本科毕业论文基于labview的增压压力传感器检测试验台测控系统设计.docx

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本科毕业论文基于labview的增压压力传感器检测试验台测控系统设计

摘要

增压压力传感器是一种绝对压力传感器，它是汽车发动机电控单元用于实时监测涡轮增压器增压压力的重要元器件。

其作用是将涡轮增压器后方空气的绝对压力转化为电信号，发送给电控单元（ECU），电控单元将此电信号与根据发动机工况得出的理论增压压力作比较，不断调节涡轮增压器的可变喷嘴截面积或者旁通放气阀以使实际增压压力达到最佳。

可见增压压力传感器质量精度等性能的好坏对汽车发动机能否达到最佳工作状态有着很大的影响，故而有必要对企业所生产的增压压力传感器产品性能进行评估检测。

本课题的研究内容是增压压力传感器检测试验台测控系统的设计（主要任务是测控系统的软件设计）。

本论文采用虚拟仪器技术，以LabVIEW为平台，结合增压压力传感器特性曲线特点，开发了一套计算机软件测试系统。

并且本文还简要介绍了增压压力传感器测试系统的硬件设备组成及相关原理，用以对今后测控系统软硬件搭配的实现做铺垫。

具体地说，本论文的主要工作有以下几个方面：

1.虚拟仪器技术与LabVIEW简介；2.增压压力传感器的简介；3.基于LabVIEW的增压压力传感器试验平台的硬件及软件设计；4.系统测试及结论。

关键词：

增压压力传感器，检测，LabVIEW，软件设计

ABSTRACT

Thesuperchargingpressuresensor,alsoknowastheabsolute-pressuresenor,isaimportantcomponentofelectroniccontrolunitontheautomotiveengineforreal-timemonitoringturbochargerboostpressure.Itcantransformtheabsolute-pressureofairbehindtheturbochargerintoelectricalsignalswhichwouldbesenttotheelectroniccontrolunit（ECU）.Electroniccontrolunitcomparesthiselectricalsignalwiththetheorysuperchargingpressureresultedfromengineoperatingconditions,andcontinuouslyadjuststheturbochargervariablenozzlecross-sectionalareaorthebypasspurgevalveinordertomaketheactualsuperchargingpressureachievethebestperformance.Thequalityandaccuracyofsuperchargingpressuresensorhaveagreatimpactonautomobileengineachievingthebestworkingcondition,thereforeitisnecessarytoassesstheperformanceofsuperchargingpressuresensor.

Theprojectcontentistodesignsuperchargingpressuresensormeasurementandcontrolsystem（themaintaskistodesignthesoftwareofmeasurementandcontrolsystems）.ThispaperusesthevirtualinstrumenttechnologytoLabVIEWplatform,combinedwiththesuperchargingpressuresensorcharacteristics,thedevelopmentofasetofcomputersoftwaretestingsystem.Anditalsobrieflydescribesthehardwarecompositionofthesuperchargingpressuresensortestsystemandtherelevantprinciples,forpavingthewaytotheimplementationofthefuturemeasurementandcontrolsystemaboutthecollocationbetweensoftwareandhardware.

Specifically,thisthesisworkmainlyinthefollowingareas:

1.briefintroductionofvirtualinstrumenttechnologywithLabVIEW;2.briefintroductionofsuperchargingpressuresensor;3.experimentalplatformbasedonLabVIEWsuperchargingpressuresensorhardwareandsoftwaredesign;4.systemtestsandconclusions.

KEYWORDS:

superchargingpressuresensor,detect,LabVIEW,test,softwaredesign

第一章绪论

1.1课题的提出及意义

1.1.1汽车电子技术的应用

随着现代生活的快速发展，汽车已经成为人们生活中重要的一部分，并且成为我国乃至全世界的主要经济产业之一，汽车工业为人类社会的发展和经济建设做出了巨大的贡献。

电子技术、微机技术、信息技术等在汽车上的应用使汽车工业发生了翻天覆地的变化，20世纪末大量的新工艺、新技术、新材料的应用将汽车工业完全带入汽车电子控制时代。

汽车电子控制技术以汽车技术、电气技术、微电子技术、新工艺技术为基础解决生态环境保护、资源紧缺及交通安全等社会问题，旨在改善汽车的动力性、经济性、安全性、舒适性、排放性等。

近几年汽车电子技术在控制精度、控制范围、智能化、网络化和集成化等方面有了较大的突破，汽车电子技术已经成为衡量现代汽车技术发展水平的重要标志。

汽车电子技术的发展大约可以分为三个阶段：

第一阶段：

1967年BOSCH公司开始批量生产利用进气歧管的绝对压力信号和计算机来控制发动机空燃比（A/F）的D型燃油喷射系统开启了汽车电气化的新时代；

第二阶段：

随着微型计算机技术的快速发展，汽车进入了微机控制阶段，控制技术朝着智能化方向发展。

微机控制技术的引入使汽车上的许多控制从开环控制转化为闭环控制，从而提高了汽车的经济性、动力性、舒适性等，同时自动变速器、电子点火系统、电子转向系统、防抱死制动系统、安全气囊系统、车辆防盗系统等技术已经形成；

第三阶段：

21世纪以来发动机的电控燃油喷射技术、电子点火技术、底盘控制技术、车身控制技术、汽车自诊断系统、导航系统等在汽车上得到了普遍的应用。

这些新技术的广泛应用使汽车电子装置在汽车制造成本中所占的比例越来越大，在普通轿车上汽车电子装置大约占汽车制造成本的20%-30%，中高档轿车上汽车电子占汽车制造成本的30%-35%，而在一些豪华轿车上电子装置所占的比例已超过50%。

汽车电子化的快速发展使得电子控制元件及电子装置的数量不断增多，而采用的总线网络实现快速通信是一种既可靠又经济的做法，因此汽车工业开始依靠车载局域网对汽车电器及电子控制系统进行控制，从而汽车进入车载局域网控制阶段。

车载局域网控制技术使汽车布线简化传感器的数目减少实现了资源共享，从而降低了汽车制造成本，并且使电控单元之间的交流更加简洁提高了汽车总体运行的可靠性[1]。

因此，汽车工业仍将会朝着电子化的方向发展，汽车电子技术是企业夺取汽车市场最强有力的手段。

1.1.2发动机涡轮增压技术的应用

发动机涡轮增压是一种利用内燃机运转产生的废气驱动涡轮机来带动同轴的增压器以使进气压力增高的技术。

自涡轮增压技术概念提出至今已有百年时间了，在这百年的时间里，涡轮增压技术经历了轴流式、径流式、混流式及配置放气阀、可变截面积喷嘴等自身的不断改进，其在航天、航海及陆地机械上得到了广泛的应用。

特别是车辆的广泛应用及当前人们对车辆节能、功率和环保要求的不断提高，为车用涡轮增压技术的应用、发展和进步提供了广阔的空间和需求。

增压技术首先在柴油机领域得到发展，目前工业发达国家大中功率柴油机已全部采用增压技术，中小型车用柴油机增压也达80%。

汽油机增压的发展相对较晚，技术水平也落后于柴油机。

20世纪70年代末国外汽油机开始逐渐采用增压技术，并得到了迅速的发展和完善，1990年美国生产的汽油机已有1/4采用了增压技术，1992年国际市场上出售的汽油机有15%采用增压技术，目前国外的汽油机增压正处于完善和推广应用阶段。

内燃机增压的先进技术主要集中于美国、德国和日本。

相对于柴油机而言，汽油机在小排量，尤其是轿车发动机领域，有其独特的应用优势及地位，所以汽油机的增压研究对于节约能源及提高汽车性能都要具有重要意义。

我国20世纪70年代末开始研究汽油机增压，并在CA-10B和DG26100-12机型上取得成功。

20世纪80年代末，清华、西安交大等几家高等院校和内燃机厂也相继对49ZQ汽油机进行增压研究[2]。

作为汽油机增压，除提高功率扭矩，还用于高原上恢复功率。

由于受爆震的影响和热负荷的限制，增压度都不高，性能也不够完善，实际应用很少。

到2001年，只有少数车型采用增压，还没有国产车型。

现在，国内已开发出轿车用增压柴油机和汽油机产品，如帕萨特-领驭1.8T、大众-速腾1.8T、奥迪A6L2.0T等均采用了涡轮增压技术。

国内一些著名公司和院校都非常重视发动机与增压器匹配的研究。

中科院工程热物理所、清华大学、燃气涡轮研究所通过可变喷嘴涡轮器与发动机的匹配实验测得增压压力和排气压力值，结合发动机结构参数，计算了发动机的流通特性，建立了可变喷嘴增压器与发动机的联合工作曲线[3]。

对联合工作曲线的分析表明：

设计的可变喷嘴涡轮增压器与发动机匹配良好，不会出现喘振与阻塞。

据报道，欧洲的汽车制造商和零件供应商正在将汽油涡轮增压器视为降低排放的有效武器，有望使该产品在欧洲的需求剧增。

通过引入涡轮增压器，汽车制造商可以提供较小排量的汽油机。

与现有的同类产品相比，这种发动机的性能持平或更高，而油耗量较低；加上车辆质量的减轻，可帮助欧洲的汽车制造商实现他们对欧盟的保证。

发动机采用固定喷嘴涡轮增压器时，由于涡轮增压器不能控制调节，因此很难在高速和低速工况下都得到比较满意的效果；此外增压器的瞬态响应特性不好，因而发动机的动态特性也难以提高。

为了改进增压器的性能，人们采用了减小增压器的转动惯量，加废弃放气阀，采用可变喷嘴涡轮增压器等改进措施。

在各种改进方法中，采用可变喷嘴涡轮增压器的方法对增压器和内燃机性能的改善最明显[4,5]。

电控可变喷嘴涡轮增压器与发动机的匹配工作，主要是找出在发动机运行的各种稳态或瞬态工况下可变喷嘴涡轮增压器的最佳开度。

这就需要验证步进电动机在各种工况下的适应能力，优化电控系统的某些控制参数，如闭环控制的压力MPA图，开环控制的步数MPA图等，从而使可变喷嘴涡轮增压器电控系统的控制与发动机的工况变化相协调，充分提高发动机的性能，提高燃油经济性，降低微粒和NOX等有害排放物的排放[6]。

总体来说，当今的车用涡轮增压技术主要具有以下特征：

小型化、节能、环保、高原功率补偿。

归纳起来涡轮增压应用在汽油机上有以下一系列优点：

（1）提高发动机的功率；

（2）提高发动机的低速扭转特性；

（3）提高发动机的燃油经济性；

（4）降低了发动机的有害气体排放；

（5）降低了发动机的噪声值；

（6）降低了发动机的结构比重量。

近年来，在普通涡轮增压系统上，世界各国竞相发展新的高增压和超高增压系统，取得的进展是十分惊人的，这充分说明了增压系统的无比强大的生命力。

目前这种发展势头还很猛，其前景很宽广，沿着这个趋势发展下去可能将导致发动机领域内又一次革命。

应该承认，这是内燃机领域内的一项高技术，一旦在高增压和超高增压系统方面取得突破就会带动整个增压系统的提高。

我们应该密切关注这项高技术的发展，并结合我国的实际情况，创造出适合我国特色的高增压和超高增压系统。

1.2传感器检测试验台测控系统的发展状况

目前传感器检测试验台测控系统应能够根据用户的要求自动地调整传感器的检测工况，并将其控制在一定的精度范围内，同时运用先进的控制算法，实现最优控制。

系统可根据用户设定的工况数据自动地定时切换传感器的测试工况，同时采集、显示、记录、报警、打印并传送各种被测参数，可监测跟踪实验过程中传感器各性能参数的变化，并能实时跟踪绘制性能曲线、自动存盘及打印输出实验数据和性能曲线，同时可将实验数据自动修正到标准状况下，自动完成所有测试内容，从而实现传感器的自动测试。

在国内，由于技术水平的限制，早期的传感器检测试验台测控系统仅处于半自动化，系统的功能虽可以实现对实验数据的采集和处理，但系统自动控制能力、稳定性和扩展性具有很大的局限性。

目前国内的许多企业和科研机构正致力于计算机控制的传感器检测试验台测控系统的研制，相继开发研制了一批具有较高自动化水平的测控系统。

在国外，已开发出自动化水平很高的计算机测控系统，如日本渊野公司ESF-100型试验测控系统，该系统采用计算机集中控制，能够对各种测试参数进行实时采集，并且能够实现数据处理、特性曲线绘制等功能[7]。

同时该系统使用高速交换以太网构成的现场信息总成，通过数据分布处理技术，实现了多个测控系统数据的实时监控与集中处理，并能完成数据库的实时建立与管理，使系统可扩展性与升级能力得到了很大程度的提高。

1.3LabVIEW软件

LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）的英文缩写[8]，是目前最为流行的图形化开发软件，已经被工业界、学术界和研究实验室广泛使用，是一个标准的数据采集和仪器控制软件。

LabVIEW集成了满足GPIB，VXI,RS-232和RS-485等协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。

内置了便于应用TCP/IP，ActiveX等软件标准的库函数，是一个功能强大、应用灵活的编程开发软件。

利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都更加灵活高效，非常适合传感器性能检测系统的开发要求。

与其他软件相比较，LabVIEW具有如下优点：

（1）新颖的程序设计理念。

LabVIEW是一种图形化编程语言，用LabVIEW编写的程序被称为虚拟仪器VI（VirtualInstrument），程序的界面和功能与实际的仪器非常相似。

一个VI既可以作为上层独立程序，也可以作为其它程序的子程序。

程序分为前面板、框图程序和连接端口，VI图标和连接端口的功能就像一个图形化参数列表，可以在VI与SubVI之间传递数据。

LabVIEW内置信号采集、测量分析与数据显示功能，比传统开发工具更加高效，提供强大功能的同时还保证了系统的灵活性。

（2）简易快捷的数据采集和控制。

无论是用低端插入式数据采集卡测量，还是用成熟的信号调理系统测量，从数据采集到仪器控制，从图像采集到运动控制，LabVIEW都是一个理想的开发环境，并可以提供各种工具以迅速完成数据采集系统的开发。

（3）功能强大的多种分析模块。

采集到原始数据通常不是测量与自动化应用的最终结果，LabVIEW内具有400多个分析处理工具，诸如快速傅里叶变换（FFT）与频率分析、信号发生、数学运算、曲线拟合、时频分析等工具。

利用这些工具可以对原始数据进行分析处理，从中获取有意义的信息。

（4）形象逼真的数据显示。

数据显示部分根据不同功能分成几个不同的方面，如数据显示、报告生成、数据库数据显示与联接等。

这些控件和联接方法使仪器更加形象，编程开发更加直观。

LabVIEW提供的一组完整的控件和工具可以方便地完成数据显示和控件联接工作。

1.4增压压力传感器

1.4.1增压压力传感器简述

增压压力传感器是随着涡轮增压技术及汽车电子技术的发展才得到应用的。

它直接来源于气体压力传感器的使用和发展，与发动机其他的气体压力测量传感器大同小异，其工作原理相同，用途不同而已。

车用增压压力传感器安装在压气机出口的进气管道上，位于节气门之前。

其作用是时刻保持监测增压器的增压压力。

当发动机切换到大负荷运行时，发动机所需空气量增大，压气机出口端气压便减小，增压压力传感器监测出来这一现象后，将信号传递给ECU，ECU经过处理分析通过控制电磁阀开闭来控制排气旁通阀的通路大小，以使发动机排气更多的通过涡轮机而进入排气管中。

这样涡轮机里的叶轮转速便会增高，压气机叶轮的转速也增高，增压效果加强，进入发动机里的空气压力便得到提高，空气量增大，发动机的功率增大。

反之，发动机切换到小负荷时，根据同样的道理，经过一系列的动作，压气机出口气压降低，增压效果降低，发动机的功率便减小。

因此，有了增压压力传感器，便不会使发动机因增压压力过低而表现动力性不足、加速性变差，或者因增压压力过大而使发动机工作粗暴、涡轮机热负荷过大而损坏等等。

增压压力传感器的外观如图1.1。

图1.1增压压力传感器外观图

汽车发动机的增压压力传感器是一种硅芯片压阻式绝对压力传感器，是压阻式传感器中的一种典型代表。

压阻式压力传感器是用半导体材料硅的压阻效应制成的传感器。

压阻式压力传感器具有体力小、耗电少、灵敏度高、精度好、频率响应高、无运动部件等优点；但是其同样具有制作复杂、温度特性差等缺点[9]。

压阻式传感器广泛地应用航天、航空、航海、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各个领域[10]。

在航天和航空工业中压力是一个关键参数，对静态和动态压力，局部压力和整个压力场的测量都要求很高的精度。

压阻式传感器是用于这方面的较理想的传感器。

在生物医学方面，压阻式传感器也是理想的检测工具。

压阻式传感器还有效地应用于爆炸压力和冲击波的测量、真空测量、监测和控制汽车发动机的性能以及诸如测量枪炮膛内压力、发射冲击波等兵器方面的测量。

此外，在油井压力测量、随钻测向和测位地下密封电缆故障点的检测以及流量和液位测量等方面都广泛应用压阻式传感器。

随着微电子技术和计算机的进一步发展，压阻式传感器的应用还将迅速发展[11]。

最开始的压阻式压力传感器是半导体应变式的。

后来在N型硅片上定域扩散P型杂质形成电阻条，并接成电桥，制成芯片。

此芯片仍需粘贴在弹性元件上才能敏感压力的变化。

采用这种芯片作为敏感元件的传感器称为扩散型压力传感器。

这两种传感器都同样采用粘片结构，因而存在滞后和蠕变大、固有频率低、不适于动态测量以及难于小型化和集成化、精度不高等缺点。

70年代以来制成了周边固定支撑的电阻和硅膜片的一体化硅杯式扩散型压力传感器。

它不仅克服了粘片结构的固有缺陷，而且能将电阻条、补偿电路和信号调整电路集成在一块硅片上，甚至将微型处理器与传感器集成在一起，制成智能传感器。

1.4.2增压压力传感器的工作原理

增压压力传感器是利用半导体的压阻效应制成的。

所谓压阻效应，是指当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。

它是C.S史密斯在1954年对硅和锗的电阻率与应力变化特性测试中发现的。

半导体压阻传感器已经广泛地应用于航空、化工、航海、动力和医疗等部门[12]。

半导体硅的电阻会因外界压力的变化而变化，电阻的大小不仅与外界压力的大小有关而且还与其自身的压阻系数有关。

扩散杂质的表面浓度和环境温度是影响压阻系数的主要因素。

环境温度、扩散杂质表面浓度、压阻系数和灵敏度之间的对应关系如下：

压阻系数随环境温度的升高而减小，随环境温度的降低而增大，与此同时，传感器的灵敏度随压阻系数的减小而降低，反之则增大；压阻系数随扩散杂质浓度的增加而减小，随扩散杂质浓度的降低而增大，与此同时，传感器的灵敏度随压阻系数的减小而降低，反之则增大[13,14]。

增压压力传感器的工作原理如下图1.2所示，进气歧管内的进气压力使硅芯片连同压电电阻发生机械变形，使其阻值发生改变，惠斯顿电桥失去平衡，经硅芯片上的电路处理后，形成与进气压力成线性的电压信号。

增压压力传感器的特性曲线如图1.3所示。

图1.2增压压力传感器工作原理图

图1.3增压压力传感器特性曲线图

1.5研究目的及主要工作

增压压力传感器测试台操作智能化，可改善由于工艺水平以及人工因素导致传感器批量生产时出现的参数性能等方面不达标的问题。

为此设计出一个检测精准快速、操作智能化的增压压力传感器测试系统，能够帮助企业在批量生产时解决合格率偏低、质量控制不稳定、产品性能指标分散性大等问题，为企业生产质量合格、性能优越的增压压力传感器提供一个良好的测试平台。

本课题研究增压压力传感器测试系统的设计，首先了解增压压力传感器的使用环境及工作原理，并确定出增压压力传感器的检测参数。

然后根据增压压力传感器的工作特性合理地规划出它的测试平台，包括测试系统中实现增压气压的设备和一些硬件的选择与布置。

其次，了解虚拟仪器技术和LabVIEW软件，以LabVIEW为平台，结合增压压力传感器特性曲线特点，开发出一套计算机软件测试系统。

最后以设计好的软件测试系统对模拟的增压压力传感器进行检测来判断其质量好坏，并绘制出各种使用到的增压压力传感器的特性曲线以供以后更加深入的研究。

第二章系统方案设计及试验台构成

2.1测试系统要求

2.1.1测试参数

系统测试对象：

某种型号的汽车用增压压力传感器。

主要针对目前广泛使用的硅芯片压阻式增压压力传感器进行试验台上的测试，通过测试其静态特性来对产品的性能与是否合格做出判定。

输入测试参数：

空气绝对压力。

本测试台空气绝对压力的大小由空气加压电磁阀和空气降压电磁阀调节，根据被测增压压力传感器的测量电压输出范围，选定合理的被测空气绝对压力点。

输出测试参数：

增压压力传感器输出电压。

为了验证系统测试数据的正确性，需用标准增压压力传感器对其进行试验标定，可参考德国BOSCH公司生产的同型号增压压力传感器作为理想数据源，将其与系统测试数据进行对比。

2.1.2测试功能

该检测试验台可实现自动检测、手动检测、绘制图像等功能，为企业生产增压压力传感器提供了良好的检测平台。

自动检测：

自动检测是根据提前设定好的九个特定电压值来检测分析被测传感器。

其原理是每当标准传感器的输出电压达到了这九个特定电压值时，根据被测传感器的输出电压是否在允许误差范围之内来判定其质量；

手动检测：

手动检测是人为的设置几个空气绝对压力值点，对被测传感器和标准传感器在此压力下的输出电压值比较分析来判定被测传感器的质量；

绘制图像：

该检测试验台在检测过程结束后，能够生成标准及被测传感器的特性曲线，可供以后更加深入分析研究。

2.2系统结构设计

增压压力传感器智能测试系统的整体结构如图2.1所示[15]，系统主要由供气系统、调压电磁阀、信号测量采集系统以及上位机控制软件等组成。

供气系统即气道和空压机，和调压电磁阀一起用来模拟汽车发动机工作时涡轮增压器进气增压情况；信号测量采集系统主要是对被测增压压力传感器和标准增压压力传感器输出电压信号的采集；上位机软件