(hù)模塊等（見圖3）。

圖3 爆震傳感器測(cè)試系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

其中，測(cè)量驅(qū)動(dòng)模塊主要控制儀器實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能；振臺(tái)控制模塊采用閉環(huán)控制算法，使振臺(tái)在不同的振動(dòng)頻率下都可以有穩(wěn)定的加速度振動(dòng)；氣動(dòng)夾具控制模塊主要實(shí)現(xiàn)測(cè)試過程中對(duì)振臺(tái)夾具的動(dòng)作控制，同時(shí)可以控制打標(biāo)機(jī)構(gòu)等氣動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作；外部操作驅(qū)動(dòng)模塊通過對(duì)數(shù)字I/O端口的監(jiān)控，完成氣缸各種動(dòng)作狀態(tài)的監(jiān)視，用三色報(bào)警燈對(duì)測(cè)試進(jìn)程及測(cè)試結(jié)果進(jìn)行直觀的指示，同時(shí)可利用廢品箱上的光電傳感器實(shí)現(xiàn)廢品計(jì)數(shù)，進(jìn)行質(zhì)量控制；數(shù)據(jù)分析與顯示模塊會(huì)對(duì)檢測(cè)參數(shù)、測(cè)試過程、測(cè)量數(shù)據(jù)與波形以及最終結(jié)果等進(jìn)行動(dòng)態(tài)、直觀的顯示，同時(shí)利用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與輸出模塊將測(cè)試結(jié)果實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在Excel文件中，并可通過數(shù)據(jù)回放功能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。

測(cè)試系統(tǒng)的性能與測(cè)試范圍

我公司研發(fā)的汽車爆震傳感器測(cè)試系統(tǒng)功能完善，性能穩(wěn)定可靠，操作簡(jiǎn)單，測(cè)試精度高，測(cè)試速度快，可滿足傳感器生產(chǎn)線上長(zhǎng)時(shí)間、大批量生產(chǎn)測(cè)試的需要。針對(duì)壓電式爆震傳感器結(jié)構(gòu)形式多樣的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用傳感器適配接口模塊化設(shè)計(jì)，適合多種壓電式爆震傳感器的檢測(cè)，系統(tǒng)的測(cè)試范圍如表所示。目前該測(cè)試系統(tǒng)已成功應(yīng)用于西門子壓電式爆震傳感器生產(chǎn)線上的終檢測(cè)試。