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1、1,工作原理：压电效应压电式压力传感器工作石英片可以并联也可串联。特点：不能用作静态压力测量，一般用于测量1020kHz的脉动压力。传感器冷却：测量高温介质压力(如在燃气压力)时需要冷却。保持冷却水循 环畅通，否则高温会改变传感器灵敏度甚至造成传感器损坏。电压放大或电荷放大:压电传感器的信号很弱而输出阻抗很高，根据压电传感器的输出要求，将信号经过放大(一般是电荷放大)，同时要把高输出阻抗变换成低输出阻抗，信号才能被示波器或其他二次仪表所接受。电荷放大器：以电容作负反馈的高增益运算放大器 电荷放大器主要由电荷放大、低通滤波和输出放大三部分组成。运算放大器由Al和Cf、Rl构成电荷放大线路，改变C
2、f可改变放大器的灵敏度。中间部分为滤波电路，R4、R5和A3组成输出放大级，改变R4即可改变运算放大器A3的反馈系数，这样可让放大器适应不同灵敏度的传感器有不同的增益。,1.1 示功图的数据采集及精度分析,2,应用举例:1)汽车发动机缸内压力传感器 压电晶体缸内压力传感器(国产),3,应用举例:1)汽车发动机缸内压力传感器 压电晶体缸内压力传感器(进口),4,应用举例:2)汽车发动机油管压力传感器 压电晶体油管压力传感器(国产),5,应用举例:2)汽车发动机油管压力传感器 压电晶体油管压力传感器(进口),6,1.2 上止点的精确确定,一、概述 内燃机动态压力波类型 示功图测试的量：压力、角标和
3、上止点位置三个量。,7,二、测量装置示功图测量及数据处理工作原理图,8,二、测量装置示功图测量及数据处理工作原理图,9,三、上止点相位和转角信号的确定(一)上止点相位的确定1磁电法 凸尖与传感器磁铁开口之间的间隙1，调整到0.150.2mm。当内燃机工作，飞轮转动时，由于凸尖与磁铁间隙l处磁通的变化，线圈a、b两端将输出一个变化的电动势(为线圈匝数)。若上止点标记对正时，使凸尖正好对准磁铁中心线CC，则电动势曲线中的C点即为上止点。这种方法测得的上止点实际上为静态上止点。2气缸压缩线法 利用压力传感器，在倒拖或灭缸的情况下，测得气缸的压缩压力曲线，如图16所示。在压缩曲线的上部，作若干平行于大
4、气压力线的直线，连接这些直线的中点即可得到上止点线。由于气缸内的压缩空气和缸壁存在热交换，而这种热交换在压缩过程与膨胀过程并不相同，还由于同时不可避免地存在少量的泄漏，所以实际上这条压缩压力曲线并不是对称的。因此按上述方法获得的上止点线可能与大气压力线不垂直，一般差角约为1曲轴转角。由于用这种方法求得的上止点比较接近工作状态下的动态上止点，因此被广泛采用。（压力峰值法（热力学损失角）、对称面积法）,10,3电容法（直接动态测定法）利用电容式传感器原理（图17），将传感器的电极2和活塞5分别作为电容的两极，电极与绝缘套3以及传感器壳体4固定在气缸盖1上，都是静止的。当活塞作往复运动时，电容传感器
5、的电容量发生变化。当电容量出现最大值时，即认为活塞处于上止点位置，这样就可将最大电容量的信号作为动态上止点的信号。特点：由于活塞和连杆受力变形及温度的影响，对于四冲程内燃机而言，在压缩冲程和排气冲程中，分别利用电容式动态测量上止点的相位是有差异的，一般压缩上止点相位比排气上止点相位领先，而后者的上止点相位更接近静态上止点的相位。(二)、转角信号的确定1光电法 光电式传感器的原理，在光栅盘的外圈按所要求的角分辨率加工一定数目的转角光栅，在光栅盘的内圈只加工一条光栅作上止点信号用。当光源通过光栅到达另一侧由两个光电元件制成的接受器时，分别产生转角和上止点两组信号。,11,(二)、转角信号的确定2磁
6、电法 磁电式传感器原理，在曲轴上安装一个齿盘，磁电式传感器固定不动，当曲轴旋转、齿盘上的每一个齿经过传感器时，都会产生一个感应电动势脉冲，齿盘的齿数就决定产生的脉冲数，以此来确定曲轴转角的度数。3上止点基准法 由于两个上止点信号之间的曲轴转角为360，因此当内燃机运转时，可以根据不断产生的上止点信号，利用计算机数据处理系统来求得曲轴转角信号。采样间隔角：利用光电法和磁电法确定转角信号时，由于光栅盘的光栅数和齿盘的齿数受到尺寸和加工工艺的限制，其角分辨率一般只能做到1或最小为0.5，若采用脉冲倍频器增加脉冲频率，则角分辨率可达0.1。如采用上止点基准法，转角的分辨率可大幅度提高，并可根据需要来确
7、定。,12,四、压力传感器 传感器：通常选用压电式传感器。安装方式：直接安装或用铜套安装，传感器用专用套筒拧紧，拧紧力矩 2530Nm，传感器的位置应尽可能靠近气缸燃烧室的中部。注意事项：1、要保证冷却液、润滑油、缸内气体的可靠密封，防止冷却 液或润滑油流进或渗入安装孔，以免引起传感器受潮而使 绝缘电阻下降。2、传感器底面应尽可能与缸盖底面平齐，否则会有压力通 道效应。会引起测试的气缸压力曲线带有锋利的毛刺或变 形，影响测量准确性。,13,五、A/D采样器及计算机分析处理系统采样器的功能：是将放大器输出的模拟信号转换成数字信号，以满足 输入电子计算机的需要。采样器两个重要指标：分辨率和转换速度
8、。分辨率：用转换成数字量的二进制数的位数来表示，采样器有8位 的直至16位，通常使用的以12位居多。位数越多，分辨率 越高，它的“量化误差”就越小 转换速度：采样时间是把采样值变成数字量的时间。采样器的转换 时间从数毫微秒到数微秒，主要取决于转换类型和位数 采样时间越短，采样速度越高。高采样速度有利于采样频 率的提高。采样频率：采样时间的倒数。,在内燃机示功图测录中，每0.5CA()采样一次，若转速n=3000r/min，同时测量喷油系统泵端压力、嘴端压力和针阀升程的变化，加上角标信号共5个参量(z)，求采样频率f,14,六、压力测量的数值标定 压力标定：静态标定和动态标定两种，目的是求出测量
9、压力值的标定 系数。1、静态标定：只有当它的输入阻抗非常高时，一般要求绝缘电阻大于 1012时，才能使用静态标定。标定仪器和方法：活塞式压力计或活塞式压力校验仪，标定时将传感器安装在 活塞式压力计上，应使传感器联接的压力信号测量处理系统 保持与气缸压力测量时完全相同，不得进行任何调整，重要的 测量，最好测试前后各标定一次，根据传感器量程和估计所测 气缸压力的最大值，从零到最大压力值之间设定若干个标定压 力值（一般不小于5个数值），分别用活塞式压力计施加标定 压力值，从 零压力开始上升到标定值。由数据采集系统采样，得出相应的输出电压值，对这些值用最小二乘法计算处理可求 出标定系数值和测量系统的线
10、性度。,15,2、动态标定：确定压力幅值大小（标定系数）和测量装置的频率响应特性 动态标定方法：一种是将传感器输入标准频率及标准幅值的压力信号与它的输出信号进行比较，这种方法称为对比法，例如将测压管装在标定风洞上的标定。另一种方法是通过激波管产生一个阶跃的压力并施于被标定的传感器上，根据其输出曲线求得它们的频率响应特性。激波管动态标定是一种最为基本的动态标定方法。激波管作为压力源，为传感器动态标定提供一个上升时间极快的大幅值的压力阶跃。膜片可用金属箔或其他硬塑膜，当激波管开始工作时，直流电源3接通吸动撞针机构4，使撞针捅破膜片，高压气流向低压端。根据被标定传感器的要求(阶跃压力、恒压时间)，求
11、得激波管的初始压力比以及其他参数。由于被标定的传感器是贴平于低压段端面内壁安装的，膜片所受压力与壁面相同，因此若输入信号为阶跃压力，输出信号的Uf（t）曲线所示。,16,七、示功图测录过程的误差分析 1、压力测量通道引起误差 产生误差的原因：气缸盖结构所限，传感器的底面不能与组成燃烧室的缸 盖工作面平齐，有一个测试通气孔，测量压力带来误差 改变了发动机的原有工作状态，使发动机压缩比减小，压缩终点的压力降低，示功图形发生变化。导致图形失真（滞后）:压力将通过通道内的弹性气体进行传递,压力通道的频率特性影响着测量系统的频率特性，它会造成被测信号幅值的变化和相位滞后。在某发动机上试验表明，有通道时所
12、测得的气缸压力幅值比没有通道时约低10%。但当通道直径过小而长度值大时（或有转弯），不仅因通道阻力造成压力损失，还会因通道气柱的弹性和阻尼作用使相位严重滞后。一般要求通道的自振频率要大于被测信号上限频率的二倍以上。引起腔振:压力通道和产生的容积构成比较典型的振荡腔,在实际测量中，有时会发现在示功图的膨胀线上有明显的锯齿波。一般认为，这是当气缸压力发生突变时，所产生的脉冲压力波在通道内传递而形成通道内气柱的自振，即所谓“腔振”。,17,2、上止点相位引起的误差 产生误差原因：压缩上止点前活塞做负功，上止点后活塞作功为正，因此上止点偏移造成作功误差变化极大，若要保证平均指示压力的误差小于1%，则上
13、止点位置误差不应超过0.2CA。进行热力学修正：上止点位置正确，则在对数坐标的示功图(1gplgV)上，压缩过程线应高于膨胀过程线，且在上止点附近两条线呈近似直线分开，如图622a所示。若上止点相位不正确，则在lgplgV图上，压缩过程线和膨胀过程线不可能呈直线，有时甚至会出现膨胀过程线高于压缩过程线的情况(图622b)。利用这一原理对上止点的相位进行修整，可以获得较高的精度。3 压力标定误差 压力标定时，测量系统的输入阻抗R较低及静态标定时操作时间过长，都会引起压力标定值偏差，计算的标定系数偏大。在压力标定时一般需用标准压力表（0.4级以上），操作时要准确判读数值并缩短每次标定时间，这些都可
14、以减少标定误差。,18,4温度变化引起的误差 压力传感器对温度的变化很敏感，尤其是压电元件的压电常数因温度的变化而改变，使测量系统的输出发生漂移。另外输入阻抗随温度变化。为减小温度变化对传感器的影响，应十分注意传感器在测试时的冷却条件，此外，亦可采用带温度补偿片的压电传感器，以消除气缸高温燃气带来的影响。5.示功器频率特性引起的误差 气缸压力波包含高次谐波，其高次谐波频率可用下式表示 为减小由于示功器频率特性引起的误差，要求示功器仪表的固有频率为被测信号频率值的10倍以上。常用的压电式传感器，其固有频率能满足上述要求。在测录示功图过程中，除上述因素引起的误差外，传感器和测量线路的绝 缘性能、环
15、境的振动和噪声、电磁场的干扰、安装操作不当等，都会带来 测量误差。,n为内燃机转速(r/min)；为内燃机冲程数；k为谐波次数(柴油机一般取150，汽油机一般取100)。,19,1.3 示功图的基本分析,一、稳态工况的示功图分析 实际示功图,20,1.3 示功图的基本分析,一、稳态工况的示功图分析 实际的压力升高率和压力升高加速度,21,1.3 示功图的基本分析,一、稳态工况的示功图分析 循环波动分析,22,1.3 示功图的基本分析,一、瞬态工况的示功图分析 燃烧和喷油过程分析,23,1.4 放热规律计算分析,一、不同类型发动机的放热规律 1 计算假设1）热力学第一定律 2）理想气体方程,24,1.4 放热规律计算分析,一、不同类型发动机的放热规律 1 计算假设1）热力学第一定律 2）理想气体方程,
