本发明属于传感器生产，尤其涉及一种具有预紧力监测功能的压电式缸压传感器及监测方法。
背景技术：
1、缸压传感器是一种高温压力传感器，在内燃机和其他动力系统中具有重要意义，可实时监测气缸内的压力变化，提供燃烧过程中的详细信息，有助于优化燃烧过程，提高发动机效率，实现故障早期诊断和预测性维护。其中压电式缸压传感器相较于其他类型的缸压传感器(如应变片式、压阻式等)具有高频响应能力、高灵敏度、宽测量范围、耐高温和抗恶劣能力、低功耗、长时间稳定性等优势，已成为目前主流的商业化缸压传感器。
2、压电式缸压传感器是一种利用压电效应工作的压力传感器。压电式缸压传感器在制作时中需要对传感器中的压电晶片施加一定的预紧力，用于提高机械稳定性。同时还可以保证输出线性度、提高动态响应、减小压电晶片疲劳损伤、减小横向灵敏度等。预紧力对于压电式缸压传感器的作用是多方面的，合理的预紧力设计和控制能够显著提升传感器的测量精度和可靠性。施加在压电晶片上的预紧力会随着缸压传感器在使用过程中出现的材料疲劳、热应力等发生变化。因此有必要对压电晶片的预紧力进行实时监测确保缸压传感器在整个测量范围内保持最佳的工作状态，从而保证测量结果的精度和一致性。
3、专利cn113375842a(一种医用超声换能器预应力测试方法)所述，在压电超声换能器两端并联一个大电容。通过测试装配压电超声换能器时电容两端产生的电压来计算施加在压电晶片上的预紧力值。这种方式是利用了准静态法进行测试，在缸压传感器实际工作过程中使用该方法需要切换测试电路，且测试电路中存在一个对地大电容，电路时间常数较大，不能实现实时监测的目的。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种具有预紧力监测功能的压电式缸压传感器及监测方法，无需测试压电晶片的谐振频率，可有效减小硬件电路复杂性，降低数据处理难度。
2、上述的目的通过以下技术方案实现：
3、一种具有预紧力监测功能的压电式缸压传感器，包括压力探头2、线缆1、信号调理电子仓3；所述压力探头2通过线缆1连接所述信号调理电子仓3；其特征在于，所述信号调理电子仓3内部包括电源模块、电荷放大器模块、夹持电容测试模块、信号处理模块、输出信号调理模块；所述电源模块用于将外部电源转换为低噪声内部模块供电电压；所述电荷放大器模块用于将压力探头电荷信号转换为电压信号；所述夹持电容测试模块包括阻抗测试电路，用于测试压力探头的阻抗频谱；所述信号处理模块用于压力信号的数字信号处理；所述输出信号调理模块用于将信号处理模块调理的数字压力信号输出或者将电荷放大器模块输出的模拟信号经过限压调理后直接输出。
4、进一步地，所述电荷放大模块包括电荷放大电路和低通滤波电路。
5、进一步地，所述电荷放大电路中包括电源隔离运算放大器。
6、进一步地，所述低通滤波电路采用二阶有源滤波电路。
7、进一步地，所述压力探头2包括封装在外部的探头管壳208，所述探头管壳208底部设置有膜片201，所述膜片201上方设置有传力块202，所述传力块上方设置有压电晶片203，所述压电晶片203上方设置有预压块206，预紧套筒205将所述传力块202、压电晶片203、预压块206套装在一起，所述探头管壳208上部连接有线缆插座209，所述线缆插座209连接所述的线缆1，所述压电晶片203中间设置有导电片204，所述导电片204上有电荷信号导线207，所述电荷信号导线207向上延伸并与线缆插座209之间通过机械配合、材料配合的方式形成电连接和机械连接。
8、进一步地，所述压电晶片203有两片，两片所述压电晶片203中间存在导电片204，两片所述压电晶片203的正极均对准导电片204。
9、进一步地，所述预紧套筒205用于在缸压传感器装配时将预压块206和传力块202预紧从而在压电晶片203上施加预紧力，所述预紧套筒205与压电晶片203之间存在间隙。
10、进一步地，所述电荷信号导线207与线缆插座209之间通过机械配合、材料配合的方式形成电连接和机械连接。
11、本发明还提供一种上述具有预紧力监测功能的压电式缸压传感器的预紧力监测的方法，所述方法包括如下步骤：
12、s1.预先标定压电晶片夹持电容cp与温度t、预紧力f之间的关系曲线组；
13、s2.通过夹持电容测试模块测量缸压传感器在工作状态下的夹持电容值cpm；
14、s3.读取本地存储的工作温度数值tm；
15、s4.通过压电晶片夹持电容cp与温度t、预紧力f之间的关系曲线组计算预紧力fm：首先判断fm所处区间，再计算该温度区间下边界fy对应的计算预紧力值fl，计算区间上边界fy+1对应的预紧力值fh，
16、
17、最后通过公式计算获取fm。
18、进一步地，步骤s1具体方法如下：
19、在缸压传感器装配时，控制压电晶片上的温度为f1，分别测试传感器在预紧力为f1，f2，…,fn时对应的压电晶片夹持电容cp1f1，cp1f2，…,cp1fn；通过高精度电容表测试电容，预紧力测试点数量n为3个或者3个以上；通过最小二乘法拟合预紧力数据f1，f2，…,fn和电容数据cp1f1，cp1f2，…,cp1fn，获取环境温度为t1时夹持电容与预紧力的关系曲线，记为
20、将压电晶片上的温度改变至t2，t3,…,ti，分别测试对应夹持电容与预紧力的关系曲线，记为温度测试点数目i为3个或者3个以上，至此完成标定压电晶片夹持电容cp与温度t、预紧力f之间的关系曲线组。
21、本发明相比现有技术的有益效果是：
22、本发明的可实现预紧力测试的缸压传感器，无需测试压电晶片的谐振频率，可有效减小硬件电路复杂性，降低数据处理难度。
1.一种具有预紧力监测功能的压电式缸压传感器，包括压力探头(2)、线缆(1)、信号调理电子仓(3)；所述压力探头(2)通过线缆(1)连接所述信号调理电子仓(3)；其特征在于，所述信号调理电子仓(3)内部包括电源模块、电荷放大器模块、夹持电容测试模块、信号处理模块、输出信号调理模块；所述电源模块用于将外部电源转换为低噪声内部模块供电电压；所述电荷放大器模块用于将压力探头电荷信号转换为电压信号；所述夹持电容测试模块包括阻抗测试电路，用于测试压力探头的阻抗频谱；所述信号处理模块用于压力信号的数字信号处理；所述输出信号调理模块用于将信号处理模块调理的数字压力信号输出或者将电荷放大器模块输出的模拟信号经过限压调理后直接输出。
2.根据权利要求1所述的一种具有预紧力监测功能的压电式缸压传感器，其特征在于，所述电荷放大模块包括电荷放大电路和低通滤波电路。
3.根据权利要求2所述的一种具有预紧力监测功能的压电式缸压传感器，其特征在于，所述电荷放大电路中包括电源隔离运算放大器。
4.根据权利要求2所述的一种具有预紧力监测功能的压电式缸压传感器，其特征在于，所述低通滤波电路采用二阶有源滤波电路。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种具有预紧力监测功能的压电式缸压传感器，其特征在于，所述压力探头(2)包括封装在外部的探头管壳(208)，所述探头管壳(208)底部设置有膜片(201)，所述膜片(201)上方设置有传力块(202)，所述传力块上方设置有压电晶片(203)，所述压电晶片(203)上方设置有预压块(206)，预紧套筒(205)将所述传力块(202)、压电晶片(203)、预压块(206)套装在一起，所述探头管壳(208)上部连接有线缆插座(209)，所述线缆插座(209)连接所述的线缆(1)，所述压电晶片(203)中间设置有导电片(204)，所述导电片(204)上有电荷信号导线(207)，所述电荷信号导线(207)向上延伸并与线缆插座(209)之间通过机械配合、材料配合的方式形成电连接和机械连接。
6.根据权利要求5所述的一种具有预紧力监测功能的压电式缸压传感器，其特征在于，所述压电晶片(203)有两片，两片所述压电晶片(203)中间存在导电片(204)，两片所述压电晶片(203)的正极均对准导电片(204)。
7.根据权利要求5所述的一种具有预紧力监测功能的压电式缸压传感器，其特征在于，所述预紧套筒(205)用于在缸压传感器装配时将预压块(206)和传力块(202)预紧从而在压电晶片(203)上施加预紧力，所述预紧套筒(205)与压电晶片(203)之间存在间隙。
8.根据权利要求5所述的一种具有预紧力监测功能的压电式缸压传感器，其特征在于，所述电荷信号导线(207)与线缆插座(209)之间通过机械配合、材料配合的方式形成电连接和机械连接。
9.一种权利要求1-8之一所述具有预紧力监测功能的压电式缸压传感器的预紧力监测的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
10.根据权利要求9所述的预紧力监测的方法，其特征在于，步骤s1具体方法如下：
