CN112798289B - 用于内燃机缸内压力测试的传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于内燃机缸内压力测试的传感器及其制造方法，该传感器包括光纤敏感器件、金属保护套、安装座和感压膜片；光纤敏感器件包括单模光纤与单模光纤同轴设置的多模光纤，单模光纤的一端与多模光纤的一端连接，多模光纤的一端的端面设置有第一凹槽，单模光纤的一端的端面和第一凹槽之间形成封闭的珐珀腔；金属保护套套设在光纤敏感器件的外侧且设置有通孔，以部分地露出多模光纤；安装座套设在金属保护套的外侧，安装座在单模光纤和珐珀腔的位置处与金属保护套间隔开；感压膜片设置在安装座的远离多模光纤的一端，感压膜片与安装座之间形成感压腔，感压膜片设置有将感压腔与外界连通的连通孔，通孔位于感压腔中并且与感压腔连通。
Description
技术领域
本发明涉及内燃机技术领域，具体而言涉及一种用于内燃机缸内压力测试的传感器及其制造方法。
背景技术
内燃机缸内压力是内燃机开发过程中必不可少的核心参数之一。缸内压力变化曲线是内燃机燃烧过程的直接反映，对实测缸内压力信号进行分析处理，可识别得到燃烧始点、峰值压力及其出现时刻、最大压升率及其出现时刻等燃烧特征参数，这些参数能够为缸内燃烧状态的评价提供依据。缸内压力可直接利用缸压传感器测量。但是由于缸内环境温度较高、空间狭小，所以缸压传感器工作环境恶劣且安装不便，限制了普通压力传感器在内燃机上的应用。
目前在内燃机领域应用的缸压传感器主要为压电式缸压传感器，且基本为国外进口。压电式缸压传感器的敏感器件为压电晶体，然而压电晶体存在高温性能难保证、只能测相对压力、价格高等缺点，基于以上问题目前国内还没有成熟的缸压传感器产品。
为此，本发明提供了一种用于内燃机缸内压力测试的传感器及其制造方法，以至少部分地解决现有技术中的问题。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
为了至少部分地解决上述问题，根据本发明的第一个方面，公开了一种用于内燃机缸内压力测试的传感器，其包括：
光纤敏感器件，所述光纤敏感器件包括单模光纤与所述单模光纤同轴设置的多模光纤，所述单模光纤的一端与所述多模光纤的一端连接，所述多模光纤的所述一端的端面设置有第一凹槽，所述单模光纤的所述一端的端面和所述第一凹槽之间形成封闭的珐珀腔；
金属保护套，所述金属保护套沿所述光纤敏感器件的长度方向套设在所述光纤敏感器件的外侧，并且与所述光纤敏感器件连接，所述金属保护套的对应所述珐珀腔的位置处设置有通孔，以部分地露出所述多模光纤；
安装座，所述安装座沿所述金属保护套的长度方向套设在所述金属保护套的外侧，并且与所述金属保护套连接，所述安装座、所述金属保护套和所述光纤敏感器件的远离所述多模光纤的一端的端面齐平，所述安装座在所述单模光纤和所述珐珀腔的位置处与所述金属保护套间隔开；以及
感压膜片，所述感压膜片设置在所述安装座的远离所述多模光纤的一端，并且与所述安装座连接，所述感压膜片与所述安装座之间形成感压腔，所述感压膜片设置有将所述感压腔与外界连通的连通孔，所述通孔位于所述感压腔中并且与所述感压腔连通。
根据本发明的用于内燃机缸内压力测试的传感器，体积小、耐高温、高灵敏度、响应快、价格低，能够满足内燃机缸压测试。
可选地，所述单模光纤和所述多模光纤的直径相同，并且所述第一凹槽构造为圆柱形。
可选地，所述单模光纤的所述一端的端面和所述多模光纤的所述一端的端面均覆盖有一层反射膜。
可选地，所述金属保护套的两端与所述光纤敏感器件的两端齐平，并且所述金属保护套由不锈钢材料制成。
可选地，所述感压膜片设置有多个连通孔，所述多个连通孔沿周向设置，并且设置所述金属保护套的径向外侧。
可选地，所述安装座包括沿所述安装座的长度方向贯穿所述安装座的安装孔，所述安装孔构造为阶梯形通孔，所述金属保护套沿所述安装孔的长度方向至少部分地设置在所述安装孔的内侧。
可选地，所述安装孔包括第一通孔和与所述第一通孔连通的第二通孔，所述第一通孔的直径大于所述第二通孔，所述单模光纤和所述珐珀腔位于所述第一通孔中。
根据本发明的第二方面，公开了一种用于内燃机缸内压力测试的传感器的制造方法，其包括以下步骤：
S110：将多模光纤的一端的端面磨平，并且在所述多模光纤的所述一端的端面上加工第一凹槽；
S120：将单模光纤和所述多模光纤同轴地设置，并且将所述单模光纤的一端和所述多模光纤的所述一端连接在一起，以形成光纤敏感器件，所述单模光纤的所述一端的端面和所述第一凹槽之间形成封闭的珐珀腔；
S130：将所述光纤敏感器件穿入金属保护套的内侧，并且将所述光纤敏感器件与金属保护套的对应的端面焊接在一起，所述金属保护套的通孔与所述珐珀腔的位置相对应，以部分地露出所述多模光纤；
S140：将装有光纤敏感器的金属保护套穿入安装座的内侧，并且将所述安装座与所述金属保护套焊接在一起，使得所述安装座、所述金属保护套和所述光纤敏感器件的远离所述多模光纤的一端的端面齐平，并且所述安装座在所述单模光纤和所述珐珀腔的位置处与所述金属保护套间隔开；
S150：将感压膜片设置在所述安装座的远离所述多模光纤的一端，并且将感压膜片与所述安装座焊接在一起，所述感压膜片与所述安装座之间形成感压腔，所述感压膜片的连通孔将所述感压腔与外界连通，并且所述通孔位于所述感压腔中与所述感压腔连通。
根据本发明的用于内燃机缸内压力测试的传感器，体积小、耐高温、高灵敏度、响应快、价格低，能够满足内燃机缸压测试。
可选地，在步骤S120中，所述单模光纤的一端和所述多模光纤的所述一端通过光纤熔接机熔接在一起。
可选地，该方法还包括在步骤S110之后和步骤S120之前的步骤S111：将所述单模光纤的所述一端的端面和所述多模光纤的所述一端的端面镀上一层反射膜。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。
附图中：
图1为根据本发明的一个优选实施方式的用于内燃机缸内压力测试的传感器的剖视示意图；
图2为图1中的传感器的光纤敏感器件的单模光纤的结构示意图；
图3为图1中的传感器的光纤敏感器件的多模光纤的结构示意图；
图4为图1中的传感器的光纤敏感器件的结构示意图；
图5为图1中的传感器的金属保护套的结构示意图；
图6为图1中的传感器的感压膜片的主视示意图；
图7为图1中的传感器安装在内燃机的缸盖上的示意图；
图8为信号解调仪经由图7中的传感器所采集的缸压曲线图。
附图标记说明：
10：缸盖
20：燃烧室
100：传感器
110：光纤敏感器件
111：单模光纤
112：多模光纤
113：第一凹槽
114：珐珀腔
120：金属保护套
121：装配孔
122：通孔
130：安装座
131：安装孔
132：第一通孔
133：第二通孔
140：感压膜片
141：连通孔
142：感压腔
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明实施方式可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明实施方式发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底了解本发明实施方式，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。需要说明的是，本发明中所引用的诸如“第一”和“第二”的序数词仅仅是标识，而不具有任何其他含义，例如特定的顺序等。而且，例如，术语“第一部件”其本身不暗示“第二部件”的存在，术语“第二部件”本身不暗示“第一部件”的存在。本发明中所使用的术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并非限制。
根据本发明的第一方面，提供一种用于内燃机缸内压力测试的传感器100。如图7所示，该传感器100可以安装在内燃机的缸盖10上，以用于检测内燃机缸内的压力。
下面将结合图1至图8对根据本发明的用于内燃机缸内压力测试的传感器100进行详细的说明。
如图1所示，根据本发明的用于内燃机缸内压力测试的传感器100主要包括光纤敏感器件110、金属保护套120、安装座130和感压膜片140。
如图1至图4所示，光纤敏感器件110包括单模光纤111与单模光纤111同轴设置的多模光纤112。优选地，单模光纤111和多模光纤112的直径相同。单模光纤111的一端与多模光纤112的一端连接。例如，单模光纤111的一端与多模光纤112的一端可以经由光纤熔接机熔接在一起。进一步优选地，单模光纤111的与多模光纤112连接的一端的端面和多模光纤112的与单模光纤111连接的一端的端面均覆盖有一层反射膜。
多模光纤112的与单模光纤111连接的一端的端面设置有第一凹槽113。优选地，第一凹槽113构造为圆柱形。进一步优选地，第一凹槽113的直径为60μm～80μm，并且第一凹槽113的深度为250μm。单模光纤111的与多模光纤112连接的一端的端面和第一凹槽113之间形成封闭的珐珀腔114。根据本发明的传感器100，当压力作用在传感器100上时，会引起珐珀腔114的腔长(等于第一凹槽的深度)发生变化，最终导致光谱漂移，解调光谱漂移信息就可得到压力信息，从而反映压力的变化。
如图1和图5所示，金属保护套120沿光纤敏感器件110的长度方向套设在光纤敏感器件110的外侧，并且与光纤敏感器件110连接。金属保护套120与光纤敏感器件110的长度相同，并且金属保护套120的两端与光纤敏感器件110的两端齐平。金属保护套120可以由不锈钢材料制成。光纤敏感器件110与金属保护套120的对应的端面可以焊接在一起，例如可以使用陶瓷焊接焊接在一起。
金属保护套120的内侧设置有贯穿其的装配孔121，光纤敏感器件110沿装配孔121的长度方向设置在装配孔121中。金属保护套120的对应珐珀腔114的位置处设置有通孔122，该通孔122与装配孔121连通，以部分地露出多模光纤112，从而便于珐珀腔114感受外界压力的变化。优选地，通孔122构造为半月形。本领域技术人员可以理解，通孔122的形状不限于本实施方式，根据需要，通孔122可以为任何合适的形状。
如图1所示，安装座130沿金属保护套120的长度方向套设在金属保护套120的外侧，并且与金属保护套120连接。例如，安装座130与金属保护套120可以焊接在一起，图1中的A和B示意性地示出了安装座130与金属保护套120的焊接位置。安装座130、金属保护套120和光纤敏感器件110的远离多模光纤112的一端的端面齐平，安装座130在单模光纤111和珐珀腔114的位置处与金属保护套120间隔开。安装座130的外表面可以设置外螺纹，以便于传感器100的安装固定。
感压膜片140设置在安装座130的远离多模光纤112的一端，并且与安装座130连接。例如，感压膜片140与安装座130可以焊接在一起，图1中C示意性地示出了感压膜片140与安装座130的焊接位置。感压膜片140与安装座130之间形成感压腔142，通孔122位于感压腔142中并且与感压腔142连通。
如图1和图6所示，感压膜片140设置有将感压腔142与外界连通的连通孔141。感压膜片140设置有多个连通孔141，多个连通孔141沿周向设置，并且设置金属保护套120的径向外侧。图6中示例性地示出了六个连通孔141，连通孔141可以构造为圆形。通过设置连通孔141，可以使得燃烧室20(参照图7)内的气体进入感压腔142感受压力，同时还可以保护光纤敏感器件110免受冲击。
返回图1所示，安装座130包括沿安装座130的长度方向贯穿安装座130的安装孔131。优选地，安装孔131构造为阶梯形通孔122，金属保护套120沿安装孔131的长度方向至少部分地设置在安装孔131的内侧。例如，金属保护套120的远离感压膜片140的一端可以伸出安装孔131。具体地，安装孔131包括第一通孔132和与第一通孔132连通的第二通孔133，第一通孔132的直径大于第二通孔133，单模光纤111和珐珀腔114位于第一通孔132中。
如图7所示，将该传感器100安装在内燃机的缸盖10上，并且该传感器100与信号解调仪(未示出)电连接，则信号解调仪可以经由传感器100所检测的压力信号而采集缸压信号。图8示例性地示出了该信号解调仪所采集到的缸压曲线图。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于内燃机缸内压力测试的传感器100的制造方法，其包括以下步骤：
S110：将多模光纤112的一端的端面磨平，并且在多模光纤112的一端的端面上加工第一凹槽113。在该步骤中，可以使用激光器刻蚀形成第一凹槽113。
S120：将单模光纤111和多模光纤112同轴地设置，并且将单模光纤111的一端和多模光纤112的一端连接在一起，以形成光纤敏感器件110，单模光纤111的一端的端面和第一凹槽113之间形成封闭的珐珀腔114。
在步骤S120中，单模光纤111的一端和多模光纤112的一端通过光纤熔接机熔接在一起。在步骤S120之后并且步骤S130之前，可以使用激光器切割多模光纤112的另一端，使得多模光纤112达到期望的长度。
S130：将光纤敏感器件110穿入金属保护套120的内侧，并且将光纤敏感器件110与金属保护套120的对应的端面焊接在一起，金属保护套120的通孔122与珐珀腔114的位置相对应，以部分地露出多模光纤112。
S140：将装有光纤敏感器的金属保护套120穿入安装座130的内侧，并且将安装座130与金属保护套120焊接在一起，使得安装座130、金属保护套120和光纤敏感器件110的远离多模光纤112的一端的端面齐平，并且安装座130在单模光纤111和珐珀腔114的位置处与金属保护套120间隔开。
S150：将感压膜片140设置在安装座130的远离多模光纤112的一端，并且将感压膜片140与安装座130焊接在一起，感压膜片与安装座130之间形成感压腔142，感压膜片140的连通孔141将感压腔142与外界连通，并且通孔122位于感压腔142中与感压腔142连通。
该方法还包括在步骤S110之后和步骤S120之前的步骤S111：将单模光纤111的一端的端面和多模光纤112的一端的端面镀上一层反射膜。
除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本发明。本文中出现的诸如“设置”等术语既可以表示一个部件直接附接至另一个部件，也可以表示一个部件通过中间件附接至另一个部件。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。
本发明已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施方式范围内。本领域技术人员可以理解的是，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。
Claims (9)
1.一种用于内燃机缸内压力测试的传感器，其特征在于，包括：
光纤敏感器件，所述光纤敏感器件包括单模光纤与所述单模光纤同轴设置的多模光纤，所述单模光纤的一端与所述多模光纤的一端连接，所述多模光纤的所述一端的端面设置有第一凹槽，所述单模光纤的所述一端的端面和所述第一凹槽之间形成封闭的珐珀腔；
金属保护套，所述金属保护套沿所述光纤敏感器件的长度方向套设在所述光纤敏感器件的外侧，并且与所述光纤敏感器件连接，所述金属保护套的对应所述珐珀腔的位置处设置有通孔，以部分地露出所述多模光纤，使得所述珐珀腔部分地直接感受外界压力的变化；
安装座，所述安装座沿所述金属保护套的长度方向套设在所述金属保护套的外侧，并且与所述金属保护套连接，所述安装座、所述金属保护套和所述光纤敏感器件的远离所述多模光纤的一端的端面齐平，所述安装座在所述单模光纤和所述珐珀腔的位置处与所述金属保护套间隔开；以及
感压膜片，所述感压膜片设置在所述安装座的远离所述多模光纤的一端，并且与所述安装座连接，所述感压膜片与所述安装座之间形成感压腔，所述感压膜片设置有将所述感压腔与外界连通的连通孔，所述通孔位于所述感压腔中并且与所述感压腔连通，其中，所述感压膜片设置有多个连通孔，所述多个连通孔沿周向设置，并且设置所述金属保护套的径向外侧。
2.根据权利要求1所述的用于内燃机缸内压力测试的传感器，其特征在于，所述单模光纤和所述多模光纤的直径相同，并且所述第一凹槽构造为圆柱形。
3.根据权利要求1所述的用于内燃机缸内压力测试的传感器，其特征在于，所述单模光纤的所述一端的端面和所述多模光纤的所述一端的端面均覆盖有一层反射膜。
4.根据权利要求1所述的用于内燃机缸内压力测试的传感器，其特征在于，所述金属保护套的两端与所述光纤敏感器件的两端齐平，并且所述金属保护套由不锈钢材料制成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于内燃机缸内压力测试的传感器，其特征在于，所述安装座包括沿所述安装座的长度方向贯穿所述安装座的安装孔，所述安装孔构造为阶梯形通孔，所述金属保护套沿所述安装孔的长度方向至少部分地设置在所述安装孔的内侧。
6.根据权利要求5所述的用于内燃机缸内压力测试的传感器，其特征在于，所述安装孔包括第一通孔和与所述第一通孔连通的第二通孔，所述第一通孔的直径大于所述第二通孔，所述单模光纤和所述珐珀腔位于所述第一通孔中。
7.一种用于内燃机缸内压力测试的传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S110：将多模光纤的一端的端面磨平，并且在所述多模光纤的所述一端的端面上加工第一凹槽；
S120：将单模光纤和所述多模光纤同轴地设置，并且将所述单模光纤的一端和所述多模光纤的所述一端连接在一起，以形成光纤敏感器件，所述单模光纤的所述一端的端面和所述第一凹槽之间形成封闭的珐珀腔；
S130：将所述光纤敏感器件穿入金属保护套的内侧，并且将所述光纤敏感器件与金属保护套的对应的端面焊接在一起，所述金属保护套的通孔与所述珐珀腔的位置相对应，以部分地露出所述多模光纤；
S140：将装有光纤敏感器的金属保护套穿入安装座的内侧，并且将所述安装座与所述金属保护套焊接在一起，使得所述安装座、所述金属保护套和所述光纤敏感器件的远离所述多模光纤的一端的端面齐平，并且所述安装座在所述单模光纤和所述珐珀腔的位置处与所述金属保护套间隔开；
S150：将感压膜片设置在所述安装座的远离所述多模光纤的一端，并且将感压膜片与所述安装座焊接在一起，所述感压膜片与所述安装座之间形成感压腔，所述感压膜片的连通孔将所述感压腔与外界连通，并且所述通孔位于所述感压腔中与所述感压腔连通，其中，所述感压膜片设置有多个连通孔，所述多个连通孔沿周向设置，并且设置所述金属保护套的径向外侧。
8.根据权利要求7所述的用于内燃机缸内压力测试的传感器的制造方法，其特征在于，在步骤S120中，所述单模光纤的一端和所述多模光纤的所述一端通过光纤熔接机熔接在一起。
9.根据权利要求7或8所述的用于内燃机缸内压力测试的传感器的制造方法，其特征在于，还包括在步骤S110之后和步骤S120之前的步骤S111：将所述单模光纤的所述一端的端面和所述多模光纤的所述一端的端面镀上一层反射膜。
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