基于激光測距的節(jié)溫器檢測

張兆海，高洪波，周先鵬，張銀峰，王 鑫

（空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢 430000）

引 言

節(jié)溫器是汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)中的溫控裝置，是一種自動控制冷卻液是否流過散熱器、調(diào)節(jié)冷卻強(qiáng)度的熱力閥。感溫組件根據(jù)當(dāng)前冷卻液溫度調(diào)節(jié)閥門的開啟與關(guān)閉，控制進(jìn)入散熱器的水量，從而調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)的散熱能力，令水溫保持在最佳狀態(tài)，使發(fā)動機(jī)在適宜的溫度范圍內(nèi)工作。節(jié)溫器必須保持良好的技術(shù)狀態(tài)，否則會嚴(yán)重影響發(fā)動機(jī)的正常工作[1]。

現(xiàn)在普遍使用的石蠟機(jī)械式節(jié)溫器的安全壽命為50 000 km[2]，為確保發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要定期對節(jié)溫器進(jìn)行性能檢測。目前，常用的節(jié)溫器檢測方法有兩種。一種是將節(jié)溫器拆下放入盛有水的器皿中加熱，使用溫度計測量開始開啟和完全打開時的溫度，使用游標(biāo)卡尺測量節(jié)溫器全開時的閥門升程（形變量）[3]。該測量方法需要目測判斷節(jié)溫器是否處于開始開啟和完全開啟狀態(tài)，由于引入人為判斷的因素，測量穩(wěn)定性較差；測量數(shù)據(jù)僅包括節(jié)溫器最大升程及對應(yīng)的溫度，無法測量節(jié)溫器在各溫度下的對應(yīng)升程值，性能檢測數(shù)據(jù)不完備，檢測結(jié)果不可靠；使用游標(biāo)卡尺測量時需將節(jié)溫器從水中撈出，操作不便，特別是在發(fā)動機(jī)實(shí)習(xí)教學(xué)工作中，學(xué)員操作不熟練，存在一定的燙傷安全隱患；測量過程中節(jié)溫器離開水面使得溫度存在一定下降，導(dǎo)致閥門因溫度降低而回縮，測量不準(zhǔn)確，精度較低。另一種方法是就機(jī)檢測，在啟動發(fā)動機(jī)的情況下通過觀察冷卻水溫度變化判斷節(jié)溫器性能[4]。該方法優(yōu)點(diǎn)是無需拆裝節(jié)溫器，實(shí)施較為簡便；缺點(diǎn)是只能定性判斷節(jié)溫器對發(fā)動機(jī)工作溫度的影響，無法進(jìn)行定量測量并準(zhǔn)確檢測節(jié)溫器性能，而且容易導(dǎo)致誤判斷，不能完全確定故障原因是由節(jié)溫器導(dǎo)致。

為克服上述檢測方法的缺陷，本文提出一種基于激光測距技術(shù)的非接觸式溫度同步實(shí)時檢測方法，通過溫度傳感器實(shí)時檢測節(jié)溫器溫度，通過激光測距方法實(shí)時測量距離變化，獲取節(jié)溫器在各個溫度值下對應(yīng)的閥門升程值，同時自動獲取節(jié)溫器開啟和閉合溫度，可以準(zhǔn)確、安全、便捷地對節(jié)溫器性能進(jìn)行檢測，適用于發(fā)動機(jī)日常維修及教學(xué)實(shí)踐工作。

1 節(jié)溫器工作原理

當(dāng)冷卻液溫度低于設(shè)定值時，節(jié)溫器感溫體內(nèi)的石蠟呈固態(tài)，主閥在回位彈簧的作用下關(guān)閉發(fā)動機(jī)與散熱器間的通道，副閥開啟，冷卻液經(jīng)水泵返回發(fā)動機(jī)，進(jìn)行小循環(huán)。當(dāng)冷卻液溫度達(dá)到設(shè)定值后，石蠟開始融化、膨脹，迫使膠管收縮對推桿產(chǎn)生向上的推力。由于推桿上端固定，因此，推桿對膠管和感溫體產(chǎn)生向下的反推力使主閥門開啟，副閥關(guān)閉。這時冷卻液經(jīng)節(jié)溫器主閥進(jìn)入散熱器，并由散熱器經(jīng)水泵流回發(fā)動機(jī)，進(jìn)行大循環(huán)[5]，其工作原理如圖1所示。一般節(jié)溫器主閥正常開始開啟溫度是68～85 ℃，完全打開時溫度比開始開啟溫度高8～12 ℃。全開時升程為8～12 mm，最小不低于7 mm。如果節(jié)溫器不能在設(shè)定溫度值正常開啟，或者處于常開狀態(tài)無法關(guān)閉，都會對發(fā)動機(jī)工作性能產(chǎn)生極大影響。

圖1 發(fā)動機(jī)節(jié)溫器工作原理Fig. 1 Working principle of engine thermostat

2 檢測原理

2.1 激光測距原理

相位法激光測距的原理是半導(dǎo)體激光器從發(fā)射端發(fā)射某一頻率周期變化的調(diào)制光波，發(fā)出的光波到達(dá)被測目標(biāo)后入射光波反射回去，在接收端處接收光波的回波，通過相位鑒相器比較接收信號與發(fā)射信號的相位差來求出相位延遲數(shù)值，利用已知的調(diào)制信號頻率間接測量出激光飛行所需要的時間，從而換算得到目標(biāo)物的距離[6]。相位激光測距法在非合作目標(biāo)時測距較短，通常為幾十米范圍，但其使用固定連續(xù)的調(diào)制信號，功率小，測量精度高達(dá)1 mm[7]。節(jié)溫器檢測實(shí)際測量距離為0.5 m左右，對測量距離要求較低，閥升程為8～12 mm，測量精度要求達(dá)到毫米量級，因此采用相位法激光測距符合檢測要求。

2.2 節(jié)溫器閥升程測量原理

將節(jié)溫器垂直放置于專用鏤空支架上，閥座與支架接觸并固定，副閥朝上，并連同支架一起整體放置于盛有冷水的量杯中加熱，隨著水溫變化，節(jié)溫器主、副閥可自由上下伸縮。激光測距模塊通過專用支架，垂直倒置懸掛于離地面約0.8 m處，激光由上向下發(fā)射并照射在副閥平整處，從而測得激光器與副閥之間的距離，測量原理如圖2所示。

圖2 節(jié)溫器閥升程測量原理Fig. 2 Measurement principle of thermostat valve lift

以Arduino單片機(jī)為控制單元，通過加入防水測溫模塊實(shí)時獲取測量距離及水溫值。在溫度低于開啟溫度時選取某一溫度T0作為起始溫度，同時測得當(dāng)前激光器與副閥距離D0。隨著水溫逐漸升高，節(jié)溫器閥向上移動，激光器與副閥間距離值減小。因主、副閥相對距離始終保持不變，副閥升高距離值即為主閥升程，實(shí)時測量獲取各溫度值Tt及對應(yīng)距離Dt，則任一溫度Tt下節(jié)溫器閥的升程為

由此可見，通過激光測距及同步溫度測量不但可以獲得節(jié)溫器閥開始開啟時的溫度值以及完全開啟狀態(tài)時的溫度值和升程，還可以獲得任一溫度下節(jié)溫器閥的升程值。距離測量過程為非接觸式測量，無需從水中取出節(jié)溫器，因此該檢測方法具有測量精度高，操作過程安全、便捷的優(yōu)點(diǎn)。

需要注意的是，相位法激光測距是通過比較接收信號與發(fā)射信號的相位差（實(shí)際光程差[8]）來求出相位延遲數(shù)值，從而換算出目標(biāo)距離值。由于水的折射率約為1.33，空氣折射率約為1.0，光在水中傳播速度減慢，光程增大[9]。因此在測量過程中應(yīng)當(dāng)確保節(jié)溫器副閥高于水面，否則會因?yàn)楣庠谒袀鞑サ墓獬瘫葘?shí)際距離偏大而引入測量誤差。假設(shè)水面高出副閥距離為dh，光線往返dh的光程為Sh，空氣折射率為n0，水的折射率為n1，測量誤差為ε，則有

由式（3）可知，測量誤差ε與dh成正比，約為2dh/3，因此在測量過程中應(yīng)當(dāng)確保副閥略高于水面，避免引入測量誤差。

3 檢測系統(tǒng)

依據(jù)上述檢測原理，以Arduino開發(fā)板為主控制器開發(fā)制作節(jié)溫器檢測系統(tǒng)，并制作專用節(jié)溫器支架以及檢測裝置專用支架。檢測系統(tǒng)主要由Arduino開發(fā)板、激光測距模塊、溫度測量模塊、OLED顯示屏模塊、按鍵控制模塊、觸摸開關(guān)傳感器、電源模塊組成，如圖3所示。

圖3 節(jié)溫器檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Structure diagram of thermostat testing system

激光測距模塊負(fù)責(zé)獲取距離信息，精度為1 mm，溫度測量模塊用于獲取水溫值，精度為0.1 ℃，OLED顯示屏模塊用于同步顯示距離值、溫度值及對應(yīng)溫度下的升程值（圖4）。按鍵控制模塊用于切換裝置工作狀態(tài)，在開始測量前需要使用激光器找準(zhǔn)副閥平整處位置，因此需要通過按鍵開關(guān)開啟激光器用于瞄準(zhǔn)，測量過程中需要在主閥開始開啟前選定初始溫度值T0及對應(yīng)初始距離值D0，添加觸摸開關(guān)用于觸發(fā)初始值、升程值記錄程序，將初始值與升程值于顯示屏實(shí)時顯示。使用觸摸開關(guān)是為保證測量精度，若使用按鍵開關(guān)，在初始值記錄時可能會導(dǎo)致儀器抖動，使得記錄的初始值與真實(shí)初始值之間出現(xiàn)偏差，從而引入測量誤差。為更加直觀地觀測測量結(jié)果，可以通過USB-TTL模塊將檢測儀與計算機(jī)進(jìn)行串口通信，通過上位機(jī)顯示實(shí)時測量數(shù)據(jù)并繪制曲線。

圖4 節(jié)溫器檢測系統(tǒng)實(shí)物圖Fig. 4 Photo of thermostat testing system

4 實(shí)驗(yàn)及分析

4.1 節(jié)溫器升程-溫度曲線及溫度穩(wěn)定性測量

實(shí)驗(yàn)使用解放J6重型卡車節(jié)溫器，選取一個可正常工作的節(jié)溫器，重復(fù)10次升溫和降溫過程并記錄每次不同升程值對應(yīng)的溫度值，以升程值為基準(zhǔn)，每個升程值對應(yīng)的溫度值為10組數(shù)據(jù)，對獲得的10組原始數(shù)據(jù)取平均值作為最終數(shù)據(jù)，并通過求得10組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差反映節(jié)溫器在不同升程下對應(yīng)溫度值的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)選取初始記錄水溫75 ℃，測量初始距離531 mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，均值擬合曲線如圖5所示。

表1 解放J6節(jié)溫器溫度穩(wěn)定性測量Tab. 1 Temperature stability test of Jiefang J6 thermostat

圖5 解放J6節(jié)溫器升程-溫度關(guān)系曲線（單個節(jié)溫器溫度穩(wěn)定性測量擬合）Fig. 5 Relation curve between lift and temperature of Jiefang J6 thermostat（fitting from temperature stability test of single thermostat）

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，檢測系統(tǒng)可準(zhǔn)確檢測節(jié)溫器閥門開始開啟溫度及其在不同溫度下的具體開啟情況。實(shí)驗(yàn)使用的解放J6節(jié)溫器升溫過程中實(shí)際開啟溫度為83.7 ℃，于93.6 ℃達(dá)到最大升程10 mm。降溫時閥門于88.7 ℃開始回縮關(guān)閉，于79.6 ℃完全閉合。節(jié)溫器升溫升程曲線與降溫升程曲線之間在同一升程時存在一定溫度差，約為2～5 ℃，這是由于水溫傳導(dǎo)至節(jié)溫器內(nèi)部石蠟存在一定的遲滯效應(yīng)[10]。因此實(shí)驗(yàn)檢測升溫過程中開始開啟溫度略高于標(biāo)稱值，而降溫過程中的完全閉合溫度略低于標(biāo)稱值。由溫度標(biāo)準(zhǔn)差可見，升溫過程最大標(biāo)準(zhǔn)差為0.92 ℃，出現(xiàn)在升程值為6 mm處，降溫過程最大標(biāo)準(zhǔn)差為0.86 ℃，出現(xiàn)在升程值為7 mm處，標(biāo)準(zhǔn)差值均在1 ℃以下，說明節(jié)溫器在連續(xù)工作時溫度穩(wěn)定性較好。

4.2 同一型號節(jié)溫器性能一致性測量

為測量同一型號節(jié)溫器性能的一致性，選取8個正常工作的解放J6重型卡車節(jié)溫器進(jìn)行測量，每個節(jié)溫器測定3個升溫降溫過程，取3組溫度的平均值作為溫度數(shù)據(jù)。在獲得8個節(jié)溫器溫度數(shù)據(jù)的情況下，計算每個升程值下8個節(jié)溫器對應(yīng)溫度值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。結(jié)果如表2所示，均值擬合曲線如圖6所示。

表2 解放J6節(jié)溫器性能一致性檢測結(jié)果Tab. 2 Performance consistency test of Jiefang J6 thermostat

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，8個節(jié)溫器的溫度標(biāo)準(zhǔn)差在升溫過程中最大為1.31 ℃，出現(xiàn)在升程值為4 mm處，在降溫過程中最大為1.14 ℃，出現(xiàn)在升程值為6 mm處。從同一型號不同節(jié)溫器的溫度標(biāo)準(zhǔn)差來看，最大值為1.3 ℃，說明該型號節(jié)溫器的性能一致性較好。

圖6 解放J6節(jié)溫器升程-溫度關(guān)系曲線（多個節(jié)溫器性能一致性測量擬合）Fig. 6 Relation curve between lift and temperature of Jiefang J6 thermostat（fitting from performance consistency test of multiple thermostats）

4.3 故障節(jié)溫器的判斷

通過測量節(jié)溫器的升溫降溫曲線可以獲得節(jié)溫器性能的完備數(shù)據(jù)，并可依此判斷節(jié)溫器是否出現(xiàn)故障。以解放J6節(jié)溫器為例，通過性能一致性實(shí)驗(yàn)測定，該節(jié)溫器升溫時的最大升程溫度為93.7 ℃，降溫時的開始閉合溫度為88.6 ℃，最大升程為10 mm，升溫過程的開啟溫度為83.5 ℃，降溫過程的閉合溫度為79.7 ℃，從反映節(jié)溫器一致性的標(biāo)準(zhǔn)差來看，最大溫度標(biāo)準(zhǔn)差不超過1.30 ℃。因此，以總體樣本符合正態(tài)分布計，若某節(jié)溫器實(shí)測溫度與一致性測量結(jié)果偏差在3.9 ℃（3倍標(biāo)準(zhǔn)誤差，99.7%置信區(qū)間[11]）以下可視為正常工作，若偏差達(dá)到3.9 ℃以上可認(rèn)為該節(jié)溫器性能已不符合標(biāo)準(zhǔn)，可視為出現(xiàn)故障。

以上實(shí)驗(yàn)說明該檢測系統(tǒng)可以準(zhǔn)確獲取節(jié)溫器具體性能參數(shù)，快速、高效地檢測節(jié)溫器是否正常工作。

5 結(jié)論

本文提出一種基于相位法激光測距技術(shù)的節(jié)溫器性能檢測方法，利用單片機(jī)構(gòu)建了一套檢測系統(tǒng)，分析了避免引入測量誤差的方法，可實(shí)現(xiàn)對機(jī)械式節(jié)溫器的非接觸式溫度同步實(shí)時檢測，獲取反映節(jié)溫器性能的完備數(shù)據(jù)。檢測系統(tǒng)的升程測量精度為1 mm，溫度測量精度為0.1 ℃，滿足節(jié)溫器性能檢測要求，有效解決了以往測量方法中存在的測量數(shù)據(jù)不完備、精度低、燙傷安全隱患大及操作不便的問題，可應(yīng)用于發(fā)動機(jī)日常維修及教學(xué)實(shí)踐工作中。