摘要：針對在發動機數據采集過程中，對速度和精度的要求，基于虛擬儀器，利用振動傳感器、麥克風、信號調理電路、PCI-4472B數據采集卡，計算機等硬件，對吉利三缸A8發動機的振動信號及排氣噪聲進行采集，設計出了發動機數據采集系統。實踐表明，該系統可靠、穩定，有很大的實用價值，為診斷和監測發動機故障打下良好的基礎。
關鍵詞：LabVIEW；發動機；數據采集；振動傳感器；排氣噪聲

0 引言
發動機是一個綜合的系統，它是汽車的主要總成和行駛的動力來源。由于它結構復雜，零件多，運行中各個零件受實際路況、大氣壓力、溫度、濕度等外界環境和導熱、摩擦等自身環境的影響，其技術狀態呈下降趨勢，因此發動機是故障最多的總成之一，是監測的重點
總成。
在現代汽車工業中，隨著電子控制燃油噴射系統、電子控制點火系統等裝置已廣泛在汽車上應用，發動機機械結構和電子化程度越來越復雜，不解體診斷技術已經成為深入研究故障診斷不可缺少的技術手段，因此有必要設計一套專門針對發動機故障診斷的數據采集系統。
汽車發動機工作時，在不同部位產生的振動程度是不同的，因此通過測取振動信號可以診斷發動機70％以上的故障和狀態信息。本文搭建了一個發動機振動數據采集系統，輔助采集發動機排氣噪聲信號，用來監測發動機的工作狀態。

1 開發環境
虛擬儀器(Virtual Instrumem)的概念是由美國國家儀器公司(NI)最先提出的。LabVIEW(LaboratoryVirtual Instrument Engineering)是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件。LabVIEW的圖形化開發環境具有精確、高效、功能強大、開發簡易、實時性強、界面友好等優點，為用戶提供了強大功能和使用的靈活性。虛擬儀器可以利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化應用，與傳統的測量儀器相比，具有成本低、功能強大、集成度高、質量可靠、維護方便等優點，能很方便地組建測試系統，滿足多種測量要求。因此，基于虛擬儀器技術，利用LabVIEW語言進行信號采集系統的研制具有重要意義。
NI PCI-4472B數據采集卡是一款專為高通道數的振動和聲音應用而設計的高精度數據采集(DAQ)模塊，提供了振動和低頻交流測量的最優化方案。該板卡具有24位的模／數轉換器，并具有嵌入式可編程的ICP，用于對加速度計及麥克風的信號調理。板卡的實時系統接口賦予了基于計算機的儀器，數據采集、運動及視覺產品強大的集成功能，因此可設計出符合實際需求的測量解決方案。
本文利用LabVIEW 8．2和PCI-4472B搭建了一套高速的數據采集系統，利用虛擬儀器軟件LabVIEW把計算機與數據采集卡有機地結合起來，通過數據采集卡對信號進行數字離散化采樣，將數據傳送到計算機上，由虛擬儀器完成信號波形的顯示、存儲等功能。

2 系統結構與硬件設計
在發動機振動的各種激勵源中，燃燒氣體壓力，進氣門關閉、排氣門開啟和排氣門關閉所產生的激勵信號是主要激勵源。凸輪軸控制發動機進排氣門的開閉，凸輪軸旋轉一周，發動機曲軸旋轉二周，即一個氣缸完成了四個沖程。發動機的氣缸是周期性交替工作，引起發動機振動和噪聲的主要激勵源也是周期性的，同時產生的振動信號和噪聲信號也是周期性的，故障會影響到周期的振動信號和噪聲信號。通過K線從吉利三缸A8發動機讀取一個開始的參考點，使氣缸與振動信號和噪聲信號相對應，用采集到的振動信號和噪聲信號，可以對發動機進行故障診斷。該系統分為振動傳感器、麥克風、調理電路、數據采集卡、虛擬儀器軟件四部分，如圖1所示。

2．1 信號調理電路
從傳感器采集的信號形式多樣，可能會很微弱，或者含有大量噪聲，又或者是非線性的。因此傳感器轉換成的電信號，在進入數據采集卡之前，通常需要進行某些調理和處理，把信號轉換成更便于處理、接收和顯示的形式，以便于數據采集卡采集。信號調理的主要目的是對信號進行放大、濾波以及進行有效的隔離，盡量減少干擾信號的影響，提高被檢測信號的信噪比。
振動傳感器選用發動機機體的爆震傳感器，爆震傳感器用于檢測發動機是否發生爆震，當振動發生時，它產生一個小電壓峰值，振動越大，爆震傳感器產生的主峰值就越大。頻率達到一定值時，表明發動機發生爆震，實驗證明頻率為6～9 kHz的信號為發動機的爆震信號，利用爆震傳感器能方便，準確地檢測到發動機振動信號。另外，可以利用麥克風從發動機排氣管測量噪聲信號。
2．2 數據采集
2．2．1 數據采集卡
數據采集卡是虛擬儀器系統中的重要組成部分，它的精度和速度影響著測試系統的整體性能。該系統采用的是美國NI公司生產的PCI-4472B數據采集卡。NI PCI-4472B具有8通道動態信號采集功能，可用于高精度頻域測量。輸入通道具有集成電路壓電式(IEPE)信號調理功能，可用于加速度傳感器和麥克風的信號采集。PCI-4472B具有8路同步模擬輸入通道，采樣帶寬從直流到45 kHz。當PCI-4472B的模擬輸入設置為交流耦合時，其截止頻率最低為0．5 Hz，因此可用于低頻率交振動測量，足以滿足要求。
實驗所采集的發動機信號為低壓模擬信號，一般在10V以內，本采集卡信號輸入范圍是-10～10 V也能滿足要求。同時采樣率高達102．4 kHz。
2．2．2 數據采集卡的參數設置
數據采集卡參數設置包括對通道的詳細設置，如輸入范圍、接線端配置等，以及定時設置，如采樣模式、讀取樣本數、采樣率。因此對采集卡的工作參數進行必要的設置，使之能夠進行正常的數據采集。這些參數設置是否合理，關系到傳感器信號的采集乃至整套系統能否正常工作，因此具有重要的意義。該設計中信號輸入范圍設置為-10～10 V，信號接線端設置為差分，采樣模式設置為連續采樣，讀取樣本數為5 000，采樣率為50kHz。
2．2．3 NI-DAQmx
NI-DAQmx是最新的NI-DAQ驅動程序，帶有控制測量設備所需的最新VI、函數和開發工具。此外它還包括MeasurementAutomation Expl orer(MAX)、數據采集助理(DAQ Assistant)以及VI Logger數據記錄軟件。通過這些工具并結合LabVIEW可以節省大量的系統配置、開發和數據記錄時間。