柴油机缸套——活塞环油膜厚度传感器的设计

摘要

缸套-活塞环摩擦副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。研究表明，内燃机摩擦功的25％～50％是由缸套一活塞环摩擦副消耗掉的，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，如果能准确地测量出这个厚度，对合理设计活塞环组、降低活塞环与缸套之间的摩擦损失、延长活塞坏的使用寿命具有很大帮助。 本文以柴油机为研究对象，通过对各种润滑油油膜厚度的测试技术详细比较，选择了光纤传感技术。经过对光纤传感技术的深入研究和对被测对象的认真分析后，设计了基于光强调制原理的反射式光纤位移传感器，用于测量缸套．活塞环油膜厚度。它由光源、光纤传感探头、光电转换电路、信号处理电路和微处理器等组成。方波脉冲调制驱动非相干光源红外发光二极管，以减少其发光时间，延长其寿命，并使光源稳定；单光纤Y型结构和白聚焦透镜的组合构成了光纤传感探头，结构简单、体积小巧、制造安装简便，满足本课题的要求；PIN硅光电二极管工作于光伏模式实现光电转换；信号处理电路包括前置放大电路、带通滤波电路和交直流转换电路三部分，处理后的信号直接进入微处理器做进一步处理；选用的微处理器是MSP430F149，并设计了相关的数码管显示电路和RS-232串口接口电路。设计了微处理器的驱动和管理程序，包括主程序、A/D转换子程序、LED显示程序和串口数据发送程序。对传感器进行了初步标定，并对传感器的具体应用做了分析。最后，论文在总结全文工作的基础上对进一步研究提出了建议和展望。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1课题研究背景

1.2课题研究的目的和意义

1.3国内外研究现状

1.3.1油膜厚度测试技术概述

1.3.2光纤传感技术及其在油膜厚度测试中的应用

1.4课题来源及本文的主要工作

1.4.1课题来源

1.4.2本文的主要工作

第2章油膜厚度传感器的设计

2.1基本理论

2.1.1光反射和折射定律

2.1.2全反射定律(Shell定律)

2.1.3纤维光学理论

2.1.4自聚焦透镜光学特性

2.2反射式强度调制型光纤位移传感器的基本原理

2.3油膜厚度传感器的硬件设计

2.3.1传感器探头结构设计

2.3.2光纤和自聚焦透镜的选择

2.3.3光源的选择

2.3.4探测器的选择

2.4本章小节

第3章传感器电路设计

3.1光源驱动调制电路

3.1.1直流驱动电路

3.1.2脉冲调制驱动电路

3.2光电转换电路

3.3信号处理电路

3.3.1前置放大电路

3.3.2带通滤波器

3.3.3交直流转换电路

3.4微处理器选型及外围电路设计

3.4.1 MSP430单片机介绍

3.4.2 MSP430F149内置ADC

3.4.3数码管显示电路

3.4.4 MSP430F149与串口的连接

3.5本章小节

第4章微处理器的程序设计

4.1 EMBEDDED WORKBENCH的介绍

4.2数据采集主程序设计

4.3子程序模块

4.3.1 A/D转换程序

4.3.2 LED显示程序

4.3.3串口数据发送程序

4.4本章小节

第5章传感器初步标定及应用分析

5.1传感器初步标定

5.2传感器的应用分析

5.2.1实验平台介绍

5.2.2应用方法

5.3本章小节

第6章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目

附 录