基于电容法测量活塞与缸套间油膜厚度的遥测装置及方法
技术领域
本发明涉及一种基于无线传输技术的油膜厚度测量装置及工作方法，属于活塞与缸套间油膜厚度测量控制
技术领域
。背景技术
随着社会现代化发展，节能减排的环保意识深入人心。内燃机的应用领域十分广泛，在车辆、船舶、航空航天、发电站等行业大量使用。内燃机作为在极端工况下运行的部件，依靠燃料燃烧提供动力使活塞在缸套内做高速运动，必定存在严重的摩擦磨损问题，严重的磨损问题将导致热效率降低，燃油消耗增加，污染气体排放增加，如何降低内燃机中摩擦磨损一直是内燃机研究的热点，而对内燃机摩擦性能进行优化，需要寻找其影响因素并探究影响规律。
由于摩擦过程复杂，影响摩擦磨损的因素众多。内燃机摩擦磨损的重要影响因素有摩擦副材料性质、润滑状况、润滑油参数、接触面力等，而润滑状况与摩擦副接触面力受活塞运动状态的影响，活塞在内燃机中不仅存在沿缸套轴线的往复运动，也存在垂直于缸套轴线的横向运动和绕活塞销的旋转运动，即活塞的二阶运动。活塞二阶运动的存在，使活塞在做高速往复运动时敲击缸套，在敲击瞬间活塞与缸套之间的接触面压力瞬间提高，破坏润滑油膜，摩擦状态由液体摩擦转变为混合摩擦或干摩擦，活塞、活塞环组与缸套之间的摩擦磨损加剧，而活塞环组的磨损将导致漏气量增加，一方面使燃烧室最高压力减小，燃油消耗率增加，热效率降低，另一方面燃油进入油底壳使机油变质，降低机油润滑效果，加剧摩擦磨损，形成恶性循环。
故有必要对活塞的运动状态进行研究，目前研究方式有理论分析、数值仿真、实验监测，其中对活塞磨损和活塞运动状态的实验监测可以通过测量活塞与缸套之间的油膜厚度实现。目前对活塞油膜厚度测量的方法主要有三种：超声波法、激光诱导荧光法和电容法，其中超声波法和电容法可以对工作状态下的内燃机进行测量，由于电容法精度高、容易实现，故选用电容法进行测量。传统电容法测量油膜厚度时将多个待测电容探头放置在内燃机机体中，可以测得活塞在不同曲轴转角处时缸套上测点的油膜厚度变化。这种方法测量活塞环最小油膜厚度时较为方便，但无法进行活塞固定测点油膜厚度变化的连续测量。测试系统根据信号传输方式分为储测式、有线传输式、遥测式。在储测式系统中采集信号储存在缸内采集模块的存储器中，在采集结束后取出存取器中的数据，该方法优点是对内燃机改造小，测试系统整体结构较简单，但在每次测试后需要拆卸实验机，操作繁琐。有线传输可实时监测数据，但对内燃机改动较大，并且将测量系统放置在活塞内时不便使用该方法。遥测式可以对润滑油膜变化实时监控，并且对内燃机改动小，但数据传输速度较有线传输方法稍低。
发明内容
针对传统的基于电容法测量发动机在运行时活塞与缸套之间油膜厚度的方法，不能直接监测活塞预定测量点与缸套之间油膜厚度变化、发动机改动较大等问题，本发明公开基于电容法测量活塞与缸套间油膜厚度的遥测装置及方法目的是：基于电容法实现活塞与缸套之间油膜厚度的遥测测量，并能够对所述遥测测量数据实现数据可视化显示与数据存储，此外，通过将电容采集模块放置在活塞內部带来如下优点：(1)通过将待测电容电极探头放置在活塞上，能够直接跟踪测量活塞运动时油膜厚度变化；(2)仅通过对活塞进行安装待测电容电极探头的适配改进加工，无需改装发动机机体，即能够实现活塞与缸套之间油膜厚度的遥测测量，进而显著降低加工复杂度和成本；(3)通过使用滑动导体与导线连接缸套与电容采集芯片而非直接使用导线连接，能够大幅简化连接装置的安装结构，减少由于导线缠挂在缸内运动零部件所带来测量装置损坏的可能性。
本发明的目的通过下述技术装置实现。
本发明公开的基于电容法测量活塞与缸套间油膜厚度的遥测装置，包括供电稳压模块、电容采集模块、无线通信模块、上位机数据处理模块、改造活塞。
所述供电稳压模块主要由电池、电源稳压芯片及其外围电路和温控开关组成。
所述电容采集模块包括电容采集芯片及其外围电路、待测电容、缸套与电容采集芯片连接装置、探头固定与连接部分。所述待测电容主要由待测电容电极探头、缸套、润滑油组成。所述待测电容的两个电容电极分别为所述待测电容电极探头、缸套，即一个电极为固定于改造活塞上的待测电容电极探头，另一个电极为缸套。所述缸套与电容采集芯片连接装置主要由滑动导体、滑动导体支撑架、弹性元件、滑动导体与弹性元件连接件、缸套采集端导线组成。所述探头固定与连接部分主要由高温绝缘胶、屏蔽罩、探头采集端导线组成。待测电容电极探头直接通过探头采集端导线连接至电容采集芯片及其外围电路。缸套与电容采集芯片及其外围电路通过滑动导体、缸套采集端导线连接。滑动导体支撑架、弹性元件、滑动导体与弹性元件连接件，用于保持滑动导体与缸套处于压紧状态并建立电气连接。
所述无线通信模块包括缸内无线通信模块和缸外无线通信模块，所述缸内无线通信模块和缸外无线通信模块分别由无线通信芯片及其外围电路和天线组成。
所述上位机数据处理模块用于对所述遥测测量数据实现数据可视化显示与数据存储，所述遥测测量数据为反映活塞与缸套之间油膜厚度变化的电容值。
所述改造活塞为安装待测电容电极探头、缸套与电容采集芯片连接装置做适配改进加工的活塞，无需改装发动机机体。电容采集模块中的缸套与电容采集芯片连接装置通过改造活塞适配改进实现机械连接，电容采集模块中的待测电容电极探头通过高温胶固定在改造活塞上，电容采集模块其余部分通过高温胶或者机械连接方式固定在改造活塞上。供电稳压模块、缸内无线通信模块通过高温胶或者机械连接方式固定在改造活塞上。供电稳压模块的电源稳压芯片及其外围电路、电容采集模块的电容采集芯片及其外围电路和缸内无线通信模块的无线通信芯片及其外围电路制成一块或多块集成电路板，多块电路板之间的电气连接使用导线连接，电路板、电池和温控开关固定于改造活塞裙部内壁。安装电路板和电池时需要满足如下要求：(1)电路板和电池安装位置需尽量贴近改造活塞裙部内壁，保证发动机在运行时电路板和电池不与连杆干涉；(2)考虑到活塞温度从顶部到底部为降低趋势并且电子元器件存在最高工作温度限制，将电路板和电池尽量放置于改造活塞裙部内壁靠近底部的位置。
作为优选，所述适配改进方式如下：在原活塞上分别开槽、开孔，形成改造活塞。在原活塞裙部待测点位置打孔，将待测电容电极探头安装在孔内，待测电容电极探头的工作面与改造活塞裙部外壁齐平，侧面与孔保持预定间隙，待测电容电极探头材料为金属导体，在间隙中放置屏蔽罩并填充耐高温绝缘胶，保持待测电容电极探头、屏蔽罩与改造活塞相互绝缘并使待测电容电极探头和屏蔽罩固定于孔中。缸套与电容采集芯片连接装置采用机械连接方式连接至改造活塞。
作为优选，缸套与电容采集芯片连接装置的滑动导体支撑架和滑动导体与弹性元件连接件为高强度工程塑料，与改造活塞、滑动导体绝缘。
作为优选，所述天线不集成在电路板中，由电路板引出，使用高温胶或机械连接方式固定在改造活塞上的合适位置。
本发明还公开一种基于电容法测量活塞与缸套间油膜厚度的遥测方法，基于所述基于电容法测量活塞与缸套间油膜厚度的遥测装置实现，所述遥测方法为：改造活塞在缸套内做高速往复运动，在改造活塞行程中的大部分位置，改造活塞与缸套之间的润滑状态为流体动压润滑，润滑油充满摩擦副间隙，而润滑油为非导电材料，故待测电容电极探头、缸套与润滑油形成电容，通过电容采集芯片及其外围电路测得反映活塞与缸套之间油膜厚度变化的电容值。电容采集模块将采集到的电容信号传输至缸内无线通信模块，缸内无线通信模块将电容信号传输至缸外无线通信模块，缸外无线通信模块再将电容信号传输至上位机数据处理模块进行数据处理，通过平行板电容器公式推导该测点油膜厚度，并通过上位机数据处理模块对测点油膜厚度数据实现数据可视化显示与数据存储。缸内无线通信模块与缸外无线通信模块之间实现双向通信。上位机数据处理模块发送指令，通过无线通信模块将指令传输至电容采集芯片及其外围电路，进而对电容采集模块进行控制。
作为优选，当单点测量时，根据跟踪测量的测点油膜厚度变化，实时监控改造活塞测点处磨损量随时间变化。当多点测量时，将待测电容电极探头布置在活塞推力边和次推力边，根据跟踪测量的测点油膜厚度变化，实时监控活塞二阶运动状况。
有益效果：
1、本发明公开基于电容法测量活塞与缸套间油膜厚度的遥测装置及方法，采用安装在改造活塞内腔中的基于电容法的遥测式油膜厚度测量装置，通过将待测电容电极探头放置在改造活塞上，能够直接跟踪改造活塞运动时油膜厚度变化，进而实现实时监控活改造活塞磨损量随时间变化。
2、传统的基于电容法测量活塞与缸套间油膜厚度装置正常工作情况下，电容采集模块在缸外，存在多个位于缸套的待测电容电极探头，探头安装孔的加工由发动机外部向内打孔，由于需要使用多个电极探头观测活塞在不同位置处的油膜厚度，故需要在发动机机体从表面到缸套打多个安装孔。所述发动机机体阀控方式设计将不可避免地增加加工工作量、加工难度和成本。本发明公开基于电容法测量活塞与缸套间油膜厚度的遥测装置及方法，在原活塞裙部待测点位置打孔，将待测电容电极探头安装在孔内，能够做到在活塞壁面打少量通孔即可观测测点处活塞与缸套之间油膜厚度变化，降低加工复杂度，提升零部件加工成功率。
3、传统的基于电容法测量活塞与缸套间油膜厚度装置从发动机机体向缸套打孔时，由于需要加工多个通孔，不可避免会贯通水套，此时需要考虑每个待测电容电极探头处的密封问题，若密封效果差，使水套冷却液泄露至燃烧室或油底壳，导致燃烧效果变差或使机油变质加剧摩擦磨损，导致测量结果不准确。而本发明公开基于电容法测量活塞与缸套间油膜厚度的遥测装置及方法，通过将电容采集模块放置于活塞内部，仅在活塞上加工探头安装孔，而发动机机体结构保持不变，能够避免冷却液泄露导致测量结果不准确。
4、本发明公开基于电容法测量活塞与缸套间油膜厚度的遥测装置及方法，通过使用滑动导体和缸套采集端导线连接缸套与电容采集芯片及其外围电路而非仅使用导线连接，能够大幅简化连接装置的安装结构，减少由于导线缠挂在缸内运动零部件所带来测量装置损坏的可能性。
5、本发明公开基于电容法测量活塞与缸套间油膜厚度的遥测装置及方法，采用遥测式数据传输方法，相比于储测式系统可以进行实时监控数据，相比于有线传输式系统能够降低测量装置安装复杂度。
6、本发明公开基于电容法测量活塞与缸套间油膜厚度的遥测装置及方法，当单点测量时，根据跟踪的测点油膜厚度变化，实时监控改造活塞测点处磨损量随时间变化。当多点测量时，将待测电容电极探头布置在改造活塞推力边和次推力边，根据跟踪的测点油膜厚度变化，实时监控活塞二阶运动状况。
附图说明
图1为本实施例公开的基于电容法测量活塞与缸套间油膜厚度的遥测装置结构框架图。
图2为本实施例公开的基于电容法测量活塞与缸套间油膜厚度的遥测装置的缸内部分安装结构三维图。
图3为缸套与电容采集芯片连接装置结构示意图，图3(a)为正视图，图3(b)为侧视图，图3(c)为俯视图，图3(d)为等轴侧图。
图4为待测电容电极探头安装结构图。
图5为遥测系统硬件电路结构示意与数据信号传输路线图。
其中：1—供电稳压模块；1.1—电池；1.2—电源稳压芯片及其外围电路；1.3—温控开关；2—电容采集模块；2.1—电容采集芯片及其外围电路；2.2—待测电容；2.2.1—待测电容电极探头；2.2.2—缸套；2.2.3—润滑油；2.3—缸套与电容采集芯片连接装置；2.3.1—滑动导体；2.3.2—滑动导体支撑架；2.3.3—弹性元件；2.3.4—滑动导体与弹性元件连接件；2.3.5—缸套采集端导线；2.4—探头固定与连接部分；2.4.1—高温绝缘胶；2.4.2—屏蔽罩；2.4.3—探头采集端导线；3—无线通信模块；3.1—缸内无线通信模块；3.2—缸外无线通信模块；3.1.1—无线通信芯片及其外围电路；3.1.2—天线；4—上位机数据处理模块；5—改造活塞。
具体实施方式
现在结合附图对本发明进行进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构及其工作方式，因此其仅显示与本发明有关的构成。
实施例1：
如图1、2所示，本实施例公开的基于电容法测量活塞与缸套间油膜厚度的遥测装置，包括供电稳压模块1、电容采集模块2、无线通信模块3、上位机数据处理模块4、改造活塞5。所述无线通信模块3使用基于Zigbee无线通信技术的Zigbee无线通信模块。
所述供电稳压模块1由电池BR2450A1.1、电源稳压芯片Lm1117-3.3及其外围电路1.2和温控开关1.3组成。电池BR2450A1.1为汽车级纽扣电池，将3个电池串联后，使用高温胶固定于改造活塞裙部内壁下侧，为遥测系统缸内电路提供9V电源电压。电源稳压芯片Lm1117-3.3及其外围电路1.2输入9V电源电压后输出3.3V电压为电容采集芯片PCAP01及其外围电路2.1、无线通信芯片CC2530及其外围电路3.1.1供电。温控开关KSD97001.3的类型为常开型，阈值温度选用65℃。由于温控开关KSD97001.3所能承受的最大温度较高，所以安装在活塞内壁较电池或电路板偏上的位置。
所述电容采集模块2包括电容采集芯片PCAP01及其外围电路2.1、待测电容2.2、缸套与电容采集芯片连接装置2.3、探头固定与连接部分2.4。实施例中所述电容采集芯片PCAP01及其外围电路2.1包括电容采集芯片PCAP01与主控芯片STM32F103。主控芯片STM32F103向电容采集芯片PCAP01烧录程序、设置PCAP01的配置寄存器并且定时读取PCAP01所测量的电容数据，通过UART串口通信将电容数据发送至Zigbee缸内无线通信模块3.1。所述待测电容2.2主要由待测电容电极探头2.2.1、缸套2.2.2、润滑油2.2.3组成。所述待测电容的两个电容电极分别为所述待测电容电极探头2.2.1、缸套2.2.2，即一个电极为固定于改造活塞5上的待测电容电极探头2.2.1，另一个电极为缸套2.2.2。所述待测电容电极探头2.2.1材料选用黄铜，形状加工为圆柱体，工作面直径为3mm，在待测电容电极探头2.2.1后端加工导线连接孔，该孔直径为0.8mm。所述缸套与电容采集芯片连接装置2.3主要由滑动导体2.3.1、滑动导体支撑架2.3.2、弹性元件2.3.3、滑动导体与弹性元件连接件2.3.4、缸套采集端导线2.3.5组成。所述滑动导体2.3.1的材料选用石墨，该材料具有良好的导电性与自润滑性能。所述弹性元件2.3.3选用金属拉伸弹簧，数量为2个。所述缸套与电容采集芯片连接装置2.3中滑动导体支撑架2.3.2和滑动导体与弹性元件连接件2.3.4的材料为高强度工程塑料，在缸套与电容采集芯片连接装置2.3安装完成后改造活塞5、滑动导体2.3.1与弹性原件相互绝缘。滑动导体2.3.1形状为长方体，长宽高分别为39mm、4.9mm、2mm，并在每条棱加工倒圆角，半径为0.5mm，在滑动导体2.3.1后半段加工两个孔，第一个孔位置距离后端面3mm，第二个孔位置距离后端面8mm，孔径都为2mm。所述滑动导体与弹性元件连接件2.3.4，形状为圆柱体，直径为2mm，长度为20mm，在滑动导体与弹性元件连接件2.3.4两端加工深度为5mm的螺纹，滑动导体与弹性元件连接件2.3.4穿入滑动导体2.3.1靠近尾端的第二个通孔中，安装后保持滑动导体与弹性元件连接件2.3.4两端露出部分长度相等。所述滑动导体支撑架2.3.2底板为长方体，在靠近底板四角处加工四个直径3mm通孔，在底板上有长方体突起结构，在该突起结构上加工通孔，通孔形状尺寸与滑动导体2.3.1横截面一致，将滑动导体2.3.1穿入孔中，该通孔形状尺寸只允许滑动导体2.3.1在孔中滑动。在滑动导体支撑架2.3.2加工两个弹簧固定端，每个弹簧固定端固定一个弹簧的一端，两个弹簧的另一端通过螺母固定于滑动导体与弹性元件连接件2.3.4两端，并且对滑动导体与弹性元件连接件2.3.4产生拉力。当改造活塞5装入缸套时，弹簧的拉力将保持滑动导体2.3.1与缸套2.2.2处于压紧状态并建立电气连接。滑动导体2.3.1靠近尾端的第一个通孔使用螺栓螺母对缸套采集端导线2.3.5一端进行固定，并建立滑动导体2.3.1与缸套采集端导线2.3.5的电气连接。缸套采集端导线2.3.5另一端通过焊接方式与电容采集芯片PCAP01及其外围电路2.1的电容测量引脚建立电气连接。至此，缸套2.2.2通过缸套与电容采集芯片连接装置2.3与电容采集芯片PCAP01及其外围电路2.1建立电气连接。所述探头固定与连接部分2.4主要由高温绝缘胶2.4.1、屏蔽罩2.4.2、探头采集端导线2.4.3组成。在间隙中放置屏蔽罩2.4.2，所述屏蔽罩2.4.2材料选用黄铜，形状为圆柱面，直径为4mm，厚度为0.2mm。将探头采集端导线2.4.3穿入待测电容电极探头2.2.1后端导线连接孔，并通过焊接方式将探头采集端导线2.4.3固定在探头后端并建立电气连接，探头采集端导线2.4.3另一端通过焊接方式与电容采集芯片PCAP01及其外围电路2.1的电容测量引脚连接。
所述Zigbee无线通信模块3包括Zigbee缸内无线通信模块3.1和Zigbee缸外无线通信模块3.2，所述Zigbee缸内无线通信模块3.1和Zigbee缸外无线通信模块3.2分别由无线通信芯片CC2530及其外围电路3.1.1和天线3.1.2组成。所述无线通信芯片CC2530及其外围电路3.1.1单独集成为一块电路板，电路板为两面板，形状为长方体，长为30mm，宽为20mm，高为1.6mm。所述天线3.1.2不集成在电路板中，使用高温胶固定在改造活塞5销孔正下方的裙部底面，与无线通信芯片CC2530及其外围电路3.1.1通过导线连接。
所述上位机数据处理模块4使用Visual Studio进行开发，需要对上位机界面布置、串口通信、数据转换算法、数据图像显示、数据存储进行设置。用于对所述遥测测量数据实现数据可视化显示与数据存储，所述遥测测量数据为反映活塞与缸套之间油膜厚度变化的电容值。
所述改造活塞5为安装待测电容电极探头2.2.1、缸套与电容采集芯片连接装置2.3做适配改进加工的活塞，无需改装发动机机体。所述改造活塞5外径为150mm，高为138.8mm。在原活塞裙部待测点位置打直径为5mm的通孔。将待测电容电极探头2.2.1放置在孔内，待测电容电极探头2.2.1的工作面与改造活塞5裙部外壁齐平，侧面与孔保持同心，其间隙为1mm。在间隙中放置屏蔽罩2.4.2，其安装位置与待测电容电极探头2.2.1同心，通过在间隙中填充耐高温绝缘胶2.4.1，使待测电容电极探头2.2.1和屏蔽罩2.4.2固定于孔中并保持待测电容电极探头2.2.1、屏蔽罩2.4.2与改造活塞5相互绝缘。在改造活塞5销孔正下方的裙部底面(与天线固定位置相对)加工4个M3螺纹孔，缸套与电容采集芯片连接装置2.3中的滑动导体支撑架2.3.2与改造活塞5通过尺寸为M3的螺钉实现机械连接。电源稳压芯片Lm1117-3.3及其外围电路1.2和电容采集芯片PCAP01及其外围电路2.1制成一块集成电路板，形状为长方体，长宽高分别为30mm、20mm、1.6mm，无线通信芯片CC2530及其外围电路3.1.1单独制成一块集成电路板。两块电路板之间的电气连接使用4根导线连接，分别为3.3V电源线、地线、UART发送导线和UART接收导线。供电稳压模块1、电容采集芯片PCAP01及其外围电路2.1、待测电容电极探头2.2.1、缸套采集端导线2.3.5、屏蔽罩2.4.2、探头采集端导线2.4.3、Zigbee缸内无线通信模块3.1通过高温胶固定在改造活塞5上。两块电路板以及导线使用高温结构胶固定于改造活塞5裙部内壁底部。温控开关KSD97001.3使用高温结构胶固定于改造活塞5裙部内壁，位置略高于电路板。电池BR2450A1.1使用高温结构胶固定于改造活塞5另一侧裙部内壁底部。
测量系统运行时前需要对各个芯片及上位机进行编程，所需程序包括PCAP01固件、STM32固件、CC2530固件、电脑端上位机程序，其中PCAP01的固件由STM32通过SPI串口通信实现烧录。STM32固件将实现SPI初始化、UART初始化、PCAP01固件烧录、PCAP01配置寄存器设置、PCAP01结果寄存器读取、通过UART向CC2530芯片发送结果。CC2530固件使用Zigbee协议栈框架，实现UART串口收发与无线发送功能。上位机程序实现串口收发、信号转换、信号可视化显示与存储。
本实施例还公开一种基于电容法测量活塞与缸套间油膜厚度的遥测方法，基于所述基于电容法测量活塞与缸套间油膜厚度的遥测装置实现，所述遥测方法为：改造活塞5在缸套内做高速往复运动，在改造活塞5行程中的大部分位置，改造活塞5与缸套2.2.2之间的润滑状态为流体动压润滑，润滑油2.2.3充满摩擦副间隙，而润滑油2.2.3为非导电材料，故待测电容电极探头2.2.1、缸套2.2.2与润滑油2.2.3形成电容，通过电容采集芯片PCAP01及其外围电路2.1测得反映活塞与缸套之间油膜厚度变化的电容值。电容采集模块2将采集到的电容信号传输至Zigbee缸内无线通信模块3.1，Zigbee缸内无线通信模块3.1将电容信号传输至Zigbee缸外无线通信模块3.2，Zigbee缸外无线通信模块3.2再将电容信号传输至上位机数据处理模块4进行数据处理，通过平行板电容器公式推导该测点油膜厚度，并通过上位机数据处理模块4对测点油膜厚度数据实现数据可视化显示与数据存储。Zigbee缸内无线通信模块3.1与Zigbee缸外无线通信模块3.2之间实现双向通信。上位机数据处理模块4发送指令，通过Zigbee无线通信模块3将指令传输至电容采集芯片PCAP01及其外围电路2.1，进而对电容采集模块2进行控制。
当单点测量时，根据跟踪测量的测点油膜厚度变化，实时监控活改造活塞5测点处磨损量随时间变化。当多点测量时，将待测电容电极探头2.2.1布置在活塞推力边和次推力边，根据跟踪测量的测点油膜厚度变化，实时监控活塞二阶运动状况。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术装置和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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