活塞是高速大功率柴油机中承受热负荷的关键部件之一,由于高温恶劣的工作环境以及快速往复的运动特点,导致其热负荷规律一直无法被设计者完全掌握。常用的活塞表面温度测试技术受传感器响应速度和严酷工作环境的限制,难以实现表面瞬态温度的准确测量和实时监测。本文针对高速大功率柴油机活塞表面瞬态温度测试的技术难题,主要研究内容如下:基于热力学有限元分析理论,研究了热传递方式、热分析控制方程、热分析有限元法和热分析边界条件。利用Creo3.0三维建模软件,建立了活塞实体模型。利用ANSYS15.0有限元仿真软件,对活塞的实体模型进行了网格划分。根据经验公式,对活塞稳态温度场的热边界条件进行了计算,通过数值模拟获得了活塞稳态温度场的分布云图。研制了一种响应迅速、测量准确、安装方便的薄膜温度传感器,可用于高速大功率柴油机活塞表面瞬态温度测试。将NiCr-NiSi平行电极丝嵌入陶瓷基体内,采用直流脉冲磁控溅射技术,在其端面依次沉积NiSi功能薄膜、SiO2绝缘保护薄膜。对薄膜传感器的静态特性和动态特性进行了研究,结果表明,在50～400℃范围内塞贝克系数为41.2μV/℃,非线性误差小于0.05%,具有良好的线性和热稳定性,NiSi热接点薄膜厚度的改变对传感器静态性能影响很小。薄膜传感器的动态响应时间为μs级,时间常数随着NiSi热接点薄膜厚度增加而增大,激光脉冲能量的改变对传感器动态性能影响很小。研究了 MAX31855热电偶冷端补偿和温度转换原理,利用ZigBee无线传输技术,设计了基于STM32单片机的活塞表面瞬态温度采集系统,实现了薄膜热电偶传感器的数据采集、冷端补偿、液晶显示和无线传输等功能,对瞬态温度测量的采样速度可达30S/s。通过Visual Studio 2010软件开发平台,利用C#编程语言,开发了基于C/S架构的活塞表面瞬态温度实时监测系统,设计了用户信息模块、数据监测模块、数据处理模块和数据库模块,对活塞温度测试系统进行了试验验证,可为高速大功率柴油机活塞表面瞬态温度的准确测量和实时监测提供可靠的技术支持。