基于虚拟仪器LabVIEW的发动机台架试验数据采集系统设计

王立新，李荣廷

(河北科技大学机械工程学院，河北石家庄 050018)

基于虚拟仪器LabVIEW的发动机台架试验数据采集系统设计

王立新，李荣廷

(河北科技大学机械工程学院，河北石家庄 050018)

发动机台架试验系统是测试发动机动力性、经济性、可靠性的必要手段，其自动化水平与测试精度能够直接影响试验数据采集及分析处理的准确性。基于虚拟仪器LabVIEW设计了发动机台架试验数据采集系统，硬件部分主要包括实现发动机转速、温度、振动等信息获取的传感器，以及匹配传感器的信号调理模块和数据采集卡；软件部分是基于虚拟仪器LabVIEW编写的数据处理与界面显示程序。调试运行结果表明构建的发动机台架试验数据采集系统能够实现发动机转速特性、负荷特性、振动等信息的准确采集并能在界面窗口直观显示，能够满足发动机性能测试过程中运转特性参数信息准确获取的需求。

发动机台架试验；数据采集系统；LabVIEW；性能测试；转速特性

发动机台架试验是用科学试验的方法来揭示发动机的动力性、经济性、可靠性、耐久性等性能的主要途径，是发动机性能测试的主要基础。在发动机的开发研制及使用过程中，发动机台架试验环节对于发动机理论研究、新产品设计制造都发挥着重要作用[1-4]。同时，发动机台架试验能够直观揭示发动机性能参数的检测方法与获取途径，有助于发动机整体结构与工作原理的直观阐释。因此，设计发动机台架试验数据采集系统，实现发动机整体性能参数的准确获取与分析处理，无论是对于高性能发动机的研发，还是对于实践教学都具有重要意义。

在发动机台架试验中，需要同时检测转速、转矩、功率、油耗等多个相关参数并记录各个时刻的参数信息。目前现存发动机试验台架试验系统的自动化程度较低，在试验过程中需要实验员作相应的记录，不可避免地引入操作误差，造成测试精度不高及实时性、稳定性不强等问题[5-8]。虚拟仪器技术是计算机技术与测试技术相结合的产物，其实质是基于计算机强大的软件功能实现由I/O接口设备采集数据信息的分析处理和运算，利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板并以多种形式直观显示和输出检测结果。虚拟仪器技术已逐步应用于发动机运行参数检测和测功机控制、发动机缸压和振动的测量、ECU检测及模拟，以及与发动机性能检测相关的其他方面[9-15]。

本论文基于虚拟仪器LabVIEW设计了发动机台架试验数据采集系统，主要包括获取发动机转速、温度、振动等信息的传感器的选择及相应信号调理模块和数据采集卡的匹配选取。基于LabVIEW编写了系统的数据处理与界面显示程序，用以实现发动机主要性能参数的准确采集、分析处理与直观显示。对设计的发动机台架试验数据采集系统进行了运行调试，结果表明该系统能够实现发动机性能测试过程中对运行特性参数的准确采集。

1 系统硬件设计配置与实现

1.1传感器的选择与固定安装

发动机台架试验过程中需要获取转速、进排气温度、冷却液温度、缸体振动等信息，以此量化表征发动机的转速特性、负荷特性、燃油经济性等。针对所要采集的发动机运行特性信息，需结合发动机运转特性与工作环境合理选取传感器，实现各种信号的准确、可靠采集。

1.1.1 转速传感器的选取

转速是表征发动机运行状况的重要参数，可用于计算发动机的转矩、有效功率，还可判定发动机工况的稳定度。目前普遍采用磁电式传感器测量发动机转速，此类型传感器能够把发动机转速的变化转变为感应电动势，属于机械能—电能的变换型传感器。在发动机输出轴上安装齿数均匀分布的导磁齿盘，将由铁芯、磁钢、感应线圈等部分组成的磁电式传感器固定在导磁齿盘的正对面，发动机运转带动导磁齿盘转动，引起传感器感应线圈中磁力线的产生，处于旋转状态的导磁齿盘齿轮切割磁力线，从而最终导致感应线圈中感应电动势的产生。磁电式转速传感器输出的感应电动势正比于发动机转速，即转速越大，感应电动势越大[16]。依据发动机台架试验系统对转速的测试范围与精度要求，以及综合考虑发动机运转工况及工作环境，选择CDG02B-A型磁电式转速传感器作为系统的转速测试传感器，其主要性能指标如表1所示。

表1 磁电式转速传感器CDG02B-A主要性能指标Tab.1 Performance parameter of magneto-electric tachometric transducer CDG02B-A

1.1.2 温度传感器的选取

发动机运转时，温度信息是反映发动机热负荷状态的重要参数。发动机台架试验过程中，需要实时监测发动机冷却液温度及进排气温度等，以便获取用于量化发动机工作性能指标的参数信息。目前普遍使用NTC(negative temperature coefficient)热敏传感器测试发动机运转时的冷却液温度及进排气温度。NTC热敏传感器是指具有负温度系数的热敏电阻器，其以锰、钴、镍等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制成。热敏电阻器具有半导体性质，能够吸收周围热源的辐射并表现出热敏材料阻值的变化，因具有较好的响应特性、较高的灵敏度及测试精度等特点而被广泛应用于复杂工况下的温度测量[17]。选择VT340R0型热敏电阻作为系统的温度信息采集传感器，主要参数如表2所示。

表2 热敏电阻传感器VT340R0主要性能指标Tab.2 Performance parameter of thermistance sensor VT340R0

1.1.3 振动传感器的选取与安装

发动机振动信息能够反映运转状态与评价发动机性能，振动幅值超出合理范围预示发动机故障的出现，获取发动机振动信息是发动机台架试验数据采集的重要环节。发动机振动信号具有频率范围宽(10～1 000 Hz)、振动加速度范围广(0～100 m/s2)、机体温度较高(70～80 ℃)等特点，因而对振动信号的测试较为困难[18]。针对发动机振动信号的特征及测试环境的恶劣程度，采用压电式加速度传感器作为系统的振动信号采集传感器。该传感器基于压电效应，能够感受发动机的振动并将其转换成电参量变化。当被测发动机振动频率远小于传感器的固有频率时，传感器输出电参量的变化正比于发动机振幅的变化。该系统采用压电式加速度传感器DTS0103获取发动机振动信息，其主要性能指标如表3所示。发动机气门阀座力、气缸内燃气压力及惯性力、进排气力，以及主轴及其附属零件的承载力最终作用于缸盖上并引起了缸盖表面振动，因此采用永久磁铁固定法将传感器安装于发动机缸体顶盖上。

表3 压电式加速度传感器DTS0103主要性能指标Tab.3 Performance parameter of piezoelectric accelerometer DTS0103

注：g为重力加速度。

1.2传感器输出信号调理模块配置

传感器获取的发动机运转特性信号多为掺杂干扰噪声的毫伏级电压或毫安级电流，需要进行调理，以便准确获取发动机运转特性信息。信号调理模块可对掺杂干扰噪声的微弱传感器输出信号进行去噪、滤波、放大等处理，转换成能够满足数据采集卡采集量程的伏级电压信号。经过比较分析，选择美国NI公司的SCXI-1520作为发动机台架试验数据采集系统传感器输出信号的调理模块。SCXI-1520具有8路同步采样模拟通道，通道激励电压为0～10 V，通道增益最高可达1 000，可完成对1/4桥、半桥和全桥式应变片式传感器输出信号的调理。

1.3数据采集卡选择

数据采集卡能够使信号调理模块输出的模拟信号转换成计算机程序能够识别的数字信号。为使发动机台架试验数据采集系统采集的发动机运行特性信息精度不受采集卡分辨率的影响，选择性能较好的美国NI公司的PCI-6221作为完成A/D转换的数据采集卡。该型号数据采集卡的输入和输出电压最大范围为±10 V，输入和输出分辨率为16 bits，采样频率最高250 kHz，输入电压的分辨率0.03 mV，能够同时采集8路模拟信号。

2 发动机台架试验数据采集系统数据处理与界面显示程序编写

2.1LabVIEW软件简介

基于虚拟仪器技术及其开发语言LabVIEW编写了发动机台架试验数据采集系统数据处理与界面显示程序。虚拟仪器技术可由用户自己定义通用仪器系统，功能灵活且容易构建，符合国际上流行的“硬件软件化”趋势，因而广泛用于测量、检测、控制等领域。LabVIEW是由美国NI公司推出的虚拟仪器开发平台，以计算机强大的图形化编程语言(G语言)实现信号采集处理分析与界面显示程序的高效编写[9,19]。

2.2程序总体设计方案

发动机台架试验数据采集系统数据处理与界面显示程序应采用模块化设计，以方便程序的扩展与维护修改。同时需要使程序具有良好的操作性能，以降低操作人员运行程序时对专业知识的要求；需要采用图标控件或菜单实现人机对话，以增强程序的操作简便性；需要具有一定的试验状态检测与程序诊断功能，便于程序出现运行故障时能够及时保存采集的发动机运行特性参数信息。

图1 发动机台架试验数据采集系统数据处理与界面显示程序功能流程图Fig.1 Program flow chart of data processing and displaying program in engine test-bed experiment data acquisition system

基于上述原则，制定发动机台架试验数据采集系统数据处理与界面显示程序功能流程图，如图1 所示。该程序的主要任务是按既定采样频率实现信号调理模块输出传感器信号的采集与分析处理，绘制发动机运行特性信息曲线并在界面窗口显示，以便直观检测发动机运行过程中特性参数的变化与表征发动机运行性能。采样完成时，该程序还应完成采集数据的读取存储和所绘制发动机运行特性曲线的存储。

2.3数据处理与界面显示程序编写

数据处理与界面显示程序的编写应简洁、直观和有效地显示发动机台架试验过程中运行特性参数，还应具有操作简便性。基于上述原则，在虚拟仪器LabVIEW环境下编写了发动机的转速特性与负荷特性、振动特性等信息采集及界面显示程序。

2.3.1 发动机转速特性和负荷特性信息采集及界面显示程序

发动机转速特性和负荷特性用于确定发动机的合理标定转速与常用转速范围，以及用于确定发动机的燃油经济性，是表征发动机运转性能的重要信息。发动机转速特性和负荷特性数据处理与界面显示程序包含前面板程序和主程序两部分，前面板程序可划分为转速、转矩、温度、功率、耗油量、燃油消耗率等数据信息的界面显示程序(见图2)及转速特性曲线、负荷特性曲线的绘制与界面显示程序(见图3、图4)，主程序主要涉及采集数据的转换与分析处理(见图5)和数据曲线图的存储(见图6)。

发动机台架测试试验开始，开启数据处理与界面显示程序，传感器组采集转速、温度、功率、耗油量、燃油消耗率等发动机运行特性信息，经信号调理模块调理后输入数据采集卡完成A/D转换；系统的数据处理与界面显示程序能够获取离散的发动机运行特性信息并将其实时显示在界面窗口，并完成转速特性曲线、负荷特性曲线的绘制。测试试验结束时点击程序停止按钮，程序能够将数据组及曲线图存储到指定的文件夹，然后关闭程序完成测试任务。

图2 发动机运行特性参数显示界面Fig.2 Displaying interface of engine operating characteristics parameter

图3 发动机转速特性曲线图绘制显示界面Fig.3 Graphing and displaying interface of engine rotating characteristics

图5 发动机运行特性数据处理与界面显示主程序Fig.5 Main program of engine operating characteristics parameter processing and displaying interface

图6 发动机运行特性数据组与曲线图存储主程序Fig.6 Main program of engine operating characteristics data group and graphs storage

2.3.2 发动机振动信息采集及界面显示程序

发动机振动信息的有效采集可以直观反映发动机运转性能，振动信号幅值超出合理范围预示着发动机故障的出现。发动机振动信号采集系统的数据处理与界面显示程序主要包括用于显示发动机运行过程中振动信息的前面板程序(见图7)和用于振动信息分析处理及存储的主程序(见图8)。

图7 发动机振动特性曲线图绘制显示界面Fig.7 Graphing and displaying interface of engine vibration characteristics

图8 发动机振动特性数据处理与界面显示主程序Fig.8 Main program of engine vibration characteristics parameter processing and displaying interface

启动发动机台架试验数据采集系统的硬件部分，同时启动振动信息数据处理及显示程序，前面板程序的采样指示灯变亮，开始采集发动机振动信息。压电式加速度传感器获取发动机振动信息并输出毫伏级电压信号，经信号调理模块调理转换成数据采集卡能够辨别处理的伏级电压信号，数据处理与界面显示程序按既定采样频率采集经数据采集卡A/D转换后的数字信号，通过主程序分析处理后在界面窗口以曲线图形式实时显示。发动机振动信息采集任务结束，点击前面板的停止按钮，程序将振动信息曲线图存储到指定文件夹，然后关闭程序结束采集任务。

3 发动机台架试验数据采集系统数据处理与界面显示程序调试

针对编写的发动机台架试验数据采集系统数据处理与界面显示程序，进行了发动机运转负荷特性的耗油量-功率、发动机振动信号信息的采集，以检验程序的功能。

启动发动机台架试验系统，预热发动机约20 min，固定发动机转速在1 800 r/min(<5%误差)，将发动机负荷依次调整至标准负荷的10%，20%，…，100%。对于每次工况，采集发动机的耗油量-功率信息，获取发动机运转负荷特性信息并在界面窗口显示(见图9 a))，存储到指定文件夹的发动机运转负荷特性曲线如图9 b)所示。发动机台架试验数据采集系统能够准确获取发动机运转负荷特性的耗油量-功率信息并在界面窗口以曲线形式直观显示，所采集的耗油量-功率信息能以图像形式保存到指定文件夹。

图9 发动机运转负荷特性耗油量-功率信息Fig.9 Information on oil consumption-power of engine operating loading characteristics

启动发动机台架试验系统，预热发动机约20 min，设定发动机转速为1 200 r/min。发动机运转产生振动并传递到气缸顶盖，固定在顶盖表面的压电式加速度传感器采集发动机振动信息并将其转换成电压信号，经信号调理模块和数据采集卡传递到发动机台架试验数据采集系统，在界面窗口以曲线图形式实时显示发动机振动信号(见图10 a))，程序保存的发动机振动信息图像如图10 b)所示。对于所要采集的发动机振动信号，程序按照振动信号幅值的大小将振动信号划分为3个等级，即振动正常、振动稍大、振动过大。对采集的发动机振动信号，程序将按其实时幅值自动评定并在界面窗口显示所属等级。

图10 发动机振动信息Fig.10 Vibration information of engine

4 结 语

发动机台架试验是获取用于量化表征发动机运转性能参数信息的重要途径，基于虚拟仪器LabVIEW设计构建了发动机台架试验数据采集系统。系统硬件部分主要包括用于采集发动机转速、温度、振动等信息的传感器选取，以及传感器输出信号调理模块与数据采集卡的匹配；基于LabVIEW编写了系统的数据处理与界面显示程序。以发动机负荷特性、振动特性等信息的采集为例，对发动机台架试验数据采集系统进行了运行调试，结果表明系统能够准确获取发动机运行特性参数信息并能在界面窗口直观显示，能够准确获取发动机性能测试的参数信息。

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[1] 高水德. 发动机台架试验自动测量控制系统研究开发[D]. 北京: 中国农业大学, 2004. GAO Shuide. The Research Design of Automatic Measurement and Control System in Engine Test-bed Experiment [D]. Beijing: China Agricultural University, 2004.

[2] LIAQUAT A, MASJUKI H, KALAM M， et al. Effect of coconut biodiesel blended fuels on engine performance and emission characteristics [J]. Procedia Engineering, 2013, 56: 583-590.

[3] 高 翔. 基于发动机台架的重型车排放特性研究[J]. 机电工程技术, 2010, 39(8): 109-113. GAO Xiang. The research of heavy-duty vehicle emission characteristic based on engine bench [J]. Mechanical & Electrical Engineering Technology, 2010, 39(8): 109-113.

[4] 杨胜奎, 杨春蒲. 发动机台架自动测控系统的研究与开发[J]. 机械工程与自动化, 2008, 37(3): 169-170. YANG Shengkui, YANG Chunpu. Research and development of automatic measurement and control system of engine test-bed [J]. Mechanical Engineering & Automation, 2008, 37(3): 169-170.

[5] 徐 杰. 发动机台架试验测控系统设计[D]. 北京: 中国农业大学, 2006. XU Jie. The Measurement and Control System Design of Engine Test-bed Experiment[D]. Beijing: China Agricultural University, 2006.[6] 张 郑, 杨杰敏, 张永锋, 等. 基于虚拟仪器的发动机台架试验测控系统[J]. 自动化与虚拟仪表, 2010,39(4): 149-151. ZHANG Zheng, YANG Jiemin, ZHANG Yongfeng, et al. The measure & control system for engine bench test based on virtual instrument [J]. Automation & Instrumentation, 2010, 39(4): 149-151.

[7] 赵雷刚. 发动机台架试验过程实时监测与预警方法研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2011. ZHAO Leigang. Research on the Real-time Monitoring and Early Warning Method for the Process of the Engine Bench Test [D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2011.

[8] 张立鹏, 吴广顺, 方素香. 发动机台架自动测控系统的开发[J]. 中国仪器仪表, 2011, 21(11): 60-63. ZHANG Lipeng, WU Guangshun, FANG Suxiang. The development of automatic measurement and control system in engine test-bed [J]. China Instrumentation, 2011, 21(11)：60-63.

[9] 吴伟斌, 洪添胜, 李 震, 等. 基于虚拟仪器技术的汽油发动机ECU仿真测试系统[J]. 微计算机信息, 2006, 22(2): 205-207. WU Weibin, HONG Tiansheng, LI Zhen, et al. ECU simulating and measuring system based on virtual instrumentation technology [J]. Microcomputer Information, 2006, 22(2): 205-207.

[10] 刘玉梅, 苏 建, 潘洪达, 等. 虚拟仪器技术在汽车性能测试中的应用[J]. 中国公路学报, 2005, 18 (2): 113-114. LIU Yumei, SU Jian, PAN Hongda, et al. Application of virtual instrument technology in automobile performance test [J]. China Journal of Highway and Transport, 2005, 18 (2): 113-114.

[11] 张晓娟, 师帅兵, 张慧鹏, 等. 基于LabVIEW的发动机性能测试系统的研究[J]. 农机化研究, 2008, 30(3): 175-177. ZHANG Xiaojuan, SHI Shuaibing, ZHANG Huipeng, et al. Research on engine performance test system base on LabVIEW [J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2008, 30(3): 175-177.

[12] 黄泉水, 江国和. 基于LabVIEW的柴油机供油系故障诊断系统开发[J]. 江苏科技大学学报(自然科学版), 2008, 22(1): 73-76. HUANG Quanshui, JIANG Guohe. Development of fault diagnosis system for fuel injection mechanism of diesel engine based on LabVIEW [J]. Journal of Jiangsu University of Science and Technology(Natural Science Edition), 2008, 22(1): 73-76.

[13] 谢立臣，王海博，颜 亮.基于LabVIEW的3-UPS-1-PS并联机构控制系统设计[J].河北工程大学学报，2012，29(4)：101-104. XIE Lichen,WANG Haibo, YAN Liang.Control System design for 3-UPS-1-PS paratlel mechanism based on LabVIEW[J].Journal of Hebei University of Engineering(Natural Science Edition),2012,29(4):101-104.

[14] ANDRZEJ O, ZBIGNIEW K.LabVIEW application for computer simulation of the conversion technique of dual-slope analog-to-digital converter[J]. Measurement, 2011, 44(8): 1406-1411.

[15] LIN B, XIAO F, LIU X X. Measurement system for wind turbines noises assessment based on LabVIEW [J]. Measurement, 2011, 44(2): 445-453.

[16] 石喜玲, 孙运强. 磁电式双转速传感器测量技术研究[J]. 传感器世界, 2007, 42(11): 29-31. SHI Xiling, SUN Yunqiang. Research on the measurement of magnetoelectric dual speed sensor[J]. Sensor World, 2007, 42(11): 29-31.[17] 张 勇, 廖莉玲, 邹文静, 等. NTC热敏电阻材料的制备、性能优化及相关机理的研究进展[J]. 材料导报, 2010, 24(5): 310-312. ZHANG Yong, LIAO Liling, ZOU Wenjing, et al. Research progress in preparation technology, performance optimization and relevant of NTC thermal materials [J]. Materials Review, 2010, 24(5): 310-312.

[18] 张小明, 刘建敏, 乔新勇, 等. 柴油机缸盖振动信号关联维数的影响因素分析[J]. 装甲兵工程学院学报, 2008, 22(1): 38-41. ZHANG Xiaoming, LIU Jianmin, QIAO Xinyong, et al. Analysis on the influencing factors of the correlation dimension of the diesel cylinder cover vibration signals [J]. Journal of Academy of Armored Force Engineering, 2008, 22(1): 38-41.

[19] 尹念东. 基于虚拟仪器技术的汽车道路实验测试系统[J]. 计量与测试技术, 2004, 31(1): 33-34. YIN Niandong. The virtual experiment system based on virtual instrument technology in vehicle test [J]. Metrology & Measurement Technique, 2004, 31(1): 33-34.

Design of engine test-bed experiment data acquisition system based on virtual instrument LabVIEW

WANG Lixin, LI Rongting

(School of Mechanical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang Hebei 050018, China)

Engine test-bed experiment system is an essential approach to measure dynamic property, economic performance and reliability of the engine, and the automaticity and accuracy directly influences the exactitude of acquired and analyzed data. In this paper, engine test-bed experiment data acquisition system is designed based on virtual instrument LabVIEW. Hardware of this system consists of sensors which is used to obtain engine information of rotation, temperature and vibration, as well as of the signal conditioning module and data acquisition card which match the sensors properly. Data processing and interface displaying software are programmed based on LabVIEW. Debugging results confirm that the engine test-bed experiment data acquisition system can accurately acquire the information of engine rotation characteristic, load characteristic and vibration, as well as intuitively display the obtained information, therefore, the system satisfies the accuracy acquisition of operation parameters during testing engine operating functions.

engine test-bed experiment; data-acquisition system; LabVIEW; performance test; rotation characteristic

2013-11-01；

2013-12-10；责任编辑：冯 民

国家自然科学基金(51205107)；河北科技大学教学改革研究项目

王立新(1981-)，男，山东日照人，讲师，博士，主要从事机械仿生及摩擦学方面的研究。

E-mail:ck_021@tom.com

1008-1542(2014)02-0109-09

10.7535/hbkd.2014yx02001

TK422

A

王立新，李荣廷.基于虚拟仪器LabVIEW的发动机台架试验数据采集系统设计[J].河北科技大学学报,2014,35(2):109-117.

WANG Lixin, LI Rongting.Design of engine test-bed experiment data acquisition system based on virtual instrument LabVIEW[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2014,35(2):109-117.