汽车发动机油路测量设备的机构设计

摘 要 柴油机供油系统多参数的电测量，为研究供油系统喷射特性提供了手段。而且，目前在评估新品开发设计的喷油泵和喷油嘴的性能时， 在产品改进和新品试制过程中，为了获得良好的性能指标，往往需要对燃油喷射系统进行大量的调试工作 ， 也常以多参数的电测量作为考核项目之一。 柴油发动机油路压力测量设备相关油管嘴端压力与针阀体压力室压力喷油泵的参数选择及其对柴油机性能的影响 ，以及 柴油内燃机异常喷射现象 和 柴油发动机油路压力测量设备相关油管嘴端压力与针阀体压力室压力 。 关键词： 压力喷油泵的参数选择；内燃机异常喷射现象；相关油 管嘴端压力 Abstract Diesel engine fuel supply system electrical multi-parameter measurement, provides the means to study the injection characteristics of the fuel supply system. Moreover, in the assessment of the performance of new product development and design of the fuel injection pump and injector, in the process of product improvement and new trial, in order to obtain good performance indicators, often require the fuel injection system debugging work, often the power of multi-parameter measurements as one of the assessment project. Diesel engine line pressure measurement equipment the related tubing pressure of the mouth end of the needle valve body pressure chamber pressure fuel pump parameters selection and its impact on diesel engine performance, as well as the abnormal jet phenomenon of the diesel engine and diesel engine line pressure measurement equipment tubing mouth end pressure and needle valve body pressure chamber pressure. Keywords: pressure fuel pump parameter selection； the abnormal internal combustion engine jet phenomenon； tubing mouth end pressure V 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 目 录 . V 1 绪论 . 1 1.1 设计目的 . 1 1.2 柴油发动机的燃料喷射装置概述 . 1 1.3 喷油过程 . 2 1.4 几何供油规律和喷油规律的定义 . 3 1.5 喷油器总成 . 3 2 柴油发动机油路压力测量设备的设计 . 6 2.1 柴油发动机油路压力测量设备控制系统概述 . 6 2.2 柴油发动机油路压力测量设备的原理 . 8 2.3 柴油发动机油路压 力测量设备相位调整 . 8 2.4 柴油发动机油路压力测量设备测量线路 . 8 2.5 柴油发动机油路压力测量设备试验结果分析 . 11 2.6 柴油发动机油路压力测量设备校验压电压力传感器 . 12 2.7 柴油发动机油路压力测量设备相关油管嘴端压力与针阀体压力室压力 . 12 3 机械传动选用及设计计算 . 14 3.1 圆锥齿轮的计算 . 14 3.2 主传动轴的相关概算 . 16 3. 3 花键联轴器的计算 . 17 3.4 压力波动的分析 . 18 3.5 燃油的可压缩性 . 18 3.6 管路的容积变化 . 19 3.7 管路中的压力波动 . 19 3.8 喷油泵的参数选择及其对柴油机性能的影响 . 20 3.9 喷油泵的速度特性校正 . 22 3.10 可变减压容积 . 22 3.11 可变的减压作用 . 22 3.12 高压油管 . 23 3.13 柴油内燃机异常喷射现象 . 23 3.14 二次喷射 . 24 3.15 稳定喷射 . 25 4 测试精度 . 26 总结 . 29 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 错误 !未定义书签。 汽车发动机油路测量设备的机构设计 1 1 绪论 1.1 设计目的 柴油机供油系统多参数的电测量，为研究供油系统喷射特性提供了手段。而且，目前在评估 新品开发设计的喷油泵和喷油嘴的性能时，也常以多参数的电测量作为考核项目之一。因此，测量的精确性就显得越发重要了。 在以往的电测试验中，出现过油嘴已喷油的工况下，测出的油管压力低于油嘴开启压力的情况。例如在二零零二年八月高速一号泵的电测试验中，油嘴开启压力为 12。 5MPA，当油泵转速为 250RPM 时，测出的嘴端最高压力只有 11。 69MPA。还有，日本 VE 泵在二零零二年九月的试验中，油嘴开启压力为 18。 13MPA（ 185kgf/cm2），在油泵转速为 390RPM时，测出的嘴端最高压力只有 17。 013MPA（ 173。 6 kgf/cm2）。在上述两例试验中，油嘴针阀均已开启喷油。 现有使用的传感器、信号转换仪、数据处理仪、都是具有世界先进水平的仪器。精度很高，随机误差很小。这就要考虑是否存在较大的系统误差，即要从测试方法的角度去考虑了。目前一般采用压电式传感器测量压力。压电传感器因其机械强度高，体积小，重量轻、高频特性良好，输出线性好等优点，而被广泛采用。但当被测压力变化频率低，变化幅度小时，压电晶体的电荷量变化难于反映到测量结果中，即压电传感器的低频特性差。而我们测量的油路中存在这种变化频率低、幅度小的压力 高压 油管中的残留压力。因此，压电传感器是测不出这种压力的。上面提到的现象极可能是因为测不出残留压力而产生的。 在课题立项时，还曾考虑过压电传感器灵敏度变化问题，还有高压油管嘴端压力与针阀体内压力室的压力差异问题，是否会对压力测量精度产生一定的影响。这些都将在下面的论文中予以阐述。 1.2 柴油发动机的燃料喷射装置概述 燃油喷射装置是柴油机的一个重要组成部分，在产品改进和新品试制过程中，为了获得良好的性能指标，往往需要对燃油喷射系统进行大量的调试工作 ， 根据大量实践表明 ，对现代柴油机喷射装置的要求是 : (1) 能 精确的控制每循环的喷射量 (并要求每缸等量 )，并在规定的时间内 (喷射持续角 )喷入汽缸，换言之，即要求具有合适的喷油率。 (2) 为了优化柴油机的性能、烟度、噪声和排放，需要具备能随柴油机负荷和转速变的、精度为 1 A 的喷油提前角。 (3) 为了将柴油和空气混合，需要高的喷射压力，对具有强空气涡流的直喷式或非直喷式柴油机，最大喷射压力为 30 40MPA，对低涡流直喷式，最大喷射压力约为 4548MPA，对无涡流直喷式，最大喷射压力在 100MPA 以上。 近年来，得到蓬勃发展的电控喷射系统，在实现要求（ 2）方面已比 常规的机械液力式喷射装置显示出更大的优越性，并开辟了将喷油系统控制和运输车辆控制结合起来的可能性。 在柴油内燃机出现早期，燃油喷射是通过高压空气实现的。一九二七年，德国博世无锡太湖学院 学士学位论文 （ BOSH）公司开始专业生产以螺旋槽柱塞旋转方式调整供油量的机械式喷油泵，这种喷油泵的工作原理至今仍用于多数柴油内燃机的燃料供给系统中。 图 1.1 燃油系统图 如图 1.1 整个燃油系统由低压油路（油箱、输油泵、燃料滤请器、）（喷油泵、高压油管、喷油器）和调节系统组成。其核心部分是高压油路所组成的喷油系统，人们也把这种传统燃料供给系 统称之为泵 -管 -嘴系统。在这种系统中，喷油泵有柱塞式喷油泵和转子分配式喷油泵两种。对柱塞式喷油泵，每个柱塞元件对应于一个气缸，多缸内燃机所用的柱塞数和气缸数相等且和为一体，构成合成式喷油泵；对小型单缸和大型多缸内燃机，常采用每个柱塞元件独立组成一个喷油泵，称之为单体喷油泵。转子分配式喷油泵是用一个或一对柱塞产生高压油向多缸内燃机的气缸内喷油，这种主要用于小缸径高速柴油内燃机上，其制造成本较低。 在上述泵 -管 -嘴燃料供给系统中，由于有高压油管的存在，使喷油系统在内燃机上的布置比较方便灵活，加上已积累了长期制造 与匹配的理论与经验，因此，目前这种系统仍在各种柴油内燃机上得到广泛应用。但是，也正由于高压油管的存在，降低了整个燃油供给系统高压部分的液力刚性，难于实现高压喷射与理想的喷油规律，也使这种传统燃料供给系统的应用前景受到一定的限制。为了满足柴油内燃机不断强化及日益严格的排放与噪声法规的要求，目前正在大力发展各种高压、电控的燃料喷射系统，如采用短油管的单体泵系统、泵喷嘴与 PT 系统、蓄压式或共轨系统等等。 在目前对于上述各种喷射装置的研制中，对喷射装置系统压力性能有着很高的要求，而油管的残留压力，在整个压力系统中占 有十分重要的地位，因此对残留压力装置的研究对整个燃油喷射装置性能的提高有着十分重要的作用。 1.3 喷油过程 柴油内燃机工作时，曲轴通过定时齿轮驱动喷油泵旋转，燃油从油箱经滤清、输油泵汽车发动机油路测量设备的机构设计 3 加压（约 0。 1 0。 15MPA）到喷油泵的低压油腔。当挺柱体总成的滚轮在凸轮基圆时，柱塞腔与低压油腔通过进、回油孔联通，向柱塞腔供油，喷油泵凸轮轴运转，凸轮推动挺柱体总成克服柱塞弹簧力向上运动。当柱塞顶面上升到与进、回油孔上边缘平齐，进、回油孔关闭，柱塞腔与低压油腔隔离。当柱塞再向上运动时，柱塞腔内的燃油被压缩，压力升高。当 压力上升到大于出油阀开启压力与高压油管内残压之和时，出油阀开启，燃油流入出油阀紧帽进到高压油管、喷油器体内油路及针阀体盛油槽内。柱塞继续上升，油压升高，当喷油器针阀体盛油槽内的油压达到并超过针阀开启压力时，针阀打开，向气缸内喷油。由于柱塞顶面积大，喷油器的喷孔面积小，故喷射过程中压力继续升高。当柱塞上升到其斜槽上边缘与回油孔的下边缘相联通时，柱塞再上升，柱塞腔与低压油腔相通，燃油流经回油孔开启截面进入低压油腔，柱塞腔压力下降。随后出油阀在弹簧力和两端油压的综合作用下开始下行，当减压凸缘进入出油阀座孔后，出油 阀紧帽腔与柱塞腔隔离，使紧帽腔到喷油器所组成的高压油路内保持一定量燃油，出油阀仍继续下行到落座。出油阀在落座过程中，由于减压容积的作用，使高压油路（出油阀紧帽腔、高压油管、喷油器体内油道、盛油槽容积的总和）中燃油压力迅速下降。当盛油槽内的燃油压力小于针阀关闭压力时，针阀落座，喷油停止。 由于燃油的可压缩性与惯性，压力的传播与反射，高压油管内的燃油将产生一定的压力波，压力波在出油阀紧帽腔到针阀体的盛油槽内不断衰减，趋于一定压力定值即残留压力。上述喷油过程是可用压力传感器及位移传感器和相应仪器测出，考虑到测量的 方便性和可行性，通常喷油过程试验仅测出泵端压力、嘴端压力、针阀升程和喷油速率随凸轮轴转角变化关系。随后，出油阀落座时，柱塞在凸轮驱动下继续上行到最大行程后，在柱塞弹簧力作用下，沿凸轮下降段下行，在下行过程中，喷油泵不产生泵油作用，至此，完成了一个泵油循环。在柱塞上升过程中，柱塞从下止点上升到进、回油孔关闭时所经过的距离，称之为喷油泵柱塞的预行程，它的大小决定了柱塞在压油过程中初速度的大小，将影响喷油速率；柱塞封闭进、回油孔开始压油到柱塞斜槽上边缘与回油孔相通开始回油所经历的升程，称之为喷油泵柱塞的有效行程， 它的大小与循环供油量有关，决定了喷油器循环喷油量的大小。 从上述喷油过程的概述可知，喷油试验过程涉及了泵端压力嘴端压力。而为了真实获得这两个压力必须与油管的残留压力结合起来。因此油管的残留压力是整个喷油过程的一个组成部分，对整个喷射过程有着十分重要的作用。 1.4 几何供油规律和喷油规律的定义 几何供油规律是指从几何关系上求出的油泵凸轮每转一度（或每妙）喷油泵供入高压系统的燃油量（ mm3/（ ）泵轴或 mm3/s）随凸轮轴转角 （或时间 t）的变化关系。由于它纯粹是几何关系决定的，因此只要知道柱塞的运动特性即 可。 喷油规律是指在喷油过程中，每秒或每度泵轴转角从喷油器喷出的燃油量随时间或泵轴转角的变化关系。 1.5 喷油器总成 喷油器总成对于柴油机来说，有着非常重要的作用。喷油器总成在发动机上的安装及无锡太湖学院 学士学位论文 喷油器总成的喷射性能直接影响柴油发动机的动力性、经济性、使用性能及可靠性。喷油器不仅决定着喷雾质量、油束与燃烧室的配合，而且影响喷油特性（喷油时刻、喷油延续时间、喷油规律），这些都直接影响发动机的性能指标。如果喷油不良，油束和燃烧室配合不好，则混合气形成恶化，燃烧变坏，性能下降。在新产品的试制过程中，往往需要对喷油 器作大量的调试，才能使柴油机达到设计指标；在使用过程中，常由于喷油器的故障使发动机性能下降，甚至不能运转。所以喷油器是影响柴油机设计指标和使用性能的关键部件之一。 喷油器总成通过法兰、压板和螺套紧固在发动机的气缸头上，它的喷油嘴端深入到发动机气缸的燃烧室内。喷油器的高压油道通过高压油管与喷油泵总成的出油阀接头相连接，回油油路相互连接直接回到油箱。 喷油器总成的功用是： (1) 将一定数量的具有合适喷射压力的燃油雾化，以促进燃油在发动机气缸内的着火燃烧。 (2) 借助于（或者不借助于）空气涡流将燃油喷注并力求 均匀分布到气缸的燃烧室内，特别对于无涡流的开式燃烧室，喷油器总成的安装精度是一个很值得重视的问题。一般喷油器总成由喷油嘴偶件、喷油器体、调压装置、油管接头、紧帽等、部件组成。 当高压燃油经高压油道进入喷油嘴偶件盛油槽部位而压力积蓄到能克服调压弹簧对针阀的压紧力时，针阀被升起，高压油进入嘴端的高压腔经喷孔雾化而喷射到气缸的燃烧室内。当喷油泵终止泵油，油道内压力降低，针阀受弹簧的压力而降致针阀座面以关闭高压腔，这时燃油不能经过喷油孔而进入发动机气缸的燃烧室，而燃烧室的燃点也不能进入喷油器体内。由于喷油器总成的主 要组成是喷油嘴偶件，而喷油嘴偶件又有不同的结构形式，所以喷油器总成也有不同的结构形式。 小发动机的油嘴开启压力较低，而大发动机的油嘴开启压力和关闭压力应足够高，以保证喷射终止后针阀能克服燃烧室高压而落座，否则燃烧室气体将进入油嘴，使喷孔和针阀积碳而进一步影响燃油的喷射和燃烧。 喷油器中喷油压力的影响： 在燃油喷射过程中，燃油压力是变化的。一般讲，小型高速柴油机的喷油嘴针阀开启压力为 12 20MPA，最高燃油压力是 40 60MPA，而大型柴油机喷油嘴针阀开启压力为21 30MPA，最高喷油压力约为 80 100MPA 以上。喷油压力直接影响喷油持续时间和燃油雾化质量。如果喷油压力过低，则燃油雾化不好，而且容易引起燃气回窜将喷油嘴烧坏。随着喷油压力提高，可以使油束出口速度增加，降低油滴的平均直径，使油滴蒸发加快，加速油束在空气中的扩散，使空气卷入的相对速度增加，同时喷射持续期缩短，这样就大大提高了混合气形成速率，从而改善燃烧性能。 喷油压力对然油消耗率的影响： 随着喷油压力提高，燃油消耗率下降。所以近年来在柴油机上有提高喷油压力的趋势，甚至采用高压喷射。例如在大型柴油机上喷油压力已提高到 100MPA以上， MAN公司的 58/64系列柴油机的最高喷油压力已达 130MPA，并打算提高到 140MPA，在小型高速柴油机上，由于受到喷油泵强度的限制，最高喷油压力通常在 70MPA 以下。应该指出，由于最高喷油汽车发动机油路测量设备的机构设计 5 压力的出现是瞬时的，因此应用平均有效压力（即在喷油持续期内通过喷孔的平均压降）来判断喷油过程的好坏更为合理。随着平均有效压力的提高，燃油消耗率和烟度都相应下降。 无锡太湖学院 学士学位论文 2 柴油发动机油路压力测量设备的设计 2.1 柴油发动机油路压力测量设备控制系统概述 信息总 是蕴涵在某些物理量之中，并依靠它们来传输的。这些物理量就是信号。就具体物理性质而言，信号有光电信号、光信号、力信号，等等。其中，电信号在变换、处理、传输和运用等方面，都有明显的优点，因而成为目前应用最广泛的信号。各种非电信号也往往被转换成电信号，而后传输、处理和运用。 在测试工作的许多场合中，并不考虑信号的具体性质，而是将其抽象为变量之间的函数关系，特别是时间函数或空间函数，从数学上加以分析研究，从中得出一些具有普遍意义的理论。这些理论极大地发展了测试技术，并成为测试技术的重要组成部分。这些理论就是信号的分 析和处理技术 如图 1.2 图 1.2 信号的分析和处理技术图 一般说来，测试工作的全过程包含着许多环节：以适当的方式激励被测对象、信号的调理、分析与处理、显示与记录，以及必要时以电量形式输出测量结果。因此，测试系统的大致框图可以用图 2.1 来表示： 图 2.1 测试系统流程框图 应当指出，并非所有的测试系统都具备图 2.1 中所有环节，尤其是虚线连接的环节和传输环节。实际上，对环节与环节之间都存在着传输。图 2.1 中的传输环节是指较远距离的通讯传输。客观事物是多样的。测试工作所希望获取的信息，有可能已载于某种可检测的信号中，也有可能尚未载于检测的信号中。对于后者，测试工作就包含着选用合适的方式激励被测对象，使其产生既能充分表征其有关信息便于检测的信号。事实上，许多系统的特征参量在系统的某些状态下，可能充分地显示出来；而在另外一些状态下确可能没有汽车发动机油路测量设备的机构设计 7 显示出来，或者显示得很不明显，以至于难于检测出来。因此，在后一种情况下，要测量这些特征参量时，就需要激励该系统，使其处于能够充分显示这些参量特性的状态中，以便有效地检测载有这些信号的信号。传感器直接作 用于被测量。并能按一定规律将被测量转换成同种或别种量输出。信号调理环节。把来自传感器的信号转换成更适合于进一步传输和处理的形式。这时信号转换，在多数情况下是电信号之间的转换。 例如将幅值放大，将阻抗的变化转换成电压的变化或将阻抗的变化转换成频率的变化等等。信号处理环节接受来自调理环节的信号，并进行各种计算、滤波分析将结果输至显示记录或控制系统。信号显示、记录环节，以检测者易于认识的形式来显示测量的结果，或将测量结果存贮，供必要时使用。在所有这些环节中，必须遵循的基本原则是各环节的输出量与输入量之间保持一 一对应和尽量不失真的关系，并必须尽可能的减小或消除各种干扰。 从以上的各测量环节的相互关系中我们可以知道 ， 任何测量仪器都是由感受件、中间件、效用件组成的 。 下面我们再对这三个元件作一下简单的描述 。 1.信号接收部件 它直接与被测对象发生联系 (但不一定直接接触 )，感知被测参数的变化，同时对外界发出相应的信号。 作为仪器的感受件必须满足下述三个条件 : (1) 它必须随被测参数的变化而发生相应的内部变化 (这个内部变化就是传感器的输出信号 )。如热电偶的一端受热后，因金属的热电效应而产生热电势。 (2) 它只能随被测参数的变化而发出信 号（即不受其它任何参数的影响）。如热电偶产生电势的大小只随温度而变化，其它如压力等参数的变化不引起电势的改变。 (3) 感受件发出的信号与被测参数之间必须是单值的函数关系（即一个确定的信号只能与参数的一个值相对应）。例如，不能用水的密度变化来测量 +4 左右的温度，因为在这种情况下水的同一个密度大小可以代表两个不同的温度。 实际上，这三个条件是难以完全得到满足的，特别是其中第（ 2）项条件。因此，任何传感器都不可能是十全十美的，它都受一定使用条件的限制。如在使用上不加以注意，就会得出错误的测量结果。 2. 中间件 最简 单的中间件是 “单纯 ”起传递作用的元件，它将传感器的输出原封不动地传递给效用件。这种单纯的传递件一般只有当传感器输出的信号较强，感受件与效用件之间的距离不大或效用件的灵敏度很高（或消耗的能量很小）时才有可能采用。 在近代的内燃机测试工作中，都要求实现数据集中观测、遥测和自动记录。所以大多数测量仪器的中间件还必须完成 “放大 ”、 “变换 ”和 “运算 ”任务。 仪器的放大件有两类：一类是感受件发出的信号较强，放大时不需外加能量，它只利用杠杆、齿轮等机械构件扩大指针和标尺之间的相对位移，使之易于观测，如机械式示功器中的杠杆 、弹簧管压力计中的杠杆和扇形齿轮传动机构。 另一类放大是需要外加能量的，这在电测仪器中用得很多，例如用电子电位计测量热电势时，就要将电势放大十万倍才能足以驱动伺服电机带动指针作出指示。这类放大在电测仪器中利用电子器件来完成。 无锡太湖学院 学士学位论文 有时，为了放大信号的需要，或改变传感器输出信号性质的需要，在电测仪器的测量电路中设有信号 “变换器 ”和 “运算器 ”。 3. 效用件 它直接与观测者发生联系，其作用是根据传感器输出信号的大小向检测者显示被测参数在数量上的大小。最简单而常见的仪器效用件是指示件，它通过标尺和指针（或液面、光线等 ）的相对位置来反映被测参数的瞬时值，有这种效用件的仪器也就被称作指示仪器。效用件能将被测参数变化历程记录下来的仪器称为记录式仪器。在记录式仪器中，除了以记录笔的运动来反映被测参数的变化外，还需要另一个作相应运动的部件，这样才能作出函数的图形。在现有的条件下此类部件已被打印机等显示输出设备所代替。 记录式仪器所能反映的是被测参数在各个瞬时的变化情况，但有时需要知道被测参数对时间的积分。例如，在测定流量时，不仅要知道流量的瞬时值，而且还要知道在某个时间间隔内流过的总流量，如以 Q 表示瞬时流量（ m2/s），则 21tt tQd就是从时间 t1 到 t2 间隔内流过的总流量，但这毕竟比较麻烦，为此可以使仪器的效用件自己进行积分，这样的测量仪器称积分式累计仪器，如流量计、电度表等。 此外，按照效用件的功能来分类的还有：数字式仪器、信号式仪器、电接触式仪器、调节式仪器，等等。 2.2 柴油发动机油路压力测量设备的原理 为了精确地测定高压油管中的残留压力，我们在查阅了大量资料的基础上，并参照喷油泵的结构设计，设计了一种专门用于测量残留压力的测量装置。柱塞二开有二百四十度的环槽，并通过一队圆锥直齿轮与油泵 凸轮轴同步转动，柱塞套上装有压力表和应变式传感器。当油泵与残留压力测量装置连接的那一缸即将进入供油状态时，柱塞的密封面将测量油路与油泵高压油路切断。供油结束后，柱塞上的环槽使得测量油路与高压油管相同。这样，压力表和传感器就采集到了供油结束时期高压油管中的残留压力。可以从压力表的表盘上直接读取压力数值，也可以以此观察压力的变化趋势。由传感器采集、信号转换仪转换和数据处理仪记录下来的压力波形，可以得到在一定工况下，一段凸轮轴转角范围内压力波动的情况。可见这两种记录方式各有所长。 2.3 柴油发动机油路压力测量 设备相位调整 要测量与油泵某一缸连接的高压油管的残留压力；需先转动油泵凸轮轴，将该缸转到供油始点位置；再将残留压力测量装置转到附图 1（ b）所示的位置。然后，将油泵试验台动力输出端与残留压力测量装置传动轴的一端、残留压力测量装置传动轴的另一端与油泵凸轮轴，用联轴节连接起来。这样，就把残留压力测量装置的相位与油泵的相位对应起来了。 2.4 柴油发动机油路压力测量设备测量线路 测量残留压力所作用的传感器是应变式传感器。导体受机械变形时，其电阻值发生变化，称为 “应变效应 ”。应变式传感器就是用以上原理工作的。 汽车发动机油路测量设备的机构设计 9 对于 大多数作为应变片金属丝的材料来说，其电阻丝电阻变化率 RdR 在弹性范围内可用下式表示： kldlkRdR 式中 k 为常数，其值约在。 1.6 3.6 之间 ； ldl 为应变。 此式表示金属电阻丝电阻变化率 与应变 成线性关系，而应变灵敏系数 k 即为此直线的斜率，这就是电阻应变片测量应变的理论基础。 半导体应变 片最突出的优点是灵敏系数高，根据不同的半导体材料， ks=30 175，它比常用的金属丝电阻应变片的灵敏数系（一般 k=2）大几十倍，于是在应变片的应用上提供了很大方便。此外，如机械滞后小，横向效应小以及它本身的体积小等优点，扩大了它的使用范围。 但半导体应变片目前还存在如下缺点： （ 1）温度稳定性差。不仅因为半导体材料的电阻温度系数大，而且它的灵敏系数随温度的变化而有相当大的变化。 （ 2）在大应变作用下，灵敏系数的非线性较大，同时，由于半导体应变片的灵敏系数高，在承受应变作用时引起的电阻变化就大，如灵敏系数高 ，在承受应变作用时引起的电阻变化就大，如灵敏系数为 130 的半导体应变片，在承受 1000 的作用时，其电阻变化率 R/R 可达 13%，在这种情况下，不仅应变片灵敏系数本身失去线性，而且应变仪常用的等臂惠斯顿电桥也将达到 6%的非线性误差，所以使用半导体应变片测量较大的应变时，对测量仪器本身亦应采取措施，以配合半导体应变片的应用，如用高阻抗恒流电源作电桥供电和采用具有高桥臂比的恒压电桥等。 由于半导体应变片的温度稳定性差，使用时必须采取温度补偿措施，以消除由温度引起的零漂或虚假信号。 应变式传感器的温度补偿是一个 不可忽视的问题，因为应变片作为敏感元件测量构件的变形时，总是希望应变片的电阻变化与应变之间有单值函数关系，但实际上电阻的变化受温度变化的影响很大。 在实际工作中，为了减小甚至消除这种温度变化的影响，常采用桥路补偿和应变片自补偿的方法来进行温度补偿。 目前常用的应变式压力传感器有悬链膜片 -应变筒式、平膜片式和管式等。它们的共同特点是利用粘贴在弹性敏感元件上的应变片，感测其受压后的局部应变，从而测得流体的压力。 油管残留压力测量装置采用 的 BPR-2/100 型传感器，就是悬链膜片 -应变筒式应变式压力传感器。当传 感器的膜片受到流体压力作用时，圆筒受到压缩，产生应变。在圆筒薄壁部分的外表面上，沿轴向粘贴工作应变片，沿横向粘贴温度补偿片，工作片和补偿片接成半桥，通过相应的测量电路，即可得到与被测压力成正比的电压（或电流）输出。 这种传感器的承压膜片以应变筒直径分为内、外两部分，其径向剖面呈悬链线形，膜片的抗弯刚度很小。这样，应变筒的轴向压应变可由下式估算： RdR无锡太湖学院 学士学位论文 式中 P被测压力（ Pa） A应变筒的横截面积（ m2） E应变筒材料的弹性模量（ N/ m2） A1承压膜片的有效工作面 积（ m2） 在外壳内径确定的情况下，应变筒外径越大则承压膜片的有效工作面积也越大，这对提高传感器的灵敏度有利。但应变筒外径增大，应变筒与膜片的接触面积就要增加，从而使温度影响增大。一般设计成小圆面积略小于大圆面积的三分之一，在这种情况下，承压膜片的有效面积略小于总面积的三分之二。 悬链膜片压力传感器的线性误差较大。包括非线性、回程误差和蠕变再内的总线性误差一般为 1%，较好的情况下可达 0。 5%左右。除了它有一般应变式传感器中产生线性误差的因素之外，这种传感器承压膜片的有效工作面积随压力的增大而减小，以及在压力 作用下膜片边缘部位出现相当大的局部弯曲应力，都是产生非线性的重要原因。当应力超过材料屈服限时，就会出现回程误差、蠕变等问题。上述所有因素引起的线性误差，都是随着膜片直径的增大而减小。 这种压力传感器的灵敏度和固有频率都要比相同直径的平膜片式传感器高的多，它的固有频率一般在 30 50kHz 的范围内。 综合上述内容，可以得出这样一个结论，就是传感器受压力作用，产生微应变。由应变仪将微应变量的变化转换为电压的变化。将电压信号送入数据处理仪。由模拟量 /数字量（ A / D）转换板转换，就得到了压力的数字量。 测量高压 油管泵端、嘴端压力的传感器是压电式传感器。 压电传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。 有些结晶物质沿它的某个结晶轴受到力的作用时，其内部有极化现象出现，在它的表面上有电荷集结，其大小和作用力的大小成正比，这种效应称为正压电效应。反之，如果在晶体的某些表面之间加上电场，在晶体内部也产生极化现象，同时晶体产生变形，这种现象称为逆压电效应。具有压电效应的晶体称为压电晶体。作为压电传感器材料的压电晶体有：石英晶体、酒石酸钾钠、钛酸铅等铅系多晶体烧结而成的陶瓷等。 在晶体切片的电轴方向对其施加压力或拉力时 都会在垂直于该轴面上集结电荷，电荷可从紧贴于两晶体面上的金属极板用引线传出，作为压电传感器的输出。 为了提高输出，在压电传感器中，一般很少将压电晶体单片使用，而往往采用两片以上组合在一起组成一个传感器。由于压电晶片是有极性的，所以有两种组合方式，一种是将晶片同极性的晶面紧贴在一起作一个输出端，两边的电极用导线连接后作为输出的另一端，形成 “并联组合 ”。另一种组合是将正负电荷集中在上下极板，而中间晶面上的电荷则互相抵消，形成 “串联组合 ”。 从上述两种组合方式中可以看出：并联组合中输出的电荷大，输出电容大，输出阻 抗低，时间常数大，故适于电荷作为输出的场合。而在串联组合中输出电压大，输出电容小，阻抗高以及时间常数小，故适于以电压作为输出信号和测量电路输入阻抗很高的场合。 汽车发动机油路测量设备的机构设计 11 从压电效应来说，压电传感器产生的电荷量 Q 属于静电性质的现象。此电荷量 Q 的大小是无法用一般仪表测得的，这是因为一般仪表的输入阻抗 有限，压电晶片上产生的电荷将通过测量电路的输入电阻泄漏掉。测量电路的输入阻抗愈高，被测参数的变化愈快（即频率愈高），则所测的结果就愈接近电荷的实际变化。由此可见，为了减小测量误差，要求压电传感器测量电路必须是高输入阻抗的放大 器，通常是在放大器与变换器之间加入高阻抗的前置放大器。 为了克服由于电缆长度影响传感器的灵敏度，发挥利用压电效应作为传感器的优点，压电传感器应与电荷放大器匹配。它是一种以输出电压与输入电荷成正比的前置放大器。 在采用电荷放大器的情况下，压电传感器视为一个电源。电荷放大器是一个高增益的、具有反馈电容 Cf 的运算放大器。 开环增益为 A， Cf 为反馈电容。此放大器是一个电压并联负反馈电路，从放大器输入端看，相当于 Cf（ 1+A）的反馈输入阻抗和输入端阻抗并联。反馈电容 Cf 在输入端的作用增加了（ 1+A）倍，这就增大了输入 回路的时间常数，当压电传感器受外力作用产生电荷Q 时，将向所有电容充电，此时放大器输入端的电压为为： e Q / C p C c C i 1i A C f 当 A 远大于 1 时 e Q / .ifCA 放大器的输入电压 eO 为 0 . A = - Q /ife e C 式中的负号表示本极的输出与输入极性相 反。此式还说明电荷放大器的输出电压仅和电荷量及反馈电容量有关，对于放大系数 A 及电缆分布 Cc 的变化不再影响放大器的输出，这是电荷放大器的显著特点。一般对于长电缆时取 A Cf 大于 100C0 即可使电缆分布电容对测量的灵敏度无明显影响。但是 Cf 值选得过大也会影响灵敏度下降。此外，当电荷放大器与压电传感器连接使用时，其下限频率（时间常数）只由电荷放大器决定，目前国内生产的电荷放大器的下限频率已达 1.610-6Hz，这对实际测量和准静态标定是很重要的。 通过以上的分析，可以知道，本测量装置所用的信号转换仪是电荷放大器 。电荷放大器将传感器传输来的电荷量信号转换为电压信号送入数据处理仪。 凸轮轴转角信号是由霍尔元件始点信号传感器产生的。 2.5 柴油发动机油路压力测量设备试验结果分析 利用高压油管残留压力测量装置和其它电测仪器，我们对日本 DDK 公司的 A 型泵进行了电测试验。试验项目有高压油管泵端压力，嘴端压力和残留压力。通过试验得到这样的结论：我们一般将泵端、嘴端压力波形中的最低点（一般是供油前一段压力），当作压力零点。事实上这一段压力并不为零，而恰恰是残留压力的数值。供油开始前，残留压力传感器与嘴端压力传感