压电式爆震传感器测试系统的实现

压电式爆震传感器广泛应用于发动机机体或气缸的爆震检测中。汽车防爆震系统通过检测出压电传感器的电压值来判断爆震强度。

因此，功能完善、性能稳定、操作简单、测试精度高，可满足大批量生产测试需要的爆震传感器测试系统成为研发的重点。

汽车爆震传感器简介

为防止爆震现象对汽车发动机带来的损害，可以通过汽车爆震传感器实现对发动机机体或气缸的爆震检测。按原理的不同可将爆震传感器分为磁致伸缩式与压电式两种，其中压电式爆震传感器的工作原理为：当发动机缸体出现振动且振动传递到传感器外壳上时，外壳与配重块之间产生相对运动，夹在这两者之间的压电元件所受压力发生变化，从而产生电压。汽车防爆震系统检测出该电压，并根据数值的大小判断爆震强度。

测试系统的工作原理

本文所述汽车爆震传感器测试系统主要用于压电式爆震传感器的终检测试，可对传感器内电阻、绝缘电阻、电容、灵敏度及线性度等指标进行检测。其中，电阻、电容等指标可通过相应的测量仪器来测量，而灵敏度和线性度的测试较难实现。压电式爆震传感器灵敏度的一种表示方式为某振动频率下其输出电压与振动加速度之比。本系统采用背靠背对比法检测爆震传感器的灵敏度，即采用一个标准加速度传感器作为参考，将爆震传感器与标准加速度传感器背靠背安装，在相同加速度下同步测量二者的输出电压，由于标准加速度传感器的灵敏度已知，因此通过两种传感器的输出电压之比就可以求出爆震传感器在该频率下的灵敏度。

压电式爆震传感器的线性度检测主要通过连续改变振台的振动频率，即采用扫频的方式，将振台的振动加速度稳定在设定范围内，对各个频率下的传感器灵敏度进行检测，输出各个灵敏度与频率相对应的连续曲线，并检测该曲线是否符合该传感器产品的线性度要求，其测试流程如图1所示。

图1 线性度测试流程

为满足灵敏度精确测量的需要，在系统中利用信号锁相放大器的信号输出功能，提供一定频率的正弦激励信号，经过滤波器电路处理和功率放大器放大后，驱动振台按设定频率进行振动，软件通过闭环方式控制激励信号电压幅值，使振台在该频率下产生稳定的加速度振动，并利用信号锁相放大器的锁相功能实现爆震传感器与标准加速度传感器两路信号的同步测量，保证系统线性度测试过程的精确和高效。

测试系统的组成

1．硬件组成

为保证汽车爆震传感器测试系统的可靠性、高效性和可扩展性，在硬件组成上采用PXI系统实现对整个系统的控制，硬件资源与系统构成如图2所示，主要包括PXI控制器、PXI数字I/O板卡、振台、LCR表、高阻表、信号锁相放大器、信号通道切换模块和气动夹具系统等。

图2 爆震传感器测试系统的构成

其中，PXI控制器是整个测试系统的控制核心，能够通过GPIB总线与LCR表、高阻表、信号锁相放大器等仪器进行通信；PXI数字I/O板卡主要用于系统的状态反馈和动作控制；振台为爆震传感器的灵敏度、线性度提供一个标准的振动测试环境，本系统采用的是定制的压电类振台，输出频率范围为 3～50kHz，1kg负载下加速度最高可达250g的振动；LCR表、高阻表主要用于传感器电阻、绝缘电阻、电容等参数的检测；信号通道切换模块主要为电阻电容测、绝缘电阻、灵敏度的测试任务建立相应的信号测量通道。

在生产线上进行灵敏度和线性度的检测，需要通过紧固螺钉实现传感器与振台的连接，为保证测试条件的一致性，采用定扭矩扳手为紧固螺钉提供固定的扭紧力。为保护振台，系统中设计了专门的气动夹具系统，在装卸传感器过程中对振台实施保护。

2．软件实现

汽车爆震传感器测试系统的测控软件基于LabVIEW进行设计开发，具有良好的稳定性和可扩展性。系统测控软件主要采用基于状态机的并行处理结构，同时将事件响应与数据流执行方式有机结合，使整个系统具有较高的实时性和可靠性。软件在功能实现上采用模块化的方式，主要组成模块有测量驱动模块、振台控制模块、气动夹具控制模块及系统安全保护模块等（见图3）。

图3 爆震传感器测试系统的软件实现

其中，测量驱动模块主要控制仪器实现测量功能；振台控制模块采用闭环控制算法，使振台在不同的振动频率下都可以有稳定的加速度振动；气动夹具控制模块主要实现测试过程中对振台夹具的动作控制，同时可以控制打标机构等气动系统的动作；外部操作驱动模块通过对数字I/O端口的监控，完成气缸各种动作状态的监视，用三色报警灯对测试进程及测试结果进行直观的指示，同时可利用废品箱上的光电传感器实现废品计数，进行质量控制；数据分析与显示模块会对检测参数、测试过程、测量数据与波形以及最终结果等进行动态、直观的显示，同时利用数据存储与输出模块将测试结果实时存储在Excel文件中，并可通过数据回放功能对数据进行查看。

测试系统的性能与测试范围

我公司研发的汽车爆震传感器测试系统功能完善，性能稳定可靠，操作简单，测试精度高，测试速度快，可满足传感器生产线上长时间、大批量生产测试的需要。针对压电式爆震传感器结构形式多样的特点，系统采用传感器适配接口模块化设计，适合多种压电式爆震传感器的检测，系统的测试范围如表所示。目前该测试系统已成功应用于西门子压电式爆震传感器生产线上的终检测试。