史程，王腾（广西大学机械工程学院，广西 南宁 530004）



基于LabVIEW的定容弹压力采集系统设计

史程，王腾
（广西大学机械工程学院，广西 南宁 530004）

摘要：为了研究定容弹内环境背压对于发动机燃油喷雾特性和燃烧特性的影响，文章基于LabVIEW软件设计了一套定容弹压力采集系统。该系统可根据定容弹体内环境背压的变化，进行实时显示与采集，数据存储和查询等功能。既操作简便，又提高了数据的准确性，为试验研究奠定基础。

关键词：LabVIEW；定容弹；传感器；压力采集

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.004

CLC NO.: TK402Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-65-03

前言

定容弹是研究内燃机工作过程中燃油喷雾和燃烧状态的一种试验装置，模拟内燃机缸内真实的工况环境，而内燃机的燃烧室是一个高温高压的环境，因此定容弹应设计具有足够的强度和刚度，以承受一定的压力和温度要求。一般来说，定容弹是一个开有抗高温高压玻璃窗口的可视化箱体装置。当内燃机工作时，由于活塞运行处于上止点时可以认为燃烧是定容膨胀，因而装置容积固定；箱体装置上加装喷油器、火花塞等附件，当喷油器喷油或者火花塞点火燃烧时，通过可视化窗口，配合高速摄影设备和纹影系统，即可记录燃油喷雾和燃烧的状态。然而环境背压的变化对燃油喷雾特性和燃烧特性的有着直接的影响，因此本文应用LabVIEW软件设计了定容弹压力采集系统，为发动机燃料喷雾和燃烧过程的研究提供一定的参考和依据。

1、压力采集系统硬件组成

定容弹压力采集系统主要由压力传感器、电荷放大器、数据采集卡和PC机等组成。压力传感器用来采集定容弹压力；电荷放大器是把压力传感器釆集到信号进行放大的同时，并将其转变为对应的电压值；而数据采集卡进行A/D转换，把采集的数据传输至PC机，最后PC机通过LabVIEIW软件进行数据的实时显示和处理。

1.1压力传感器

压力传感器安装在定容燃烧弹内，与高温高压油气混合物直接接触，所以要具备高压高温下有稳定的精度，较高的灵敏度，耐油腐蚀，体积小和寿命长等特点。因此本系统选用了KISTLER公司生产的6052C-U20石英压电式传感器。该传感器即使在高负荷下也可以满足精密测试的技术要求，应用内置的与大地绝缘设计，很大程度上避免了电子干扰的影响；而且传感器的温度稳定性较好，灵敏度高，以有限元方法优化设计的膜片能够减小热冲击，保证了传感器能够精确的获得热力学信号。传感器经过标定后精度为18.89PC/bar，适用于0-200bar范围内的压力测试。表1示出压力传感器技术参数。

表1　传感器技术参数

实验过程中，为了将压力传感器安置在定容燃烧弹内，保证其气密性与工作可靠性，我们设计了一个安装套筒，先将压力传感器拧紧在套筒之中，再将套筒与定容燃烧弹旋紧。实验结束后只需将套筒旋开取下，这样避免了经常旋拧压力传感器，防止其精密螺纹滑丝。套筒的设计尺寸如图1所示。

图1　套筒设计尺寸

1.2电荷放大器

由于定容弹内压力传感器产生的电荷信号非常微弱，无法直接被采集到，因此要通过电荷放大器将信号进行放大，其基本作用有：

1）放大，将压力传感器输出的微弱电荷信号进行放大。

2）转换，将非电压输出信号转换为电压信号，同时对压力传感器的高阻抗输出转化成为低阻抗输出。

3）滤波，限制信号的最高频率或最低频率，有效地滤除高频或低频干扰。

本实验使用的是KISTLER公司生产的5018A1003型电荷放大器。电荷放大器在实际使用过程中遇到的首要问题便是信号干扰，主要为电磁干扰和大地回路干扰。电荷放大器处于电磁环境中工作就会有电磁干扰，一般使用屏蔽电缆来解决，另外尽量不要将数据传输线与强电流电线平放。另外，电缆过长也会引入电缆固有噪声和机械噪声，所以实验中电缆线应尽量短。

实验开始前需对电荷放大器参数进行设置，电荷放大器共有三个量程（RANGE）可供选择：0~100bar、0~200bar、0~300bar。本系统选用0~100bar量程，实验中高压氮气瓶对定容弹增加背压，最大环境背压可达到50Bar，此量程足以保证实验要求。量程设置好之后，电荷放大器会自动选择相应的灵敏度系数(SENSITIVITY CHARGE)。最后，要设置电荷放大器工作模式。由于容弹使用氮气瓶加压，以及喷油器喷油过程中，定容燃烧弹内压力变化可视为准静态过程，因此我们设置工作模式为DC（Long）模式。

1.3数据采集卡

数据采集卡的作用是把压力传感器感知的模拟信号转化为计算机可以识别的数字信号，主要从釆集卡的最高釆样频率、采集卡的通道数以及釆集卡的A/D、D/A转化精度等方面对采集卡进行选择。本系统采用的是北京双诺公司MP422E型数据采集卡，其主要由A/D采集模块、信号放大模块、多路开关模块和计数器模块组成。本系统主要应用的是数据采集卡的A/D数据采集模块。

首先，在定容燃烧弹中，研究不同环境压力对于喷油器喷雾形状的影响，我们所用喷油器的喷油脉宽为0.8~2.5ms，即喷油器每次喷油持续时间为0.8~2.5ms；而MP422E数据采集卡最高采样频率为400KHz，即每间隔2.5 us可以采样一个压力数据。所以，在一个喷油脉宽的时间内，数据采集卡最多可以获取2.5ms/2.5us=1000个压力数据，采集卡的釆样频率足以满足实验要求。其次，MP422E数据采集卡具有16单端输入或8路差分输入通道，本系统的压力采集只用了其中一路通道，其他通道可作为今后系统升级、功能扩展的保留通道。

2、压力采集系统软件设计

2.1LabVIEW软件程序

系统所采用的数据采集卡己经附带驱动程序，只要能够正确调用这些驱动程序，就可以实现我们所需要的功能，驱动程序的调用过程介绍如下：

1）打开设备函数调用，如图2所示。调用本函数用来打开设备，并获得操作句柄（hDevice）。设备打开后才能进行相关的数据输入和输出操作。

图2　打开设备函数调用

2）图3示出了A/D采样函数调用。调用本函数主要是为了对数据采集卡中的参数进行设置。

图3　A/D采样函数调用

3）采样数据A/D长度和A/D回读函数的调用见图4。采样数据A/D长度函数用来读取采集卡缓存里面的数据的个数，A/D回读函数则是用来将采集卡缓存中的数据读取出来，便于计算机对数据进行处理。

图4　采样数据A/D长度和A/D回读函数调用

4）关闭设备函数调用（图5所示）。实验结束后，调用本函数用来关闭设备。

图5　关闭设备函数调用

2.2界面设计

本系统的界面主要分为三大模块：采集卡参数设置模块、电压显示模块以及压力显示模块，如图6所示。上方为采集卡参数设置模块，用来设置采集卡的采样频率、采样通道等参数，同时控制采集卡的开启和关闭。左下为电压显示模块，实时显示电荷放大器电压值以及绘制曲线图，每5ms绘制一个电压值点。右下为压力显示模块，实时显示定容弹内压力值以及绘制曲线图，每1ms绘制一个电压值点。

图6　压力采集系统软件界面示意

3、结语

为了研究在定容弹中，不同背压下燃油的喷雾和燃烧形态，本文基于LabVIEW设计了一套由硬件和软件两部分组成的压力采集系统。硬件部分包括压力传感器、电荷放大器、数据采集卡、PC机，可以对定容弹中压力信号进行采集，放大，滤波；软件部分包括数据采集卡驱动模块、压力数据处理、显示、储存模块等，这些模块可以实现对定容弹中压力信号的实时显示和记录，有助于不同背压下喷雾形状和火焰燃烧的分析。但仍有不足之处，若在燃油燃烧过程中，定容弹内压力会有高频波动，而采集系统则处于准静态工作模式，导致所测结果不准确。今后将进一步完善系统，要对系统中电荷放大器、数据采集卡等参数进行相应的调整，以实现定容弹高频压力信号的精准采集和测试。

参考文献

[1]徐威.喷雾燃油试验台定容弹设计[J].汽车实用技术,2015, (5):64-66.

[2]陶金田.内燃机多通道燃烧分析系统的开发及应用[D].天津:天津大学.2007.

[3]易驰.基于LabVIEW的温度压力采集系统的设计[J].微型机与应用,2013,32(17):5-8.

[4]彭升.LabVIEW环境下定容燃烧弹数据采集系统研究[J].青岛大学学报（工程技术版），2014,29(3):22-27.

Design of Pressure Acquisition System of Constant Volume Bomb Based on LabVIEW

Shi Cheng, Wang Teng
（College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Guangxi Nanning 5300047）

Abstract:In order to investigate the influence of back pressure on spray and combustion characteristics of desiel fuel.The article designed a set of pressure acquisition system of constant volume bomb based on LabVIEW. According to the back pressure of constant volume bomb changes, the system can real-timely achieve the following functions: display and acquisition, storage and inquiry of data.The handle of design is simple and the data of it is more accurate, it also offered the foundation of experiment.

Keywords:LabVIEW; constant volume bomb; sensor; pressure acquisition

中图分类号：TK402

文献标志码：A

文章编号：1671-7988（2016）05-65-03

作者简介：史程，硕士研究生，就职于广西大学机械工程学院。研究方向：内燃机燃烧与光学测试。