车辆发动机压力测量及其应用

压力是指流体对单位面积上的垂直作用力，也就是物理学中所说的压强。在热能和动力机械测试技术中，压力的测量具有十分重要的地位，如发动机进气压力、排气压力、缸内燃气压力、燃油喷射压力、冷却水的压力、润滑油的压力等对发动机的性能、受力状况及可靠性等有重要影响。压力可用绝对压力或表压力表示。绝对压力是指以完全真空作为零标准的压力，也就是作用于单位面积上的全部压力；表压力又称相对压力，是指在压力仪表上所指示的压力，其数值为绝对压力与当地大气压的差值。

1.压力测量方法

根据测压原理的不同，可将压力测量方法分为以下几类。

（1）重力与被测压力的平衡法。此方法是按照压力的定义，通过直接测量单位面积上所承受的垂直方向上力的大小来测量压力，采用这种方法的压力计有液柱式压力计和活塞式压力计等。

（2）弹性力与被测压力的平衡法。弹性元件受压后会产生弹性变形，产生弹性力，当弹性力与被测压力平衡时，弹性元件变形的大小即反映了被测压力的大小。采用这种方法的压力计有弹簧管压力计、波纹管压力计和波纹管压差计等。

（3）利用物质某些与压力有关的物理性质进行测压。一些物质受压后，它的某些物理性质会发生变化，测量这些变化就能测量出压力。由此，可进行传感器设计。例如，压阻式传感器在受压时电阻值发生变化；压电式传感器在受压时产生电荷输出。这一类传感器大都具有精度高、体积小、动态特性好等优点，是当前测压技术的主要发展方向。

2.典型压力传感器

可以用于压力测量的传感器很多，常用的有压阻式传感器、压电式传感器和电容式差压传感器等，下面主要介绍两种用于压力测量的传感器的结构和工作原理。

1）石英晶体压电传感器

图3－14所示为用于气体压力测量的石英晶体压电传感器结构示意。测压时，被测压力压向弹性膜片1，其压力通过传力件2作用于石英片4上。石英片一般为三片，与传力件接触的一片为保护片，以防另两片工作片被挤破。两片工作片之间由金属箔9把负电位传导到导电环8，其正极通过壳体接地。导电环8上的负电荷由导线穿过玻璃导管5和胶玻璃导管6接到引出导线接头7上。测量时，石英片在脉动压力的作用下产生交变的电荷。两片石英片既可以并联，也可以串联，并联的优点是传感器有较高的电荷灵敏度，串联的优点是电压灵敏度较高。若被测介质温度高于室温（例如在内燃机缸内气体压力测量时），则必须采用冷却水进行冷却，否则高温会改变传感器的灵敏度甚至造成传感器损坏。石英晶体压电传感器一般不能用于静态压力测量，多用于测量10～20 kHz的脉动压力。图3－14（b）所示为与火花塞做成一体的石英晶体压电传感器，用于测量发动机缸内压力时非常方便。

压电传感器产生的信号很弱而输出阻抗很高，因此必须根据压电传感器的输出要求，将微弱的信号经过电压放大或电荷放大（一般是电荷放大），同时要把高输出阻抗转换成低输出阻抗，这样信号才能被示波器（或其他二次仪表）所接收。(www.xing528.com)

2）电容式差压传感器

电容式传感器在压力测量中常用于测量压差，图3－15所示为电容式差压传感器结构示意图。这种传感器的外壳由高强度金属制成，壳体内部浇注玻璃绝缘子5，绝缘子内侧磨成光滑的球面，在球面上用真空镀膜工艺镀上均匀的金属膜，作为电容的固定极板。中心感压膜片3为电容的动极板，其周边与壳体密封并焊接在一起，它与两个球面之间的空腔充以硅油4，并分别由各自的引油孔与被测压力连通。被测压力分别加在膜盒两侧的隔离膜片6上，通过腔体内所充硅油的传递，作用在中心感压膜片的两侧。

图3－14　石英晶体压电传感器的结构示意

（a）普通型；（b）与火花塞做成一体的石英晶体压电传感器
1—弹性膜片；2—传力件；3—底座；4—石英片；5—玻璃导管；6—胶玻璃导管；7—引出导线接头；8—导电环；9—金属箔；10—火花塞；11—传感器

图3－15　电容式差压传感器的结构示意

1—电极导线；2—球形或弧形电极；3—中心感压膜片；4—硅油；5—玻璃绝缘子；6—隔离膜片

电容式差压传感器具有结构简单、耐振动冲击、测量范围宽、可靠性强和精度高等优点，尤其适合高工作压力、低差压的测量。影响电容式差压传感器测量精度的主要因素是线路寄生电容、电缆电容、温度、湿度等外界条件。如果没有布置极好的绝缘和屏蔽，电容式差压传感器将无法正常工作，这在过去长时间内限制了它的应用。随着集成电路技术的发展和新材料、新工艺的应用，上述因素对测量精度的影响大大减小，为电容式差压传感器的应用开辟了广阔的前景。

除上述两种测压传感器外，电阻应变式传感器、电感式传感器和霍尔压力式传感器等也常用于压力测量。