手持式汽車轉(zhuǎn)速表計(jì)量檢定裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

手持式汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表是用于檢測(cè)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的一種儀器。它一般包括兩種類型的轉(zhuǎn)速表：用于測(cè)量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的汽 油機(jī)轉(zhuǎn)速表和用于測(cè)量柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速表。手持式汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表具有體積小、質(zhì)量輕、操作方便等特點(diǎn)，在汽車和發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)、研究、維修以及監(jiān)督檢測(cè)部門都得到廣泛的使用。由于這種類型的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表的檢測(cè)原理和使用方法與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速表有較大的區(qū)別 。計(jì)量部門現(xiàn)有的轉(zhuǎn)速計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置無(wú)法對(duì)其測(cè)量精度進(jìn)行檢定。目前.比較常用的檢定方法都是將它同磁 電式或光電式等其他類型的轉(zhuǎn)速表進(jìn)行比對(duì) 。但這種比對(duì)工作需要在專門的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行。這種方法不僅在測(cè)量范圍、測(cè)量精度和穩(wěn)定度等方面都不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表的計(jì)量要求，而且一般計(jì)量部門也很難具備此種條件。因此，有必要研制一種檢定裝置.用以解決手持式發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表的計(jì)量檢定難題。

1 手持式汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表的測(cè)量原理

1.1 汽油機(jī)轉(zhuǎn)速表的測(cè)量原理
汽 車的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)屬于點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī) 。它在每次點(diǎn)火時(shí)由于高壓放電都會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)中點(diǎn)火線圈和高壓點(diǎn)火線等部件周圍的磁通量發(fā)生變化.汽油機(jī)轉(zhuǎn)速表傳感器中的電磁線圈能夠感應(yīng)到這種 變化并把這種磁通量的變化轉(zhuǎn)換成頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頻率相同的電流脈沖信號(hào)。汽油機(jī)轉(zhuǎn)速表傳感器的安裝方式有多種：有的是夾在高壓點(diǎn)火線上 .有的是用吸盤將傳感器吸在點(diǎn)火線圈上：另外還有非接觸式 ，只要將轉(zhuǎn)速表傳感器靠近發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng) 。就可以感應(yīng)到點(diǎn)火信號(hào)。汽油機(jī)轉(zhuǎn)速表通過(guò)將汽油機(jī)轉(zhuǎn)速表傳感器所采集的點(diǎn)火脈沖信號(hào)頻率值與所測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的沖程數(shù)值以及缸數(shù)值進(jìn)行運(yùn)算 .就能夠得到發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速值。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速值與點(diǎn)火脈沖頻率之間的關(guān)系如下 ：

N=3Okf/m

式中 ，Ⅳ為轉(zhuǎn)速表顯示 的轉(zhuǎn)速 點(diǎn)火脈沖頻率 ；為發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù)：m為發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)。

1.2 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速表的測(cè)量原理
柴 油機(jī)轉(zhuǎn)速表則是將其傳感器以一定的預(yù)緊力卡夾在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)第一缸的高壓油管上。發(fā)動(dòng)機(jī)每次噴油時(shí)會(huì)在高壓油管內(nèi)產(chǎn)生較高的壓力 ，高壓油管在油壓的作用下產(chǎn)生微小膨脹。擠壓傳感器內(nèi)的壓電傳感元件。在傳感元件兩端產(chǎn)生壓電電荷。從而將噴油壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào) ，這個(gè)電脈沖信號(hào)頻率值與發(fā)動(dòng)機(jī)第一缸的噴油頻率值相等。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速表通過(guò)將傳感器采集的脈沖信號(hào)頻率值與所測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù)一起運(yùn)算就能得到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速值。由于目前汽車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)都是4沖程發(fā)動(dòng)機(jī).因此所使用的手持式汽車柴油機(jī)轉(zhuǎn)速表也都是針對(duì)4沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)而設(shè)計(jì)的。對(duì)于這種柴油機(jī)轉(zhuǎn)速表來(lái)說(shuō).柴油 發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與噴油頻率之問(wèn)的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

N=120f

式中，Ⅳ為轉(zhuǎn)速表顯示的轉(zhuǎn)速；廠為噴油頻率。


2 檢定裝置的測(cè)量原理和構(gòu)成

2.1 總體設(shè)計(jì)方案
由 于上述手持式發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表檢測(cè)原理的特殊性。為了對(duì)其進(jìn)行檢定 .就應(yīng)該拋開(kāi)用機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速裝置等傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速計(jì)量思路。我們的方案是設(shè)計(jì)一個(gè)低電壓信號(hào)發(fā)生裝置.提供一個(gè)頻率準(zhǔn)確、穩(wěn)定的低電壓脈沖信號(hào) ，該信號(hào)的頻率與某一標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng) 的汽油機(jī)點(diǎn)火脈沖頻率或柴油機(jī)噴油頻率相等.再用這個(gè)低電壓脈沖信號(hào)去驅(qū)動(dòng)用于模擬轉(zhuǎn)速表傳感器所需要的信號(hào)的點(diǎn)火裝置或壓力脈沖發(fā)生裝置。產(chǎn)生出標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn) 速所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火信號(hào)和壓力脈沖信號(hào)。

基于以上思路.我們研制了用于檢定手持式發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表的標(biāo)準(zhǔn)裝置。該標(biāo)準(zhǔn)裝置由三部分構(gòu)成 ：低壓脈沖信號(hào)發(fā)生器、用于汽油機(jī)轉(zhuǎn)速表檢定的高壓點(diǎn)火發(fā)生器、用于柴油機(jī)轉(zhuǎn)速表檢定的振動(dòng)脈沖發(fā)生器 (見(jiàn) 圖1)。


圖 1 檢定裝置框圖

2.2 低壓脈沖信號(hào)發(fā)生器
低 壓脈沖信號(hào)發(fā)生器的工作原理見(jiàn)圖2。其作用是根據(jù)輸入的轉(zhuǎn)速表相關(guān)信息和設(shè)置的轉(zhuǎn)速值產(chǎn)生出相應(yīng)的低電壓脈沖信號(hào)。信號(hào)的頻率與設(shè)定的轉(zhuǎn)速值所對(duì)應(yīng) 的高壓點(diǎn)火脈沖頻率或噴油頻率相等。為達(dá)到這個(gè) 目的。我們?cè)O(shè)計(jì)了以MCS一51系列單片機(jī)系統(tǒng)為主體電路構(gòu)成的裝置.利用單片機(jī)的定時(shí)中斷功能來(lái)產(chǎn)生電壓脈沖信號(hào)。系統(tǒng)工作時(shí)首先用裝置面板上的撥碼盤和按鍵設(shè)置轉(zhuǎn)速表類型 (汽油，柴油機(jī))、發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)、沖程數(shù) 、轉(zhuǎn)速等信息。單片機(jī)系統(tǒng)工作時(shí)先讀取這些信息。并通過(guò)運(yùn)算變換成相應(yīng)的中斷延時(shí)時(shí)間。與此同時(shí)系統(tǒng)開(kāi)始計(jì)時(shí)。并在延時(shí)時(shí)間到達(dá)后輸出一個(gè)脈沖。然后再重復(fù)“讀取輸入 信息一計(jì)時(shí)一輸出脈沖”過(guò)程。如此往復(fù)循環(huán)。就產(chǎn)生出相應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)。單片機(jī)系統(tǒng)輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)隔離電路分別送到高壓點(diǎn)火發(fā)生器和振動(dòng)脈沖發(fā)生器。


圖2 低電壓脈沖信號(hào)發(fā)生器

2.3 高壓點(diǎn)火發(fā)生器
高 壓點(diǎn)火發(fā)生器用于產(chǎn)生汽油機(jī)轉(zhuǎn)速表檢定所需要的高壓點(diǎn)火信號(hào)。它完全模擬了汽油發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的實(shí)際工作情況 。由點(diǎn)火放大器 、高壓點(diǎn)火線圈和火花塞等構(gòu)成(見(jiàn)圖3)。來(lái) 自低電壓脈沖信號(hào)發(fā)生器的脈沖信號(hào)首先送到點(diǎn)火模塊輸入端 。點(diǎn)火模塊內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電路使得點(diǎn)火線圈初級(jí)線圈產(chǎn)生通斷電流。進(jìn)而在次級(jí)線圈產(chǎn)生數(shù)千伏的高壓并通過(guò)火花塞放電，產(chǎn)生出高壓放電信號(hào)。構(gòu)成高壓點(diǎn)火發(fā)生器的所有元器件全部使用汽車成品電器部件。

這樣一方面使產(chǎn)生的點(diǎn)火脈沖接近實(shí)際情況，另一方面也便于各種汽油機(jī)轉(zhuǎn)速表傳感器的安裝。


圖3 高壓點(diǎn)火發(fā)生器

2.4 振動(dòng)脈沖發(fā)生器
檢 定柴油機(jī)轉(zhuǎn)速表所需要的標(biāo)準(zhǔn)頻率的噴油壓力脈沖信號(hào)很難通過(guò)簡(jiǎn)單的方法或裝置來(lái)得到 ，我們只有想辦法用其他信號(hào)來(lái)替代噴油壓力脈沖信號(hào)。通過(guò)試驗(yàn) 。我們發(fā)現(xiàn)將柴油機(jī)轉(zhuǎn)速表傳感器固定在一根金屬棒上并敲擊金屬棒 .金屬棒的振動(dòng)同樣能使傳感器中的壓電元件受到擠壓 。從而產(chǎn)生與敲擊信號(hào)同步的電脈沖信號(hào)。因此 ，我們可以利用機(jī)械振動(dòng)敲擊金屬棒的方式來(lái)模擬柴油發(fā)動(dòng)機(jī)噴油壓力的作用，使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速表傳感器產(chǎn)生感應(yīng)。為此 ，我們?cè)O(shè)計(jì)了振動(dòng)脈沖發(fā)生器 。它由小型功率放大器、激振器 、固定支架等組成(見(jiàn)圖4)。從低壓脈沖信號(hào)發(fā)生器來(lái)的低電壓脈沖信號(hào)經(jīng)功率放大器驅(qū)動(dòng)激振器產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng).安裝在激振器上的金屬錘頭以輸入的電壓脈沖相同的頻率敲擊固定柴油機(jī)轉(zhuǎn)速表傳感器的金屬棒.金屬棒發(fā)生模擬噴油壓力的脈沖振動(dòng)使傳感器感應(yīng) 。達(dá)到檢定柴油機(jī)轉(zhuǎn)速表的目的。


圖4 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)發(fā)生器

3 誤差分析
本 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置中的高壓點(diǎn)火發(fā)生器和脈沖振動(dòng)發(fā)生器工作頻率較低。所以只要安裝調(diào)試正確.就不會(huì)產(chǎn)生誤操作。由此引起的誤差可以不予考慮。影響檢定精度和穩(wěn)定度的主要因素是單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生電壓脈沖信號(hào)的頻率誤差。由于本計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置是采用單片機(jī)定時(shí)中斷方式來(lái)產(chǎn)生脈沖信號(hào)的 。因此誤差大小主要取決于將輸入信息轉(zhuǎn)換成延時(shí)時(shí)間的轉(zhuǎn)換誤差。只要程序設(shè)計(jì)合理 ，由此引起的檢定誤差完全可以控制在0.1％以下。

4 結(jié) 論
此檢定裝置適用于檢定各種手持式汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表 ，檢定范 圍為100—9900r/min，精度優(yōu)于0.1％。該檢定裝置經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用 ，達(dá)到了預(yù)期效果。它主要有以下特點(diǎn)：

(1)兼顧了汽油機(jī)和柴油機(jī)兩種轉(zhuǎn)速表的檢定 ，適應(yīng)范圍廣，精度高，操作簡(jiǎn)便。工作可靠；
(2)體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，易于制造；
(3)有一定推廣價(jià)值，能夠解決計(jì)量部門檢定手持式發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表的難題。