基于高速轉臺下的發動機壓力測量系統分析 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臺的發動機壓力測量系統，該系統能夠精確測量發動機燃燒室內部的壓強，并自帶存儲測試相關裝備。傳統的發動機壓力測量采用的是間接測量方法，通過對推力和時間的相對數據而倒推出燃燒室的壓力數據，此種方式會因為摩擦力對推力的損耗而產生較大誤差。而改進的基于高速轉臺的發動機壓力測量系統則因為通過采用對燃燒室直接測量的方式而減少誤差，實現了精確測量。

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.

關鍵詞：高速轉臺;發動機壓力測量;壓力測量系統;系統測量條件;系統軟件設計

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

中圖分類號：U464? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）22-0045-02

0? 引言

發動機的應用常常被限制在高速轉臺的背景下，導致其在此應用狀態的性能等產生和其一般應用狀態下的顯著區別。為此，相關研究人員對發動機在高速轉臺下的壓力水平進行測量對發動機的使用有重要參考價值。本文內容包括該發動機壓力測量系統的測量條件、軟硬件部分以及測量結構部分等。

1? 基于高速轉臺下的發動機壓力測量系統測量條件

1.1 基于高速轉臺下的發動機壓力測量系統具體過程

為了測試出明確的發動機內部動能，該壓力測量系統使用已經被長期應用的發動機壓力測量實驗平臺，該實驗平臺擁有高速轉臺主軸。該高速度的轉臺主軸的轉速可以達到11000r/min，該高速轉軸的內部含有液壓油，發動機運行的壓力可以被充分疏導出來并且避免因為高溫所導致的實驗風險的發生。具體的測量過程如下：首先發動機被控制在高速轉臺主軸上，然后主軸開始高速運轉，而發動機則在高速主軸的帶動下實現被動式高速運轉。實驗人員根據發動機被動運行功率值的達成而進行點火，以實現對燃燒室工作環境的完整再現。而燃燒室的內部壓力則通過主軸壓力液而被傳導到壓力測量系統中的壓力傳感器之中，實驗人員可以通過壓力傳感器的數值確定發動機的具體壓力數據。

1.2 基于高速轉臺下的發動機壓力測量系統具體方案

該高速轉臺發動機壓力測量系統由傳感器系統部分和協調器系統部分兩個集成系統組成。傳感器集成系統部分是主要的壓力測量功能部分。其包括發動機燃燒室壓力傳感器、信息管理子系統、STM33控制核心、信息儲存子系統、信息無線傳輸支持子系統等內容。

該集成系統部分可以實現對發動機燃燒室壓力數據的準確收集、儲存與傳輸，同時該系統的抗干擾性能優良，該系統也可以被長期使用在高溫度環境中。協調器集成系統部分包括STM33控制核心、電平變化子系統、信息無線傳輸子系統等，能夠實現壓力測量數據的外部傳輸與管理。該測量系統可以通過串口實現與終端顯示平臺的連接，實驗人員可以在實驗完成后將實驗數據傳輸到終端顯示器而展示出來。

2? 基于高速轉臺下的發動機壓力測量系統硬件設計

2.1 基于高速轉臺下的發動機壓力測量傳感器相關設計

高速轉臺下的發動機在高速運轉過程中會產生較高的瞬時沖擊力，根據測試，本文所選用的測試發動機的瞬時沖擊力可以得到58MPa。當發生較高的瞬時沖擊力時，一般的壓力測量傳感器會因為沖擊力而產生較大的漂移，導致壓力測量的準確性和長期可靠性降低。而本文介紹的基于高速轉臺下的發動機壓力測量系統則采用LTP-J2型號的濺射式壓力傳感器進行發動機壓力測量。LTP-J2型號濺射式發動機壓力傳感器可以在經受高速沖擊和高溫變化時保持低于0.5%的零點漂移率，具有較好的穩定性，并且可以在發動機的動力運轉中始終保證傳感結果的準確性。該LTP-J2型號壓力傳感器中的壓力感知元件的技術構成包括真空磁控技術、絕緣技術已經高電阻材料技術等，能夠實現在壓力膜片中的性能優質的惠斯頓電橋的形成，從而保證壓力感知的長期良好敏感度。

因為本文介紹的壓力測量系統中的傳感器集成系統的信號傳輸功率為9mV以下，而STM33控制核心的ADC電壓值的閾值限制在3.3V，因此為了能夠實現觀感器集成系統信息輸出與信息管理的協調性，提升壓力測試結果的精確性，該發動機壓力測量系統構成中應該包括信息管理子系統。在信息管理子系統中，本文采用AD625型號的放大器來實現對信息傳輸功率的擴大。AD625型號的放大器采用經典的三運放形式的設計，能夠精準適應于壓力測量裝置的電橋電路使用環境。壓力測量人員可以通過對簡易電阻裝置的安置而實現對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為信息傳輸的增益數值，RG為具體被安置的外部電阻數值。因為現場測試的環境同時存在一定的高頻干擾，會對后續的信息轉換造成精度降低的影響，因此本文在該壓力測量系統中既安置了信息放大裝置，同時也安置了信號濾波器裝置。該壓力測量系統采用運放LF353型號的信號濾波器，能夠在低通狀態下實現對干擾信號的有效過濾。為了防止該壓力測量器的相關電路之間的運行產生相互間的干擾，該發動機壓力測量系統采用了MCP6003型號的信息跟隨器來進行電路緩沖，保證不同電路之間的良好電阻抗匹配效果。

2.2 基于高速轉臺下的發動機壓力測量信息采集的設計

基于高速轉臺的發動機壓力測量信息系統的信息采集微型控制器的型號為STM32F103VET7，該型號的微型信息采集裝置內部包含有超過十二數位的高分辨率A/D裝置，能夠在超過1MHz的速率下實現對信息的有效轉換。通過該型號信息采集與信息轉換裝置，發動機壓力測量人員可以在微型信息采集裝置的電壓正極范圍之內實現對信息的有效轉換，并且保證信息轉換后的傳輸電壓的高精度性。信息經過轉換與管理后的傳輸最大功率值可以達到2.45V。發動機壓力測量人員應該通過對初始電壓的穩定來提升信息采集的準確度。因此測量人員可以通過該系統中的REF3025電壓供給單元來實現對初始電壓值的穩定提供。該壓力測量系統采用CC2530芯片來構建信息無線支持子系統，以實現網絡傳輸設施的良好搭建。該發動機壓力測量系統的信息儲存子系統的核心芯片選擇為Nor Flash的W25X64，能夠實現對超過8MB信息的長期有效存儲。通過W25X64芯片，該壓力測量系統可以在3.75μs/Byte（130kHz）的速度下實現對信息的高速儲存，充分滿足壓力測量系統對信息傳輸與儲存的高要求。

2.3 基于高速轉臺下的發動機壓力測量動態標定的設計

當進行高速轉臺下的發動機壓力測量時，該測量系統應該實現對高速轉軸與發動機壓力測量傳感器的同時控制，但是因為高速轉軸與壓力測量傳感器的共線效果容易出現問題，因此測量人員可能在具體測試過程中發現該壓力測量傳感器在高速運轉中出現受到離心力影響的位移現象，造成壓力感知膜片的數據誤差的出現。此時的發動機壓力測量系統的數據就是發動機燃燒室壓力和高速旋轉產生的離心力所共同造成的結果。為了保證壓力測量傳感器傳感膜片的數據正確，排除離心力的影響，該發動機壓力測量系統采用動態標定的設計方法來實現壓力測量結果的精確性。利用此種方式，該發動機壓力測量系統可以明確對壓力測量感知膜片造成影響的壓力來源，同時將此種壓力來源進行數據上的排除。該動態標定設計如圖1所示。

通過對壓力傳感器的標準壓力的確定，動態標定設計方式可以實現對不同狀態下的壓力數值的準確測量，從而得出動態壓力輸出與靜態壓力輸出的數字差距，然后反推出傳感器感知數據的誤差數值，進而幫助測量人員明確壓力測量的準確數值。該公式如下：ΔU=U（P）-U′（P）。

3? 基于高速轉臺下的發動機壓力測量系統軟件設計

基于高速轉臺下的發動機壓力測量系統軟件部分的最重要內容是數據的采集部分。當系統被初始化之后，系統的信息感知部分處于待機狀態，當外部信息傳輸時，該系統的信息感知部分就被喚醒。具體而言，信息通過輸入脈沖的方式實現對串口指令的控制，進而實現對信息感知部分的觸發。當信息感知部分被觸發后，信息儲存芯片將會主動對失效信息進行抹去，同時采集新信息，當信息未達到極限時，信息將會一直被循環存儲。本文的軟件系統采用了兩個信息緩沖區域來進行信息存儲，以避免信息操作的沖突出現。該軟件系統的的信息采集速度消耗可以達到1.17μs。該軟件設計部分所采用的信息無線傳輸支持子系統的芯片為CC2530。利用該芯片，設計人員可以通過對ZigBee程序內容的編寫而進行對信息傳輸的有效控制。

4? 基于高速轉臺下的發動機壓力測量系統結構設計

基于高速轉臺下的發動機壓力測量系統的整個結構應該能夠讓發動機在高速度被動運轉的情況下實現對離心力影響的有效排除，同時盡量減少壓力測量平臺的功率消耗。該發動機壓力測量系統的結構設計應該以對稱設計為原則。該結構中的上端蓋部分應該被設置兩個開口，當測量人員向系統注入壓力液時，系統中的空氣可以通過開口而被排除，從而杜絕氣機現象的發生。當壓力液被注入系統后，測量人員通過螺栓密封測試裝置，并利用螺紋等將整個系統固定在低端座上。

5? 結語

綜上所述，本文基于對高速轉臺下的發動機進行了壓力測量系統的設計與分析。傳統的壓力測量方法會因為發動機燃燒室內的阻力等導致數值的偏差。而本文介紹的壓力測量系統則直接對燃燒室內部的壓力進行測量，能夠在排除各種內外部干擾的情況下實現對發動機壓力水平的精確測量，為發動機的應用提供科學的參考數據，從而促進我國發動機事業的發展。

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