PVDF振动传感器的设计及在点火发动机中的应用

图!
电荷放大电路图
首级是一个带电容反馈的高输入阻抗高增益的运算放大 器， 通常电荷放大级采用前置场效应管以提高输入阻抗满足传 感器要求， 对于 !"#$ 表面， 虽静态绝缘内阻高达 % 9#， 但在动 态受力时， 当频率为 %( * %(( :; 时， 其内阻降至 %(( * %( <#， 这 样输入端就不必再用前置场效应管。选用 => .%8( 高输入阻抗 反馈电阻 -% 3 %/ <#， 其 运算放大器件， 反馈电容 ,% 3 (?% ! $， 低频下限为 (?% :;@ 对于 !"#$ 表面传感器受力产生的电荷经
［-］ 。由于传感器在外力 裁剪成多块完成多点分布测量等特点 ［& $ !］
在轻微爆震状态， 结果表明 ’()* 振动传感器测量更方便、 更准 确， 经济性和动力性得到了提高。 ’ ’()* 传感器与传统传感器的比较 在线爆震控制系统对传感器有一些要求： 结构紧凑、 价格 便宜、 安装方便、 能确保爆震检测的质量。当今有两种传感器 用得最多， 压力传感器和加速度传感器。 压力传感器将汽缸内的压力转化为电信号， 主要是时域分 析， 其优点是直观、 准确、 迅速， 缺点是价格昂贵 （特别是多汽缸 检测） ， 安装困难 （压力传感器须与燃烧室直接接触） ， 计算量大 （时域分析与频域分析相比计算量大得多） ， 并且要用到频率滤 波器。 由压电陶瓷制成的加速度传感器通过将发动机组振动的 频率和强度转化为电信号， 与压力传感器相比， 它安装简单， 价 格便宜， 无需频率滤波器， 并且计算量小， 能减轻电子控制单元 （ 2X<） 的压力， 但由于加速度传感器中检测的信号中包括机械 振动信号和爆震信号， 在发动机高速运转时机械振动信号可能 超过爆震信号， 这就带来信噪比 （ 43Y） 不高的问题。 它的压电电压 ’()* 是一种新型压电高分子聚合物材料， 常数高， 质量轻， 密度小， 柔韧性好， 频响宽， 声阻抗低， 灵敏度 高， 稳定性好。把它加工成薄膜作为传感器使用时， 对系统的 振动响应影响很小。用 ’()* 制作的振动传感器与以上两种传 感器相比更是有其特有的优点， 它易于制作和安装， 价格非常 便宜， 对于爆震信号的检测也很灵敏， 用在多缸系统中会更显 其优势。
(3 )
由实验结果可知， 当点火提前角处于 ,,G * ,/G时， 输出扭矩 达到最大， 经济性最好。而用该方法检测到的爆震率为 %H * 与轻微爆震能使发动机工作于最佳状态相符合。所以， 用 8H ， !"#$ 振动传感器测量爆震的方法是准确的。 1 结束语 发动机点火提前角的控制需要准确地检测其爆震点， 通过 具有独特压电效应的 !"#$ 制作了安装方便、 价格低廉的振动 传感器， 以代替传统的压力传感器和加速度传感器， 实验结果 表明其能使发动机工作于最佳状态， 提高了效率， 节约了成本， 并可推广到其他振动信号检测系统中。 参考文献：
万方数据 收稿日期： !""# $ "% $ &%
收修改稿日期： !""# $ &" $ &!
第.期 !
［&］ "#$% 振动传感器的结构
温世敏等： !"#$ 振动传感器的设计及在点火发动机中的应用
/
放大电路设计的好坏直接影响到爆震信号检测的精度， 设计的 电荷放大电路如图 , 所示。
主要元件为 !"#$ 薄 !"#$ 振动传感器的结构如图 % 所示， 片、 两个铜电极、 两个胶木绝缘片和 % 个质量块， 它们通过一个 螺杆连在一起， 其长度和直径均为 %& ’’， !"#$ 薄片被两个铜 电极和两个胶木绝缘片紧紧夹住， 以确保 !"#$ 薄片上的电荷 不被泄漏， 其厚度为 %( ! 质量块的作用是将发动机组的振动 ’， 信号传递给 !"#$ 薄片。一般的 !"#$ 材料的耐温范围为 )( * 此 范 围 不 能 保 证 发 动 机 长 时 间 正 常 工 作， 所以选用 %(( + ， 它可以在 %.( + 的高温下正常工作而 !"#$ 的聚合物 "$, - "$.， 不被去极化。
。为了准确得到
点火提前角， 需要有准确的振动检测电路， 传统的方法是用压
作用下产生电荷只有在无泄漏的情况下才能保存， 因此它很适 用于冲击及振动的应力测量。通过设计余弦形状 ’()* 振动传 感器来检测发动机的爆震点， 采用统计的方法确定爆震的强 度， 并且根据爆震强度对点火提前角进行控制， 使发动机工作
(
余弦形状 "#$% 传感器的形状设计 以上 !"#$ 薄片做成圆形存在一个缺陷， 即所测得电量与
振动信号成非线形关系， 由此会影响响应速度并带来偏差， 因
［/］ 此考虑把它制作成余弦形状 。
由分布传感器理论可知一维情况下 !"#$ 传感器的输出电 荷!为 （ ! " ）# $ % 0 1.% （ (） !’ !(
［%］ 肖红， 俞国胜， 贺永珍， 等 @ 汽油发动机点火正时分析仪的研制 @ 北 京林业大学学报， （.） ： %II&， %I /, 7 /8 @ ［,］ 邵千钧， 何文华 @ 电控 J!K 发动机点火提前角标定与优化的研究 @ 农业机械学报， （.） ： ,((8， ./ .8 7 .B @
2. 成正比， 因此余弦形状 !"#$ 振动传感器可 由于 !+ 与 " 2 (. 以测量剪力。 在远场下， 式 （.） 可进一步简化为 ,& 2 ・*, ・ ,・ " ! 4 3 7 % 0 1.% " 2(
& 2, （ ( ） ( （# ） ・ " , 2( ! 4 # $ % 0 1.% 456 & 2( (
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（,）
图(
节气门全开， ’*++ , - ./0 时的点火特性及爆震率
进行分部积分， 应用积分中值定理， 则在 ［(， 总有一点 对式 （,） &］ ) 使下式成立： , &, 2. ・ ,・ " ! 4 3 %* 1.% . # 2( （.）
!""% 年 第-期
仪 表 技 术 与 传 感 器
;9@CKL8A9C +AJ596ZLA ?9M 4A9@FK
!""% 3FU-
!"#$ 振动传感器的设计及在点火发动机中的应用
温世敏， 刘志刚
（江西理工大学， 江西 赣州 %&’(((）
是一种新型压电高分子材料， 它具有独特的压电效应， 已被越来越广泛地应用于振动控制 摘要： 聚偏氟乙烯 （’()*） 领域。通过余弦形状的 ’()* 薄片， 设计出具有紧凑结构的振动传感器， 并设计了实用的电荷放大电路， 最后用其来检测 发动机的爆震点， 从而对发动机点火提前角进行控制， 使发动机工作在轻微爆震状态， 通过实验表明 ’()* 振动传感器测 量简单、 更方便、 更准确， 经济性和动力性得到了提高。 关键词： 聚偏氟乙烯 （’()*） ； 点火提前角； 爆震检测； 发动机； 传感器 中图分类号： +,-!. 文献标识码： / 文章编号： （!""%） &""! $ &0.& "- $ """. $ "!
#)*+,- ./ !"#$ "+0123+.- 4)-*.1* 2-5 63* 7889+:23+.- 3. 6,-+3+.- ;-,+-)*
123 4567869， :;< =567>?9> （ <+2-,=+ >-+?)1*+3@ ./ 4:+)-:) 2-5 A):B-.9.,@， C2-DB.E -.&"""， FB+-2） 70*312:3： ’()* 6@ ? 9AB CDEA FG E6AHFAIAJCK6J 8?JKF8FIAJLIA 8?CAK6?I， B56J5 5?@ E?KC6JLI?K AGGAJC FG E6AHFAIAJCK6J， ?9M 8FKA ?9M 8FKA NKF?MID L@AM 69 C5A KA>6F9 FG O6NK?C6F9 JF9CKFI @D@CA8P +5A ?KC6JIA MA@6>9AM JF8E?JC O6NK?C6F9 @A9@FK@ ?9M 6C@ EK?JC6J?I J5?K>A ?8EI6GD J6K7 JL6C ND JF@69A7@5?EAM ’()* C569 @I6JA， B56J5 BAKA L@AM CF MACAJC C5A Q9FJQ 69MAR FG C5A A9>69A@P +5A @E?KQ ?MO?9JA ?9>IA B?@ JF9CKFIIAM ND C5A Q9FJQ 69MAR ?9M 6C 8?QA C5A A9>69A BFKQ 69 C5A CK?JA Q9FJQ IAOAIP 16C5 C5A AREAK68A9C， Q9FB C5?C C5A ’()* O6NK?C6F9 @A9@FK@ ?KA 8FKA @68EIA， JF9OA96A9JA ?9M ?JJLK?CA， ?9M C5A GLAI AGG6J6A9JD ?9M EFBAK FLCELC FG C5A A9>69A@ 5?OA NAA9 68EKFOAMP G)@ H.15*： EFIDO69DI6A9A GILFK6MA； @E?KQ ?MO?9JA ?9>IA； Q9FJQ MACAJC6F9；A9>69A@；@A9@FK ( 引言 目前使用最多的汽油发动机绝大多数是活塞式， 对每一种 活塞式汽油发动机都有其特定的火花塞点火提前角 （点火开始 直到活塞运动到上止点时曲轴曲柄转过的角度） ， 点火提前角 应兼顾众多方面， 要使发动机既能输出最大功率， 同时又要避 免爆震 （火花点火发动机特有的一种不正常的燃烧现象） ， 而且 应尽量保证混合气的完全燃烧， 减少污染 电传感器或加速度传感器。 聚偏氟乙烯 （’()*） 是一种新型压电高分子材料， 它质量很 轻， 可以任意弯曲， 不脆不碎， 有良好的时间和温度稳定性， 且 具有独特的压电效应， 其压电常数比压电陶瓷 （ ’=+） 高 &" S !" 倍， 而密度只有 ’=+ 的 & T .， 它还有很宽、 很高的频响， 可从 "U & 近年来广泛用于振动控制领域。 VH S &" WVH， 产生电荷量， 这个电荷 ’()* 振动传感器是在薄膜受振后， 量可经电荷放大器输出的电压信号检测。用 ’()* 薄膜制成传 感器具有柔软、 厚度较薄， 可以与被测物体表面充分粘合， 可以
$!
保护、 输出短路保护、 输入过电压保护、 输入欠电压保护等。保 护模 块 原 理 如 图 ! 所 示。检 测 电 路 检 测 到 故 障 信 号 经 过 经光耦隔离， 送到 ()*+,%-,$% 的 .#./0(引脚。 "#$%&’ 综合后， 当一个或多个故障信号出现， "#$%&’ 立即输出低电平， .#./0( 脚也被拉成低电平， 关断所有 *.1) #*. 内部计数器停止计数， 输出， 同时产生中断信号， 通知 ".2 有异常情况发生， 由 ".2 读 取相关 / 3 4 口状态， 判断发生何种故障， 并送到数码管显示。
,
（8）
(3 )
2 由式 （8） 知在远场下 ! 4与 "成正比， 所以它可以测量角位 2( 移， 从而测量发动机点火中的振动信号的强度， 其线形度可以 满足要求。 & 电荷放大电路的设计
万方数据 对于爆震控制电路来说， 爆震信号的检测是关键， 而电荷
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第+期
李先祥等： 基于 #*. 控制的高频链逆变电源的设计
( &
（ (） !" 2(
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（%）
式中： （ (） 为 % 0为所测 !"#$ 薄膜参数； 1.% 为压电应力常数； ’ !"#$ 的形状函数； & 为 !"#$ 传感器的长度。 设计的 !"#$ 薄片为余弦形状， 其形状函数为 ’ （ ( ）3 456 ( ， 代入式 （ %） 可得余弦形状 !"#$ 振动传感器的输出电荷 （" ） & ! 4为
图’ "#$% 振动传感器的三维图
电荷放大级约可产生 A .(( ’" 的电压， 因此需要用另一个电压 放大级实现信号的放大。电压放大级是标准的运算放大电路， 其电压放大倍数为 %B 倍 （将 .(( ’" 放大至 / "） 。测试中压电 薄膜传感器工作频率一般在几十 :;@ ) 实验 为了检验用 !"#$ 振动传感器测量爆震的可行性和准确 性， 在 9C%%(( 单缸实验汽油机上进行了节气门全开， % )(( D 并测量了各点火提前角对应的爆震率， ’EF 时的点火特性实验， 结果如图 . 所示。