專利名稱：測量應(yīng)力和溫度的無線裝置及其置于發(fā)動機(jī)活塞中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及測量應(yīng)力和溫度的無線裝置及其置于發(fā)動機(jī)活塞中的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
活塞是汽車發(fā)動機(jī)中極其重要的零件，可以將其理解為發(fā)動機(jī)中的“心臟”?；钊慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計狀況和運(yùn)行狀況對發(fā)動機(jī)的可靠性、壽命、排放和經(jīng)濟(jì)性等諸方面有著至關(guān)重要的影響?；钊闹饕饔檬浅惺軞飧字腥?xì)馊紵龝r的爆發(fā)壓力，并將此壓力通過活塞銷傳給連桿，以推動曲軸旋轉(zhuǎn)，提供轉(zhuǎn)矩輸出。由于活塞頂部直接與高溫燃?xì)饨佑|，因此活塞的溫度也很高，高溫一方面使活塞材料的機(jī)械強(qiáng)度顯著下降，另一方面會使活塞的熱膨脹量增大，容易破壞活塞與其相關(guān)零件的配合。同時，活塞承受著燃?xì)獾膸_擊性的高壓力，高壓導(dǎo)致活塞的側(cè)壓力大，加速活塞外表面的磨損，也容易弓I起活塞變形。為了防止活塞在 高溫高負(fù)荷工作環(huán)境下產(chǎn)生疲勞損傷，需要掌握活塞溫度和應(yīng)力的變化規(guī)律。但由于活塞的運(yùn)動空間有限，活塞內(nèi)腔空間狹窄，并且活塞工作時需要做快速往復(fù)運(yùn)動，引線工作復(fù)雜并且容易與運(yùn)動件形成干涉，同時有機(jī)油的腐蝕，工作環(huán)境惡劣，這就給傳統(tǒng)的測試技術(shù)和方法的實現(xiàn)帶來了極大的困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供的一種能夠置入活塞內(nèi)腔當(dāng)中實時測量數(shù)據(jù)，且使用方便的測量應(yīng)力和溫度的無線裝置及其置于發(fā)動機(jī)活塞中的應(yīng)用。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)測量應(yīng)力和溫度的無線裝置，其特征在于，該無線裝置由無線傳感部分和無線接收部分組成，所述的無線傳感部分包括應(yīng)變片、熱敏電阻、電池、電阻橋路、信號放大電路、第一電源管理模塊、濾波電路、穩(wěn)壓電路、第二電源管理模塊、微處理器、無線發(fā)射器，所述的電阻橋路、信號放大電路、第一電源管理電路集成在第一 PCB板上，所述的濾波電路、穩(wěn)壓電路、第二電源管理模塊、微處理器、無線發(fā)射器集成在第二 PCB板上，所述的應(yīng)變片、熱敏電阻、電池通過高溫導(dǎo)線與第一 PCB板連接，所述的第一 PCB板通過高溫導(dǎo)線與第二 PCB板連接，所述的無線接收部分包括無線接收器和PC機(jī)。所述的無線傳感部分和無線接收部分通過Zigbee無線技術(shù)收發(fā)數(shù)據(jù)。所述的應(yīng)變片的可耐最高溫度為250 300攝氏度。所述的熱敏電阻采用PT100。所述的微處理器、無線發(fā)射器集成在一塊芯片內(nèi)。所述的濾波電路采用RC低通濾波。一種如權(quán)利要求I所述的測量應(yīng)力和溫度的無線裝置置于發(fā)動機(jī)活塞中的應(yīng)用，發(fā)動機(jī)包括發(fā)動機(jī)活塞及與活塞相接的連桿，所述的發(fā)動機(jī)活塞包括活塞底腔、活塞銷座，其特征在于，所述的應(yīng)變片、熱敏電阻成對設(shè)置在活塞底腔，所述的第一 PCB板、第二 PCB板分別設(shè)置在活塞銷座兩側(cè)，所述的電池設(shè)置在連桿桿身的工字型凹槽內(nèi)。所述的應(yīng)變片、熱敏電阻通過高溫膠水粘貼在活塞底腔。所述的熱敏電阻、第一 PCB板、第二 PCB板及高溫導(dǎo)線上均涂有硅橡膠用以固定。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點I、能夠采用Zigbee無線技術(shù)收發(fā)數(shù)據(jù)，解決了輸出信號連線困難的問題，同時也避免了與發(fā)動機(jī)運(yùn)動件的干涉，也免去了測試過程中發(fā)動機(jī)的反復(fù)拆裝，在發(fā)動機(jī)測量領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景；2、體積小，能夠置入活塞內(nèi)腔當(dāng)中實時測量數(shù)據(jù)；
3、裝置能夠承受250°C的高溫，從而可以承受發(fā)動機(jī)活塞運(yùn)動過程中形成的高溫。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為第一 PCB板、第二 PCB板與活塞的連接結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2所示圖的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為電池與活塞的連接結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為應(yīng)變片、熱敏電阻與活塞的連接結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明的部分電路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。實施例如圖I所示，測量應(yīng)力和溫度的無線裝置，該無線裝置由無線傳感部分和無線接收部分組成。無線傳感部分包括應(yīng)變片I、熱敏電阻2、電池3、電阻橋路、信號放大電路、第一電源管理模塊、濾波電路、穩(wěn)壓電路、第二電源管理模塊、微處理器、無線發(fā)射器。電阻橋路、信號放大電路、第一電源管理電路集成在第一 PCB板4上。濾波電路、穩(wěn)壓電路、第二電源管理模塊、微處理器、無線發(fā)射器集成在第二 PCB板5上。應(yīng)變片I、熱敏電阻2、電池3通過高溫導(dǎo)線與第一 PCB板4連接。第一 PCB板4通過高溫導(dǎo)線與第二 PCB板5連接。無線接收部分包括無線接收器6和PC機(jī)7。無線傳感部分和無線接收部分通過Zigbee無線技術(shù)收發(fā)數(shù)據(jù)。應(yīng)變片的可耐最高溫度為250 300攝氏度。熱敏電阻采用PT100。微處理器、無線發(fā)射器集成在一塊芯片內(nèi)，芯片采用Texas Instruments公司產(chǎn)的CC2530。濾波電路采用RC低通濾波。穩(wěn)壓電路采用1N4728穩(wěn)壓管進(jìn)行穩(wěn)壓。信號放大電路采用運(yùn)放構(gòu)成恒流源，將熱敏電阻PT100的阻值信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，通過運(yùn)放放大5倍輸出。應(yīng)變片的輸出電壓信號通過運(yùn)放，兩級放大100倍后輸出。應(yīng)變片采用BAB-2AA250 (23)，可耐溫度最高可達(dá)250°C，具有鋁合金溫度自補(bǔ)償功能。應(yīng)變片大小為5. 8X3. 8mm,阻值為120 ( ±0. 15% Q。電阻橋路采用單臂橋路，由一片工作應(yīng)變片和3個120 Q的精密電阻構(gòu)成橋路。其中3個精密電阻被封裝在第一 PCB板內(nèi)，這樣可以簡化接線。電池是采用高功率鋰亞硫酰氯工控電池ER14505M，額定電壓為3. 6V，工作電壓通常在3. 3 3. 6V之間，90%以上的電池容量是在電壓幾乎不變的高電壓平臺輸出的，工作溫度在-55到85°C之間，符合測試要求。如圖2 圖5所示，為本發(fā)明置于發(fā)動機(jī)活塞中的應(yīng)用。發(fā)動機(jī)包括發(fā)動機(jī)活塞及與活塞相接的連桿，發(fā)動機(jī)活塞包括活塞底腔、活塞銷座。應(yīng)變片I、熱敏電阻2成對設(shè)置在活塞底腔。第一 PCB板4、第二 PCB板5分別設(shè)置在活塞銷座兩側(cè)。電池3設(shè)置在連桿桿身的工字型凹槽內(nèi)。應(yīng)變片I、熱敏電阻2通過高溫膠水粘貼在活塞底腔。熱敏電阻2、第一 PCB板4、第二 PCB板5及高溫導(dǎo)線上均涂有硅橡膠31用以固定。本發(fā)明的無線傳感部分的主要功能是利用中高溫應(yīng)變片I和熱敏電阻2采集應(yīng)力和溫度信號，利用信號放大電路，濾波電路和穩(wěn)壓電路對信號進(jìn)行調(diào)理后接入微處理器，微處理器對輸入信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，將數(shù)字量按照Zigbee協(xié)議定義的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行打包，送入無線發(fā)射器6，無線發(fā)射器6將數(shù)據(jù)幀以2. 4GHz的頻段發(fā)出。AD轉(zhuǎn)換分辨率為12bit，采樣頻率為7. 6kHz。無線接收部分的主要功能是接收來自無線傳感部分發(fā)出的數(shù)據(jù)幀，從數(shù)據(jù)幀中提取測量數(shù)據(jù)。無線接收器6與無線傳感部分中采用同樣的CPU微處理器，此CPU 將接收得到的測量數(shù)據(jù)通過串口通訊RS-232發(fā)送給PC機(jī)7，上位機(jī)界面采用C#程序編寫，通過適當(dāng)?shù)挠嬎闾幚韺y得的應(yīng)力值和溫度顯示在上位機(jī)界面上。無線傳感部分的應(yīng)變片I和PT100貼在活塞底腔的多個待測位置，用高溫導(dǎo)線將信號引出。由于活塞的材質(zhì)是鋁合金，為了防止高溫導(dǎo)線與信號引線連接處與活塞導(dǎo)電，在連接處套上熱塑管，對其加熱，熱塑管受熱變形后緊縮在連接處，達(dá)到絕緣與防護(hù)的目的。為了降低芯片的高度，防止與連桿小頭的運(yùn)動干涉，將芯片上的插針去掉，只留有插針孔，將連接了應(yīng)變片I和PT100的高溫導(dǎo)線直接焊在插針孔中。高溫導(dǎo)線緊貼著活塞底腔，導(dǎo)線外涂有704硅橡膠，用以導(dǎo)線的固定和防護(hù)。第一 PCB板4的尺寸為5mm X 4. 3mm,包含電阻橋路,信號放大電路和第一電源管理模塊。每個應(yīng)變片和3個阻值為120 Q的精密電阻組成橋路，此橋路由5V電源供電，如圖6所示，V1PRESS+和V1PRESS-構(gòu)成輸出電壓信號，此電壓信號接至運(yùn)算放大器LM124中，經(jīng)過兩級放大100倍后由V1PRE0UT引腳輸出。利用運(yùn)放夠成的恒流源將熱敏電阻I的阻值信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，此電壓信號接至運(yùn)算放大器LM124中經(jīng)過一級放大5倍后輸出。第一 PCB板4中的第一電源管理模塊主要包含電壓轉(zhuǎn)換電路。采用DC-DC轉(zhuǎn)換芯片LM2704將電池的3V電壓升壓至5V，5V電壓接至電壓轉(zhuǎn)換器TL7660，得到-5V輸出，± 5V電壓用來給信號放大電路中運(yùn)算放大器供電。5V電壓還接至基準(zhǔn)電壓芯片REF2933，得到3. 3V的基準(zhǔn)電壓，此電壓用來給運(yùn)放供電，構(gòu)成恒流源。應(yīng)變片I和熱敏電阻2四路電壓輸出信號和5V電壓通過高溫導(dǎo)線連至第二 PCB板5。高溫導(dǎo)線緊貼著活塞底腔，并且涂有704硅橡膠，用以導(dǎo)線的固定和防護(hù)。第二 PCB板5的尺寸為5mmX 4mm,包含濾波和穩(wěn)壓電路,第二電源管理模塊,微處理器模塊和無線發(fā)射器。濾波電路采用RC低通濾波，采用1N4728穩(wěn)壓二級管進(jìn)行穩(wěn)壓。第二電源管理模塊主要是電壓轉(zhuǎn)換電路，采用基準(zhǔn)電壓芯片REF2933將5V電壓轉(zhuǎn)換成CPU所需的3. 3V電壓。微處理器模塊和無線發(fā)射器主要包含CC2530處理器的最小系統(tǒng)電路，JTAG下載程序接口和PCB天線。無線接收部分由無線接收器6和PC機(jī)7組成。無線接收器6主要包含CC2530處理器的最小系統(tǒng)電路，JTAG下載程序接口，電源管理、天線和串口收發(fā)模塊。如圖2和圖3所示，第一 PCB板4和第二 PCB板5安裝在活塞內(nèi)腔中活塞銷座的兩側(cè)。此活塞使用在S195單缸柴油發(fā)動機(jī)中，缸徑為95mm，鋁合金材質(zhì)，安裝過程中不需打螺紋孔用以螺栓固定，否則會造成活塞在運(yùn)動過程中拉缸，損壞缸套。只需在PCB板的四周涂上704硅橡膠，自然風(fēng)干后固定，此硅橡膠粘接性好，高強(qiáng)度，無腐蝕，具有優(yōu)良的電絕緣性能、密封性能和耐老化性能，可在_50°C -+250°C的范圍內(nèi)長期使用。此外，可在PCB板面上和CC2530處理器上涂上一層硅橡膠用來絕熱，保護(hù)PCB板和處理器。如圖4所示，電池3安裝在連桿桿身“工”形槽的凹槽內(nèi)。電池3選用高功率型鋰亞硫酰氯工控電池ER14505M，額定電壓為3. 6V，90 %以上的電池容量是在電壓幾乎不變的高電壓平臺輸出的，工作溫度可達(dá)85°C。與活塞43連接的連桿44的桿身與平衡重41之間的距離是9mm，而電池的半徑是7mm，為了避免安裝電池后與平衡重41相干涉，可在連桿44的桿身“工”形槽的凹槽內(nèi)用磨砂輪進(jìn)行打磨，確保電池3與平衡重41保持一定的距離并且有一定的冗余。電池3的固定同樣采用704硅橡膠。使用點焊機(jī)在電池兩端做一個節(jié)線，將電源線弓丨出，用704硅橡膠使導(dǎo)線緊貼固定在連桿桿身，連接至PCB板I，給測量系統(tǒng)供電。42為曲軸。如圖5所示，應(yīng)變片I和PT100熱敏電阻2各四個，分布在4個不同位置，每個位置有一片應(yīng)變片和一個PT100熱敏電阻2。應(yīng)變片的粘貼采用高溫膠水F-601。F-601高溫膠水由酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂經(jīng)過共聚，加入填料而制成，具有粘結(jié)力強(qiáng)，蠕變小，絕緣性能突出，耐高溫，穩(wěn)定性好，使用溫度范圍寬等優(yōu)點。粘貼之前，在活塞內(nèi)腔待貼面進(jìn)行打磨處理，并用丙酮溶劑清洗。清洗工具和待貼的電阻應(yīng)變片也需用丙酮溶劑清洗。在待貼面部位涂薄薄一層F-601膠水，自然干燥20分鐘，再涂一層底膠(F-601)，干燥4小時，隨后放入烘箱，由室溫升至60°C，保溫I小時，再升溫至150°C，保溫I小時冷卻至80°C。在80°C時取出活塞，在涂膠部位再涂薄薄一層膠水，晾至半干時將應(yīng)變片對準(zhǔn)位置貼上，覆上聚四氟乙烯薄膜，擠出氣泡和多余膠水。覆上硅橡膠和金屬壓板進(jìn)行加壓，并保持恒定，放進(jìn)烤箱固化。由室溫升至100°C，保溫I小時，再升溫至150°C，保溫2小時，冷卻至室溫后卸壓。然后升溫至250°C，保溫4小時。
PT100熱敏電阻2安裝位置在各個應(yīng)變片I附近，在PT100上也應(yīng)該涂上704硅橡膠進(jìn)行防護(hù)。由于硅橡膠的熱阻較大，為了防止涂膠過程中PT100被埋沒在硅橡膠中造成測溫不精準(zhǔn)，應(yīng)該先用高溫膠水將PT100粘在待粘貼處，隨應(yīng)變片一起放入烤箱中烘烤，隨后再涂上硅橡膠使得PT100與活塞之間有確定的接觸點，保證測量的實時性與精確性。同樣，接線時在接線處需要套上熱塑管以提供防護(hù)和絕緣。本發(fā)明用來測量發(fā)動機(jī)活塞運(yùn)行過程中的應(yīng)力和溫度，所選芯片都可承受125°C的高溫，通過704硅橡膠與活塞絕熱，從而可以承受發(fā)動機(jī)活塞運(yùn)動過程中形成的高溫。裝置體積小，能夠置入活塞內(nèi)腔當(dāng)中實時測量數(shù)據(jù)，同時，采用Zigbee無線技術(shù)收發(fā)數(shù)據(jù)，簡化了接線，解決了輸出信號連線困難的問題，從而避免了與發(fā)動機(jī)運(yùn)動件的干涉，也免去了測試過程中發(fā)動機(jī)的反復(fù)拆裝，在發(fā)動機(jī)測量領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.測量應(yīng)力和溫度的無線裝置，其特征在干，該無線裝置由無線傳感部分和無線接收部分組成，所述的無線傳感部分包括應(yīng)變片、熱敏電阻、電池、電阻橋路、信號放大電路、第ー電源管理模塊、濾波電路、穩(wěn)壓電路、第二電源管理模塊、微處理器、無線發(fā)射器，所述的電阻橋路、信號放大電路、第一電源管理電路集成在第一 PCB板上，所述的濾波電路、穩(wěn)壓電路、第二電源管理模塊、微處理器、無線發(fā)射器集成在第二 PCB板上，所述的應(yīng)變片、熱敏電阻、電池通過高溫導(dǎo)線與第一 PCB板連接，所述的第一 PCB板通過高溫導(dǎo)線與第二 PCB板連接，所述的無線接收部分包括無線接收器和PC機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測量應(yīng)カ和溫度的無線裝置，其特征在于，所述的無線傳感部分和無線接收部分通過Zigbee無線技術(shù)收發(fā)數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測量應(yīng)カ和溫度的無線裝置，其特征在于，所述的應(yīng)變片的可耐最高溫度為250 300攝氏度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測量應(yīng)カ和溫度的無線裝置，其特征在于，所述的熱敏電阻采用PT100。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測量應(yīng)カ和溫度的無線裝置，其特征在于，所述的微處理器、無線發(fā)射器集成在一塊芯片內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測量應(yīng)カ和溫度的無線裝置，其特征在于，所述的濾波電路采用RC低通濾波。
7.—種如權(quán)利要求I所述的測量應(yīng)カ和溫度的無線裝置置于發(fā)動機(jī)活塞中的應(yīng)用，發(fā)動機(jī)包括發(fā)動機(jī)活塞及與活塞相接的連桿，所述的發(fā)動機(jī)活塞包括活塞底腔、活塞銷座，其特征在于，所述的應(yīng)變片、熱敏電阻成對設(shè)置在活塞底腔，所述的第一 PCB板、第二 PCB板分別設(shè)置在活塞銷座兩側(cè)，所述的電池設(shè)置在連桿桿身的エ字型凹槽內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的測量應(yīng)カ和溫度的無線裝置置于發(fā)動機(jī)活塞中的應(yīng)用，其特征在于，所述的應(yīng)變片、熱敏電阻通過高溫膠水粘貼在活塞底腔。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的測量應(yīng)カ和溫度的無線裝置置于發(fā)動機(jī)活塞中的應(yīng)用，其特征在于，所述的熱敏電阻、第一 PCB板、第二 PCB板及高溫導(dǎo)線上均涂有硅橡膠用以固定。
全文摘要
本發(fā)明涉及測量應(yīng)力和溫度的無線裝置及其置于發(fā)動機(jī)活塞中的應(yīng)用，該無線裝置由無線傳感部分和無線接收部分組成，所述的無線傳感部分包括應(yīng)變片、熱敏電阻、電池、電阻橋路、信號放大電路、第一電源管理模塊、濾波電路、穩(wěn)壓電路、第二電源管理模塊、微處理器、無線發(fā)射器，所述的無線接收部分包括無線接收器和PC機(jī)；該應(yīng)用為所述的應(yīng)變片、熱敏電阻成對設(shè)置在活塞底腔，所述的第一PCB板、第二PCB板分別設(shè)置在活塞銷座兩側(cè)，所述的電池設(shè)置在連桿桿身的工字型槽內(nèi)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有能夠置入活塞內(nèi)腔當(dāng)中實時測量數(shù)據(jù)，且使用方便，能避免測試過程中發(fā)動機(jī)的反復(fù)拆裝等優(yōu)點。
文檔編號G01K7/22GK102749149SQ20111009871
公開日2012年10月24日 申請日期2011年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月19日
發(fā)明者何斌, 張洪濤, 杜愛民, 邵達(dá) 申請人:同濟(jì)大學(xué)