CN203298717U - 基于电涡流的柴油机缸套与活塞环之间油膜厚度检测装置 - Google Patents

Abstract

一种基于电涡流的柴油机缸套与活塞环之间油膜厚度检测装置，主要由电涡流传感器、前置放大器、检波器、滤波放大器、接口电路以及工控机组成；电涡流传感器固定在缸套内壁上，电涡流传感器探头指向活塞；电涡流传感器、前置放大器、检波器及滤波放大器依次引线连通；温度传感器安装在柴油机机身与缸套之间空隙中，温度传感器、滤波放大器和工控机依次引线连通；转速传感器安装在曲轴的输出轴端，转速传感器、滤波放大器和工控机依次引线连通。该装置利用涡流效应将油膜厚度转换为涡流线圈阻抗的变化，再利用测量电路将其转换成电量变化，通过检测输出电压变化间接获得被测量油膜厚度。本装置结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、易实现非接触测量。

Description

基于电涡流的柴油机缸套与活塞环之间油膜厚度检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于电涡流的柴油机缸套与活塞环油膜厚度的检测装置。

背景技术

润滑油是机械设备中应用最为广泛的润滑剂之一。在应用场合中，润滑油通过形成润滑“膜层”的方式，将机械设备摩擦部件的两金属表面相互隔开，从而避免金属材料的直接接触，起到降低机器摩擦阻力和减小部件磨损的作用。内燃机的润滑状态对内燃机的动力性、经济性、可靠性和排放等有着非常重要的影响。

在工作过程中，一个合适的油膜厚度是至关重要的。在膜厚很小的情况下，在气缸与活塞、活塞环与环槽之间不能形成良好的密封断层，不能起到充分密封作用，同时油膜极易破损，致使接触面处于干摩擦状态，接触面的温度与磨损显著增加，在短时间内产生的热量足以使金属熔化，造成机件的损坏甚至卡死。

而当油膜过厚时，吸入空气中带来的砂土、灰尘，混合气燃烧后形成的积炭就会在油膜处积聚，又会导致工作过程中零件的不必要的损坏以及能量的大量损失。随着内燃机工业的发展，内燃机排放法规也在不断的强化，润滑条件更加苛刻，同时人类环境保护意识增强，对排气要求也越来越严格。

研究表明，内燃机在工作过程中由缸套与活塞环摩擦副引起的摩擦功耗高达整个发动机摩擦功耗的45～65%，缸套与活塞环的工作状况影响着内燃机的经济性、寿命和排放性能。在保证对燃烧室气体密封的前提下，润滑性能好，活塞环与缸套间的摩擦力小，内燃机的摩擦功耗也小；反之会造成相当大的功耗，而且还会导致缸套与活塞环的过度磨损，影响其使用寿命。因此这对摩擦副摩擦学性能的优劣直接影响着内燃机的性能。缸套与活塞环之间油膜厚度的变化和分布规律是内燃机摩擦学研究的重要内容之一，如果能准确的测量出这个厚度，对合理设计活塞环组、降低活塞环与缸套之间的摩擦损失、延长活塞环的使用寿命具有很大帮助。

目前润滑油膜厚度的检测方法有很多种，常见的包括：接触电阻法、电容法、光干涉法、光纤传感器法、电容分压器法、超声波法、阻容振荡法、X射线法、激光衍射法等。这些方法各有其优缺点，相信随着研究的不断深入，它们在内燃机上将有良好的应用前景。

接触电阻法是通过在缸套和活塞环中埋设电极，测量油膜的接触电阻，利用油膜厚度与接触电阻之间的关系来测量的，但由于在活塞环上埋设电极过于困难，电极绝缘也很难保证，另外，油膜所处的压力温度条件以及它所含的水分都能引起润滑油膜电阻值较大的变化，这就增大了标定的困难。所以现在应用很少。

电容法是一种比较成熟的技术。其原理是通过测量两物体之间的电容值来判断油膜厚度。如果已知润滑油的介电常数，根据油膜的电容值随油膜厚度增加而降低的变化关系，可相当准确地计算出油膜厚度，但测出的只是平均膜厚，在部分膜状态下该方法就失去了功效，且要求润滑剂是非极性的。另外导线及周围环境的分布电容往往很难准确估算，因而测量精度不高。极易发生缸套与活塞环的短路，特别是一旦活塞环发生倾斜，会造成电容的短路。

激光衍射法中激光传感器系统具有高精度、快速、无接触等优点。其工作原理:通过变频器程序的设定获得所需的油膜状态，使得缸套与活塞环间的油膜相对于固定在安装座上的激光探头往复运动；工控机中的软件设定好采样参数送到控制器，调节激光探头的采样速率和采样频率；激光探头对油膜厚度进行采集并将其转化为电信号送到采集器进行数据的前置处理；采集器对信号进行采样、量化、编码并最终送到计算机进行信号处理与分析。

电涡流法是目前润滑油膜厚度测量实用方法之一。基本原理是当一个通高频正弦交变电流的扁平线圈置于金属导体附近时产生交变磁场，由于交变磁场的反作用，使产生磁场的通电线圈的有效阻抗发生变化。控制金属导体材质均匀和各向同性，当金属导体的电导率、磁导率、尺寸因子、传感器线圈的激励电流强度和角频率等5个参数恒定不变时，线圈的特征阻抗就成为传感器探头与金属导体表面距离的单值函数。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于提供一基于电涡流的柴油机缸套与活塞环之间油膜厚度检测装置。

本实用新型的技术方案：

一种基于电涡流的柴油机缸套与活塞环之间油膜厚度检测装置，该装置主要由电涡流传感器、前置放大器、检波器、滤波放大器、接口电路以及工控机组成；所述的电涡流传感器固定在缸套内壁上，电涡流传感器探头指向活塞；电涡流传感器、前置放大器、检波器及滤波放大器依次通过引线相连通；温度传感器安装在柴油机机身与缸套之间的空隙中，温度传感器、滤波放大器和工控机依次通过引线相连通；转速传感器安装在曲轴的输出轴端，转速传感器通过引线接到滤波放大器输入端，滤波放大器与工控机通过引线相连通。

本实用新型中，电涡流传感器、前置放大器、检波器及滤波放大器依次由引线通过航空接头连接。

本实用新型中，所述的电涡流传感器的电涡流探头正前方由玻璃隔板隔开，电涡流探头通过玻璃胶固定在缸套的通孔中，并由高压玻璃密封封装，其玻璃胶外表面修磨到与气缸壁平滑过渡。

本实用新型检测油膜厚度的基本原理为：当一个通高频正弦交变电流的扁平线圈置于金属导体附近时产生交变磁场，由于交变磁场的反作用，使产生磁场的通电线圈的有效阻抗发生变化。控制金属导体材质均匀和各向同性，当金属导体的电导率、尺寸因子、传感器线圈的激励电流强度、角频率、金属与传感器触头距离等参数恒定不变时，线圈的特征阻抗就成为传感器探头与金属导体表面之间的油膜厚度的单值函数，利用该特性，通过电子线路将线圈阻抗的变化转化为电压的变化，即可实现缸套与活塞环之间被测油膜厚度的测量。利用这一特性可实现油膜厚度的非接触测量。

用本实用新型测量缸套与活塞环之间油膜厚度方法，在柴油机缸套中下部和机身之间开通孔，将电涡流传感器分别分布安装于柴油机汽缸内活塞的上止点、中点和下止点三个部位，采用电涡流传感器等效电路模型获得等效电压U随油膜厚度d变化而变化的拟合曲线，确定出其他条件不变的理想状态下不同厚度的油膜标样所对应的电压U0，即得到了等效电压U随油膜厚度d的校准关系曲线，校准关系曲线确定出关系曲线的拐点即特征电压U0，并与校准关系曲线比较得到待测油膜的厚度。理想工作状态下，在保持油膜种类、传感器与金属之间的距离、激励电流信号频率等其他参数不变的情况下，作为中间介质的油膜的厚度变化和输出电压变化成单值函数的关系，即△δ=f(△d)，d是油膜厚度，每种电涡流传感器的比例系数不同，在测量之前都需要进行标定，比例系数标定准确与否直接影响测量精度。经过多次测量采集数据得到等效电压与油膜厚度的变化关系曲线后，采用数据拟合的方法得到数据拟合参数，获得油膜厚度拟合公式，利用实验获得的电压值，从而得到待测油膜的厚度值。

本实用新型的积极效果：用本装置可以实现缸套与活塞环之间油膜厚度的实时测量，开展对缸套与活塞环摩擦磨损和润滑的研究，完成油膜厚度的变化和分布规律对缸套与活塞环的摩擦学性能影响的研究。本装置具有结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、易于实现非接触测量等一系列优点。

附图说明

图1为用电涡流传感器检测油膜厚度的工作流程框图；

图2为本实用新型的布置图；

图3电涡流传感器封装示意图；

图中：1-活塞，2-缸套，3-活塞气环，4．活塞油环，5-电涡流传感器探头，6-电涡流传感器，7-温度传感器，8-前置放大器，9-检波器，10-电压信号，11-温度信号，12-转速信号，13-滤波放大器，14-工控机，15-玻璃隔板，16-盖板，17-转速传感器。

具体实施方式

本基于电涡流的柴油机缸套与活塞环之间油膜厚度检测装置结构如图2、图3所示。该检测装置主要由电涡流传感器6、前置放大器8、检波器9、滤波放大器13以及接口电路、装有数据采集、处理功能的工控机14等组成；该装置安装时，在柴油机汽缸套2下部打孔，将所述电涡流传感器6固定在缸套2内壁上，使电涡流传感器探头5指向活塞1。电涡流传感器6通过引线与前置放大器8相连，前置放大器8通过引线与检波器9相连，检波器9通过引线与滤波放大器13相连，温度传感器7安装在机身与缸套之间的空隙中，温度传感器7通过引线与滤波放大器13相连通，滤波放大器13与工控机14通过引线相连通。转速传感器17安装在曲轴上，转速信号通过引线12输入到滤波放大器13，滤波放大器13与工控机14通过引线相连通。

本实用新型的安装，先在缸套上安装电涡流传感器6：为了保证电涡流传感器能检测到三道环与缸套之间的油膜厚度，要求电涡流传感器安装在缸套2的中下部，先在缸套2的侧表面中下部以及机身上打通孔，电涡流传感器探头5通过玻璃胶固定在缸套的通孔中，装入电涡流探头后，先用一层玻璃隔板15把电涡流探头隔开，再采用高压玻璃密封技术封装，经修磨后基本与汽缸壁平滑过渡。然后通过航空接头，利用引线将电涡流传感器的信号引出，与前置放大器8相连通。测量的电压信号，经过检波器9检波、滤波放大器13处理后通过引线将信号传递给工控机14。

温度传感器7安装在机身与缸套之间的空隙中，测量缸套附近的温度，温度传感器7通过引线与信号放大器13相连通，信号放大器13与工控机14通过引线相连通。所述的温度传感器用于研究不同温度条件下对柴油机缸套与活塞环间油膜形成的影响。

数据采集部分：通过数据采集卡实现对电涡流传感器6测得的信号进行转换、采集并向工控机14传输数据。

数据处理部分：通过软件对数据采集部分得到的信号进行数字滤波、数据处理等，通过拟合公式换算后，显示界面实时显示缸套油膜厚度变化曲线。

用本实用新型检测油膜厚度的工作流程，发动机运转后，活塞环往复运动经过电涡流传感器，电涡流传感器输出的电压信号经初级放大处理后滤波，降低干扰信号，再经过放大滤波，信号经过采集卡采集至计算机，进行采用自行编制的数据处理程序来对采集的信号进行后期的转换处理，显示出各个检测点的油膜厚度。为缸套-活塞环配对副摩擦磨损特性评价提供了一种有效的方法。适用于缸套-活塞环间润滑状态的实时检测。

Claims (3)

1.一种基于电涡流的柴油机缸套与活塞环之间油膜厚度检测装置，其特征在于：该装置主要由电涡流传感器（6）、前置放大器（8）、检波器（9）、滤波放大器（13）、接口电路以及工控机（14）组成；所述的电涡流传感器固定在缸套（2）内壁上，电涡流传感器探头（5）指向活塞（1）；电涡流传感器（6）、前置放大器（8）、检波器（9）及滤波放大器（13）依次通过引线相连通；温度传感器（7）安装在柴油机机身与缸套（2）之间的空隙中，温度传感器（7）、滤波放大器（13）和工控机（14）依次通过引线相连通；转速传感器（17）安装在曲轴的输出轴端，转速传感器（17）通过引线接到滤波放大器（13）输入端，滤波放大器（13）与工控机通过引线相连通。

2.按照权利要求1所述的基于电涡流的柴油机缸套与活塞环之间油膜厚度检测装置，其特征在于：电涡流位移传感器（6）、前置放大器（8）、检波器（9）及滤波放大器（13）依次由引线通过航空接头连接。

3.按照权利要求1所述的基于电涡流的柴油机缸套与活塞环之间油膜厚度检测装置，其特征在于：所述的电涡流传感器（6）的电涡流探头（5）正前方由玻璃隔板隔开，电涡流探头（5）通过玻璃胶固定在缸套（2）的通孔中，并由高压玻璃密封封装，其玻璃胶外表面修磨到与气缸壁平滑过渡。

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