浅析汽车发动机实验中虚拟仪器技术
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【摘 要】在本文中，对于应用于汽车发动机试验中的虚拟仪器技术进行了研究，首先介绍了虚拟仪器技术的发展背景，结构和特点，然后具体分析了虚拟仪器技术在汽车发动机实验中的应用，包括发动机油耗测试和发动机噪声测试，结合实际认识到了虚拟仪器技术的重要性。
【关键词】汽车发动机；虚拟仪器；特点；实验；应用
0.引言
虚拟技术、计算机通信技术和网络技术构成了信息技术中最重要的组成部分。而在汽车发动机的研究和生产过程中，发动机实验发挥着至关重要的作用。而虚拟仪器技术的发展使测试仪器走向了柔性化，用户可以根据自己的需求搭建专门的测试环境，同时在具有兼容性和可扩展性的硬件基础上，通过专业的虚拟仪器软件，灵活方便地实现整个测试系统的扩充、更改和升级，从而提高整个测试系统的效率，降低测试的成本。
1.虚拟仪器技术背景
1.1虚拟仪器技术的介绍
虚拟仪器（Virtual Instrument）技术，就是在计算机的基础上，引入特殊的仪器硬件和专用的软件，来实现一种具备普通一起基本功能又有着自身特殊用途的新型仪器技术。虚拟仪器技术融合了计算机硬件、软件技术和总线技术，同时又与测试技术、仪器技术紧密相关。在上个世纪80年代美国的国家仪器公司（National Instruments Corporation，NI）在世界上首先提出了虚拟仪器技术的概念。
虚拟仪器技术的核心概念是：基于计算机的统一仪器的硬件平台，通过计算机特有的运算、数据存储、回放、调用、显示以及文件管理等功能，把传统仪器的专业功能和控制面板以软件的形式呈现，与计算机充分结合就，从而形成具备传统仪器外观和功能，同时又可以利用计算机智能资源的全新仪器。目前世界上应用最为广泛的是NI公司研制和推出的总线系统虚拟式仪器LabVIEW。
1.2虚拟仪器系统的结构
一个虚拟仪器系统主要由以下几个部分组成：数据采集系统、通用接口总线（General Purpose Instrument Bus，GPIB）仪器控制系统、基于计算机总线技术虚拟仪器中扩展（VME Extension for Instrumentation， VXI）的仪器系统，及以上由以上部分组合而成的系统。数据采集系统作为外界物理参量与计算机数据处理之间的桥梁，是整个虚拟仪器系统中的一个重要的组成部分，其机构主要包括以下一些功能单元：
（1）模数采集卡和数模卡：其核心部件是高性能的模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC），该模块具备高级的定时功能，当今的模数转换器的分辨率能够达到12bit、16bit、18bit甚至24bit，同时采样频率可以为0-100KHz、200KHz、330KHz、1000KHz、20MHz和更高。而且还可以实现无时差、无相移额多通道采样。测试通道数最多高达1024。
（2）计算机及其附件：该模块有高性能的计算机，显示设备和光驱、硬盘等，它们是虚拟仪器系统进行数据处理的核心。
（3）功能软件：功能软件指的是具备测试和分析功能的专业软件，这些软件在整个虚拟仪器系统中发挥着重要的作用。
（4）接口和总线：虚拟仪器系统具有多种接口和总线方式（如PC总线方式、USB总线方式、并行总线方式等），而用户可以根据自己的需求选择合适的接口和总线方式。
（5）传感器和调理模块：它们是虚拟仪器测试系统的基础，高质量的传感器和调理模块决定了测试系统优异的性能。
1.3 虚拟仪器技术的特点
（1）虚拟仪器系统基于通用的软件开发平台：硬件模块确定后，其测量功能主要通过内部的专业软件实现，整个系统的规模可由修改软件控制。
（2）高度自定义，使用方便：虚拟仪器不同于传统硬件仪器使用过程中用户无法更改仪器功能的模式，通过专业的虚拟仪器软件，用户能够根据自己的需求，方便灵活地构建适合的测量系统，并可以对整个系统进行扩展和升级，从而大大缩短了开发周期。
（3）虚拟系统的开放性强：虚拟仪器可以和其他设备进行互联，对实验现场进行监测和管理，互联功能可以使测控系统突破局域限制。
（4）高性价比：一套虚拟仪器系统可以实现多种功能，系统组建快捷，测量时使用的数字化技术，很大程度上降低了环境干扰和系统误差的对整个实验的影响，更可以节省硬件设备，降低了搭建测试系统的成本。
2.虚拟仪器技术在汽车发动机实验中的应用
2.1发动机油耗测试
利用虚拟仪器技术在原发动机实验测控台架上设计瞬态油耗测试系统，传感器模块的核心是质量式油耗传感器，目的是把发动机的油耗等性能参数由传感器转化为相应的电信号，同时可利用发动机实验测控台架得到转速和扭矩等信息，其他模块包括数据采集卡和计算机处理系统。
测试中测量特定时间内所消耗的燃油重量计算出发动机单位时间内的油耗量，其中质量式油耗传感器主要由称量装置、计数装置和控制装置三个部分组成。而虚拟仪器软件中的主操作界面包括控制区和显示区：显示区中显示转速、扭矩、油耗等信息，同时设有超过极限报警指示灯显示；控制区包括测量仪控制开关、采集速率、参数值设置、极限值和初始值等。主程序软件按功能分为转速计、扭矩计、油耗仪等测试模块，其中每个模块可独立工作，用于单个内容的测试。完成信号采集后，进行数据显示和保存。
2.2发动机噪声测试
整个虚拟仪器系统包括硬件和软件两大部分，硬件的传感器模块中传声器采用驻极体microphone，转速传感器使用夹式传感器拾取信号，再通过数据采集模块将获取的信号数字化，供计算机数据处理使用。而系统的软件由控制面板、参数输入、数据显示、性能分析以及系统检测等功能模块。
在实验中先通过系统得到整个配气机构的噪声频谱，然后得到消除气门落座噪声后的频谱, 通过噪声相减的原理计算得到气门落座噪声频谱图，从而能够去除出气门杆段撞击摇臂噪声、配气机构的气门落座噪声以及链条链轮噪声，经过分析处理计算出噪声频谱图并得到对噪声影响较大的那些频率分量，再与具体的机械结构特征进行比较，最终分析得到主要的噪声源。
3.结束语
作为一种新型的仪器技术，虚拟仪器技术所具备的优点是传统的仪器所无法得到的，虚拟仪器系统有机地结合了计算机硬件技术和通用软件开发平台（例如LabVIEW等），良好的硬件兼容扩展性以及优质的数据处理能力，为整个虚拟仪器系统的搭建提供了性能支持和技术保障。同时，将虚拟仪器技术应用于汽车发动机的相关实验研究中，很大程度上提高了发动机实验测试的自动化水平，为汽车发动机状态检测提供了大量精确的数据，同时也为发动机的研制生产工作引入了先进的测试技术手段。
【参考文献】
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