汽车爆震传感器影响因素分析 - 改

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1、汽车爆震传感器性能影响因素分析摘要：爆震对于发动机的危害很大，所以发动机电控系统有以爆震信号为依据的闭环控制策略。同时，考虑到未来发动机电控对振动信号的分析不止局限于爆震控制，通过爆震传感器简化模型的ANSYS谐响应分析对爆震传感器主要结构参数对其性能的影响进行了分析，并利用matlab多维多目标优化设计得到了满足要求的非共振型压电式爆震传感器主要参数。关键字：爆震传感器；ANSYS；matlab；优化设计中图分类号：TK4020.引言爆震是由汽油机燃烧过程中火焰传播速度和火焰锋面形状均发生急剧变化的不正常燃烧造成压力脉冲在气缸内来回震荡的现象

2、。[1]柴油机随着速度的增加，喷油持续时间同速度成反比地缩短，但着火延发期没有缩短，喷油量减少，油气混合充分，最高压力和压力升高率都增大，敲击声增大，人们也称为柴油机的“敲缸”或者“爆震”。[2]爆燃不仅会造成经济性能和排放性能的下降，还会加速运动件的磨损。爆燃严重时还会使局部过热，造成铝合金的缸盖、活塞软化、融化而损坏。[1]~[2]因此，对爆震的控制是发动机电控不可或缺的一部分。本文通过非共振型爆震传感器简化结构的谐响应分析，对影响爆震传感器性能的主要结构参数进行了分析，并通过matlab对主要参数进行优化，从而使爆震传感器取得了良好的性能

3、。1.影响爆震传感器性能的主要结构参数如图1所示，非共振型爆震传感器主要由基座、压电材料、配重块、弹簧以及电极、外壳等部件组成。它主要是利用压电材料的“正压电效应”，将机械信号转化为电荷或者电压信号。当传感器基座随被测物体一起运动时，基座与配重块之间相对运动，夹在这两者之间的压电材料受到压力，产生电荷，最后由电极输出。因此，压电式爆震传感器可以简化为由配重块、弹簧、阻尼器组成的单自由度系统。[3]~[4]图1爆震传感器简化模型Fig1.Simplifiedmodelofknocksensor由爆震传感器的原理可知：（1-1）式中，为压电材料的压

4、电系数；m为配重块的质量；为配重块加速度。爆震传感器随被测物体振动，配重块与基座产生相对运动，其平衡方程：（1-2）式中，X为被测物体的绝对位移；Xm为配重块的绝对位移。式1-2可以改写成：（1-3）由此可得爆震传感器的幅频特性：（1-4）式中，为系统的固有频率，；为系统的阻尼比，。在确定激励频率下，爆震传感器配重块相对位移与被测振动的加速度成正比，因此可用配重块的相对位移量来反映被测物加速度大小。配重块的相对位移通过弹簧——阻尼器系统将Fa作用在压电材料上，通过压电材料产生的电荷Q表征加速度。由式1-4可以看出，影响系统幅频特性的结构参数主要

5、有m、K、C等。1.1压电系数d对爆震传感器灵敏度的影响压电系数d主要取决于压电材料。常用的压电材料主要有石英晶体（SiO2）、水溶性压电晶体（酒石酸钾钠）、压电陶瓷（BaTiO3、PZT、PMN等）、高分子薄膜（PVF2、PVF、PVC等）以及压电半导体（ZnS、CdTe、ZnO、CdS、CdTe）等。查阅相关材料可以得到不同压电陶瓷的压电系数d。[5]~[7]图2电荷灵敏度随压电系数的变化规律图3不同压电材料电荷灵敏度变化曲Fig2.ChargesensitivitycurvewithpiezoelectriccoefficientFig3

6、.Chargesensitivitycurvewithdifferentpiezoelectriccoefficient图2为压电材料电荷灵敏度与压电系数d的关系。由图2可以看出，压电系数d与压电材料的电荷灵敏度系数成正比。图3表示常用压电材料的电荷灵敏度随被测频率的变化规律。由图3可以看出，电荷灵敏度曲线峰值的位置（爆震传感器的固有频率）不受压电系数的影响。同时由图3可以看出压电陶瓷的电荷灵敏度远大于石英晶体，压电系数跨度也比较大（），适用于多种用途，因此多采用压电陶瓷作为爆震传感器感应件。1.2配重块质量m对爆震传感器电荷灵敏度的影响图4配

7、重块质量0.02kg时系统谐响应分析结果Fig4.Harmonicresponseresultwith0.02KGcounterweightblock图5配重块质量0.05kg时系统谐响应分析结果Fig5.Harmonicresponseresultwith0.05KGcounterweightblock图6配重块质量0.1kg时系统谐响应分析结果Fig6.Harmonicresponseresultwith0.1KGcounterweightblock图7配重块质量0.02kg（绿色）、0.05kg（蓝色）、0.1kg（红色）时，系统幅频特性

8、曲线Fig7.Amplitude-Frequencycharacteristiccurvewithdifferentmass图4～图6为配重块质量为0