CN110350667B - 一种基于无线充电的内燃机活塞温度遥测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线充电的内燃机活塞温度遥测系统及方法，属于发动机测试技术领域，它包括无线充电装置、温度遥测装置、第一封装盒和第二封装盒，其中，无线充电装置包括发射线圈、发射模块、接收线圈和接收模块，温度遥测装置包括充电电池、信号处理单元、热电偶和上位机。还提供了相应的工作方法。本发明通过通过外部供电电源及发射模块向发射线圈供电，进而通过电磁感应在接收线圈产生交流电流，通过接收模块将交流电转化为直流电后提供给充电电池，实现对遥测系统的电磁感应无线充电和持续供电，能量效率较高、结构简单；温度遥测装置通过无线通信技术将温度信息传输至上位机，完全实现了内燃机活塞温度测量的无线化。

Description

一种基于无线充电的内燃机活塞温度遥测系统及方法

技术领域

本发明属于发动机测试技术领域，更具体地，涉及一种基于无线充电的内燃机活塞温度遥测系统及方法。

背景技术

国家第六阶段机动车污染物排放标准即将实施，为了满足严格的内燃机排放法规，内燃机的强化程度越来越高，这必然导致内燃机受热零部件温度升高，尤其是活塞的热负荷变大。内燃机活塞承受着整机最恶劣的工况，其工作时的温度一直是学者们研究的重点。但由于内燃机活塞高温恶劣的工作环境以及快速往复运动的特点，导致其温度场变化规律一直无法被设计者完全掌握。因此，如何精确地测得活塞温度的变化规律成为了设计者们研究的热点。目前内燃机活塞温度测量方法可以分为非电测法和电测法。

其中，非电测法主要有硬度塞法、易熔合金法和光学测温法等，非电测法是利用物理、化学性质的变化测量内燃机活塞温度。由于非电测法原理简单，因此在工程中得到了广泛的应用，但是硬度塞法、易熔合金法测温精度不高，光学测温法其结构较复杂，成本较高。根据活塞温度信号的传输方式，电测法可分为直接引线式测量法、电磁感应法、存储测试法、红外遥感测试法和无线传输法等。现有的电测法均需要采用电池或者电源供电，一般的电池供电仅能给内燃机活塞温度测量提供几个小时的电量，并且电池安装在内燃机活塞上，每次更换电池都需要拆卸发动机，取出活塞更换电池而耗费大量时间。另一种采用外部电源的供电方式，这种方式需要使用引线连接外部直流电源与机体内温度测量装置，电源引线随活塞做快速往复运动，疲劳寿命较低。还有一种供电方式采用自发电供电，如专利CN104949768 A所描述的内燃机活塞温度自供电无线遥测装置，该装置的电源单元主要由固定于活塞上的铁心线圈与固定于连杆上的永久磁铁组成，二者往复运动，产生感应电压，稳压后为后续测量电路供电。但是该供电方式需要在机体与活塞下安装感应线圈，只有采用较大的电磁感应线圈才能提供足够的电量，对机体的改动较大，仅适用于较大型的内燃机活塞温度测量的供电。

因此，在不拆卸发动机及简化测温装置结构的情况下，如何保证测温装置持续供电，同时保证测温精度的问题，成为本领域亟需解决的关键技术难题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于无线充电的内燃机活塞温度遥测系统及方法，其目的在于，通过无线充电装置为温度遥测装置的充电电池充电，通过温度遥测装置测量待测活塞的温度并利用无线通信技术传输至上位机，由此解决在不拆卸发动机及简化测温装置结构的情况下，如何保证测温装置持续供电，同时保证测温精度的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于无线充电的内燃机活塞温度遥测系统，包括无线充电装置、温度遥测装置、第一封装盒和第二封装盒，其中，

所述无线充电装置包括发射线圈、发射模块、接收线圈和接收模块，所述温度遥测装置包括充电电池、信号处理单元、热电偶和上位机；

所述发射线圈安装在内燃机机体上，所述发射线圈的两端与所述发射模块的输出端电连接；所述发射模块的输入端用于连接外部直流电源，所述发射模块用于将直流电转化为交流电后输出至所述发射线圈；所述接收模块的输入端与所述接收线圈的两端电连接，所述接收模块的输出端与所述充电电池连接，所述接收模块用于将所述接收线圈输出的交流电转化为直流电后提供给所述充电电池；

所述接收线圈安装在所述第一封装盒的外壳上；所述第一封装盒封装所述接收模块和所述充电电池，所述第一封装盒安装在待测活塞的一个销座下边缘；内燃机停稳后盘车至活塞下止点位置时，所述发射线圈与所述接收线圈处于水平正对位置；

所述第二装盒封装所述信号处理单元，所述第二封装盒安装在待测活塞的另一个销座下边缘；

所述充电电池与所述信号处理单元的第一端口连接，用于为所述信号处理单元提供电源；所述热电偶安装在待测活塞上，用于测量待测活塞的温度，并输出温度信号至所述信号处理单元；所述信号处理单元与所述上位机之间实现无线通信；所述信号处理单元用于对所述温度信号进行处理后传输至所述上位机，还用于对所述充电电池的电量进行监控，并将电量值传输至所述上位机，还用于接收及执行所述上位机的指令。

优选地，所述发射线圈与所述内燃机机体之间设有第一防磁贴；所述接收线圈与所述第一封装盒之间设有第二防磁贴。

优选地，所述第一防磁贴和所述第二防磁贴均采用镍铁合金粉制成的铁氧体导磁材料。

优选地，所述热电偶有多个，分别安装在待测活塞上的不同位置，多个所述热电偶分别用于测量待测活塞不同待测点的温度，并分别输出温度信号至所述信号处理单元。

优选地，所述上位机用于存储及显示温度信息、电量信息，以及用于人机交互。

优选地，所述充电电池采用锂电池。

优选地，所述信号处理单元与所述上位机之间通过WI-FI实现无线通信。

优选地，所述温度遥测装置还包括热电偶引线，所述热电偶通过所述热电偶引线与所述信号处理单元连接。

按照本发明的另一方面，提供了上述任一种内燃机活塞温度遥测系统的工作方法，包括如下步骤：

当监控到充电电池电量不足时，进行步骤A1-A4为所述充电电池充电：

A1、通过上位机发送指令至信号处理单元，通过该指令控制信号处理单元停止工作；

A2、停止内燃机；

A3、内燃机停稳后，盘车至活塞下止点位置，使发射线圈与接收线圈处于水平正对位置；

A4、将发射模块接通外部直流电源，发射模块将直流电转化为交流电后提供给发射线圈，发射线圈周围产生电磁场，从而使接收线圈内部产生交流电流，该交流电流传输至接收模块，由接收模块将交流电转化为直流电后提供给充电电池，为充电电池充电；

在充电电池电量充足的情况下，通过热电偶测量活塞待测点的温度，并输出温度信号至信号处理单元，信号处理单元对该温度信号进行解析、处理后，通过无线通信传输至上位机，上位机实时显示活塞待测点温度，并存储所测温度数据。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供的基于无线充电的内燃机活塞温度遥测系统及方法，将发射线圈安装在内燃机机体上，接收线圈设置在第一封装盒上，第一封装盒封装接收模块和充电电池并安装在待测活塞的一个销座下边缘，发射模块能够设置在发动机外部。通过外部供电电源及发射模块向发射线圈供电，进而通过电磁感应在接收线圈产生交流电流，通过接收模块将交流电转化为直流电后提供给充电电池，为充电电池充电；从而实现对遥测系统的电磁感应无线充电和持续供电，能量效率较高、结构简单，解决了现有电测法需要频繁拆卸发动机来更换安装在内燃机活塞上的电池的问题，以及解决了使用引线连接外部直流电源给充电电池充电时，电源引线随活塞做快速往复运动，疲劳寿命低的问题，以及自发式供电导致活塞温度遥测装置结构复杂的问题，降低了测量成本，节约了测量时间；

2、本发明提供的基于无线充电的内燃机活塞温度遥测系统及方法，通过充电电池对信号处理单元持续供电，充电电池的电量供应采用无线充电；通过热电偶测量活塞待测点的温度，由信号处理单元对温度信号进行处理后，通过无线通信技术例如WI-FI将温度信息传输至上位机，完全实现了内燃机活塞温度测量的无线化，且测量精度高；

3、本发明提供的基于无线充电的内燃机活塞温度遥测系统，在发射线圈与内燃机机体之间，接收线圈与第一封装盒之间分别设置一块防磁贴，防磁贴材质优选镍铁合金粉制成的铁氧体导磁材料，防磁贴的磁导率远大于金属导体和空气，把防磁贴贴合在线圈的背面即金属导体的垂直面，可以让电磁波在防磁贴内顺利导通，由于防磁贴不具备导电功能，所以电磁能量得到完好的保留起来，由此解决电磁能量损耗的问题；由于防磁贴的导磁率比金属的导磁率要高，所以部分在金属表面所形成的反射干扰波也会被防磁贴吸收掉，解决了电磁波受到金属干扰的问题。

附图说明

图1是本发明较佳实施例中基于无线充电的内燃机活塞温度遥测系统的示意框图；

图2是本发明较佳实施例中基于无线充电的内燃机活塞温度遥测系统的结构示意图；

图3是图2中无线充电装置4的局部放大图；

图4(a)是本发明较佳实施例中封装盒机械加工图主视图；

图4(b)是本发明较佳实施例中封装盒机械加工图左视图；

图4(c)是本发明较佳实施例中封装盒机械加工图俯视图。

在所有的附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-热电偶；2-热电偶引线；3-第二封装盒；4-无线充电装置；5-第一封装盒；6-接收线圈；7-发射线圈；8-发射模块；9-活塞；10-燃烧室；11-上位机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供一种基于无线充电的内燃机活塞温度遥测系统，如图1和图2所示，它包括无线充电装置4、温度遥测装置、第一封装盒5和第二封装盒3。

如图3所示，无线充电装置4包括发射线圈7、发射模块8、接收线圈6和接收模块，温度遥测装置包括充电电池、信号处理单元、热电偶和上位机11；

发射线圈7安装在内燃机机体上，发射线圈7的两端与发射模块8的输出端电连接；发射模块8的输入端用于连接外部直流电源，发射模块8用于将直流电转化为交流电后输出至发射线圈7；接收模块的输入端与接收线圈6的两端电连接，接收模块的输出端与充电电池连接，接收模块用于将接收线圈6传输的交流电转化为直流电后传输至充电电池，为充电电池充电。

接收线圈6安装在第一封装盒5的外壳上；第一封装盒5封装接收模块和充电电池，第一封装盒5安装在待测活塞9的一个销座下边缘；燃机停稳后盘车至活塞9下止点位置时，发射线圈7与接收线圈6处于水平正对位置。

第二装盒3封装信号处理单元，第二封装盒3安装在待测活塞9的另一个销座下边缘。

充电电池与信号处理单元的第一端口连接，用于为信号处理单元提供电源；本实施例中采用多个热电偶(1，2，...，n)，每个热电偶安装在待测活塞9上的不同位置，用于测量待测活塞9不同待测点的温度，并输出温度信号至信号处理单元；信号处理单元与多个热电偶(1，2，...，n)分别连接，信号处理单元与上位机11之间实现无线通信；信号处理单元用于对温度信号进行处理后传输至上位机11，还用于对充电电池的电量进行监控，并将电量值传输至上位机11，还用于接收及执行上位机11的指令。

本发明实施例中，每个热电偶分别通过热电偶引线2与信号处理单元连接。热电偶个数不做限定，当采用1个热电偶时，该热电偶就测量活塞上一个待测点的温度；采用多个热电偶时，该多个热电偶就分别测量活塞上不同待测点的温度。

上位机11用于存储及显示温度信息、电量信息，以及用于人机交互。信号处理单元与上位机11之间通过WI-FI实现无线通信。WI-FI，行动热点，是Wi-Fi联盟(Wi-FiAlliance)认证的产品。

本发明实施例中，发射线圈7与内燃机机体之间设有第一防磁贴；接收线圈6与第一封装盒5之间设有第二防磁贴。第一防磁贴和第二防磁贴优选镍铁合金粉制成的铁氧体导磁材料。防磁贴的磁导率远大于金属导体和空气，把防磁贴贴合在线圈的背面即金属导体的垂直面，可以让电磁波在防磁贴内顺利导通，由于防磁贴不具备导电功能，所以电磁能量得到完好的保留起来，由此解决电磁能量损耗的问题；由于防磁贴的导磁率比金属的导磁率要高，所以部分在金属表面所形成的反射干扰波也会被防磁贴吸收掉，解决了通电线圈在金属环境中电磁波受到金属干扰的问题。

本发明实施例中，发射模块8主芯片采用XKT-412与XKT-335,发射模块8输入端接12V直流电；接收模块主芯片采用XKT-3168，接收模块输出5V直流电。发射模块8与接收模块具有识别能力，可根据负载大小自动增减发射功率，工作效率约70％，安装方便简单，价格低廉，可直接工作在4～12V的宽电压工作。

如图4(a)、图4(b)和图4(c)是本发明实施例提供的第一封装盒5和第二封装盒3的机械加工示例图，封装盒的材料为不锈钢，厚度为1㎜，所述封装盒的内部尺寸为59㎜*27㎜*15㎜。

本发明实施例提供的基于无线充电的内燃机活塞温度遥测系统工作时，当监控到充电电池电量不足时，进行步骤A1-A4为充电电池充电：

A1、通过上位机11发送指令至信号处理单元，通过该指令控制信号处理单元停止工作；

A2、停止内燃机；

A3、内燃机停稳后，盘车至活塞9下止点位置，使发射线圈7与接收线圈6处于水平正对位置；

A4、将发射模块8接通外部直流电源，发射模块8将直流电转化为交流电后提供给发射线圈7，发射线圈7周围产生电磁场，从而使接收线圈6内部产生交流电流，该交流电流传输至接收模块，由接收模块将交流电转化为直流电后提供给充电电池，为充电电池充电。

在充电电池电量充足的情况下，通过热电偶1测量活塞9待测点的温度，并输出温度信号至信号处理单元，信号处理单元对该温度信号进行解析、处理后，通过无线通信技术Wi-Fi传输至上位机11，上位机11实时显示活塞9待测点温度，并存储所测温度数据。

本发明采用无线充电技术给遥测装置的充电电池充电，避免了活塞温度测量过程中频繁拆卸内燃机更换电池、测量成本高、耗费人力大等问题。本发明信号传输采用无线通信技术Wi-Fi，电量供应采用无线充电技术，完全实现了内燃机活塞温度测量的无线化。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于无线充电的内燃机活塞温度遥测系统，其特征在于，包括无线充电装置、温度遥测装置、第一封装盒和第二封装盒，其中，

所述无线充电装置包括发射线圈、发射模块、接收线圈和接收模块，所述温度遥测装置包括充电电池、信号处理单元、热电偶和上位机；

所述发射线圈安装在内燃机机体上，所述发射线圈的两端与所述发射模块的输出端电连接；所述发射模块的输入端用于连接外部直流电源，所述发射模块用于将直流电转化为交流电后输出至所述发射线圈；所述接收模块的输入端与所述接收线圈的两端电连接，所述接收模块的输出端与所述充电电池连接，所述接收模块用于将所述接收线圈输出的交流电转化为直流电后提供给所述充电电池；

所述接收线圈安装在所述第一封装盒的外壳上；所述第一封装盒封装所述接收模块和所述充电电池，所述第一封装盒安装在待测活塞的一个销座下边缘；内燃机停稳后盘车至活塞下止点位置时，所述发射线圈与所述接收线圈处于水平正对位置；

所述第二封 装盒封装所述信号处理单元，所述第二封装盒安装在待测活塞的另一个销座下边缘；

所述充电电池与所述信号处理单元的第一端口连接，用于为所述信号处理单元提供电源；所述热电偶安装在待测活塞上，用于测量待测活塞的温度，并输出温度信号至所述信号处理单元；所述信号处理单元与所述上位机之间实现无线通信；所述信号处理单元用于对所述温度信号进行处理后传输至所述上位机，还用于对所述充电电池的电量进行监控，并将电量值传输至所述上位机，还用于接收及执行所述上位机的指令；

所述发射线圈与所述内燃机机体之间设有第一防磁贴；所述接收线圈与所述第一封装盒之间设有第二防磁贴；

所述热电偶有多个，分别安装在待测活塞上的不同位置，多个所述热电偶分别用于测量待测活塞不同待测点的温度，并分别输出温度信号至所述信号处理单元。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线充电的内燃机活塞温度遥测系统，其特征在于，所述第一防磁贴和所述第二防磁贴均采用镍铁合金粉制成的铁氧体导磁材料。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于无线充电的内燃机活塞温度遥测系统，其特征在于，所述上位机用于存储及显示温度信息、电量信息，以及用于人机交互。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于无线充电的内燃机活塞温度遥测系统，其特征在于，所述信号处理单元与所述上位机之间通过WI-FI实现无线通信。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于无线充电的内燃机活塞温度遥测系统，其特征在于，所述温度遥测装置还包括热电偶引线，所述热电偶通过所述热电偶引线与所述信号处理单元连接。

6.权利要求1-5任一所述的内燃机活塞温度遥测系统的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：

当监控到充电电池电量不足时，进行步骤A1-A4为所述充电电池充电：

A1、通过上位机发送指令至信号处理单元，通过该指令控制信号处理单元停止工作；

A2、停止内燃机；

A3、内燃机停稳后，盘车至活塞下止点位置，使发射线圈与接收线圈处于水平正对位置；

A4、将发射模块接通外部直流电源，发射模块将直流电转化为交流电后提供给发射线圈，发射线圈周围产生电磁场，从而使接收线圈内部产生交流电流，该交流电流传输至接收模块，由接收模块将交流电转化为直流电后提供给充电电池，为充电电池充电；

在充电电池电量充足的情况下，通过热电偶测量活塞待测点的温度，并输出温度信号至信号处理单元，信号处理单元对该温度信号进行解析、处理后，通过无线通信传输至上位机，上位机实时显示活塞待测点温度，并存储所测温度数据。