石敬南，王代華，張 強(qiáng)，趙慶嵐

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原 030051；2.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261000；3.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261000；4.陸軍裝備部駐北京地區(qū)軍事代表局，北京 100000)

0 引言

活塞作為發(fā)動機(jī)最關(guān)鍵的零部件之一，工作環(huán)境十分惡劣[1]。發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)部燃?xì)馑矔r溫度可達(dá)2 000 K[2]，活塞在氣缸中往復(fù)運(yùn)動的同時，會直接接觸高溫燃?xì)?，受熱?yán)重，而密閉的燃燒室又不利于散熱[3]，高溫在活塞內(nèi)部產(chǎn)生的熱變形和熱應(yīng)力會使活塞強(qiáng)度降低，最終造成發(fā)動機(jī)拉缸[4]。研究表明，局部溫度過高，溫度分布不均導(dǎo)致活塞內(nèi)應(yīng)力增大、活塞變形是活塞失效的主要原因[5]。因此對發(fā)動機(jī)活塞溫度進(jìn)行測試，獲取溫度隨時間變化曲線，進(jìn)而為分析活塞溫度場分布規(guī)律提供實測數(shù)據(jù)，對發(fā)動機(jī)設(shè)計和改良具有重要意義。

傳統(tǒng)的活塞測溫方法有硬度塞法、易熔合金法、殘余硬度法等[6]，因測量精度不高，實測過程中大都作為參考方法使用。引線法精度較高，但在活塞往復(fù)運(yùn)動過程中，引線因反復(fù)拉伸很容易折斷[7]。針對發(fā)動機(jī)活塞溫度測試以上問題，本文將存儲測試方法與無線通信技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了一種具有無線通信功能的發(fā)動機(jī)活塞溫度測試系統(tǒng)，將測試裝置做散熱隔熱處理后嵌入發(fā)動機(jī)內(nèi)部實時采集活塞測點溫度值。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

系統(tǒng)由測試儀和上位機(jī)兩部分構(gòu)成，總體框圖如圖1所示。測試儀主要由電源管理模塊、信號調(diào)理模塊、采集存儲模塊和無線通信模塊構(gòu)成，上位機(jī)部分由上位機(jī)軟件和ZigBee協(xié)調(diào)器模塊構(gòu)成。系統(tǒng)選用K型熱電偶作為測量活塞溫度的傳感器，通過信號調(diào)理模塊將熱電偶輸出電壓變?yōu)榭杀籄DC接收的范圍，信號調(diào)理模塊包括RFI前置濾波、通道選擇、冷端補(bǔ)償和二階壓控濾波等部分。采集存儲模塊選用PIC24系列單片機(jī)作為控制核心，并選用PIC單片機(jī)內(nèi)置12位AD作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，負(fù)責(zé)采集活塞頂部的3路熱電偶信號并將測試結(jié)果存至存儲器內(nèi)。測試儀無線通信模塊選用CC2530作為主控芯片，負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行通信，上位機(jī)協(xié)調(diào)器節(jié)點也由CC2530作為控制核心，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立、串口命令的發(fā)送和無線數(shù)據(jù)的接收。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)上電后，PIC單片機(jī)作為主機(jī)使用，CC2530工作在從機(jī)模式。為了降低系統(tǒng)功耗，PIC單片機(jī)在采集進(jìn)程開始前和結(jié)束后均處于低功耗模式，CC2530由定時器控制周期性休眠和喚醒。測試開始前，先通過上位機(jī)對系統(tǒng)觸發(fā)溫度進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)至測試工況后，環(huán)境溫度升至預(yù)設(shè)值，PIC外部中斷觸發(fā)，系統(tǒng)開始采集任務(wù)。當(dāng)上位機(jī)發(fā)來指令后，首先被從機(jī)CC2530射頻信號收發(fā)模塊接收處理后，再由CC2530通過外部中斷喚醒PIC單片機(jī)對上位機(jī)指令進(jìn)行處理。

系統(tǒng)主要設(shè)計指標(biāo)如下：

1)溫度測試范圍：50～800 ℃；

2)溫度測試誤差：≤±2 ℃；

3)最高工作溫度：≥125 ℃；

4)采樣頻率：50 kHz；

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 前置RFI射頻濾波電路設(shè)計

活塞測溫時，測試環(huán)境周圍手機(jī)、電腦、無線電廣播等設(shè)備會產(chǎn)生的大量的高頻噪聲信號[8]。由于熱電偶輸出信號很小，這些噪聲被熱電偶引線拾取后會產(chǎn)生較大干擾，經(jīng)儀表放大器整流后會造成直流失調(diào)[9]，造成測試誤差，且在儀表放大器的后續(xù)信號處理中不易濾除。因此，在熱電偶信號輸入儀表放大器之前，設(shè)計了前置RFI低通濾波電路，如圖2所示。其中，差模截止頻率為：

圖2 RFI濾波原理圖

(1)

共模截止頻率為：

(2)

式(1)和(2)中，C=C1=C3，R=R1=R2，C2≥10C。

當(dāng)R1=R2=1 k，C1=C3=10 nF，C2=100 nF時，代入得(1)和(2)得，fdm=757.88 Hz，fcm=15.92 kHz。即對頻率大于757.88 Hz的差模信號和頻率大于15.92 kHz的共模信號具有很好的抑制作用。

2.2 冷端補(bǔ)償電路設(shè)計

使用熱電偶測溫時，通常默認(rèn)參考端溫度為0 ℃[10]，但在測試發(fā)動機(jī)活塞溫度時，熱電偶冷端溫度并不為0 ℃，因此需要對冷端進(jìn)行溫度補(bǔ)償。測試系統(tǒng)冷端補(bǔ)償電路設(shè)計如圖3所示，主要由基準(zhǔn)電壓源、AD590和補(bǔ)償電阻構(gòu)成，通過在熱電偶回路中產(chǎn)生隨溫度變化的反向電勢，將冷端溫度不為0時產(chǎn)生的電勢抵消掉，從而起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩Ｆ渲蠥D590為集成溫度傳感器的環(huán)境溫度測量芯片，輸出電流與溫度上升成正比，LT66548BX為2.5V基準(zhǔn)電壓源。

圖3 冷端補(bǔ)償電路原理圖

設(shè)活塞頂部熱電偶測試端溫度為T，環(huán)境溫度為R，熱電偶回路產(chǎn)生的熱電勢為E(T,R)，即熱端產(chǎn)生的接觸電勢為E(T)，冷端產(chǎn)生的接觸電勢為E(R)，且在實際測量過程中，補(bǔ)償電阻A產(chǎn)生的補(bǔ)償電勢為UA。則熱電偶回路輸入儀表放大器的電勢為E(T,R)與UA之和，當(dāng)冷端電勢E(R)與補(bǔ)償電勢UA相等時，二者完全抵消，實現(xiàn)冷端溫度補(bǔ)償。據(jù)此對結(jié)點A應(yīng)用節(jié)點電壓法并列出冷端溫度補(bǔ)償電壓方程。另外，當(dāng)完全補(bǔ)償時，補(bǔ)償電壓UA對溫度的變化率應(yīng)與K型熱電偶在溫度為R時的微分熱電勢相等，據(jù)此列出補(bǔ)償電壓的導(dǎo)數(shù)方程，兩者聯(lián)立如下：

(3)

式(3)中,電阻A為接參考電壓源的補(bǔ)償電阻，電阻B為節(jié)點A的接地電阻，IA(R)為AD590芯片在環(huán)境溫度為T時的輸出電流，Vref為2.5 V基準(zhǔn)電壓，KR為熱電偶在環(huán)境溫度為R時的微分熱電勢，式中只有電阻A、B的電阻值未知，通過代入已知量可求出電阻A與電阻B的值。

2.3 可調(diào)溫度觸發(fā)電路設(shè)計

測試系統(tǒng)具有可調(diào)溫觸發(fā)功能，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到系統(tǒng)觸發(fā)值后，系統(tǒng)自動開始瞬態(tài)溫度的采集。可調(diào)溫度觸發(fā)電路主要由AD8495和數(shù)字電位器構(gòu)成，通過上位機(jī)編程控制數(shù)字電位器實現(xiàn)預(yù)設(shè)觸發(fā)溫度的功能。AD8495為ADI公司生產(chǎn)的集成冷端溫度補(bǔ)償?shù)木軣犭娕挤糯笃?，其輸出電壓Vout和溫度T具有良好的線性關(guān)系，當(dāng)用作溫度設(shè)定點控制器時，設(shè)定溫度T0為：

T0=(Vse-VREF)/5 mV/℃

(4)

式中,Vse為SENSE引腳輸入電壓，VREF為參考電壓。當(dāng)溫度低于預(yù)設(shè)溫度時，AD8495輸出低電平。溫度高于預(yù)設(shè)溫度時，AD8495輸出高電平。實際測試過程中，當(dāng)溫度上升至預(yù)設(shè)溫度值后，AD8495輸出上升沿觸發(fā)PIC單片機(jī)外部中斷，喚醒PIC單片機(jī)開始工作。數(shù)字電位器選用單通道256位置分辨率的數(shù)字電位器，REF引腳接電壓基準(zhǔn)芯片輸出，通過分壓跟隨電路調(diào)整其電壓變化范圍為0～1.25 V，通過單片機(jī)控制數(shù)字電位器即可使SENSE引腳輸入電壓為5 mV的整數(shù)倍，由(4)式知，當(dāng)VREF引腳接地時，控制SENSE引腳電壓即可調(diào)節(jié)預(yù)設(shè)觸發(fā)溫度。

2.4 二階壓控濾波電路設(shè)計

對熱電偶輸出信號放大后，還需通過濾波電路濾除殘余噪聲，采用二階壓控濾波電路實現(xiàn)。系統(tǒng)工作頻率范圍在5 kHz以內(nèi)，其自身的諧振頻率大于50 kHz，綜合考慮上述兩個參數(shù)，設(shè)置濾波器的截止頻率為10 kHz。二階壓控低通濾波電路如圖4所示。取R3=R4=4 kΩ，R1=R2=2 kΩ，C1=C2=0.01 μF。則二階壓控濾波電路通帶電壓放大倍數(shù)Aup為：

圖4 二階壓控濾波電路原理圖

(5)

等效品質(zhì)因數(shù)Q為[11]：

(6)

2.5 無線通信設(shè)計

系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)作為無線通信方式，選用TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片實現(xiàn)。系統(tǒng)無線通信部分由測試儀無線發(fā)送端和上位機(jī)協(xié)調(diào)器節(jié)點兩部分組成，兩者通過CC2530建立ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。測試儀無線發(fā)送端由主控芯片CC2530及其外圍的JTAG下載口電路、晶振電路、射頻收發(fā)端外接的巴倫電路和天線等部分組成。上位機(jī)協(xié)調(diào)器節(jié)點電路與測試儀發(fā)送端相似，主控芯片也為CC2530，通過串口與上位機(jī)相連，負(fù)責(zé)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組建、發(fā)送上位機(jī)命令和接收無線測試數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

PIC單片機(jī)工作流程如圖5所示，測試系統(tǒng)上電后，PIC單片機(jī)首先對內(nèi)部堆棧指針、中斷向量表、各I/O口、看門狗、串口通信模塊等部分進(jìn)行初始化設(shè)置，配置系統(tǒng)時鐘并為寄存器賦初值，初始化完成后，使能全局中斷并將外部中斷INT1設(shè)置為上升沿觸發(fā)，然后進(jìn)入睡眠模式等待相應(yīng)指令。當(dāng)AD7485作為預(yù)設(shè)溫度控制器時，上位機(jī)通過調(diào)節(jié)SENSE引腳輸入電壓即可設(shè)定系統(tǒng)開始瞬態(tài)采集的初始溫度值。當(dāng)測試環(huán)境溫度到預(yù)設(shè)值后，AD7484會輸出一個上升沿喚醒單片機(jī)進(jìn)入中斷子程序，系統(tǒng)開始瞬態(tài)溫度采集并將數(shù)據(jù)有序存入NAND Flash中。當(dāng)測試工況的瞬態(tài)溫度數(shù)據(jù)采集完成后，定時器完成定時產(chǎn)生定時中斷，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式。當(dāng)CC2530接收到上位機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)讀取指令時，先判斷指令類型及有效性，然后通過外部中斷喚醒主機(jī)。主機(jī)將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)從NAND Flash中讀出后，通過UART串口返回至CC2530，最后通過射頻無線發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)接收終端。當(dāng)單片機(jī)發(fā)生異常時，看門狗首先將當(dāng)前存儲的數(shù)據(jù)和地址保存下來再產(chǎn)生復(fù)位信號使單片機(jī)復(fù)位，當(dāng)無線傳輸功能發(fā)生異常時，可在設(shè)備回收后通過USB口直接讀取NAND Flash中存儲的備份數(shù)據(jù)。

圖5 PIC單片機(jī)主程序流程圖

3.2 ZigBee無線通信模塊程序設(shè)計

測試系統(tǒng)無線通信模塊工作過程如圖6所示。測試儀內(nèi)部，CC2530與PIC單片機(jī)通過UART接口通信，PIC單片機(jī)工作在主機(jī)模式，CC2530作為從機(jī)使用。測試系統(tǒng)開始工作后，從機(jī)節(jié)點被上電激活，先進(jìn)行軟硬件初始化，然后開始掃描與上位機(jī)相連的協(xié)調(diào)器節(jié)點組建的網(wǎng)絡(luò)信息，檢測到信標(biāo)后立刻發(fā)送關(guān)聯(lián)請求申請加入網(wǎng)絡(luò)直至入網(wǎng)成功。

圖6 ZigBee終端程序

4 實驗結(jié)果與分析

在活塞溫度測試試驗前，利用高溫箱對測試系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定。系統(tǒng)上位機(jī)最終接收的值為測量端電壓轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量，需要轉(zhuǎn)變?yōu)闇y量端溫度值。由于不同溫度下熱電偶微分熱電勢有一定差別，輸出不是線性關(guān)系，直接建立系統(tǒng)輸出與活塞溫度的擬合關(guān)系式比較復(fù)雜。因此，先測試不同溫度下的熱電偶經(jīng)冷端補(bǔ)償電路后輸入儀表放大器的電壓值，將其與最終上位機(jī)接收的數(shù)字量用最小二乘法擬合，建立二者的擬合關(guān)系式，進(jìn)而將電壓值代入ITS-90溫標(biāo)規(guī)定的從熱電偶輸出電勢反解測量端溫度的NIST公式中求出測試端溫度值[12]。從0 ℃到800 ℃以50 ℃為間隔取16個溫度點對系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定，通過擬合關(guān)系式解算出最終溫度值，然后通過公式(7)對擬合關(guān)系進(jìn)一步修正，使最終修正結(jié)果的最大正誤差與最大負(fù)誤差相等，系統(tǒng)誤差在±1 ℃以內(nèi)。標(biāo)定值、未經(jīng)修正的溫度值和修正后的溫度值如表1所示，修正前系統(tǒng)最大誤差為0.9 ℃，修正后變?yōu)?.8 ℃。

表1 最終擬合溫度表 (單位：℃)

(7)

式中,f(x)為擬合函數(shù)，Δ1和Δ2分別為最大正誤差與最大負(fù)誤差，y為修正后的溫度值。

在活塞頂部布設(shè)3個溫度測點，其中測點1位于活塞中心，測點2與測點3對稱分布在活塞頂部靠近邊緣位置的兩側(cè)，測點2位于氣缸進(jìn)氣側(cè)方向，測點3位于氣缸排氣側(cè)方向。通過上位機(jī)關(guān)閉系統(tǒng)溫度觸發(fā)功能，打開無線觸發(fā)開關(guān)，按如下步驟在發(fā)動機(jī)臺架上進(jìn)行活塞溫度測試試驗：

1)在活塞銷孔附近打3個與活塞頂面垂直的鉆孔，然后將熱電偶引線做絕緣隔熱處理后經(jīng)鉆孔安裝至活塞頂部3個測點處；

2)將測試裝置做隔熱減震處理后安裝在活塞銷座的下方并上電；

3)檢查發(fā)動機(jī)油箱、水箱、機(jī)油液位等參數(shù)是否正常，啟動發(fā)動機(jī)；

4)發(fā)動機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)15分鐘后，通過發(fā)動機(jī)臺架配置的測功機(jī)調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩，使發(fā)動機(jī)進(jìn)入待測試工況。

5)上位機(jī)發(fā)送“開始采集”指令開始活塞頂部溫度采集，采集完成后發(fā)送“數(shù)據(jù)讀取”指令接收測試數(shù)據(jù)。

6)調(diào)整發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，運(yùn)行穩(wěn)定后按步驟5)再次測試新工況下的活塞頂部溫度值。

7)通過上位機(jī)打開系統(tǒng)溫度觸發(fā)功能，設(shè)置環(huán)境溫度觸發(fā)值后，再次測試。

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時測點1測試結(jié)果如圖7所示，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時測點3測試結(jié)果如圖8所示。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時，測點1～3穩(wěn)定后的平均溫度分別為232 ℃、228 ℃和245 ℃。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速升至2 000 r/min時，測點1～3穩(wěn)定后的平均溫度分別為255 ℃、250 ℃和280 ℃。

圖7 1 500 r/min測點1測試結(jié)果

圖8 2 000 r/min測點3測試結(jié)果

從測試結(jié)果可以看出，3個測點中位于排氣側(cè)的測點3溫度最高，位于燃燒室中心的測點1溫度略高于進(jìn)氣側(cè)的測點2，3個測點的溫度均隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而升高。

5 結(jié)束語

本文將存儲測試技術(shù)應(yīng)用在發(fā)動機(jī)活塞溫度測試領(lǐng)域，設(shè)計了一種嵌入式活塞溫度測試系統(tǒng)，并通過發(fā)動機(jī)臺架試驗驗證了系統(tǒng)的有效性和可靠性。試驗表明，本系統(tǒng)在130 ℃高溫環(huán)境下仍能正常工作，誤差在±1 ℃以內(nèi)，實現(xiàn)了預(yù)期功能，為活塞溫度測試提供了新的技術(shù)手段，為發(fā)動機(jī)活塞設(shè)計和優(yōu)化提供了實測數(shù)據(jù)支撐。