汽车传感器综合实验台的研究与开发

　　摘要：研究了虚拟仪器技术在汽车传感器测试中的应用问题。针对汽车用速度传感器和相位传感器的测试要求，结合三坐标移动及高速高精度信号转动机构组成测试台的机械结构，采用光幕传感器进行间隙测量，用光纤传感器进行信号轮的标定，用数字示波器进行传感器信号采集，并采用Labview进行了系统软件的开发工作。研究结果表明，采用虚拟仪器技术进行试验台的开发工作周期短、成本低、效果可靠。

　　关键词：汽车传感器、虚拟仪器、综合实验台

　　引言

　　随着我国汽车技术的不断发展，汽车结构不断完善，汽车性能不断提高。汽车已经成为包含了大量高新技术的集机-电-液于一体的复杂机械。一辆汽车上的零件多达数千甚至数万种，而使用条件又千差万别，因此对各部件的性能、寿命、质量和成本都有着相当高的要求。由于汽车产品涉及到的技术领域非常广泛，影响产品质量的因素又非常多。所以，必须借助试验检测等技术手段，对产品做出检验。试验检测可以说是保证汽车各项性能，提高质量和市场竞争力的重要手段。

　　速度传感器通过和曲轴同轴回转的信号轮的激励而产生脉冲速度信号，信号轮通常做成缺齿的齿轮，这样可以检测出曲轴的位置。因为气缸中的活塞通过连杆与曲轴相连，所以曲轴或发动机转速传感器可提供活塞在各气缸中的行程和速度数据。相位传感器用于检测凸轮轴位置信息，因此又称为凸轮轴位置传感器。汽车电控单元ECU通过这两个传感器和其他传感器得到发动机活塞运动状态，以此确定点火提前角等影响发动机工作的主要参数。

　　1、研究与开发思路

　　根据对这两种传感器的工作环境和使用要求，我们提出了对这两种传感器进行检验测试的三方面主要内容：即相位偏置及精度、信号轮和传感器之间间隙和位置角度偏差对信号的影响以及温度的影响。

　　对试验台的主要要求如下：

　　(1)系统采样精度<0.01°;

　　(2)间隙控制精度：0.01㎜。

　　(3)信号轮转速：≤6000r/min，精度：1%;

　　(4)坐标位移精度：0.01㎜;

　　在对测试内容和测试台技术要求进行详细地分析后，我们采用铝合金型材框架制成试验台的骨架，高强度钢化玻璃和钢板形成试验台的操作空间。采用三坐标运动滑台调整和控制传感器的位置，高速信号轮驱动和检测系统。控制系统以工控机(IPC)为主控设备，对整个试验进行监控管理，采用基于PCI总线的NI的6221和研华PCI1756等板卡，实现对信号轮主轴，以及调整传感器位置的三坐标轴的运动控制。采用泰克公司的数字示波器，独立进行传感器信号的采集和分析。

　　这样，一方面可以作为主控设备IPC稳定可靠已广泛应用于工业实践，采用IPC便于快速实现良好的人机界面、系统开发和系统的维护工作，定制的操作界面和操作面板方便系统的操作。另一方面还采用数字示波器，不仅能够方便可靠地完成传感器信号的数据采集，同时又能很好地与主控工保持通信，通过程序的二次开发，对传感器的信号数据进行客户化分析，提高了测试功能的扩展性。

　　由于信号轮采样精度要求较高，我们选择德国海德汉ER0785型高精度角度传感器，每转可以产生36000个脉冲。信号轮和传感器的间隙及振动的检测采用德国米铱公司的opot CONTROL2500-35光幕式激光传感器。信号轮相位边沿和零相位检测采用日本KEYENCE公司的FS-20型光纤高速传感器。驱动信号轮的是西门子1FT6型数字伺服电机配合高精度交流伺服控制器MASTERORIVES。控制传感器位置的XYZ三坐标滑台也采用三菱J2S系列的交流伺服电机进行驱动，传感器的温度控制通过外加高低温装置使传感器保持在要求的温度。

　　2、开发与处理方式

　　高精度三坐标位置控制和信号轮旋转控制是机械关键部分，特别是信号轮采用36000线/r的高精度角度传感器，对信号轮主轴的制造和安装精度要求很高，否则会造成对误读甚至不能工作，我们采用的主轴结构，使角度传感器可靠地工作。

　　软件系统主要采用Labview进行开发，完成对传感器位置的控制、间隙的监测、信号轮的标定以及信号数据的处理分析等工作。

　　传感器的工位调整是通过对三坐标台的移动控制实现。主控制系统通过NI的M系列的多功能DAQ卡和研华数字I/O卡，对三菱J2S伺服电机进行位置控制， 节省了专用的位置控制卡。将伺服控制器设置成位置控制模式，上位机通过1个方向信号和1个脉冲信号对伺服电机进行控制，脉冲的数量和频率对应工作台位置和速度。

　　工位调整的用户界面，对位置实现多种控制方式，诸如设定值控制方式、点动运动方式和定量移动方式等。交流伺服系统具有RS485串口通信接口，通过RS232/RS485接口转换适配器，与工控机的RS232串口相连进行通信，将电机运动的绝对位置信息实时反馈至主控系统中，并在人机界面触摸屏中显示。系统同时应用光幕激光传感器对被测传感器与信号轮间的气隙进行检测，通过其模拟量输出端口，将气隙量采集到主控系统。

　　与软件系统相配合的NI公司的M系列多功能数据采集卡有6个DMA通道，通过采用NI-STC2的系统和定时控制技术单个设备可以同时执行模拟输入输出、数字输入输出和两个计数器/定时器操作，而无需通过IRQ占用处理器处理时间。因此保证了软件系统能够实现对传感器3个坐标方向上伺服电机的位置控制。以及对光幕传感器模拟量的采集获得传感器与信号轮间的气隙量大小。

　　NI6221数据采集卡，其Port 0口具有FIFO缓存区，能够存放波形数据，然后从Port 0的各个位输出连续的波形脉冲数据。M系列采集卡具备的DMA控制器能够将系统内存中波形数据存入到FIFO中。从而在时钟信号的控制下，将FIFO中的数据逐一由DIO端口输出。FIFO同时支持再传输模式，在该模式下，当FIFO中的数据全部输出之后，FIFO能够以相同顺序再次输出全部数据。

　　由于NI6221采集卡的DIO口没有其自身的内部时钟，因此其输入输出的频率必须通过外部时钟源，或是内部路由的时钟源。本系统采用6221的计数/定时器按用户设定频率的输出脉冲， 该脉冲串作为DIO的时钟源，从而使位置脉冲按相应时钟频率输出到伺服控制器， 实现对电机的位置控制。信号轮转速通过NI6221的模拟量输出控制西门子MASTERORIVES控制器，并通过安全门限开关和急停开关等实现安全连锁。

　　对于被测传感器输出信号的采集以及上述的信号轮相位光纤传感器检测，是由泰克(Tektronix)数字示波器实现的。利用数字示波器提供的Openchoice工具包，采用Visual Basic根据系统对数据分析的要求对其进行二次开发，实现信号的采集和初步处理分析功能。这个二次开发的软件以动态连接库DLL的形式安装在泰克示波器中，主控系统通过以太网获取数据采集和分析的结果，然后以客户化的图形显示和分析报表形式输出。

　　3、结论

　　随着汽车行业的迅猛发展，与此相配套的传感器的需要也越来越大，高性能高质量的传感器的研究开发是大势所趋。低成本、开发周期短、高性能、高可靠性、功能模块丰富的测试试验设备是汽车传感器在研制开发中的必然需求。可见，根据现今计算机技术和仪器仪表的发展情况，未来基于虚拟仪器技术的试验设备将在汽车传感器的研发和生产领域得到更为广泛的开发和应用。

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