в качестве операционного усилителя использован прибор RCA 3130 с выходным каскадом на полевых транзисторах. Этот операционный усилитель потребляет от преобразователя ток примерно 1 пА,. так что выходное напряжение преобразователя е, по существу, равно его напряжению при холостом ходе Foe-

Полное сопротивление нагрузки в сочетании с емкостью преобразователя определяет точку перегиба низкочастотной характеристики, за которой следует ее спад с интенсивностью 20дБ/декада. Передаточная функция, связывающая выходное напряжение en с вохдным напряжением Vqc, имеет вид

ер RiCs -

где s - переменная~преобразования Лапласа. При использовании величин /?ь и Сь частота точки перегиба характеристики равна 5,2 рад/с. Так как самая низкая частота вращения двигателя равна 600 об/мин или 31 рад/с, то выходное напряжение ео пропорционально напряжению холостого хода датчика, которое, в свою очередь, пропорционально давлению в цилиндре [см. уравнение (2)].

Экспериментальная проверка характеристик датчика

Расчетное значение емкости пьезоэлектрического преобразователя при температуре 25° С и частоте 1 кГц было равно 0,984 нФ. Это сравнимо со значением 1,66 нФ определенным с помощью моста для измерения полных сопротивлений фирмы Дженерал Радио. Однако такое расхождение не влияет на эффективность датчика.

Датчик и электронная схема повторителя напряжения были установлены на одноцилиндровом двигателе и подвергнуты многочисленным испытаниям.

На рис. 4 показана осциллограмма сигнала цилиндрического .PZT-датчика при частоте вращения двигателя 1200 об/мин, степени сжатия 6, полном сопротивлении нагрузки = И О МОм и и Cl=90 пФ для трех тактов двигателя. Показана также осциллограмма выходного сигнала лабораторного кварцевого пьезо-электрнческого преобразователя давления Кистлера. Фактическая максимальная амплитуда напряжения равна 7 В при расчетной величине 20,9 В (3).

На рис. 5 представлена осциллограмма напряжения датчика для двух тактов двигателя при частоте вращения 1000 об/мин и степени сжатия 7. Детонация двигателя была отчетливо слышна. Заметим, что ширина полосы частот PZT-датчика вполне достаточна, чтобы детектировать частоту детонации. Электронный повторитель напряжения для PZT-датчика входит в режим насыщения при напряжении -ЬЮ В.

На рис. 6 показана осциллограмма ситнала, полученная вовремя поворота коленчатого вала на угол 720°, соответствукщий че-

Ci со СП О;

lit III Г-

3!00

1725 W3S 345

О 2 If 6 8

10 12 П 16 18 Время, мс

S S;

Рис. 4. Изменение выходного напряжения пьезоэлектрического преобразователя и давления в цилиндре. Такт сжатия и рабочий ход на такте расширения (частота вращения 1200 об/мин, коэффициент избытка воздуха Л=1, полностью открытая дроссельная заслонка, степень сжатия 6, угол опережения зажигания 22°)

и Р с> £ I g £ >a P i, с

с 1 2 J

3790 3W0 2fW

1035 3f5

£ * 5: ti S: Й

Время, мс

Рис. 5. Изменение выходного напряжения пьезоэлектрического преобразователя и изменение давления в цилиндре двигателя, работающего с детонацией (частота вращения 1000 об/мин, коэффициент избытка воздуха Я=1, полностью открытая дроссельная заслонка, степень сжатия 7, угол опережения зажигания 30°)

Полтение клапанов

о 0,2 0,f

0,6 0,8 1,0 1,1 Время., с-10

1725

i Ч) 5

iK

1,4 1,6

Рис. 6. Изменение выходного напряжения пьезоэлектрического преобразователя и изменение давления в цилиндре на тактах впуска, сжатия, рабочего ходя и ьшуска (частота вращения 1200 об/мин, коэффициент избытка воздуха Я=1, пол-Жетан ткрьггая дроссельная заслонка степень сжатия 6, угол опережения за-

ахкУ" впускного клапана, закрытие выпускного клапана; 2 - закрытие впускного на, 3 -открытие выпускного клапана

тырем тактам работы двигателя. Отметим, что PZT-датчиком регистрируются моменты открытия и закрытия клапанов, которые проявляются - в виде высокочастотных помех.

Реальное напряжение, показанное на рис. 4-6, меньше расчетного [ср. с (3)]. Основная причина снижения выходного напряжения обусловлена уменьшением пьезоэлектрической постоянной h при повышении температуры. В теоретическом анализе использованы свойства материалов при температуре 25° С, в то время как в действительности преобразователь работал при температуре около 255° С, что было установлено экспериментально. Пироэлектрический эффект (постоянная р), рассмотренный в приложении А, также генерирует напряжение. Но так как температура преобразователя изменяется медленнее по сравнению с давлением в цилиндре, то это напряжение проявляется в основном в виде постоянного смещения уровня и устраняется в результате наличия перегиба в низкочастотной характеристике повторителя напряжения. Поэтому пироэлектрическое напряжение не влияет на эффективность датчика при измерении давления в цилиндре.

Использование PZT-датчика в системе регулирования зажигания по замкнутому циклу

Из рис. 4 видно, что пьезоэлектрический преобразователь позволяет измерять давление в цилиндре без заметного сдвига по фазе по сравнению с кварцевым преобразователем Кистлера.

Кривая выходного напряжения электронной схемы обработки сигнала (см. рис. 3) дифференцировалась и затем пересекалась с нулевой линией, что использовалось в .цепи обратной связи по

давлению в цилиндре для регулирования опережения зажигания по замкнутому циклу. В работе [2] более подробно объясняется и обосновывается принцип действия регулятора опережения зажигания.

Таким образом, нет существенной разницы между характеристиками преобразователя Кистлера и экспериментальным пьезоэлектрическим преобразователем при определении максимального давления в цилиндре- Кроме того, возможности PZT-датчика в детектировании детонации сходны с возможностями преобразователя Кистлера. Это сходство характеристик проиллюстрировано на рис. 7, на котором показаны средний уровень дето-

о-Пьезоэле!гпрический

датчик -Среднее квадратическое

отклонение -Датчик Кистлера -Среднее квадратическое j

отклонение

~5 Ь.Ш.5 10 15 20 Угол опере/пения зажигания,"

Рис. 7. Уровни детонации, измеренные пьезсэлектричеасим преобразователем и преобразователем Кистлера при частоте вращения двигателя 900 об/мин