發動機冷卻液溫度傳感器測控方法及其測控系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種發動機冷卻液溫度傳感器測控方法及其測控系統，該測控方法為：首先通過中值濾波的方法對過采樣的AD轉換值進行處理；然后對溫度-電壓關系進行兩步標定；在開環手動調壓輸入情況下，建立測量溫度T與信號電壓值V的初步標定關系；后在閉環控制系統中建立實際溫度Tb與當前信號電壓V的二次標定關系；接著建立實際溫度Tb與溫度傳感器當前信號電壓VD的擬合關系。該測控系統包括下位機單元、上位PC機人機界面、發動機冷卻液溫度工況模擬裝置、發動機冷卻液溫度傳感器和汽車水溫儀表。本發明的測控方法操作簡單，測試和標定效率高、精度高。本發明的測控系統結構簡單，操控方便，使用安全、穩定，測試和標定直觀、精確、效率高。
【專利說明】 發動機冷卻液溫度傳感器測控方法及其測控系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及溫度傳感器【技術領域】，尤其涉及一種發動機冷卻液溫度傳感器測控方法及其測控系統。
【背景技術】
[0002]隨著我國汽車工業的發展，汽車電子技術也日益成為當前汽車工業發展的核心技術之一。“汽車傳感技術”作為汽車電子專業的核心專業基礎課程，在近幾年的實踐教學環節卻一直面臨著實驗設備匱乏的現狀。目前市場上的傳感器實驗臺不能有針對性的滿足汽車傳感技術方面的實踐教學要求，如“發動機冷卻液溫度傳感器實驗裝置”所采用的測控方法通常誤差較大、效率較低，無法對發動機冷卻液溫度傳感器進行直觀、精確的測試和標定，其中，在溫度傳感器標定的過程中DSP內置ADC模塊對AD誤差的校正具有一定局限性，只能對三個點的系統誤差(失調誤差)進行校正，且不能對增益誤差進行校正。更棘手的問題是，在某些輸入電壓值尤其是靠近兩端(0/3.3V)的情況下，AD轉換的個位數跳躍較大，無法直接利用線性校正或者分段線性校正的方式來實現校正，這勢必影響后續溫度的準確測量及控制。現有技術中雖然有汽車發動機熱敏電阻型水溫傳感器性能測試儀設計方案，但是結構較復雜，體積不夠小巧，多數采用加熱開環控制，不便精確控溫，調節時間長，不便作為測試標定平臺。之前教學過程中一直以簡易的實驗器材來開發“發動機冷卻液溫度傳感器”實驗，用電熱壺加熱水來模擬發動機冷卻液，用手動調壓器結合玻璃溫度計觀測來控制溫度，某個溫度大致平穩后再測量電阻值。但是實驗過程繁瑣，尤其調溫不好掌控，且多個實驗組同時實驗時，容易噴灑水，安全性也不好把握。應用于教學過程中，學生也不能直觀的認識熱敏電阻的參數特性如靈敏度、線性度等，不便理解標定的過程和標定在系統中的作用，也不便于規模化、重復化實驗。
【發明內容】
[0003]本發明是為了解決現有發動機冷卻液溫度傳感器的相關測試和標定不好操控，測試和標定不夠直觀、精確，效率低等問題而提出一種操控簡單，測試和標定直觀、精確、效率高且能方便實際應用的發動機冷卻液溫度傳感器測控方法及其測控系統。
[0004]本發明是通過以下技術方案實現的:
上述的發動機冷卻液溫度傳感器測控方法，是首先通過中值濾波的方法對過采樣的AD轉換值進行處理，即采用希爾排序法進行數值排序后取中間的多個值再進行平均濾波，如此得到系列標準輸入電壓Vd對應的AD值D，建立VD=f (D)的分段線性擬合公式；然后對溫度-電壓關系進行兩步標定，即先在開環手動調壓輸入情況下，系統溫度初次達到期望溫度附近后即記錄下該瞬態對應的溫度T和溫度傳感器信號電壓值V，建立測量溫度T和溫度傳感器信號電壓值V之間的初步瞬態標定關系；后在閉環控制系統中，利用所述初步瞬態標定關系式換算的測量溫度T與設定溫度Ts比較進行閉環調節，當換算測量溫度T與設定溫度Ts —致、溫度達穩態后，觀測玻璃溫度計記錄實際溫度Tb以及當前溫度傳感器信號電壓V，繼續利用反饋調節，得到系列測量值，建立實際溫度Tb與當前溫度傳感器信號電壓V之間的二次穩態標定關系；最后用最小二乘法原理，采用多項式擬合，建立實際溫度Tb與溫度傳感器當前信號電壓V對應的AD 口輸入電壓Vd的擬合關系。
[0005]所述發動機冷卻液溫度傳感器測控方法，其中:所述希爾排序法的排序數n=128。
[0006]所述發動機冷卻液溫度傳感器測控方法，其中:所述初步標定關系的關系式為T=gl (VD/0.6);所述二次標定關系的關系式Tb= g2 (Vd /0.6)；
Tb亦即為二次標定后AD轉換電壓所換算的正確測量溫度T，則最終得到溫度T與溫度傳感器當前信號電壓Vd的擬合關系關系式為:
T=14.73Vd4-92.18Vd3+210.9Vd2-250.1Vd+191.8(I)。
[0007]所述發動機冷卻液溫度傳感器測控方法，其測控流程為:溫度傳感器電壓信號每秒進行一次過采樣數ri=128的AD轉換，并進行希爾排序法后再中值平均濾波，所得AD轉換值經分段線性擬合公式換算得到對應的AD 口輸入電壓VD，再經過上述擬合關系式得到當前傳感器測量溫度T ;每秒測量一次溫度后與設定溫度Ts比較后進行以模糊控制思想為基礎的閉環調節，直至穩態平衡。
[0008]一種發動機冷卻液溫度傳感器測控系統，包括下位機單元以及與所述下位機單元連接的上位PC機人機界面；所述測控系統還包括發動機冷卻液溫度工況模擬裝置、發動機冷卻液溫度傳感 器和汽車水溫儀表；所述下位機單元包括DSP系統板、冷卻液溫度傳感器調理電路和加熱棒驅動電路；所述DSP系統板通過串口雙向通信連接所述上位PC機人機界面，同時控制連接加熱棒驅動電路并通過所述加熱棒驅動電路連接驅動所述發動機冷卻液溫度工況模擬裝置；所述發動機冷卻液溫度工況模擬裝置包括固態繼電器和加熱棒；所述加熱棒為內嵌加熱棒的銅棒，其連接220V交流電，同時與所述固態繼電器連接；所述固態繼電器通過所述加熱棒驅動電路與所述DSP系統板連接；所述發動機冷卻液溫度傳感器通過所述冷卻液溫度傳感器調理電路連接于所述DSP系統板，同時還連接所述汽車水溫儀表并接地。
[0009]所述發動機冷卻液溫度傳感器測控系統，其中:所述DSP系統板具有端口 ADCIN15及供PWM波形輸出的端口 10PE6。
[0010]所述發動機冷卻液溫度傳感器測控系統，其中:所述冷卻液溫度傳感器調理電路由電阻R1(TR15、運算放大器Ul和U2以及電容Cll連接組成；所述電阻RlO —端接地，另一端連接所述運算放大器Ul的同相輸入端；所述電阻Rll —端連接運所述算放大器Ul的反相輸入端，另一端連接有輸入端子SW-1N并通過所述輸入端子SW-1N與發動機冷卻液溫度傳感器匹配插接；所述發動機冷卻液溫度傳感器與所述輸入端子SW-1N之間還還串聯了一個自鎖按鈕開關KG;所述電阻R12連接于所述運算放大器Ul的信號輸出端和反相輸入端之間；所述運算放大器Ul的信號輸出端還通過所述電阻R14連接于所述運算放大器U2的反相輸入端；所述運算放大器U2的同相輸入端通過所述電阻R13接地；所述電阻R15連接于所述運算放大器U2的信號輸出端和反相輸入端之間；所述運算放大器U2的信號輸出端連接于所述端口 ADCIN15 ;所述電容Cll并聯于所述端口 ADCIN15 ;所述電容Cll 一端連接于所述運算放大器U2的信號輸出端，另一端接地。
[0011]所述發動機冷卻液溫度傳感器測控系統，其中:所述加熱棒驅動電路由電阻RlO廣R105、倒相放大器U3和U4、開關光耦U10、場效應管QlO以及二極管DlO連接組成；所述電阻RlOl —端接地，另一端連接于所述端口 IOPE6 ;所述倒相放大器U3和U4串接在一起，即所述倒相放大器U3的輸入端通過所述電阻R102連接于所述端口 IOPE6，所述倒相放大器U3的輸出端連接于所述倒相放大器U4的輸入端，所述倒相放大器U4的輸出端通過所述電阻R103連接于所述開關光耦UlO的陽極；開關光耦UlO的陰極接地，發射極連接于場效應管QlO的柵極；所述電阻R105 —端連接所述開關光耦UlO的集電極，另一端連接有輸出端子CW-OUT +并通過所述輸出端子CW-OUT +匹配插拔連接于所述固態繼電器的正極端；所述場效應管QlO的漏極連接有輸出端子CW-OUT -并通過所述輸出端子CW-OUT -匹配插拔連接于所述固態繼電器的負極端；所述場效應管QlO的源極接地并通過所述電阻R104連接所述場效應管QlO的柵極；所述二極管DlO為硅二極管，其連接于所述開關光耦UlO的集電極與所述場效應管QlO的漏極之間；所述二極管DlO的陽極端連接所述場效應管QlO的漏極，所述二極管DlO的陰極端連接所述開關光耦UlO的集電極。
[0012]所述發動機冷卻液溫度傳感器測控系統，其中:所述發動機冷卻液溫度傳感器采用的是NTC型熱敏電阻式冷卻液溫度傳感器，其與冷卻液溫度傳感器調理電路之間還設有測量端口 SW-C ;所述測量端口 SW-C還連接有萬用表并通過所述萬用表實時測量當前所述發動機冷卻液溫度傳感器的參數值。
[0013]所述發動機冷卻液溫度傳感器測控系統，其中:所述發動機冷卻液溫度工況模擬裝置還連接有玻璃溫度計；所述汽車水溫儀表是通過端子B15與所述發動機冷卻液溫度傳感器連接。
[0014]有益效果:
本發明發動機冷卻液溫度傳感器測控方法，其操作簡單、方便，測試和標定直觀、精確；其中，AD誤差的校正方法比通過實際值與理論值得到校正增益和校正失調的方法要更加簡潔實用，繞開了 D/A換算的理論公式，也避免了參考電壓測量不準帶來的二次換算誤差；同時，采用中值平均濾波的方法進行AD轉換值的處理，去除了可能的粗大誤差，使AD轉換數字量及電壓換算值的波動性得到顯著改善；在中值濾波之前選用效率較高的希爾排序法對數值排序，能夠保證采樣精度，提高校正效率；實際測試表明，采取上述校正方法后，AD采樣的精度非常逼近理論值；再則，溫度-電壓關系標定采用了 “首次開環瞬態標定、二次閉環穩態標定”的兩步標定法，大幅度節約了標定中的等待時間，效率高，精度準，第二次標定后基本不需要再反復進行系數修正。
[0015]本發明發動機冷卻液溫度傳感器測控系統結構設計簡單、合理，測試和標定直觀、精確且效率高，發動機冷卻液溫度傳感器信號測量準確可靠，模擬溫度工況控制快速平穩；同時，人機界面友好，操控簡單、方便，成本低，可適合慣性較大溫度系統的動態控制。其中，冷卻液溫度傳感器調理電路的設計不僅能減少外接電路對后級測量電路的影響及對儀表內部傳感器調理電路的影響，減小測量誤差，而且能起到濾除干擾雜波的作用，提高了測控系統的抗干擾能力；信號輸出端串聯一個自鎖按鈕開關，斷開時測量電阻，閉合時進行在線閉環溫度調控，方便實驗者操作。加熱棒驅動電路的抗電磁干擾能力強，工作穩定可靠。通過萬用表可以實時測量當前發動機冷卻液溫度傳感器的參數值，并結合玻璃溫度計、汽車水溫儀表以及上位PC機人機界面的虛擬水溫表可進行多位一體的顯示，使得水溫的測試和標定變得更加直觀、精確。整個測控系統操控簡單，使用安全、可靠，靈活的模塊化設計及插拔連接，可廣泛應用于冷卻液溫度傳感器及汽車水溫儀表產品的標定以及輸出特性、靈敏度、線性度、重復度等檢測。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明發動機冷卻液溫度傳感器測控方法的測控流程圖；
圖2為本發明發動機冷卻液溫度傳感器測控方法的換算測量溫度T與溫度傳感器當前信號電壓Vd的擬合曲線圖；
圖3為本發明發動機冷卻液溫度傳感器測控系統的結構原理圖；
圖4為本發明發動機冷卻液溫度傳感器測控系統的電路連接圖。
【具體實施方式】
[0017]本發明發動機冷卻液溫度傳感器測控方法，包括:
首先，采用中值濾波的方法進行AD轉換值的處理，由于中值濾波涉及到數值排序問題，為保證足夠的采樣精度，對某點的過采樣數要比較多，必須考慮到排序算法的效率問題，為此選用效率較高的希爾排序法；該希爾排序法時間復雜度為0(n)，希爾排序法要求被排序數η為4的整數倍，為此選擇排序數η=128，理論上跟冒泡法相比，在η=128時效率提高46.1倍，通過CCS在線仿真調試窗口配合斷點觀測，希爾排序法耗時約0.5ms，而冒泡法耗時約20ms，效率的改進是非常顯著的；由于溫度系統是個慣性延遲較大的系統，所以溫度采集的實時性并不要求太高，實驗臺其它測控模塊的數據采集及控制輸出都以中斷的方式進行，且控制輸出的周期也遠大于0.5ms,因此0.5ms的耗時對整個系統是可以接受的范圍。排序后取中間的32個值再進行平均濾波；采用中值平均濾波后，同時也去除了可能的粗大誤差，AD轉換數字量及電壓換算值的波動性得到顯著改善，但與實際量仍然有一定的差異，該誤差即上述失調誤差和增益誤差的體現；為此標準輸入一組電壓VD=[0V，0.5V，IV，1.5V，2V，2.5V，3V]得到對應的AD值D，建立VD=f(D)的分段線性擬合公式。該方式比通過實際值與理論值得到校正增益和校正失調的方法要更加簡潔實用，繞開了 D/A換算的理論公式，也避免了參考電壓測量不準帶來的二次換算誤差。實際測試表明，采取上述校正方法后，AD采樣的精度非常逼近理論值。
[0018]然后，對溫度-電壓關系進行兩步標定:
即先在開環手動調壓輸入情況下，系統溫度初次達到期望溫度附近后即記錄下該瞬態對應的溫度T、信號電壓值V，得到初步標定關系式T=gl (V)，由于信號電壓V送入AD 口前進行了 0.6倍的縮放以免AD 口電壓超出ADC參考電壓，AD 口電壓VD=V*0.6，所以初步標定關系式為 T=gl (VD/0.6)；
接著，在閉環控制系統中，利用該關系式換算的測量溫度T與設定溫度Ts比較進行閉環調節，當換算測量溫度T與設定溫度Ts —致、系統溫度達穩態后，觀測玻璃溫度計記錄實際溫度Tb以及當前信號電壓V ;雖然換算測量溫度T并非準確的實際溫度，但是并不影響系統的閉環調節；譬如設定溫度TS=80°C，穩態時AD換算的溫度T=80°C，則表明換算測量溫度T已經充分逼近設定溫度Ts，然而實際溫度Tb=82°C，對應信號電壓為V，則實際標定關系應為Tb-V ;繼續利用快速穩定的反饋調節，得到系列測量值如表I所示，則建立二次穩態標定關系式Tb= g2 (Vd /0.6)，Tb亦即為二次標定后AD轉換電壓所換算的正確測量溫度T，則T= g2 (Vd /0.6);該方案的優點是標定效率高，精度準，第二次標定后基本不需要再反復進行系數修正，但其前提是依賴于閉環系統良好穩定的控制策略；
表1 二次標定時的系列測量值
【權利要求】
1.一種發動機冷卻液溫度傳感器測控方法，是首先通過中值濾波的方法對過采樣的AD轉換值進行處理，即采用希爾排序法進行數值排序后取中間的多個值再進行平均濾波，如此得到系列標準輸入電壓Vd對應的AD值D，建立VD=f (D)的分段線性擬合公式； 然后對溫度-電壓關系進行兩步標定，即先在開環手動調壓輸入情況下，系統溫度初次達到期望溫度附近后即記錄下該瞬態對應的溫度T和溫度傳感器信號電壓值V，建立測量溫度T和溫度傳感器信號電壓值V之間的初步瞬態標定關系； 后在閉環控制系統中，利用所述初步瞬態標定關系式換算的測量溫度T與設定溫度Ts比較進行閉環調節，當換算測量溫度T與設定溫度Ts —致、溫度達穩態后，觀測玻璃溫度計記錄實際溫度Tb以及當前溫度傳感器信號電壓V，繼續利用反饋調節，得到系列測量值，建立實際溫度Tb與當前溫度傳感器信號電壓V之間的二次穩態標定關系； 最后用最小二乘法原理，采用多項式擬合，建立實際溫度Tb與溫度傳感器當前信號電壓V對應的AD 口輸入電壓Vd的擬合關系。
2.如權利要求1所述的發動機冷卻液溫度傳感器測控方法，其特征在于:所述希爾排序法的排序數n=128。
3.如權利要求1所述的發動機冷卻液溫度傳感器測控方法，其特征在于: 所述初步標定關系的關系式為TzgJVn/0.6)； 所述二次標定關系的關系式Tb= g2 (Vd /CL 6)； Tb亦即為二次標定后AD轉換電壓所換算的正確測量溫度T，則最終得到溫度T與溫度傳感器當前信號電壓Vd的擬合關系關系式為: T=14.73Vd4-92.18Vd3+210.9Vd2-250.1Vd+191.8(I)。
4.如權利要求3所述的發動機冷卻液溫度傳感器測控方法，其測控流程為:溫度傳感器電壓信號每秒進行一次過采樣數n=128的AD轉換，并進行希爾排序法后再中值平均濾波，所得AD轉換值經分段線性擬合公式換算得到對應的AD 口輸入電壓VD，再經過上述擬合關系式得到當前傳感器測量溫度T ;每秒測量一次溫度后與設定溫度Ts比較后進行以模糊控制思想為基礎的閉環調節，直至穩態平衡。
5.一種基于上述權利要求1至4任意一項所述的發動機冷卻液溫度傳感器測控方法的發動機冷卻液溫度傳感器測控系統，包括下位機單元以及與所述下位機單元連接的上位PC機人機界面；其特征在于:所述測控系統還包括發動機冷卻液溫度工況模擬裝置、發動機冷卻液溫度傳感器和汽車水溫儀表； 所述下位機單元包括DSP系統板、冷卻液溫度傳感器調理電路和加熱棒驅動電路；所述DSP系統板通過串口雙向通信連接所述上位PC機人機界面，同時控制連接加熱棒驅動電路并通過所述加熱棒驅動電路連接驅動所述發動機冷卻液溫度工況模擬裝置； 所述發動機冷卻液溫度工況模擬裝置包括固態繼電器和加熱棒；所述加熱棒為內嵌加熱棒的銅棒，其連接220V交流電，同時與所述固態繼電器連接；所述固態繼電器通過所述加熱棒驅動電路與所述DSP系統板連接； 所述發動機冷卻液溫度傳感器通過所述冷卻液溫度傳感器調理電路連接于所述DSP系統板，同時還連接所述汽車水溫儀表并接地。
6.如權利要求5所述的發動機冷卻液溫度傳感器測控系統，其特征在于:所述DSP系統板具有端口 ADCIN15及供PWM波形輸出的端口 10PE6。
7.如權利要求6所述的發動機冷卻液溫度傳感器測控系統，其特征在于:所述冷卻液溫度傳感器調理電路由電阻R1(TR15、運算放大器Ul和U2以及電容Cll連接組成； 所述電阻RlO —端接地，另一端連接所述運算放大器Ul的同相輸入端； 所述電阻Rll—端連接運所述算放大器Ul的反相輸入端，另一端連接有輸入端子Sff-1N并通過所述輸入端子SW-1N與發動機冷卻液溫度傳感器匹配插接； 所述發動機冷卻液溫度傳感器與所述輸入端子SW-1N之間還還串聯了一個自鎖按鈕開關KG ; 所述電阻R12連接于所述運算放大器Ul的信號輸出端和反相輸入端之間； 所述運算放大器Ul的信號輸出端還通過所述電阻R14連接于所述運算放大器U2的反相輸入端； 所述運算放大器U2的同相輸入端通過所述電阻R13接地； 所述電阻R15連接于所述運算放大器U2的信號輸出端和反相輸入端之間； 所述運算放大器U2的信號輸出端連接于所述端口 ADCIN15 ； 所述電容Cll并聯于所述端口 ADCIN15 ;所述電容Cll 一端連接于所述運算放大器U2的信號輸出端，另一端接地。
8.如權利要求6所述的發動機冷卻液溫度傳感器測控系統，其特征在于:所述加熱棒驅動電路由電阻RlOl~R105、倒相放大器U3和U4、開關光耦U10、場效應管QlO以及二極管DlO連接組成； 所述電阻RlOl —端接地，另一端連接于所述端口 IOPE6 ； 所述倒相放大器U3和U4串接在一起，即所述倒相放大器U3的輸入端通過所述電阻R102連接于所述端口 IOPE6，所述倒相放大器U3的輸出端連接于所述倒相放大器U4的輸入端，所述倒相放大器U4的輸出端通過所述電阻R103連接于所述開關光耦UlO的陽極；開關光耦UlO的陰極接地，發射極連接于場效應管QlO的柵極； 所述電阻R105 —端連接所述開關光耦UlO的集電極，另一端連接有輸出端子CW-OUT+并通過所述輸出端子CW-OUT +匹配插拔連接于所述固態繼電器的正極端； 所述場效應管QlO的漏極連接有輸出端子CW-OUT -并通過所述輸出端子CW-OUT -匹配插拔連接于所述固態繼電器的負極端；所述場效應管QlO的源極接地并通過所述電阻R104連接所述場效應管QlO的柵極； 所述二極管DlO為硅二極管，其連接于所述開關光耦UlO的集電極與所述場效應管QlO的漏極之間； 所述二極管DlO的陽極端連接所述場效應管QlO的漏極，所述二極管DlO的陰極端連接所述開關光耦UlO的集電極。
9.如權利要求5所述的發動機冷卻液溫度傳感器測控系統，其特征在于:所述發動機冷卻液溫度傳感器采用的是NTC型熱敏電阻式冷卻液溫度傳感器，其與冷卻液溫度傳感器調理電路之間還設有測量端口 SW-C ； 所述測量端口 SW-C還連接有萬用表并通過所述萬用表實時測量當前所述發動機冷卻液溫度傳感器的參數值。
10.如權利要求5所述的發動機冷卻液溫度傳感器測控系統，其特征在于:所述發動機冷卻液溫度工況模擬裝置還連接有玻璃溫度計；所述汽車水溫儀表是 通過端子B15與所述發動機冷卻液溫度傳感器連接。
【文檔編號】G01K15/00GK103940533SQ201410050943
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年2月14日 優先權日:2014年2月14日
【發明者】程登良, 黃海波, 王衛華, 張凱, 蔣偉榮, 黃志文 申請人:湖北汽車工業學院
專業數控銑床產品供應商
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