电磁阀测试台设计-测试模块

论文总字数：25637字

摘 要

针对汽油机或柴油机电子喷射系统中的高速电磁阀，在详细研究了电磁阀测试技术及其发展现状的基础上，设计了电磁阀测试系统测试模块的具体方案，以进行电磁阀干阀的力学特性测试从而绘制特性曲线。

通过对电磁阀力学特性所需测量数据进行分析筛选，依据各类传感器的工作原理，比较了各类传感器的优劣与特点，选择出参数合适精度较高的电流传感器、位移传感器、力传感器来测量电磁阀干阀的，并且针对电磁力与冲击力的特性特别设计了压电式测力传感器测量动态力、应变式测力传感器测量稳态力进行辅助标定的两种力传感器协力测量的方法进行测量。根据每种传感器不同的输出信号以及输出特性以及滤波要求选择合适的运算放大器芯片分别设计了电流通道、位移通道、静态力通道和动态力通道四条通道信号调理电路，包括同相比例运算放大电路和二阶巴特沃斯有源低通滤波电路。根据每条信号通道特点选择带有采样保持器的模数转换电路芯片设计了四条通道模数转换电路。

最后，使用Multisim和Altium Designer等软件完成测量模块基本功能的设计。

关键词：高速电磁阀，力学特性测试，传感器

Abstract

Aimed at the high-speed solenoid valve of gasoline engine or diesel engine, usually in the electronic fuel injection system, an overall scheme of the testing module in solenoid valve testing system based on the detailed research of the electromagnetic valve testing technology of and its development is designed, in order to test the mechanical characteristics of electromagnetic valve and draw the characteristic curve.

According to advantages and disadvantages of various sensors and the principle of them, current sensors, displacement sensors and force sensors with suitable parameters and high accuracy are selected to measure the electromagnetic valve. A piezoelectric force sensor is specially designed to measure the dynamic characteristics of electromagnetic force with the strain force sensor for auxiliary calibration to measure the steady state force. According to the different output signals, characteristics and filtering requirements, four signal conditioning circuits of current channel, displacement channel, static power channel and dynamic power channel are designed respectively, including the same-scale operational amplifier circuit and the second-order Butterworth active low-pass filter circuit. According to the characteristics of each signal channel, four channels of analog-to-digital conversion circuit are designed by choosing an analog-to-digital conversion circuit chip with a sample holder.

Finally, the basic functions of the measurement module in solenoid valve testing system are designed with the help of Multisim and Altium Designer.

KEY WORDS: high-speed solenoid valve, mechanical characteristics test, sensor

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2目前电磁阀测试技术研究现状及发展趋势 1

1.3本课题的意义及研究内容 2

1.3.1课题的意义 2

1.3.2课题的研究内容 2

1.4本章小结 3

第二章 电磁阀测试装置测试模块总体设计方案 4

2.1总体方案初步框架 4

2.2各类传感器的分析比较与选择 4

2.2.1电流传感器的选择 4

2.2.2位移传感器的选择 9

2.2.3力传感器的选择与工作方式的优化 10

2.2.4传感器的安装 11

2.3测量传输电路的结构形式 12

2.4电磁阀测试系统测试模块总体方案完善的具体框架 12

2.5电气隔离 13

2.6本章小结 13

第三章 测量模块与数据采集系统的具体设计 14

3.1电流测量模块的设计 14

3.2位移测量模块的设计 15

3.3静态力测量模块的设计 15

3.4动态力测量模块的设计 16

3.4.1压电式力传感器 16

3.4.2电荷放大器 17

3.5信号调理电路的设计 17

3.5.1电流信号通道信号调理电路 19

3.5.2位移信号通道信号调理电路 20

3.5.3静态力信号通道信号调理电路 20

3.5.4动态力信号通道信号调理电路 22

3.6模数转换电路的设计 22

3.7本章小结 24

结论 25

参考文献 26

致 谢 28

第一章 绪论

1.1引言

电磁阀是一种依照电磁力原理和规律来发挥作用的工业设备，常常用于工业系统中对于流体的控制与调整。随着流体传动技术、自动控制技术等多种技术深入发展，电磁阀作为一种重要的控制元件广泛应用于航空、航天、汽车和工业制造等诸多领域^[1]。电磁阀结构简单、尺寸小，易于安装维护，且控制系统简单、响应时间短，此外电磁阀由开关信号控制、与工控机连接方便^[2]。事实上，工业用电磁阀干阀通常在控制系统的闭环反馈中发挥着执行器的功能，它可以在系统指令下控制流体的方向、流量、速度等各种参数，具有较好的灵活性以及较小的误差。电磁阀作为工业生产中不可或缺的一部分，其性能优劣对整个系统的安全稳定运行带来十分关键的影响，保证运行的稳定安全与提高控制性能等一系列问题也都亟待解决。因此伴随着电磁阀性能的飞速发展，其性能参数也逐渐成为工业自动化安全生产的一项重要指标^[3]，而参数的测定也成为一项日益重要的工作。

为了保证电磁阀能够长期可靠工作，在出厂前需要对电磁阀本身的各项性能指标进行全面测试，长期以来已经形成包括响应测试、电参数测试、寿命测试、流量特性测试、泄漏测试等各项测试在内的多项测试体系和围绕研究制定的相关标准体系。本课题针对的是汽油机或柴油机电子喷射系统中的高速电磁阀，这一类电磁阀通常用于控制喷油时间或流体通过时间的长短，通过吸合、保持、释放和复位来控制以满足不同工况条件和要求。针对此类电磁阀，本课题需要设计一个测试系统测量其静态时各项参数的数值及其关系并绘制静态特性曲线。由于高速电磁阀的控制时间要求非常精确，响应时间也要求很短，这就导致电磁阀吸合释放的过程极短以准确控制流量，再加上电磁阀释放后的复位过程是依靠其复位弹簧来完成的，所以要在极短时间内产生足以克服弹簧拉力的电磁力。这不仅要求电磁阀本身工艺达标，也要求整个测试系统能够产生一个大小可调的电流驱动信号，同时利用对应的各类传感器对整个电磁阀工作状态各项参数进行测量，经过数据采集系统汇总到工控机中，对各类数据进行分析比较处理来调整电流驱动信号，并且与上位机通讯绘制静态特性参数曲线图。而其中测试模块主要负责的就是建立电磁阀与工控机为代表的控制模块之间的数据获取与传输的通道，以保证测试系统能够正常工作。

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