一种用于活塞组摩擦力无线测量的信号同步采集系统的制作方法

1.本发明涉及活塞组摩擦力的测量技术领域，尤其是涉及一种用于活塞组摩擦力无线测量的信号同步采集系统。


背景技术：

2.时至今日，活塞组摩擦力的测量依然是内燃机摩擦学领域最具挑战性和最有价值的问题之一，其测量方法包括浮动缸套法和瞬时指示平均有效压力法(简称imep法)。专利cn107607241b和cn206804196u分别提出了一种基于浮动缸套法的活塞缸套组件摩擦力测量装置，其通过力传感器直接获取摩擦力值，但对发动机改动大且实施成本高。相较于浮动缸套法，瞬时imep法仅需对发动机进行较少的改动，可以针对任意商用发动机。但在瞬时imep法中，摩擦力是通过缸压、连杆应力、曲轴转角和转速等数据间接获取的，测量信号的可靠传输和多个信号之间的同步性对测量结果极为重要。
3.随着无线测量技术的发展以及无线测量模块功率的逐步减小，无线imep法成为可能并开始得到应用，其核心是通过无线传输的方式测量连杆应力。宁李谱等人开展了相关尝试，通过无线指令信号触发连杆应力高频采集。由于发动机缸压力和连杆力一般要比活塞组摩擦力大两个量级左右，因此缸压信号与连杆力信号在时差上的些许差异，就会带来很大的计算误差。经验表明，对高速发动机来说，即使多路信号的同步误差控制在上百微秒水平，也难以获得有效的活塞组摩擦力结果。因此，如何降低同步误差，是活塞组摩擦力无线测量方法中的关键。
4.在无线imep法的测试过程中发现，同步误差受指令触发的影响很大。在该方法中，缸压力的测量和曲轴转角的测量采用有线传输，而连杆应力的测量采用无线传输。在触发过程中，无线触发指令的发送和接收需要经过调制、解调等环节。当触发指令同时向各路信号对应的子系统发送时，受环境影响，无线触发指令发送到连杆端并将采集模块触发所需的时间是不确定的。如果这个时间越短，则同步误差越小。为了缩短连杆端触发响应时间以减小多路信号间的同步误差，需要提出一种新的解决办法来改善测量系统的同步性，从而保证测量结果的准确性。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是克服上述现有技术存在的缺陷并提供一种减小活塞组摩擦力测量中多路信号间同步误差的信号同步采集系统。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种用于活塞组摩擦力无线测量的信号同步采集系统，连接有活塞组摩擦力测量装置，该活塞组摩擦力测量装置设有缸压传感器、曲轴转角传感器和应力采集模块。
8.所述信号同步采集系统还包括第一无线收发天线、第二无线收发天线、红外线接收器、红外线发光板、数据采集仪和高频信号源等，所述第一无线收发天线和红外线接收器均设置在活塞组摩擦力测量装置的连杆底端，并连接所述应力采集模块；所述第二无线收
发天线和红外线发光板均连接所述数据采集仪；当连杆处于某一运动位置时，所述第一无线收发天线和第二无线收发天线通信连接，所述红外线接收器和红外线发光板通信连接；所述数据采集仪还连接所述高频信号源、缸压传感器和曲轴转角传感器；
9.所述高频信号源生成触发信号后，传输至数据采集仪中缸压传感器的触发电路和曲轴转角传感器的触发电路，并同步传输至红外线发光板，红外线发光板产生光信号，并传输至红外线接收器，红外线接收器将光信号转化为电信号并传输至应力采集模块，实现信号触发；应力采集模块依次通过第一无线收发天线和第二无线收发天线进行信号传输。
10.进一步地，所述缸压传感器、曲轴转角传感器和应力采集模块的数据采集准则均为：接收到触发信号，并在该触发信号的上升沿数达到设定值后进行数据采集。
11.进一步地，所述数据采集仪设有触发开关，所述高频信号源生成的触发信号经过所述触发开关分别传输至数据采集仪内的缸压传感器触发电路、数据采集仪内的曲轴转角传感器触发电路和红外线发光板。
12.进一步地，所述数据采集仪和红外线发光板的连接电路中还设有十倍模拟信号放大器。
13.进一步地，所述信号同步采集系统还包括电荷放大器，所述缸压传感器通过该电荷放大器连接所述数据采集仪。
14.进一步地，所述信号同步采集系统还包括曲轴转角采集仪，曲轴转角采集仪支持外部触发，所述曲轴转角传感器通过该曲轴转角采集仪连接所述数据采集仪。
15.进一步地，所述数据采集仪设有触发信号输入接口、光源输出接口、曲轴转角信号触发输出接口、缸压信号输入接口和连杆应力信号输入接口，所述高频信号源通过触发信号输入接口接入所述数据采集仪，所述红外线发光板通过光源输出接口接入所述数据采集仪，所述曲轴转角采集仪通过曲轴转角信号触发输出接口接入所述数据采集仪，所述电荷放大器通过缸压信号输入接口接入所述数据采集仪，所述第二无线收发天线通过连杆应力信号输入接口接入所述数据采集仪。
16.进一步地，所述信号同步采集系统还包括计算机，所述数据采集仪还设有计算机接口，所述计算机通过计算机接口接入所述数据采集仪。
17.进一步地，所述第二无线收发天线和红外线发光板均设置在发动机的油底壳内，所述第二无线收发天线和红外线发光板的位置满足：连杆中的第一无线收发天线与油底壳的第二无线收发天线处于良好通信范围以内；连杆中的红外线接收器与油底壳的红外线发光板处于良好通信范围以内。
18.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
19.在现有无线imep法中，缸压力的测量和曲轴转角的测量采用有线传输，而连杆应力的测量采用无线传输，在触发过程中，无线触发指令的发送和接收需要经过调制、解调等环节。当触发指令同时向各路信号对应的子系统发送时，受环境影响，无线触发指令发送到连杆端并将采集模块触发所需的时间是不确定的；
20.为了缩短连杆端触发响应时间以减小多路信号间的同步误差，本发明通过采用光触发来代替指令触发，将电压信号转化为光信号来触发连杆应力高速采集，减小了无线测量与有线测量的同步误差，保证了测量活塞组摩擦力的准确性。本发明设计合理，可优化当前的信号同步方法，以实现更高精度的摩擦力测量。
附图说明
21.图1为本发明实施例提供的一种用于活塞组摩擦力无线测量的信号同步采集系统的结构示意图；
22.图2为本发明实施例中红外触发原理图；
23.图3为本发明实施例中基于红外触发模式的活塞组摩擦力无线测量流程图；
24.图中，1、缸压传感器，2、缸套，3、活塞，4、连杆，5、应变片，6、电池，7、应力采集模块，8、曲轴，9、油底壳，10、第一无线收发天线，11、红外线接收器，12、红外线发光板，13、第二无线收发天线，14、高频信号源，15、触发信号输入接口，16、光源输出接口，17、数据采集仪，18、计算机接口，19、曲轴转角信号触发输出接口，20、触发开关，21、缸压信号输入接口，22、连杆应力信号输入接口，23、计算机，24、曲轴转角采集仪，25、曲轴转角传感器，26、电荷放大器。
具体实施方式
25.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
26.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
28.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
29.需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
30.此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
31.实施例1
32.本实施例提供一种用于活塞组摩擦力无线测量的信号同步采集系统，其连接有活塞组摩擦力测量装置，该活塞组摩擦力测量装置设有缸压传感器1、曲轴转角传感器25和应力采集模块7，
33.信号同步采集系统还包括第一无线收发天线10、第二无线收发天线13、红外线接收器11、红外线发光板12、数据采集仪17和高频信号源14等，第一无线收发天线10和红外线接收器11均设置在活塞组摩擦力测量装置的连杆底端，并连接应力采集模块7；第二无线收发天线13和红外线发光板12均连接数据采集仪17；数据采集仪17还连接高频信号源14、缸压传感器1和曲轴转角传感器25；当连杆处于某一运动位置时，第一无线收发天线10和第二无线收发天线13通信连接，红外线接收器11和红外线发光板12通信连接；
34.高频信号源14生成触发信号后，传输至数据采集仪17中缸压传感器1的触发电路和曲轴转角传感器25的触发电路，并同步传输至红外线发光板12，红外线发光板12产生光信号，并传输至红外线接收器11，红外线接收器11将光信号转化为电信号并传输至应力采集模块7，实现信号触发；应力采集模块7依次通过第一无线收发天线10和第二无线收发天线13进行信号传输。
35.缸压传感器1、曲轴转角传感器25和应力采集模块7的数据采集准则均为：接收到触发信号，并在该触发信号的上升沿数达到设定值后进行数据采集。
36.数据采集仪17设有触发开关20，高频信号源14生成的触发信号经过触发开关20分别传输至缸压传感器1的触发电路、曲轴转角传感器25的触发电路和红外线发光板12。
37.在现有无线imep法中，缸压力的测量和曲轴转角的测量采用有线传输，而连杆应力的测量采用无线传输，在触发过程中，无线触发指令的发送和接收需要经过调制、解调等环节。当触发指令同时向各路信号对应的子系统发送时，受环境影响，无线触发指令发送到连杆端并将采集模块触发所需的时间是不确定的；
38.为了缩短连杆端触发响应时间以减小多路信号间的同步误差，本实施例通过采用光触发来代替指令触发，将电压信号转化为光信号来触发连杆应力高速采集，减小了无线测量与有线测量的同步误差，保证了测量活塞组摩擦力的准确性。本实施例设计合理，可优化当前的信号同步方法，以实现更高精度的摩擦力测量。
39.为提高红外线发光板的发光功率，数据采集仪17和红外线发光板12的连接电路中设有十倍模拟信号放大器。
40.为保证在外部提供高频触发信号的情况下有线测量信号能被同步触发并开始高频采集，作为一种优选的实施方式，信号同步采集系统还包括电荷放大器26，缸压传感器1通过该电荷放大器26连接数据采集仪17。
41.作为一种优选的实施方式，信号同步采集系统还包括曲轴转角采集仪24，曲轴转角传感器25通过该曲轴转角采集仪24连接数据采集仪17。
42.为保证数据采集仪有效、同步性高的数据采集和信号传输，作为一种优选的实施方式，数据采集仪17设有触发信号输入接口15、光源输出接口16、曲轴转角信号触发输出接口19、缸压信号输入接口21和连杆应力信号输入接口22，高频信号源14通过触发信号输入接口15接入所述数据采集仪17，红外线发光板12通过光源输出接口16接入数据采集仪17，曲轴转角采集仪24通过曲轴转角信号触发输出接口19接入所述数据采集仪17，电荷放大器26通过缸压信号输入接口21接入所述数据采集仪17，第二无线收发天线13通过连杆应力信号输入接口22接入所述数据采集仪17。
43.为了采集完成后上传采集的数据，作为一种优选的实施方式，信号同步采集系统还包括计算机23，所述数据采集仪17还设有计算机接口18，所述曲轴转角采集仪24接入计
算机23，所述计算机23通过计算机接口18接入所述数据采集仪17。
44.为保证可靠安装与粘贴，作为一种优选的实施方式，第一无线收发天线10和红外线接收器11通过耐高温胶水粘贴在连杆底端。
45.为保证触发信号传输的可靠性，作为一种优选的实施方式，第二无线收发天线13和红外线发光板12均设置在发动机的油底壳9内，第二无线收发天线13和红外线发光板12的位置满足：连杆中的第一无线收发天线10与油底壳9的第二无线收发天线13处于良好通信范围以内，连杆中的红外线接收器11与油底壳9的红外线发光板12处于良好通信范围以内。
46.将上述优选的实施方式进行组合，可以得到多种较优的实施方式，下面对一种最优的实施方式的具体实施过程进行描述。
47.先开发如图1所示的活塞组摩擦力无线测量软硬件系统，其中软件系统包括数据采集软件和后处理软件，硬件系统由缸套2的缸压测量子系统、连杆4的应力测量子系统和曲轴8的转角测量子系统组成。在连杆4的应力测量子系统中，采用zigbee无线通讯协议并布置第一无线收发天线10和第二无线收发天线13以实现无线通讯，布置电池6和应力采集模块7于连杆4上以实现高频采集，布置红外线发光板12和红外线接收器11以实现红外触发。在缸套2的缸压测量子系统中，选用测量火花塞作为缸压传感器1，选用电荷放大器26处理原始缸压数据。在曲轴8的转角测量子系统中，选用光电编码器作为曲轴转角测量传感器25，选用逻辑分析仪作为曲轴转角采集仪24。此外，搭建用于信号处理、数据传输和信号触发的数据采集仪17。电荷放大器26通过缸压信号输入接口21与数据采集仪17相连，油底壳9内的第二无线收发天线13通过连杆应力信号输入接口22与数据采集仪17相连，红外线发光板12通过光源输出接口16与数据采集仪17相连，曲轴转角采集仪24通过曲轴转角信号触发输出接口19与数据采集仪17相连，计算机23通过计算机接口18与数据采集仪17相连。
48.如图2所示，针对各子系统的特点，设计并开发电信号和光信号结合的多路信号触发电路。其中，高频信号源14通过触发信号输入接口15输入到数据采集仪17，从高频信号源14输出的信号由统一开关20控制，而后，经过控制与转换电路后输出到各子系统作为触发信号。为了提高红外线光信号的输出功率，在输出到红外线发光板12的电路中布置十倍模拟信号放大器。当触发信号到达数据采集仪17内的缸压触发电路后，缸压采集电路被触发并开始高速采集缸压数据。当触发信号到达数据采集仪17内的曲轴转角触发电路后，通过曲轴转角信号触发输出接口19输出触发指令，逻辑分析仪被触发并开始高速采集光电编码器的脉冲数据。当触发信号通过光源输出接口16到达红外线发光板12后，电压信号被转换为红外线光信号，而当红外线光信号被红外线接收器11接收后，光信号被转化为电压信号，而后作为触发信号触发连杆应力采集电路高速采集。在三个子系统中，触发的准则是一致的，即当接收到触发信号并且其上升沿数达到设定值。在本实施例中，该值设置为6。
49.连杆端应力采集模块仅在触发环节采用红外线模式，在模块参数设置和数据高数上传环节采用基于zigbee无线通讯协议的数据传输模式。
50.如图1所示，将红外线接收器11和第一无线收发天线10等部件用耐高温胶水粘贴在连杆4上，以实现红外触发和数据无线传输。其中，根据连杆4的结构特点和应力采集的需要，应变片5、应力采集模块7和电池6固定在连杆4的中上部靠近活塞3处，应变片5采用全桥连接以实现温度补偿和弯曲补偿，应力采集模块7采用2m的铁电存储器以实现高速存储。为
实现红外触发和无线通讯，红外线接收器11和第一无线收发天线10固定于连杆底端。
51.如图1所示，将红外线发光板12和第二无线收发天线13固定在油底壳9内待测连杆4下方，以保证红外触发和数据无线传输的可靠性。红外线发光板12的位置要进行一定限制，确保当连杆4运动到下止点位置时，红外线接收器11与红外线发光板12的距离在5mm以内。天线13则布置于油底壳9底部正对连杆间的空隙处，确保其与连杆端无线采集模块7中的zigbee无线通讯控制器能实现可靠信号传输。
52.在所有传感器安装妥当，而且所有仪器准备就绪后，可按图3所示的流程开展基于光触发模式的活塞组摩擦力无线测量。其中，将信号发生器作为高频触发信号源14，信号输出类型选为方波，幅值设置为5v，偏置设置为 2.5v，频率设置为50～300khz。缸压和连杆应力子系统中采用先高速采集再高速上传的原则，信号采集频率设置为53.447khz。在逻辑分析仪中设置与之相适应的采样率和存储深度，其中采样率设置为20mhz，存储深度设置为64m。当设置好高频信号源14(即信号发生器)的相关参数并按下触发开关20，在红外线光信号和电信号的共同作用下，连杆应力采集模块7、数据采集仪17内的缸压采集电路以及曲轴转角采集仪24(即逻辑分析仪)被同步触发，连杆应力数据和缸压数据被高速存储在铁电存储器中，逻辑分析仪也同步采集曲轴转角数据。当数据量达到逻辑分析仪的存储深度，逻辑分析仪停止采集并将数据上传到计算机23端的配套软件上。当铁电存储器存储满了之后，连杆应力数据和缸压数据开始高速上传至计算机23。保存好相关数据后，便可以开始通过后处理软件计算活塞组摩擦力。
53.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。