专利名称：一种柴油机缸套与活塞环之间油膜厚度检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种柴油机缸套与活塞环之间油膜厚度检测装置，具体为一种基于激光传感技术的柴油机缸套与活塞环之间油膜厚度检测装置。
背景技术：
缸套-活塞环是内燃机中最重要的摩擦副之一，它的应用极为广泛，数以亿计的内燃机都采用这种摩擦副，其润滑性能的好坏对内燃机的动力性、可靠性、耐久性有着极大的影响。研究表明，内燃机在工作过程中由缸套-活塞环摩擦副引起的摩擦功耗高达整个发动机摩擦功耗的45 65%，缸套一活塞环的工作状况影响着内燃机的经济性、寿命和排放性能。润滑性能好，在保证对燃烧室气体密封的前提下，活塞环与缸套间的摩擦力小，内燃机的摩擦功耗也小；反之会造成相当大的功耗，而且还会导致缸套与活塞环的过度磨损，影响其使用寿命。因此这对摩擦副摩擦学性能的优劣直接影响着内燃机的性能。缸套-活 塞环之间油膜厚度的变化和分布规律是内燃机摩擦学研究的重要内容之一，如果能准确的测量出这个厚度，对合理设计活塞环组、降低活塞环与缸套之间的摩擦损失、延长活塞环的使用寿命具有很大帮助。润滑油膜厚度的检测方法有很多，常见的包括接触电阻法、电容法、电涡流法、光干涉法、光纤传感器法、电容分压器法、超声波法、阻容振荡法、X射线法、激光衍射法、应变仪法等。这些方法各有其优缺点，但大多用于测试一个平面油膜或者轴承的油膜厚度，真正应用于对缸套一活塞环的油膜厚度进行测量的只有接触电阻法，电容法，电涡流法和光纤传感器法。接触电阻法是通过在缸套和活塞环中埋设电极，测量油膜的接触电阻，利用油膜厚度与接触电阻之间的关系来测量的，但由于在活塞环上埋设电极过于困难，电极绝缘也很难保证，所以现在应用很少。电容法是一种比较成熟的技术。其原理是通过测量两物体之间的电容值来判断油膜厚度。如果已知润滑油的介电常数，根据油膜的电容值随油膜厚度增加而降低的变化关系，可相当准确地计算出油膜厚度，但测出的只是平均膜厚，在部分膜状态下该方法就失去了功效，且要求润滑剂是非极性的。另外导线及周围环境的分布电容往往很难准确估算，因而测量精度不高。极易发生缸套一活塞环的短路，特别是一旦活塞环发生倾斜，会造成电容的短路。电涡流法是目前润滑油膜厚度测量的工程实用方法之一。电涡流传感器是利用金属导体的电涡流效应，将一些非电量转化为电量进行测量的一种传感器。它能准确测量被测金属物体与传感器探头端面之间的静态或动态位移，结构简单、测量精度高、灵敏度高、动态响应好，可实现非接触测量。但是它要求测量对象为导体，易受电磁干扰，测量的结果是最小油膜厚度，并且存在上止点处活塞环运动脱离测量点的问题。激光位移测试系统由激光探头、控制器、直流电源以及装有驱动软件的工控机组成，激光探头使用了三角形测量原理，反射光在探头上的位置随着目标物位置的改变而改变，通过检测该变化就可以测量物体的位移量。这种探头集高精度、长距离和极快的采样速度于一身，能高速、准确的测得油膜厚度的变化，抗干扰能力极强。控制器通过装在工控机中的软件触发，其内装有数字信号处理器，可以对发自探头的信号进行高速数字处理，能够满足高速测量和高精度测量的要求。整个系统具有高精度、快速、无接触等优点，其工作原理通过变频器程序的设定获得所需的油膜状态，使得缸套与活塞环间的油膜相对于固定在安装座上的激光探头往复运动；工控机中的软件设定好采样参数送到控制器，调节激光探头的采样速率和采样频率；激光探头对油膜厚度进行采集并将其转化为电信号送到采集器进行数据的前置处理；采集器对信号进行采样、量化、编码并最终送到计算机进行信号处理与分析。现有专利中涉及缸套与活塞环之间油膜厚度检测的装置很少，其中应用到激光位移传感器的还未查到。现有文献中也很少涉及到测量缸套-活塞环之间油膜厚度的装置。在柴油机缸套一活塞环油膜厚度传感器的设计一文中提到了检测装置，但只是提出了一个相关的概念，主要从数据的接收处理程序等软件方面来讨论，对于油膜厚度检测装置的设计以及实现等均未考虑。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题在于提供一种柴油机缸套与活塞环之间油膜厚度的检测装置。实现本实用新型的技术方案一种柴油机缸套与活塞环之间油膜厚度的检测装置，该装置主要由激光位移传感器、温度传感器、控制器、直流电源、信号放大器以及装有驱动软件和信号处理软件的工控机组成；所述的激光位移传感器安装在柴油机缸套的中下部，控制器与激光位移传感器电线相连，激光位移传感器由控制器控制，直流电源与控制器电线相连供电，激光位移传感器激光探头的引出线，通过航空接头，与信号放大器相连通，所述的温度传感器安装在机身与缸套之间的空隙中，温度传感器通过引线与信号放大器相连通，信号放大器与工控机通过引线相连通。本实用新型中，所述的柴油机缸套中下部和机身之间开有通孔，激光位移传感器安装于其孔中。本实用新型中，所述的激光位移传感器由激光探头和接收透镜组成，激光探头正前方由玻璃隔板隔开，激光探头通过玻璃胶固定在缸套的通孔中，并由高压玻璃密封技术封装，其玻璃胶外表面修磨到与气缸壁平滑过渡。本实用新型检测油膜厚度的基本原理为激光二极管发出的光束经会聚透镜聚焦后垂直入射到被测油膜表面上，当被测油膜因运动而在厚度方向产生位移时，接收透镜接收被测油膜表面入射光点处的散射光，将其成像在图像传感器(CCD)敏感面上的不同位置，经光电转换电路转换成可测量的电信号，通过采集卡对所生成的数据进行采集并储存，最后由数字滤波、数据处理等对所采集的信息进行处理，并实时显示缸套与活塞环之间油膜实际厚度值。本实用新型的积极效果在于实现对缸套与活塞环之间油膜厚度的实时测量，开展对其摩擦磨损和润滑的研究，完成油膜厚度的变化和分布规律对缸套与活塞环的摩擦学性能影响的研究。
图I为本实用新型的基本布置示意图图2为激光位移传感器5封装示意图图3为本实用新型检测油膜厚度的流程图图中I-缸套，2-活塞，3-活塞环，4-玻璃隔板，5-激光位移传感器，6-航空接头，7-直流电源，8-控制器，9-温度传感器，10-转速信号，11-信号放大器，12-工控机，13-引线，14-端盖，15-套筒，16-柴油机机身，17-玻璃胶。
具体实施方式本柴油机缸套与活塞环之间油膜厚度的检测装置结构如图1、2所示。该装置主要由激光位移传感器5、直流电源7、控制器8、温度传感器9、信号放大器11以及装有驱动软件和信号处理软件的工控机12组成；其激光位移传感器5安装在柴油机缸套I的中下部，控制器8与激光位移传感器5电线相连，激光位移传感器5由控制器8控制，直流电源7与控制器8电线相连供电，激光位移传感器5的激光探头引出线13，通过航空接头6，与信号放大器11相连通，温度传感器9安装在机身与缸套之间的空隙中，温度传感器9通过引线与信号放大器11相连通，信号放大器11与工控机12通过引线相连通。本实用新型的安装，先在缸套上安装激光位移传感器5 :为了保证激光位移传感器能检测到三道环与缸套之间的油膜厚度，要求激光位移传感器安装在缸套I的中下部，先在缸套的侧表面中下部以及机身上打通孔，激光探头通过玻璃胶17固定在缸套的通孔中，装入激光位移传感探头后，先用一层玻璃板4把激光探头隔开，再采用高压玻璃密封技术封装，经修磨后基本与汽缸壁平滑过渡。然后通过航空接头6，利用引线13合理布线将激光位移传感器的信号引出，与信号放大器11相连通。温度传感器9安装在机身与缸套之间的空隙中，测量缸套附近的温度，温度传感器9通过引线与信号放大器11相连通，信号放大器11与工控机12通过引线相连通。激光二极管发出的光束经会聚透镜聚焦后垂直入射到被测油膜表面上，当被测油膜因运动而在厚度方向产生位移时，接收透镜接收被测油膜表面入射光点处的散射光，将其成像在CCD敏感面上的不同位置，经光电转换电路转换成可测量的电信号，通过采集卡对所生成的数据进行采集并储存，采用数据处理程序对数据进行后期的转换处理，最后显示出各个检测点的油膜厚度。所述的温度传感器用于研究不同温度条件下对柴油机缸套与活塞环间油膜形成的影响。信号采集通过数据采集卡实现对激光位移传感器5测得的信号进行转换、采集并向工控机12传输数据。数据处理部分通过软件对信号采集部分得到的信号进行数字滤波、数据处理等，并通过显示界面实时显示缸套油膜厚度变化曲线。如图3所示，本实用新型的工作流程是柴油机运行，活塞环往复运动经过激光位移传感器，激光位移传感器输出的信号经初级放大处理后滤波，降低干扰信号，再经过信号放大器放大滤波，到信号采集与预处理经过信号采集卡采集至工控机，进行数据处理，对采集的信号进行后期的转换处理，显示出各个检测点的油膜厚度。为缸套-活塞环配对副摩 擦磨损特性评价提供了一种有效的装置。本实用新型适用于缸套与活塞环间润滑状态的实时检测。
权利要求1.一种柴油机缸套与活塞环之间油膜厚度检测装置，其特征在于该装置主要由激光位移传感器(5)、直流电源(7)、控制器(8)、温度传感器(9)、信号放大器(11)以及工控机(12 )组成；激光位移传感器(5 )安装在柴油机缸套(I)的中下部，控制器(8 )与激光位移传感器(5)电线相连，直流电源(7)与控制器(8)电线相连供电，激光位移传感器(5)的激光探头引出线(13)，通过航空接头(6)，与信号放大器(11)相连通，温度传感器(9)安装在机身与缸套之间的空隙中，温度传感器(9)通过引线与信号放大器(11)相连通，信号放大器(11)与工控机(12)通过引线相连通。
2.按照权利要求I中所述的柴油机缸套与活塞环之间油膜厚度检测装置，其特征在于，柴油机汽缸套(I)中下部和机身之间开有通孔，激光位移传感器(5)安装于其孔中。
3.按照权利要求I或2所述的柴油机缸套与活塞环之间油膜厚度检测装置，其特征在于，所述的激光位移传感器(5)由激光探头和接收透镜组成，激光探头正前方由玻璃隔板(4)隔开，激光探头通过玻璃胶(17)固定在缸套的通孔中，并由高压玻璃密封技术封装，其玻璃胶外表面修磨到与气缸壁平滑过渡。
专利摘要一种柴油机缸套与活塞环之间油膜厚度检测装置。该装置主要由激光位移传感器、温度传感器、控制器、直流电源、信号放大器以及装有驱动软件和信号处理软件的工控机组成；激光位移传感器安装在柴油机缸套的中下部，激光位移传感器的激光探头通过玻璃隔开后由玻璃胶固定在缸套的通孔中，通过航空接头，利用引线将激光位移传感器的信号引出，与信号放大器相连通，温度传感器安装在机身与缸套之间的空隙中，温度传感器通过引线与信号放大器相连通，信号放大器与工控机通过引线相连通。该实用新型为缸套-活塞环配对副摩擦磨损特性评价提供了一种方便、快捷而又有效的装置。适用于缸套-活塞环间润滑状态的实时检测。
文档编号G01B11/06GK202522201SQ20112048848
公开日2012年11月7日 申请日期2011年11月30日 优先权日2011年11月30日
发明者严新平, 刘鹏, 董从林, 袁成清, 郭智威 申请人:武汉理工大学