CN113295424A - 基于光纤光栅阵列的汽车发动机爆震传感器 - Google Patents
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Abstract
基于光纤光栅阵列的汽车发动机爆震传感器，属于光纤传感和发动机爆震监测技术领域，本发明为解决现有爆震传感器采用电子传感器容易受到电磁干扰，导致其测量不准确的问题。本发明包括外壳、菱形结构弹性体、光纤光栅、上质量块、下质量块和解调模块，外壳的内腔上下分别设置上质量块和下质量块，菱形结构弹性体竖直对角线的两端分别嵌固于上质量块和下质量块中；菱形结构弹性体的水平对角线夹持光纤光栅，所述光纤光栅的尾端从外壳伸出，所述光纤光栅的尾端设置有尾纤；发动机的振动信号被传感器的两个质量块捕捉到并形成垂直方向的振动信号，光纤光栅将质量块垂直方向的振动信号转换为水平应变信号，并通过尾纤输送至解调模块中。
Description
技术领域
本发明涉及一种爆震传感器，属于光纤传感和发动机爆震监测技术领域。
背景技术
2020年，全国机动车保有量达3.72亿辆，其中汽车2.81亿辆；机动车驾驶人达4.56亿人，其中汽车驾驶人4.18亿人。全国新注册登记机动车3328万辆，同比增加114万辆，新领证驾驶人2231万人。如此庞大的汽车保有量下，在汽车行驶过程中，一旦发生发动机爆震，将会产生无法预料的后果，因此发动机爆震传感器的研究不可或缺。爆震对于发动机来说是非常有害的现象，主要的害处是：发动机动力下降、油耗增加、噪音加大、汽车舒适性变差、排放恶化(车内车外都能闻到严重的怪味、有时一辆车的污染可以相当于200多辆车正常状态时所产生的污染、严重影响驾驶员本人和乘客的身体健康)，最为严重的时候会引起敲缸、发动机熄火以及发动机机械部件破坏，给车主带来人身安全或重大经济损失。
爆震是混乱的燃烧(即爆燃)，爆燃是汽油机燃烧室中末端混合气自燃所造成的一种不正常燃烧现象，它不但会产生尖锐的敲缸声，还会使发动机的活塞、连杆、曲轴等机件受到过度的冲击，并导致发动机出现过热等现象，从而大大的缩短发动机的工作寿命，因此对发动机的爆燃必须加以控制。
从最佳点火提前角的分析中可知，为了最大限度地发挥汽油机的潜能，应把点火提前角控制在临界爆燃点，同时又不能使发动机发生爆燃。要使点火***达到这样的要求，除了必须采用电子控制的点火***外，对点火提前角还必须采用爆燃反馈控制。为此，需要对气缸压力或其他对发动机爆燃作出判断的相关参数进行检测，ECU(Electronic ControlUnit，电子控制单元)根据检测爆震传感器的输入信号，对发动机是否发生爆燃作出判断，然后发出相应的执行指令。
现有爆震传感器大多采用电子传感器，如压电陶瓷或感应线圈，但这类电子传感器容易受到电磁干扰，导致其测量不准确。
发明内容
本发明目的是为了解决现有爆震传感器采用电子传感器容易受到电磁干扰，导致其测量不准确的问题，提供了一种基于光纤光栅阵列的汽车发动机爆震传感器。
本发明所述基于光纤光栅阵列的汽车发动机爆震传感器，包括外壳1、菱形结构弹性体2、光纤光栅3、上质量块4、下质量块5和解调模块9，外壳1的内腔上下分别设置上质量块4和下质量块5，菱形结构弹性体2竖直对角线的两端分别嵌固于上质量块4和下质量块5中；菱形结构弹性体2的水平对角线夹持光纤光栅3，所述光纤光栅3的尾端从外壳1伸出，所述光纤光栅3的尾端设置有尾纤6；
发动机的振动信号被传感器的两个质量块捕捉到并形成垂直方向的振动信号，光纤光栅3将质量块垂直方向的振动信号转换为水平应变信号，并通过尾纤6输送至解调模块9中。
优选地，解调模块9包括AWG(Arrayed Waveguide Grating，阵列波导光栅阵列)波导光栅9-1、SLD(Super Luminescent Diode，超辐射发光二极管)光源9-2、多个光电转换器9-3、ARM处理器9-4和CAN总线9-5；
ARM(Advanced RISC Machine，先进的RISC机器)处理器9-4为SLD光源9-2提供控制指令，SLD光源9-2通过尾纤6为光纤光栅3提供稳定光源，尾纤6输出的携带水平应变信号的光信号输入至AWG阵列波导光栅9-1中，AWG阵列波导光栅9-1根据光信号反射来的波长范围选择对应通道，经对应通道中的光电转换器9-3转换为爆震强度电信号并发送至ARM处理器9-4的输入端，ARM处理器9-4将接收到的爆震强度电信号通过CAN总线9-5发送出去。
优选地，还包括ECU电控单元10，ECU电控单元10通过CAN总线9-5接收爆震传感器检测的爆震强度信号。
优选地，菱形结构弹性体2水平对角线的两端与壳体1的左右侧内壁存在形变预留空间。
优选地，上质量块4与壳体1顶端之间存在形变预留空间，上质量块4与壳体1左右侧内壁之间存在间隙，利于菱形结构弹性体2发生形变时拉动上质量块4沿壳体1内壁上下滑动。
优选地，还包括光栅固定单元7和T型连接块8，光栅固定单元7用于夹持光纤光栅3伸至外壳1外部的尾端及尾纤6，光栅固定单元7通过T型连接块8设置在外壳1的外侧壁。
优选地，光纤光栅3采用布拉格光纤光栅。
优选地，对光纤光栅3的预处理工艺：利用剥线钳将布拉格光纤光栅的涂覆层剥掉，再用酒精擦除残留的涂覆层，将除去涂覆层的布拉格光纤光栅在水平方向上进行预应力处理，然后固定在菱形结构弹性体2中。
本发明还提供另一种技术方案：一种交通工具，所述交通工具包括根据所述的基于光纤光栅阵列的汽车发动机爆震传感器。
本发明的有益效果：本发明爆震传感器直接安装在发动机气缸体上，用来监测发动机应点火提前角过于提前而出现的破坏性爆燃。推迟点火提前角，从而使发动机脱离爆震区，以免影响发动机的使用寿命，甚至损坏发动机。
本发明设计的爆震传感器结构简单易于封装制作，利用菱形结构弹性体将质量块接收到的垂直方向的振动转化为光纤光栅的水平应变，根据中心波长的漂移提取波长信息，将其作为爆震强度信号发送给ECU电控单元，ECU电控单元根据反馈的检测信息输出最佳点火提前角，来消除爆震。
本发明采用光纤光栅能代替传统的电子传感器，不受电磁干扰，测量准确。
附图说明
图1是本发明所述基于光纤光栅阵列的汽车发动机爆震传感器的结构示意图；
图2是本发明所述基于光纤光栅阵列的汽车发动机爆震传感器的测量原理框图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述基于光纤光栅阵列的汽车发动机爆震传感器，包括外壳1、菱形结构弹性体2、光纤光栅3、上质量块4、下质量块5和解调模块9，外壳1的内腔上下分别设置上质量块4和下质量块5，菱形结构弹性体2竖直对角线的两端分别嵌固于上质量块4和下质量块5中；菱形结构弹性体2的水平对角线夹持光纤光栅3，所述光纤光栅3的尾端从外壳1伸出，所述光纤光栅3的尾端设置有尾纤6；光纤光栅3采用布拉格光纤光栅。
发动机的振动信号被传感器的两个质量块捕捉到并形成垂直方向的振动信号，光纤光栅3将质量块垂直方向的振动信号转换为水平应变信号，并通过尾纤6输送至解调模块9中。
解调模块9包括AWG阵列波导光栅9-1、SLD光源9-2、多个光电转换器9-3、ARM处理器9-4和CAN总线9-5；
ARM处理器9-4为SLD光源9-2提供控制指令，SLD光源9-2通过尾纤6为光纤光栅3提供稳定光源，尾纤6输出的携带水平应变信号的光信号输入至AWG阵列波导光栅9-1中，AWG阵列波导光栅9-1根据光信号反射来的波长范围选择对应通道，经对应通道中的光电转换器9-3转换为爆震强度电信号并发送至ARM处理器9-4的输入端，ARM处理器9-4将接收到的爆震强度电信号通过CAN总线9-5发送出去。
进一步的，还包括光栅固定单元7和T型连接块8，光栅固定单元7用于夹持光纤光栅3伸至外壳1外部的尾端及尾纤6，光栅固定单元7通过T型连接块8设置在外壳1的外侧壁。
进一步的，还包括ECU电控单元10，ECU电控单元10通过CAN总线9-5接收爆震传感器检测的爆震强度信号。
本实施方式所述的基于光纤光栅阵列的汽车发动机爆震传感器中的光纤光栅3采用的是布拉格光纤光栅，用布拉格光纤光栅对波长绝对编码的优良特性，可以对温度和应变等物理量进行精确测量，因此，布拉格光纤光栅可以应用于电磁干扰强的地方，在使用时，首先对初始光纤光栅进行预处理，利用剥线钳将光纤光栅的涂覆层剥掉，再用酒精擦除残留的涂覆层，将除去涂覆层的光纤光栅在水平方向上进行预应力处理，使其初始状态能保证有足够应力拉直，然后固定在菱形结构弹性体2中。当发动机发生爆震时，爆震传感器检测到缸体传来的冲击振动引起机械共振，上质量块4、下质量块5在垂直方向上下振动时，菱形结构弹性体2能够将垂直振动转换为光纤光栅3的水平的拉伸，引起光纤光栅3的水平应变，引起中心波长的动态变化，进而接入解调模块9，具体为将光纤光栅3的输出信号通过尾纤6接入AWG阵列波导光栅9-1中，根据光信号反射来的波长范围选择通道，输出至对应通道的光电转换器9-3，经过光电转换器9-3转换后输出电信号至ARM处理器9-4对该电信号进行处理，生成爆震强度信号，然后通过CAN总线9-5传输至电控单元ECU电控单元10。ECU电控单元10根据爆震强度的大小控制发出点火信号的时机，具体的，根据爆震传感器传来的信号强度与ECU电控单元10内部设定的阈值相比较，如果爆震强度高于设定的阈值则发动机故障报警器工作，具体的爆震强度越大，报警器音量越高。此时ECU电控单元10将接收到的爆震强度信号转化为点火提前角信号，根据爆震强度的大小给点火组件发出推迟点火信号，直到爆震消失。
本实施方式的爆震传感器直接安装在发动机气缸体上，用来监测发动机应点火提前角过于提前而出现的破坏性爆燃。推迟点火提前角，从而使发动机脱离爆震区，以免影响发动机的使用寿命，甚至损坏发动机。
具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，菱形结构弹性体2水平对角线的两端与壳体1的左右侧内壁存在形变预留空间。上质量块4与壳体1顶端之间存在形变预留空间，上质量块4与壳体1左右侧内壁之间存在间隙，利于菱形结构弹性体2发生形变时拉动上质量块4沿壳体1内壁上下滑动。
当菱形结构弹性体2发生上下被压缩形变时左右长度变大，菱形结构弹性体2向左、向右同时发生位移，菱形结构弹性体2左右与壳体1左右侧内壁之间的距离用于给该形变引发的位移提供预留空间。
同理，当菱形结构弹性体2发生上下被拉伸形变时上下高度变大，菱形结构弹性体2向上发生位移，上质量块4将被向上推，上质量块4随之发生向上位移，此时上质量块4与壳体1顶端的预留空间即为该类形变引发的位移提供空间，为了让上质量块4顺利上下滑动，上质量块4与外壳1的左右侧内壁之间存在间隙，该间隙尺寸小于形变预留空间，因该间隙仅为了保证上质量块4上下滑动时不与壳体1发生摩擦即可。
具体实施方式三：本实施方式所述一种交通工具，所述交通工具包括根据实施方式一所述的基于光纤光栅阵列的汽车发动机爆震传感器。
Claims (9)
1.基于光纤光栅阵列的汽车发动机爆震传感器，其特征在于，包括外壳(1)、菱形结构弹性体(2)、光纤光栅(3)、上质量块(4)、下质量块(5)和解调模块(9)，外壳(1)的内腔上下分别设置上质量块(4)和下质量块(5)，菱形结构弹性体(2)竖直对角线的两端分别嵌固于上质量块(4)和下质量块(5)中；菱形结构弹性体(2)的水平对角线夹持光纤光栅(3)，所述光纤光栅(3)的尾端从外壳(1)伸出，所述光纤光栅(3)的尾端设置有尾纤(6)；
发动机的振动信号被传感器的两个质量块捕捉到并形成垂直方向的振动信号，光纤光栅(3)将质量块垂直方向的振动信号转换为水平应变信号，并通过尾纤(6)输送至解调模块(9)中。
2.根据权利要求1所述基于光纤光栅阵列的汽车发动机爆震传感器，其特征在于，解调模块(9)包括AWG阵列波导光栅(9-1)、SLD光源(9-2)、多个光电转换器(9-3)、ARM处理器(9-4)和CAN总线(9-5)；
ARM处理器(9-4)为SLD光源(9-2)提供控制指令，SLD光源(9-2)通过尾纤(6)为光纤光栅(3)提供稳定光源，尾纤(6)输出的携带水平应变信号的光信号输入至AWG阵列波导光栅(9-1)中，AWG阵列波导光栅(9-1)根据光信号反射来的波长范围选择对应通道，经对应通道中的光电转换器(9-3)转换为爆震强度电信号并发送至ARM处理器(9-4)的输入端，ARM处理器(9-4)将接收到的爆震强度电信号通过CAN总线(9-5)发送出去。
3.根据权利要求2所述基于光纤光栅阵列的汽车发动机爆震传感器，其特征在于，还包括ECU电控单元(10)，ECU电控单元(10)通过CAN总线(9-5)接收爆震传感器检测的爆震强度信号。
4.根据权利要求1所述基于光纤光栅阵列的汽车发动机爆震传感器，其特征在于，菱形结构弹性体(2)水平对角线的两端与壳体(1)的左右侧内壁存在形变预留空间。
5.根据权利要求1所述基于光纤光栅阵列的汽车发动机爆震传感器，其特征在于，上质量块(4)与壳体(1)顶端之间存在形变预留空间，上质量块(4)与壳体(1)左右侧内壁之间存在间隙，利于菱形结构弹性体(2)发生形变时拉动上质量块(4)沿壳体(1)内壁上下滑动。
6.根据权利要求1所述基于光纤光栅阵列的汽车发动机爆震传感器，其特征在于，还包括光栅固定单元(7)和T型连接块(8)，光栅固定单元(7)用于夹持光纤光栅(3)伸至外壳(1)外部的尾端及尾纤(6)，光栅固定单元(7)通过T型连接块(8)设置在外壳(1)的外侧壁。
7.根据权利要求1所述基于光纤光栅阵列的汽车发动机爆震传感器，其特征在于，光纤光栅(3)采用布拉格光纤光栅。
8.根据权利要求7所述基于光纤光栅阵列的汽车发动机爆震传感器，其特征在于，对光纤光栅(3)的预处理工艺：利用剥线钳将布拉格光纤光栅的涂覆层剥掉，再用酒精擦除残留的涂覆层，将除去涂覆层的布拉格光纤光栅在水平方向上进行预应力处理，然后固定在菱形结构弹性体(2)中。
9.一种交通工具，所述交通工具包括根据权利要求1～8任一权利要求所述的基于光纤光栅阵列的汽车发动机爆震传感器。
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