[发明专利]一种基于FPGA的发动机尾气金属磨粒收集系统及方法

权利要求书

1.一种基于FPGA的发动机尾气金属磨粒收集系统，其特征在于：包括基于FPGA平台上的USB通信单元和用于统一FPGA平台上各单元的操作时序的时钟单元；FPGA通过USB通信单元与上位机相交互；FPGA上还连接有用于控制励磁线圈输出可变电流的可控恒流源、用于控制步进电机转向机旋转量的电机驱动单元以及气体流量传感器和用于检测磨粒收集效果的电磁感应线圈；发动机尾气由安装于发动机尾喷口上的三通T形石英管的横管进入输出管道，励磁线圈缠绕在三通T形石英管中部的纵管上，电磁感应线圈缠绕在三通T形石英管的横管上；气体流量传感器安装于三通T形石英管的气体进口处。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的发动机尾气金属磨粒收集系统，其特征在于：所述FPGA通过D/A转换单元输出可变电压控制信号到可控恒流源上，使恒流源为励磁线圈输出可变电流。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的发动机尾气金属磨粒收集系统，其特征在于：所述FPGA通过A/D转换单元采集气体流量传感器输出的流量模拟信号和电磁感应线圈输出的感应电动势模拟信号，流量模拟信号和感应电动势模拟信号经A/D转换单元转化成为数字信号，输入到FPGA中进行信号处理；所述FPGA上还设置用于对数字信号和模拟信号进行放大、滤波处理的信号调理单元。

4.根据权利要求1所述的基于FPGA的发动机尾气金属磨粒收集系统，其特征在于：所述发动机尾喷口处依次安装针型阀、气体流量传感器、三通T形石英管以及输出管道，气体流量传感器和电磁感应线圈所采集到的数据经FPGA处理后反馈给上位机，上位机处理后发出控制指令控制步进电机，由步进电机控制针型阀调节气体的流量。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的基于FPGA的发动机尾气金属磨粒收集系统，其特征在于：所述电磁感应线圈设置有两组。

6.根据权利要求1至4任意一项所述的基于FPGA的发动机尾气金属磨粒收集系统，其特征在于：所述气体流量传感器采用能够将流量范围为0～200L/min的气体流量值以1～5V电压信号的形式输出的AWM720P1气体流量传感器。

7.一种如权利要求1至4任意一项所述收集系统的基于FPGA的发动机尾气金属磨粒收集方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将USB通信单元与上位机连接，将电机驱动单元与步进电机的接口相连，将D/A转换单元与可控恒流源的接口相连，将可控恒流源与励磁线圈的接口相连，将A/D转换单元与气体流量传感器及电磁感应线圈的接口相连；

2)将针型阀的气体入口管道接在发动机尾喷口上，并依次连接气体流量传感器、三通T形石英管以及输出管道；启动发动机；控制部分通电后进行初始化操作，定量气体的流量及流速；

3)FPGA输出励磁线圈的初始电流值，经过D/A转换后控制可控恒流源输出电流到励磁线圈上，产生相应的电磁力，对尾气中的金属磨粒进行吸附使其偏转；

4)利用气体流量传感器测出的实际气体流量计算出气体通过两电磁感应线圈相同位置处的时差Δt，当带有金属磨粒的尾气通过前端电磁感应线圈从而产生感应电动势信号时，需要启动A/D转换单元此刻的信号，间隔Δt时间后启动对另一个电磁感应线圈的信号进行采样，对比信号分析磨粒的被吸附情况；

5)分析样本的金属磨粒的被收集情况，判断收集效率是否达到要求，并调整励磁线圈的电流大小，同时配合针形阀的开口，使磨粒收集情况能稳定；

6)在发动机工况稳定及磨粒收集情况良好的情况下，使装置持续运行直到收集量满足要求为止，取出所需要的金属磨粒，收集过程结束。

8.根据权利要求7所述的基于FPGA的发动机尾气金属磨粒收集方法，其特征在于：所述步骤2)中，初始化操作包括控制系统内部操作指令的初始化，发送电机控制指令，通过A/D转换单元采集气体流量传感器反馈回的值，动态调整针形阀的开口量，最终定量气体的流量及流速。