基于高速轉(zhuǎn)臺(tái)下的發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量系統(tǒng)分析 Analysis of Engine Pressure Measurement System Based on High Speed Turntable

曹慧 CAO Hui

摘要：本文介紹基于高速轉(zhuǎn)臺(tái)的發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠精確測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)部的壓強(qiáng)，并自帶存儲(chǔ)測(cè)試相關(guān)裝備。傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量采用的是間接測(cè)量方法，通過(guò)對(duì)推力和時(shí)間的相對(duì)數(shù)據(jù)而倒推出燃燒室的壓力數(shù)據(jù)，此種方式會(huì)因?yàn)槟Σ亮?duì)推力的損耗而產(chǎn)生較大誤差。而改進(jìn)的基于高速轉(zhuǎn)臺(tái)的發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量系統(tǒng)則因?yàn)橥ㄟ^(guò)采用對(duì)燃燒室直接測(cè)量的方式而減少誤差，實(shí)現(xiàn)了精確測(cè)量。

Abstract： This paper introduces the engine pressure measurement system based on high-speed turntable. The system can accurately measure the pressure in the engine combustion chamber， and has its own storage and testing equipment. The traditional engine pressure measurement adopts the indirect measurement method， which reverses the pressure data of the combustion chamber through the relative data of thrust and time. This method will produce large errors due to the loss of thrust by friction. The improved engine pressure measurement system based on high-speed turntable reduces the error and realizes accurate measurement by directly measuring the combustion chamber.

關(guān)鍵詞：高速轉(zhuǎn)臺(tái);發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量;壓力測(cè)量系統(tǒng);系統(tǒng)測(cè)量條件;系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Key words： high speed turntable;engine pressure measurement;pressure measuring system;system measurement conditions;system software design

中圖分類號(hào)：U464? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）22-0045-02

0? 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用常常被限制在高速轉(zhuǎn)臺(tái)的背景下，導(dǎo)致其在此應(yīng)用狀態(tài)的性能等產(chǎn)生和其一般應(yīng)用狀態(tài)下的顯著區(qū)別。為此，相關(guān)研究人員對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在高速轉(zhuǎn)臺(tái)下的壓力水平進(jìn)行測(cè)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用有重要參考價(jià)值。本文內(nèi)容包括該發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量條件、軟硬件部分以及測(cè)量結(jié)構(gòu)部分等。

1? 基于高速轉(zhuǎn)臺(tái)下的發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量條件

1.1 基于高速轉(zhuǎn)臺(tái)下的發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量系統(tǒng)具體過(guò)程

為了測(cè)試出明確的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部動(dòng)能，該壓力測(cè)量系統(tǒng)使用已經(jīng)被長(zhǎng)期應(yīng)用的發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)擁有高速轉(zhuǎn)臺(tái)主軸。該高速度的轉(zhuǎn)臺(tái)主軸的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到11000r/min，該高速轉(zhuǎn)軸的內(nèi)部含有液壓油，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的壓力可以被充分疏導(dǎo)出來(lái)并且避免因?yàn)楦邷厮鶎?dǎo)致的實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。具體的測(cè)量過(guò)程如下：首先發(fā)動(dòng)機(jī)被控制在高速轉(zhuǎn)臺(tái)主軸上，然后主軸開(kāi)始高速運(yùn)轉(zhuǎn)，而發(fā)動(dòng)機(jī)則在高速主軸的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式高速運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)人員根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)被動(dòng)運(yùn)行功率值的達(dá)成而進(jìn)行點(diǎn)火，以實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒室工作環(huán)境的完整再現(xiàn)。而燃燒室的內(nèi)部壓力則通過(guò)主軸壓力液而被傳導(dǎo)到壓力測(cè)量系統(tǒng)中的壓力傳感器之中，實(shí)驗(yàn)人員可以通過(guò)壓力傳感器的數(shù)值確定發(fā)動(dòng)機(jī)的具體壓力數(shù)據(jù)。

1.2 基于高速轉(zhuǎn)臺(tái)下的發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量系統(tǒng)具體方案

該高速轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量系統(tǒng)由傳感器系統(tǒng)部分和協(xié)調(diào)器系統(tǒng)部分兩個(gè)集成系統(tǒng)組成。傳感器集成系統(tǒng)部分是主要的壓力測(cè)量功能部分。其包括發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壓力傳感器、信息管理子系統(tǒng)、STM33控制核心、信息儲(chǔ)存子系統(tǒng)、信息無(wú)線傳輸支持子系統(tǒng)等內(nèi)容。

該集成系統(tǒng)部分可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壓力數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確收集、儲(chǔ)存與傳輸，同時(shí)該系統(tǒng)的抗干擾性能優(yōu)良，該系統(tǒng)也可以被長(zhǎng)期使用在高溫度環(huán)境中。協(xié)調(diào)器集成系統(tǒng)部分包括STM33控制核心、電平變化子系統(tǒng)、信息無(wú)線傳輸子系統(tǒng)等，能夠?qū)崿F(xiàn)壓力測(cè)量數(shù)據(jù)的外部傳輸與管理。該測(cè)量系統(tǒng)可以通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)與終端顯示平臺(tái)的連接，實(shí)驗(yàn)人員可以在實(shí)驗(yàn)完成后將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端顯示器而展示出來(lái)。

2? 基于高速轉(zhuǎn)臺(tái)下的發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 基于高速轉(zhuǎn)臺(tái)下的發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量傳感器相關(guān)設(shè)計(jì)

高速轉(zhuǎn)臺(tái)下的發(fā)動(dòng)機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較高的瞬時(shí)沖擊力，根據(jù)測(cè)試，本文所選用的測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)沖擊力可以得到58MPa。當(dāng)發(fā)生較高的瞬時(shí)沖擊力時(shí)，一般的壓力測(cè)量傳感器會(huì)因?yàn)闆_擊力而產(chǎn)生較大的漂移，導(dǎo)致壓力測(cè)量的準(zhǔn)確性和長(zhǎng)期可靠性降低。而本文介紹的基于高速轉(zhuǎn)臺(tái)下的發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量系統(tǒng)則采用LTP-J2型號(hào)的濺射式壓力傳感器進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量。LTP-J2型號(hào)濺射式發(fā)動(dòng)機(jī)壓力傳感器可以在經(jīng)受高速?zèng)_擊和高溫變化時(shí)保持低于0.5%的零點(diǎn)漂移率，具有較好的穩(wěn)定性，并且可以在發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力運(yùn)轉(zhuǎn)中始終保證傳感結(jié)果的準(zhǔn)確性。該LTP-J2型號(hào)壓力傳感器中的壓力感知元件的技術(shù)構(gòu)成包括真空磁控技術(shù)、絕緣技術(shù)已經(jīng)高電阻材料技術(shù)等，能夠?qū)崿F(xiàn)在壓力膜片中的性能優(yōu)質(zhì)的惠斯頓電橋的形成，從而保證壓力感知的長(zhǎng)期良好敏感度。

因?yàn)楸疚慕榻B的壓力測(cè)量系統(tǒng)中的傳感器集成系統(tǒng)的信號(hào)傳輸功率為9mV以下，而STM33控制核心的ADC電壓值的閾值限制在3.3V，因此為了能夠?qū)崿F(xiàn)觀感器集成系統(tǒng)信息輸出與信息管理的協(xié)調(diào)性，提升壓力測(cè)試結(jié)果的精確性，該發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成中應(yīng)該包括信息管理子系統(tǒng)。在信息管理子系統(tǒng)中，本文采用AD625型號(hào)的放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信息傳輸功率的擴(kuò)大。AD625型號(hào)的放大器采用經(jīng)典的三運(yùn)放形式的設(shè)計(jì)，能夠精準(zhǔn)適應(yīng)于壓力測(cè)量裝置的電橋電路使用環(huán)境。壓力測(cè)量人員可以通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)易電阻裝置的安置而實(shí)現(xiàn)對(duì)信息傳輸增益的有效控制，放大器的具體電路公式為RG=49.4kΩ/（G-1），其中G為信息傳輸?shù)脑鲆鏀?shù)值，RG為具體被安置的外部電阻數(shù)值。因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的環(huán)境同時(shí)存在一定的高頻干擾，會(huì)對(duì)后續(xù)的信息轉(zhuǎn)換造成精度降低的影響，因此本文在該壓力測(cè)量系統(tǒng)中既安置了信息放大裝置，同時(shí)也安置了信號(hào)濾波器裝置。該壓力測(cè)量系統(tǒng)采用運(yùn)放LF353型號(hào)的信號(hào)濾波器，能夠在低通狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)的有效過(guò)濾。為了防止該壓力測(cè)量器的相關(guān)電路之間的運(yùn)行產(chǎn)生相互間的干擾，該發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量系統(tǒng)采用了MCP6003型號(hào)的信息跟隨器來(lái)進(jìn)行電路緩沖，保證不同電路之間的良好電阻抗匹配效果。

2.2 基于高速轉(zhuǎn)臺(tái)下的發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量信息采集的設(shè)計(jì)

基于高速轉(zhuǎn)臺(tái)的發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量信息系統(tǒng)的信息采集微型控制器的型號(hào)為STM32F103VET7，該型號(hào)的微型信息采集裝置內(nèi)部包含有超過(guò)十二數(shù)位的高分辨率A/D裝置，能夠在超過(guò)1MHz的速率下實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的有效轉(zhuǎn)換。通過(guò)該型號(hào)信息采集與信息轉(zhuǎn)換裝置，發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量人員可以在微型信息采集裝置的電壓正極范圍之內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的有效轉(zhuǎn)換，并且保證信息轉(zhuǎn)換后的傳輸電壓的高精度性。信息經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換與管理后的傳輸最大功率值可以達(dá)到2.45V。發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量人員應(yīng)該通過(guò)對(duì)初始電壓的穩(wěn)定來(lái)提升信息采集的準(zhǔn)確度。因此測(cè)量人員可以通過(guò)該系統(tǒng)中的REF3025電壓供給單元來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)初始電壓值的穩(wěn)定提供。該壓力測(cè)量系統(tǒng)采用CC2530芯片來(lái)構(gòu)建信息無(wú)線支持子系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)施的良好搭建。該發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量系統(tǒng)的信息儲(chǔ)存子系統(tǒng)的核心芯片選擇為Nor Flash的W25X64，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)超過(guò)8MB信息的長(zhǎng)期有效存儲(chǔ)。通過(guò)W25X64芯片，該壓力測(cè)量系統(tǒng)可以在3.75μs/Byte（130kHz）的速度下實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的高速儲(chǔ)存，充分滿足壓力測(cè)量系統(tǒng)對(duì)信息傳輸與儲(chǔ)存的高要求。

2.3 基于高速轉(zhuǎn)臺(tái)下的發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量動(dòng)態(tài)標(biāo)定的設(shè)計(jì)

當(dāng)進(jìn)行高速轉(zhuǎn)臺(tái)下的發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量時(shí)，該測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)該實(shí)現(xiàn)對(duì)高速轉(zhuǎn)軸與發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量傳感器的同時(shí)控制，但是因?yàn)楦咚俎D(zhuǎn)軸與壓力測(cè)量傳感器的共線效果容易出現(xiàn)問(wèn)題，因此測(cè)量人員可能在具體測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該壓力測(cè)量傳感器在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)受到離心力影響的位移現(xiàn)象，造成壓力感知膜片的數(shù)據(jù)誤差的出現(xiàn)。此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)就是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壓力和高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力所共同造成的結(jié)果。為了保證壓力測(cè)量傳感器傳感膜片的數(shù)據(jù)正確，排除離心力的影響，該發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)標(biāo)定的設(shè)計(jì)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量結(jié)果的精確性。利用此種方式，該發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量系統(tǒng)可以明確對(duì)壓力測(cè)量感知膜片造成影響的壓力來(lái)源，同時(shí)將此種壓力來(lái)源進(jìn)行數(shù)據(jù)上的排除。該動(dòng)態(tài)標(biāo)定設(shè)計(jì)如圖1所示。

通過(guò)對(duì)壓力傳感器的標(biāo)準(zhǔn)壓力的確定，動(dòng)態(tài)標(biāo)定設(shè)計(jì)方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同狀態(tài)下的壓力數(shù)值的準(zhǔn)確測(cè)量，從而得出動(dòng)態(tài)壓力輸出與靜態(tài)壓力輸出的數(shù)字差距，然后反推出傳感器感知數(shù)據(jù)的誤差數(shù)值，進(jìn)而幫助測(cè)量人員明確壓力測(cè)量的準(zhǔn)確數(shù)值。該公式如下：ΔU=U（P）-U′（P）。

3? 基于高速轉(zhuǎn)臺(tái)下的發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于高速轉(zhuǎn)臺(tái)下的發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量系統(tǒng)軟件部分的最重要內(nèi)容是數(shù)據(jù)的采集部分。當(dāng)系統(tǒng)被初始化之后，系統(tǒng)的信息感知部分處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)外部信息傳輸時(shí)，該系統(tǒng)的信息感知部分就被喚醒。具體而言，信息通過(guò)輸入脈沖的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)串口指令的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)信息感知部分的觸發(fā)。當(dāng)信息感知部分被觸發(fā)后，信息儲(chǔ)存芯片將會(huì)主動(dòng)對(duì)失效信息進(jìn)行抹去，同時(shí)采集新信息，當(dāng)信息未達(dá)到極限時(shí)，信息將會(huì)一直被循環(huán)存儲(chǔ)。本文的軟件系統(tǒng)采用了兩個(gè)信息緩沖區(qū)域來(lái)進(jìn)行信息存儲(chǔ)，以避免信息操作的沖突出現(xiàn)。該軟件系統(tǒng)的的信息采集速度消耗可以達(dá)到1.17μs。該軟件設(shè)計(jì)部分所采用的信息無(wú)線傳輸支持子系統(tǒng)的芯片為CC2530。利用該芯片，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)對(duì)ZigBee程序內(nèi)容的編寫(xiě)而進(jìn)行對(duì)信息傳輸?shù)挠行Э刂啤?/p>

4? 基于高速轉(zhuǎn)臺(tái)下的發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于高速轉(zhuǎn)臺(tái)下的發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量系統(tǒng)的整個(gè)結(jié)構(gòu)應(yīng)該能夠讓發(fā)動(dòng)機(jī)在高速度被動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)離心力影響的有效排除，同時(shí)盡量減少壓力測(cè)量平臺(tái)的功率消耗。該發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該以對(duì)稱設(shè)計(jì)為原則。該結(jié)構(gòu)中的上端蓋部分應(yīng)該被設(shè)置兩個(gè)開(kāi)口，當(dāng)測(cè)量人員向系統(tǒng)注入壓力液時(shí)，系統(tǒng)中的空氣可以通過(guò)開(kāi)口而被排除，從而杜絕氣機(jī)現(xiàn)象的發(fā)生。當(dāng)壓力液被注入系統(tǒng)后，測(cè)量人員通過(guò)螺栓密封測(cè)試裝置，并利用螺紋等將整個(gè)系統(tǒng)固定在低端座上。

5? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文基于對(duì)高速轉(zhuǎn)臺(tái)下的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了壓力測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析。傳統(tǒng)的壓力測(cè)量方法會(huì)因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的阻力等導(dǎo)致數(shù)值的偏差。而本文介紹的壓力測(cè)量系統(tǒng)則直接對(duì)燃燒室內(nèi)部的壓力進(jìn)行測(cè)量，能夠在排除各種內(nèi)外部干擾的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)壓力水平的精確測(cè)量，為發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用提供科學(xué)的參考數(shù)據(jù)，從而促進(jìn)我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)事業(yè)的發(fā)展。

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