专利摘要
本发明公开了一种内燃机缸内压力信号时域转角度域的系统及方法，缸压测量装置及脉冲信号测量装置，所述缸压测量装置及脉冲信号测量装置将采集的缸内压力信号及飞轮齿圈对应的脉冲信号传送至内时钟采集系统，所述内时钟采集系统将接收的数据进一步传送至处理器进行处理；通过插值算法确定脉冲信号的精确过零点，在此基础上实现缸内压力信号由时域到角度域的转换；该方法有效避免了传统测试方法中由于编码器信号丢失或受到干扰而出现误触发的问题，有效的提高了数据采集过程的可靠性。
权利要求
1.一种内燃机缸内压力信号时域转角度域的系统，其特征是，包括：缸压测量装置及脉冲信号测量装置，所述缸压测量装置及脉冲信号测量装置将采集的缸内压力信号及飞轮齿圈对应的脉冲信号传送至内时钟采集系统，所述内时钟采集系统将接收的数据进一步传送至处理器进行处理；
在处理器中，通过插值算法获得脉冲信号测量装置输出电压为零的点及过零点，根据过零点的数据得到相邻两齿间的时间间隔，进一步通过插值算法得到两个齿间任意角度对应的数据。
2.如权利要求1所述的一种内燃机缸内压力信号时域转角度域的系统，其特征是，所述缸压测量装置包括缸压传感器，所述缸压传感器安装在发动机缸盖上，通过测压通道连接至发动机的燃烧室。
3.如权利要求1所述的一种内燃机缸内压力信号时域转角度域的系统，其特征是，所述脉冲信号测量装置安装在发动机飞轮端，发动机工作时，飞轮齿圈的每个齿经过该传感器时，均会触发传感器产生一个脉冲信号。
4.如权利要求1所述的一种内燃机缸内压力信号时域转角度域的系统，其特征是，所述脉冲信号传感器为磁电式传感器。
5.如权利要求1所述的一种内燃机缸内压力信号时域转角度域的系统，其特征是，所述内时钟采集系统为以内时钟采样方式工作的多通道高速数据采集卡，多通道高速数据采集卡的数据传输方式采用USB接口或PCI接口高速数据传输接口。
6.一种内燃机缸内压力信号时域转角度域的方法，其特征是，包括：
通过插值算法得到脉冲信号测量装置输出电压为0的点即过零点的时刻Tstart及Tend；
时刻Tstart及Tend这两个时刻之间即为发动机飞轮齿圈一个齿对应的持续时间，时刻Tstart及Tend两个时刻间对应的角度为一个齿的持续角度θ；
根据Tstart及Tend两个时刻、一个齿的持续角度θ及将缸内压力信号由时域转化为角度域后的角度间隔θ插值间隔确定角度域缸内压力信号相邻点间的时间步长Tstep；
根据采样间隔Tstep及当前齿内插值得到的第一个角度域点与当前齿起始时刻Tstart间的角度偏差Toff及当前齿起始时刻Tstart得到转化为角度域对应的时刻Tn(n＝0，1，2，3...)；
根据得到的角度域对应时刻Tn(n＝0，1，2，3...)，各点的缸内压力数值yn(n＝0，1，2，3...)通过该点前后两点实测缸内压力信号线性插值得到。
7.如权利要求6所述的一种内燃机缸内压力信号时域转角度域的方法，其特征是，通过插值算法得到脉冲信号测量装置的输出电压为0的点即过零点时，采用3次Newton插值方法，首先获得过零点前后各两个点，(x0，y0)、(x1，y1)、(x2，y2)及(x3，y3)，其中，x0～x3为各采样点的采样序号，由于四个点为连续的采样点，相邻各点的间隔均相差1个采样点时刻；而y0～y3则指过零点前后两点的采样结果，然后将Newton插值公式中所有的x、y都颠倒使用，令y等于零，得到对应的x值。
8.如权利要求6所述的一种内燃机缸内压力信号时域转角度域的方法，其特征是，时刻Tstart及Tend两个时刻间对应的角度θ：θ＝360°CA/飞轮齿圈的齿数。
9.如权利要求6所述的一种内燃机缸内压力信号时域转角度域的方法，其特征是，
间隔时间差为Tstep：
式中，θ为飞轮齿圈一个齿的持续角度；θ插值间隔为设定的转化为角度域的角度间隔；Tstart和Tend为通过插值得到的过零点数据。
10.如权利要求9所述的一种内燃机缸内压力信号时域转角度域的方法，其特征是，角度域的各点对应的时刻Tn(n＝0，1，2，3...)的表达式为：
Tn＝Tstart+n×Tstep+Toff
式中，Toff为当前齿内插值得到的第一个角度域点与当前齿起始时刻Tstart间的角度偏差。
说明书
技术领域
本发明涉及内燃机缸内压力信号的测试方法，具体涉及一种基于插值算法的内燃机缸内压力信号时域转角度域的系统及方法。
背景技术
内燃机缸内压力信号蕴含了缸内燃烧过程的丰富信息，这些信息能够为内燃机的研发及性能改进提供重要的参考依据。内燃机每720度曲轴转角为一个工作循环，对缸内压力信号进行采集和分析时都是以曲轴转角为基准展开的。为此，现有的缸内压力信号测试系统多采用外时钟采样方式测试缸内压力。这种测试方法需要采用编码器提供触发信号，用于控制测试系统按特定的角度步长进行数据采集。使用过程中需要将编码器的壳体连接至发动机的机体上，将编码器的转轴连接至发动机的曲轴。编码器固定后，当发动机工作时曲轴带动编码器转轴旋转，编码器通过光电转换原理将曲轴的转动量转换成脉冲信号，用于触发采集系统采集缸内压力信号。
这种方法需要在发动机的自由端寻找合适位置固定编码器，由于目前发动机自由端部件多、集成度高，编码器的固定难度大。编码器转轴与曲轴同步旋转，要求两者的同心度高，如果两者中心有偏差，容易造成编码器输出信号丢失，甚至编码器转轴断裂等问题，对整个测试系统的可靠工作产生不利的影响。此外，编码器输出为高频脉冲信号，该信号送入测试系统中进行整形处理后，用于触发采样，发动机实验现场存在测功器等多种干扰，容易导致测试系统误采样。
根据上述对目前已有缸内压力信号测试方法的分析可知，现有方法存在传感器安装不便，易受干扰影响等问题；且由于编码器安装困难，目前该方法只能适用于实验室测试的场合，对于车用发动机，由于发动机自由端空间所限，很难实现缸内压力的测试。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种利用内时钟采集系统测试缸内压力信号，进而通过插值算法将采集的时域信号转换为角度域信号的方法。该方法不再采用编码器触发采样，而是在发动机飞轮端安装脉冲信号测试传感器，通过内时钟采集系统同时采集缸内压力信号及脉冲信号。采集完毕后以脉冲信号为基准对缸内压力信号进行插值处理，实现时域信号与角度域信号的转换。该方法采用的脉冲信号传感器只需要安装在飞轮齿圈附近即可，安装要求低，容易实现；采用内时钟采样方式采集信号，消除了外时钟采样方式容易受到干扰信号误触发导致的采样异常问题。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
一种内燃机缸内压力信号时域转角度域的系统，包括：缸压测量装置及脉冲信号测量装置，所述缸压测量装置及脉冲信号测量装置将采集的缸内压力信号及飞轮齿圈对应的脉冲信号传送至内时钟采集系统，所述内时钟采集系统将接收的数据进一步传送至处理器进行处理；
在处理器中，通过插值算法获得脉冲信号测量装置输出电压为零的点即过零点，根据过零点的数据得到相邻两齿间的时间间隔，进一步通过插值算法得到两个齿间任意角度对应的数据。
进一步的，所述缸压测量装置包括缸压传感器，所述缸压传感器安装在发动机缸盖上，通过测压通道连接至发动机的燃烧室。
进一步的，所述脉冲信号测量装置安装在发动机飞轮端，脉冲信号测量装置前端距离飞轮齿圈的齿顶约1mm，发动机工作时，飞轮齿圈的每个齿经过该传感器时，均会触发传感器产生一个脉冲信号。
更进一步的，所述脉冲信号测量装置采用磁电式传感器。
进一步的，所述内时钟采集系统为以内时钟采样方式工作的多通道高速数据采集卡，多通道高速数据采集卡的数据传输方式采用USB接口或PCI接口高速数据传输接口与处理器通信。
一种内燃机缸内压力信号时域转角度域的方法，包括：
通过插值算法得到脉冲信号测量装置的输出电压为零的点即过零点的时刻Tstart及Tend；角标信号即脉冲信号测量装置测试的信号；
时刻Tstart及Tend这两个时刻之间即为发动机飞轮齿圈一个齿对应的持续时间，时刻Tstart及Tend两个时刻间对应的角度为一个齿的持续角度θ；
根据Tstart及Tend两个时刻、一个齿的持续角度θ及将缸内压力信号由时域转化为角度域后的角度间隔θ插值间隔确定角度域缸内压力信号相邻点间的时间步长Tstep；
根据采样间隔Tstep、当前齿起始时刻Tstart及当前齿内插值得到的第一个角度域点与当前齿起始时刻Tstart间的角度偏差Toff得到转化为角度域对应的时刻Tn，n＝0，1，２，３…；
根据得到的角度域对应时刻Ｔn，n＝0，1，２，３…，则转化为角度域的各点缸内压力数值yn，n＝0，1，２，３…通过该点前后实测的时域缸内压力信号线性插值得到。
进一步的，通过插值算法得到脉冲信号测量装置的输出电压为零的点即过零点时，采用3次Newton插值方法，首先获得过零点前后各两个点，(x0，y0)、(x1，y1)、(x2，y2)及(x3，y3)，其中，x0～x3为各采样点的采样序号，由于四个点为连续的采样点，相邻各点的间隔均相差1个采样点时刻；而y0～y3则指过零点前后两点的脉冲信号采样结果，将Newton插值公式中所有的x、y都颠倒使用，令y等于零，得到对应的x值。
进一步的，时刻Tstart及Tend两个时刻间对应的角度θ：θ＝360°CA/飞轮齿圈的齿数。
进一步的，间隔时间差为Ｔstep：
式中，θ为飞轮齿圈一个齿持续的角度；θ插值间隔为设定的转化为角度域的相邻两点的角度间隔；Tstart和Tend为通过插值得到的过零点时刻数据。
进一步的，角度域的各时刻对应的时刻Tn(n＝0，1，２，３...)的表达式为：
Tn＝Tstart+n×Tstep+Toff
式中，Toff为当前齿内插值得到的第一个角度域点与当前齿起始时刻Tstart间的角度偏差。
本发明的有益效果：
1)本发明提出了一种在发动机飞轮齿圈附近安装脉冲信号传感器，并用于实现缸内压力信号采集的新方法。脉冲信号传感器的安装要求低，容易实现；有效的解决了传统缸压测试方法中采用编码器时存在的编码器固定困难及需要保证编码器转轴与曲轴高度同心的难度。
2)本发明提出的缸内压力信号测试方法先通过内时钟采集方法将缸内压力信号及脉冲信号当做模拟信号进行采集，而后通过插值算法确定脉冲信号的精确过零点，在此基础上实现缸内压力信号由时域到角度域的转换；该方法有效避免了传统测试方法中由于编码器信号丢失或受到干扰而出现误触发的问题，有效的提高了数据采集过程的可靠性。
附图说明
图1为本发明的硬件结构示意图；
图2(a)为实测的5个循环的缸内压力信号及脉冲信号对比曲线；
图2(b)为通过本发明提出的插值算法将时间域缸内压力信号转化为角度域的信号曲线图；
图3为本发明的采样过程得到的脉冲信号传感器的过零点时刻示意图；
图4为本发明的缸内压力信号时域转角度域原理。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行详细说明：
本发明鉴于目前缸内压力信号测试方法存在的编码器安装不便、编码器信号丢失或受干扰影响易导致采样异常等问题，本发明提出了一种缸内压力信号测试的新方法。本方法具有传感器安装方便，工作可靠等优点，能够满足内燃机研发及生产单位缸内压力信号测试分析的需要，具有广阔的应用前景。
本发明提出了一种适用于缸内压力信号采集的测试方法及系统，包括硬件系统及测试分析方法两部分。
1.硬件系统介绍：硬件系统包括传感器及内时钟数据采集系统两部分，其中传感器包括用于测试缸内压力信号的压力传感器及安装在飞轮齿圈附近的脉冲信号测试传感器。其中缸压传感器安装在发动机缸盖上，通过测压通道连接至发动机的燃烧室，该传感器输出为模拟信号。脉冲信号传感器正对飞轮齿圈的齿安装，发动机工作时，飞轮齿圈的每个齿经过该传感器时，都会触发传感器产生一个脉冲信号，该信号是将缸压信号从时间域转换为角度域的时间基准。
本发明提出方法的基础是通过插值算法找到过零点的准确时刻，这要求过零点前后有若干采样点存在。目前常用的脉冲信号传感器主要包括：磁电式、霍尔式及光电式，后两种传感器输出的信号只有高低两种电平，过零点前后的点数少，无法满足使用要求，故相对而言，磁电式传感器是本方法的最佳选择。
内时钟采集系统即以内时钟采样方式工作的多通道高速数据采集卡，此类采集卡利用自带的时钟信号触发模数转换单元实现数据采集。由于本方法要求采集卡具有较高的采样速度，因此，采集卡的数据传输方式需要采用USB接口或PCI接口等高速数据传输接口。本方法采用的缸压传感器和脉冲信号传感器的信号都送入高速数据采集卡中，将各信号当做模拟量进行数据采集，采集后的数据通过下述方法进行处理。
2.测试分析方法介绍：为了将内时钟采样的数据转化为以曲轴转角为基准的数据需要通过以下两个步骤：1)通过插值算法得到脉冲信号传感器的过零点；2)以过零点为基准，采用插值算法对时间域缸内压力信号进行转换，得到以角度为基准的数据。下面对各部分内容进行说明：
1)过零点的获取
过零点即脉冲信号传感器输出电压为0的点，脉冲信号两个相邻过零点间的时间即为一个齿的持续时间，该时间对于时间域缸内压力信号转角度域而言有重要的作用。由于采集过程是间隔一定时间采集一次，因此仅通过数据采集过程，无法完整得到脉冲信号传感器各过零点的数据。在此利用过零点前后采样点的值，通过插值算法得到过零点的准确时刻。如图3所示为采样过程得到的脉冲信号传感器的示意图，图中实心方块表示采样的数据，而圆形表示过零点的位置。
本发明采用插值确定过零点的位置，采用了Newton插值、Lagrange插值及Hermit插值等多种插值算法，对每种方法都采用了不同阶次进行了对比，发现不同方法得到的结果相近，在此以3次Newton插值方法说明过零点的确定方法。3次Newton插值方法需要用到过零点前后各两个点进行计算，四个点如下：(x0，y0)、(x1，y1)、(x2，y2)及(x3，y3)，其中，x0～x3为各采样点的采样序号，由于四个点为连续的采样点，相邻各点的间隔均相差1个采样点时刻；而y0～y3则指过零点前后两点的采样结果，因此，x0～x3及y0～y3均为已知量。
Newton插值公式表示如下：
y＝Nn(x)＝f[x0]+f[x0,x1](x-x0)+一次插值
f[x0,x1,x2](x-x0)(x-x1)+...+二次插值
f[x0,x1,...xn](x-x0)(x-x1)...(x-xn-1)
Rn(x)＝f[x,x0,...,xn]·πn(x)插值余项
确定过零点时，实际上是y值已知，求x，为了便于使用插值算法，为此将公式中所有的x、y都颠倒使用，由此得到3次Newton插值算法如下：
x＝Nn(y)
＝f(y0)+f[y0，y1](y-y0)+f[y0，y1，y2](y-y0)(y-y1)+
f[y0，y1，y2，y3](y-y0)(y-y1)(y-y2)
其中，
另外，对于过零点而言，其y＝0，由此可得：
上式中，x0＝f(y0)，并且(x0,y0)，(x1,y1)为过零点前2点；(x2,y2)，(x3,y3)为过零点后的两点，四个点为相邻采样点，因此，x0-x1＝x1-x2＝x2-x3＝-1，上式可以写为：
上式中涉及的变量中x0为采样点时刻、y0～y3为相邻4个脉冲信号时域采样点数值，这些参数均为已知量，根据上式即可得到各过零点的数据。过零点的数据得到后，即可得到相邻两齿间的精确时间间隔。
2)缸内压力时间域转角度域的方法
通过上述插值算法可以得到角标信号过零点的精确时刻，即下图4所示的Tstart及Tend，这两个时刻之间即为发动机飞轮齿圈一个齿对应的持续时间，这两个时刻间对应的角度θ＝360°CA/飞轮齿圈的齿数。本方法中假定发动机在一个齿内的转速是相同的，由此，可以进一步通过插值算法得到两个齿间任意角度对应的数据，如图4所示，为缸内压力信号时域转角度域原理图，以该图为例说明实施过程。图中T0、T1、T2及T3即为相差为Tstep时间的各时刻数据，Tstep的表达式如下：
式中，θ为飞轮齿圈相邻两齿间的角度；θ插值间隔为转化为角度域的角度间隔；Tstart和Tend为通过插值得到的过零点数据；转化为角度域的各点对应的时刻Tn(n＝0，1，2，3…)的表达式为：
Tn＝Tstart+n×Tstep+Toff
式中，Toff为当前齿内插值得到的第一个角度域点与当前齿起始时刻Tstart间的角度偏差，对于第1个齿的计算而言Toff为0，对于图中第2个齿而言，Toff＝T3-Tend。
一旦得到转化为角度域后缸内压力的各时刻Tn(n＝0，1，2，3…)，则角度域上缸内压力各点的数值yn(n＝0，1，2，3…)通过该点前后两个采集的时域缸内压力数据(Tn前，yn前)和(Tn后，yn后)线性插值即可得到，其中，Tn前和Tn后为前后两点的采样时刻，两者的差值为1，yn前和yn后为前后两点的缸内压力值，以T1时刻为例，该时刻对应的缸内压力值为y1的表达式如下：
采用该方法即可将内时钟采集卡采集的时域数据转化为插值间隔为θ插值间隔°CA的角度域数据。
通过上述方法可以将当前齿内的时间域压力信号转化至角度域，在各齿内都采用上述方法进行处理即可。
本方法需要利用插值算法获取过零点的时刻，过零点前后需要有相应的点数方能保证插值过程顺利进行，点数与采用的插值算法、采样频率及发动机的转速有关。发动机工作过程中，转速变化范围宽广，转速越高，一个循环的时间越短，为了保证插值所需的点数足够，需要的采样频率越高，只需在高转速保证采样频率能够获得足够的采样点数，在低转速即无问题。
不同的插值算法需要过零点前后的点数不同，下面仍以3次Newton插值算法进行说明。通过上述分析可知，采用3次Newton插值方法计算过零点时，过零点前后各需2个采样点用于进行计算，因此，一个齿的持续时间内，至少应能采集8个以上的采样点，暂以8个点进行计算。假定发动机飞轮齿圈的齿数为z，则发动机一个循环的采样点数为8×2×z，转速为n1时一个循环的时间为 秒，由此可得到当前转速下的采样频率为：
假定发动机齿圈数为141，最高运行转速为2200r/min，则根据上式可得单通道的采样频率不能低于41.36kHz。
对缸内压力信号进行采集和分析时，对采样的点数有要求，如柴油机一般要求每次采样的循环数在100个以上；对于汽油机而言，由于燃烧循环变动较大，因此采样循环数在150个以上。通过上述方法可以确定采样频率，当发动机转速不同时，每循环对应的时间不同，因此要求的采样点数也不相同，转速越低，一个循环的时间越长，对应的采样点数越多。对采样点数的计算方法进行分析，假定发动机转速为n2，需要采样的循环数为m，则对应的采样点数的表达式如下：
假定发动机齿圈数为为141，最高运行转速为2200r/min，假定怠速转速为600r/min，此时需要采集100个循环的数据，则此时每次采样需要的采样点数为：827200个点。
本发明提出的方法在实际应用时，根据发动机的飞轮齿数、运行的转速范围合理的选择采样频率及采样点数，根据上述插值算法即可将内时钟采集的缸内压力信号转化为角度域信号，用于进行后续分析。
本发明在应用时，附图1为本发明提出测试方法的硬件结构示意图，本方法需要用到缸压传感器及脉冲信号传感器，各信号都作为模拟信号送入内时钟数据采集系统中实现数据的采集。由于采集的数据量大，因此模数转换的结果通过USB或PCI等高速数据传输接口传送至电脑，并进行后续的分析。内时钟采集系统以内部自带的时钟进行数据采集，因此信号各采样点的时间间隔固定，即采样的信号以时间为基准。内燃机工作时以720度曲轴转角为一个循环周期性工作，对内燃机缸内压力信号进行分析时需要用以曲轴转角为基准进行分析，因此需要将时间域的信号转换为角度域信号，而这个过程即为本发明主要涉及的内容。
附图2为利用本方法将实测发动机缸内压力信号由时间域转换为角度域后的对比曲线。其中图2(a)为实测的5个循环的缸内压力信号及脉冲信号对比曲线，其中横坐标为采样点数，由于内时钟采样的采样频率固定，故采样点数与时间相互对应。从图中可以看出采样频率高，缸内压力信号及脉冲信号采样点数均较多。图2(b)为通过本发明提出的插值算法将时间域缸内压力信号转化为角度域的信号，转化时的角度间隔θ插值间隔设定为0.5℃A，即每个循环有1440个点。通过两图的对比可以看出，本发明提出的方法可以准确的将内时钟采集的信号转化为角度域。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
一种内燃机缸内压力信号时域转角度域的系统及方法专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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