CN102749149B - 测量应力和温度的无线装置及其置于发动机活塞中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量应力和温度的无线装置及其置于发动机活塞中的应用，该无线装置由无线传感部分和无线接收部分组成，所述的无线传感部分包括应变片、热敏电阻、电池、电阻桥路、信号放大电路、第一电源管理模块、滤波电路、稳压电路、第二电源管理模块、微处理器、无线发射器，所述的无线接收部分包括无线接收器和PC机；该应用为所述的应变片、热敏电阻成对设置在活塞底腔，所述的第一PCB板、第二PCB板分别设置在活塞销座两侧，所述的电池设置在连杆杆身的工字型槽内。与现有技术相比，本发明具有能够置入活塞内腔当中实时测量数据，且使用方便，能避免测试过程中发动机的反复拆装等优点。

Description

测量应力和温度的无线装置及其置于发动机活塞中的应用

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其是涉及测量应力和温度的无线装置及其置于发动机活塞中的应用。

背景技术

活塞是汽车发动机中极其重要的零件，可以将其理解为发动机中的“心脏”。活塞的结构设计状况和运行状况对发动机的可靠性、寿命、排放和经济性等诸方面有着至关重要的影响。活塞的主要作用是承受气缸中燃气燃烧时的爆发压力，并将此压力通过活塞销传给连杆，以推动曲轴旋转，提供转矩输出。由于活塞顶部直接与高温燃气接触，因此活塞的温度也很高，高温一方面使活塞材料的机械强度显著下降，另一方面会使活塞的热膨胀量增大，容易破坏活塞与其相关零件的配合。同时，活塞承受着燃气的带冲击性的高压力，高压导致活塞的侧压力大，加速活塞外表面的磨损，也容易引起活塞变形。为了防止活塞在高温高负荷工作环境下产生疲劳损伤，需要掌握活塞温度和应力的变化规律。但由于活塞的运动空间有限，活塞内腔空间狭窄，并且活塞工作时需要做快速往复运动，引线工作复杂并且容易与运动件形成干涉，同时有机油的腐蚀，工作环境恶劣，这就给传统的测试技术和方法的实现带来了极大的困难。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供的一种能够置入活塞内腔当中实时测量数据，且使用方便的测量应力和温度的无线装置及其置于发动机活塞中的应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：测量应力和温度的无线装置，其特征在于，该无线装置由无线传感部分和无线接收部分组成，所述的无线传感部分包括应变片、热敏电阻、电池、电阻桥路、信号放大电路、第一电源管理模块、滤波电路、稳压电路、第二电源管理模块、微处理器、无线发射器，所述的电阻桥路、信号放大电路、第一电源管理电路集成在第一PCB板上，所述的滤波电路、稳压电路、第二电源管理模块、微处理器、无线发射器集成在第二PCB板上，所述的应变片、热敏电阻、电池通过高温导线与第一PCB板连接，所述的第一PCB板通过高温导线与第二PCB板连接，所述的无线接收部分包括无线接收器和PC机。

所述的无线传感部分和无线接收部分通过Zigbee无线技术收发数据。

所述的应变片的可耐最高温度为250～300摄氏度。

所述的热敏电阻采用PT100。

所述的微处理器、无线发射器集成在一块芯片内。

所述的滤波电路采用RC低通滤波。

一种如权利要求1所述的测量应力和温度的无线装置置于发动机活塞中的应用，发动机包括发动机活塞及与活塞相接的连杆，所述的发动机活塞包括活塞底腔、活塞销座，其特征在于，所述的应变片、热敏电阻成对设置在活塞底腔，所述的第一PCB板、第二PCB板分别设置在活塞销座两侧，所述的电池设置在连杆杆身的工字型凹槽内。

所述的应变片、热敏电阻通过高温胶水粘贴在活塞底腔。

所述的热敏电阻、第一PCB板、第二PCB板及高温导线上均涂有硅橡胶用以固定。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、能够采用Zigbee无线技术收发数据，解决了输出信号连线困难的问题，同时也避免了与发动机运动件的干涉，也免去了测试过程中发动机的反复拆装，在发动机测量领域有着广泛的应用前景；

2、体积小，能够置入活塞内腔当中实时测量数据；

3、装置能够承受250℃的高温，从而可以承受发动机活塞运动过程中形成的高温。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为第一PCB板、第二PCB板与活塞的连接结构示意图；

图3为图2所示图的俯视结构示意图；

图4为电池与活塞的连接结构示意图；

图5为应变片、热敏电阻与活塞的连接结构示意图；

图6为本发明的部分电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，测量应力和温度的无线装置，该无线装置由无线传感部分和无线接收部分组成。无线传感部分包括应变片1、热敏电阻2、电池3、电阻桥路、信号放大电路、第一电源管理模块、滤波电路、稳压电路、第二电源管理模块、微处理器、无线发射器。电阻桥路、信号放大电路、第一电源管理电路集成在第一PCB板4上。滤波电路、稳压电路、第二电源管理模块、微处理器、无线发射器集成在第二PCB板5上。应变片1、热敏电阻2、电池3通过高温导线与第一PCB板4连接。第一PCB板4通过高温导线与第二PCB板5连接。无线接收部分包括无线接收器6和PC机7。无线传感部分和无线接收部分通过Zigbee无线技术收发数据。应变片的可耐最高温度为250～300摄氏度。热敏电阻采用PT100。微处理器、无线发射器集成在一块芯片内，芯片采用Texas Instruments公司产的CC2530。滤波电路采用RC低通滤波。稳压电路采用1N4728稳压管进行稳压。信号放大电路采用运放构成恒流源，将热敏电阻PT100的阻值信号转换成电压信号，通过运放放大5倍输出。应变片的输出电压信号通过运放，两级放大100倍后输出。应变片采用BAB-2AA250(23)，可耐温度最高可达250℃，具有铝合金温度自补偿功能。应变片大小为5.8×3.8mm，阻值为120≤±0.15％Ω。电阻桥路采用单臂桥路，由一片工作应变片和3个120Ω的精密电阻构成桥路。其中3个精密电阻被封装在第一PCB板内，这样可以简化接线。电池是采用高功率锂亚硫酰氯工控电池ER14505M，额定电压为3.6V，工作电压通常在3.3～3.6V之间，90％以上的电池容量是在电压几乎不变的高电压平台输出的，工作温度在-55到85℃之间，符合测试要求。

如图2～图5所示，为本发明置于发动机活塞中的应用。发动机包括发动机活塞及与活塞相接的连杆，发动机活塞包括活塞底腔、活塞销座。应变片1、热敏电阻2成对设置在活塞底腔。第一PCB板4、第二PCB板5分别设置在活塞销座两侧。电池3设置在连杆杆身的工字型凹槽内。应变片1、热敏电阻2通过高温胶水粘贴在活塞底腔。热敏电阻2、第一PCB板4、第二PCB板5及高温导线上均涂有硅橡胶31用以固定。

本发明的无线传感部分的主要功能是利用中高温应变片1和热敏电阻2采集应力和温度信号，利用信号放大电路，滤波电路和稳压电路对信号进行调理后接入微处理器，微处理器对输入信号进行A/D转换后，将数字量按照Zigbee协议定义的数据帧进行打包，送入无线发射器6，无线发射器6将数据帧以2.4GHz的频段发出。AD转换分辨率为12bit，采样频率为7.6kHz。无线接收部分的主要功能是接收来自无线传感部分发出的数据帧，从数据帧中提取测量数据。无线接收器6与无线传感部分中采用同样的CPU微处理器，此CPU将接收得到的测量数据通过串口通讯RS-232发送给PC机7，上位机界面采用C#程序编写，通过适当的计算处理将测得的应力值和温度显示在上位机界面上。

无线传感部分的应变片1和PT100贴在活塞底腔的多个待测位置，用高温导线将信号引出。由于活塞的材质是铝合金，为了防止高温导线与信号引线连接处与活塞导电，在连接处套上热塑管，对其加热，热塑管受热变形后紧缩在连接处，达到绝缘与防护的目的。为了降低芯片的高度，防止与连杆小头的运动干涉，将芯片上的插针去掉，只留有插针孔，将连接了应变片1和PT100的高温导线直接焊在插针孔中。高温导线紧贴着活塞底腔，导线外涂有704硅橡胶，用以导线的固定和防护。

第一PCB板4的尺寸为5mm×4.3mm，包含电阻桥路，信号放大电路和第一电源管理模块。每个应变片和3个阻值为120Ω的精密电阻组成桥路，此桥路由5V电源供电，如图6所示，V1PRESS+和V1PRESS-构成输出电压信号，此电压信号接至运算放大器LM124中，经过两级放大100倍后由V1PREOUT引脚输出。利用运放够成的恒流源将热敏电阻1的阻值信号转换成电压信号，此电压信号接至运算放大器LM124中经过一级放大5倍后输出。

第一PCB板4中的第一电源管理模块主要包含电压转换电路。采用DC-DC转换芯片LM2704将电池的3V电压升压至5V，5V电压接至电压转换器TL7660，得到-5V输出，±5V电压用来给信号放大电路中运算放大器供电。5V电压还接至基准电压芯片REF2933，得到3.3V的基准电压，此电压用来给运放供电，构成恒流源。应变片1和热敏电阻2四路电压输出信号和5V电压通过高温导线连至第二PCB板5。高温导线紧贴着活塞底腔，并且涂有704硅橡胶，用以导线的固定和防护。

第二PCB板5的尺寸为5mm×4mm，包含滤波和稳压电路，第二电源管理模块，微处理器模块和无线发射器。滤波电路采用RC低通滤波，采用1N4728稳压二级管进行稳压。第二电源管理模块主要是电压转换电路，采用基准电压芯片REF2933将5V电压转换成CPU所需的3.3V电压。微处理器模块和无线发射器主要包含CC2530处理器的最小系统电路，JTAG下载程序接口和PCB天线。

无线接收部分由无线接收器6和PC机7组成。无线接收器6主要包含CC2530处理器的最小系统电路，JTAG下载程序接口，电源管理、天线和串口收发模块。

如图2和图3所示，第一PCB板4和第二PCB板5安装在活塞内腔中活塞销座的两侧。此活塞使用在S195单缸柴油发动机中，缸径为95mm，铝合金材质，安装过程中不需打螺纹孔用以螺栓固定，否则会造成活塞在运动过程中拉缸，损坏缸套。只需在PCB板的四周涂上704硅橡胶，自然风干后固定，此硅橡胶粘接性好，高强度，无腐蚀，具有优良的电绝缘性能、密封性能和耐老化性能，可在-50℃-+250℃的范围内长期使用。此外，可在PCB板面上和CC2530处理器上涂上一层硅橡胶用来绝热，保护PCB板和处理器。

如图4所示，电池3安装在连杆杆身“工”形槽的凹槽内。电池3选用高功率型锂亚硫酰氯工控电池ER14505M，额定电压为3.6V，90％以上的电池容量是在电压几乎不变的高电压平台输出的，工作温度可达85℃。与活塞43连接的连杆44的杆身与平衡重41之间的距离是9mm，而电池的半径是7mm，为了避免安装电池后与平衡重41相干涉，可在连杆44的杆身“工”形槽的凹槽内用磨砂轮进行打磨，确保电池3与平衡重41保持一定的距离并且有一定的冗余。电池3的固定同样采用704硅橡胶。使用点焊机在电池两端做一个节线，将电源线引出，用704硅橡胶使导线紧贴固定在连杆杆身，连接至PCB板1，给测量系统供电。42为曲轴。

如图5所示，应变片1和PT100热敏电阻2各四个，分布在4个不同位置，每个位置有一片应变片和一个PT100热敏电阻2。应变片的粘贴采用高温胶水F-601。F-601高温胶水由酚醛树脂和环氧树脂经过共聚，加入填料而制成，具有粘结力强，蠕变小，绝缘性能突出，耐高温，稳定性好，使用温度范围宽等优点。粘贴之前，在活塞内腔待贴面进行打磨处理，并用丙酮溶剂清洗。清洗工具和待贴的电阻应变片也需用丙酮溶剂清洗。在待贴面部位涂薄薄一层F-601胶水，自然干燥20分钟，再涂一层底胶(F-601)，干燥4小时，随后放入烘箱，由室温升至60℃，保温1小时，再升温至150℃，保温1小时冷却至80℃。在80℃时取出活塞，在涂胶部位再涂薄薄一层胶水，晾至半干时将应变片对准位置贴上，覆上聚四氟乙烯薄膜，挤出气泡和多余胶水。覆上硅橡胶和金属压板进行加压，并保持恒定，放进烤箱固化。由室温升至100℃，保温1小时，再升温至150℃，保温2小时，冷却至室温后卸压。然后升温至250℃，保温4小时。

PT100热敏电阻2安装位置在各个应变片1附近，在PT100上也应该涂上704硅橡胶进行防护。由于硅橡胶的热阻较大，为了防止涂胶过程中PT100被埋没在硅橡胶中造成测温不精准，应该先用高温胶水将PT100粘在待粘贴处，随应变片一起放入烤箱中烘烤，随后再涂上硅橡胶使得PT100与活塞之间有确定的接触点，保证测量的实时性与精确性。同样，接线时在接线处需要套上热塑管以提供防护和绝缘。

本发明用来测量发动机活塞运行过程中的应力和温度，所选芯片都可承受125℃的高温，通过704硅橡胶与活塞绝热，从而可以承受发动机活塞运动过程中形成的高温。装置体积小，能够置入活塞内腔当中实时测量数据，同时，采用Zigbee无线技术收发数据，简化了接线，解决了输出信号连线困难的问题，从而避免了与发动机运动件的干涉，也免去了测试过程中发动机的反复拆装，在发动机测量领域有着广泛的应用前景。

Claims (5)

1.测量应力和温度的无线装置，其特征在于，所述的无线装置由无线传感部分和无线接收部分组成，所述的无线传感部分置于发动机活塞中，发动机包括发动机活塞及与活塞相接的连杆，所述的发动机活塞包括活塞底腔、活塞销座，所述的无线传感部分包括应变片、热敏电阻、电池、电阻桥路、信号放大电路、第一电源管理模块、滤波电路、稳压电路、第二电源管理模块、微处理器、无线发射器，所述的电阻桥路、信号放大电路、第一电源管理模块集成在第一PCB板上，所述的滤波电路、稳压电路、第二电源管理模块、微处理器、无线发射器集成在第二PCB板上，所述的应变片、热敏电阻、电池通过高温导线与第一PCB板连接，所述的第一PCB板通过高温导线与第二PCB板连接，所述的无线接收部分包括无线接收器和PC机，所述的应变片的可耐最高温度为250～300摄氏度；

所述的应变片、热敏电阻成对设置在活塞底腔，所述的第一PCB板、第二PCB板分别设置在活塞销座两侧，所述的电池设置在连杆杆身的工字型凹槽内；

所述的应变片、热敏电阻通过高温胶水粘贴在活塞底腔；

所述的热敏电阻、第一PCB板、第二PCB板及高温导线上均涂有硅橡胶用以固定，所述硅橡胶可在-50℃-+250℃的范围内使用。

2.根据权利要求1所述的测量应力和温度的无线装置，其特征在于，所述的无线传感部分和无线接收部分通过Zigbee无线技术收发数据。

3.根据权利要求1所述的测量应力和温度的无线装置，其特征在于，所述的热敏电阻采用PT100。

4.根据权利要求1所述的测量应力和温度的无线装置，其特征在于，所述的微处理器、无线发射器集成在一块芯片内。

5.根据权利要求1所述的测量应力和温度的无线装置，其特征在于，所述的滤波电路采用RC低通滤波。