温度补偿型光纤光栅位移传感器(完整版)实用资料

温度补偿型光纤光栅位移传感器（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）

温度补偿型光纤光栅位移传感器（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）电子器件ChineseJournalofElectronDevices第39卷第3期2021年6月Vol.39No.3June2021TemperatureCompensatedOpticalFiberGratingDisplacementSensor*TIANXiaodan1,2,ZHANGHuixin1,2,LIUWenyi1,2*,FANJungang3(1.ScienceandTechnologyonElectronicTest&MeasurementLaboratory,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China;2.KeyLaboratoryofInstrumentationScience&DynamicMeasurement(NorthUniversityofChina,MinistryofEducation,Taiyuan030051,China;3.SchoolofInstrumentandElectronics,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,ChinaAbstract:BasedonisoscelestrianglecantileverbeamanddoublefiberBragggratingstructure,akindoftempera-tureself-compensatedfiberopticdisplacementsensorwithhighresolutionisdesignedandmanufactured.Themea-surementresultisdemodulatedbyspectrumanalysismethod.Theexperimentalresultsunderthenormaltempera-tureenvironmentshowthat,therangeofthesensoris0~70mm,thesensitivityis21.9pm/mm,thedegreeoflinearfittingisashighas0.999,therepeatabilityerroris4.72%FSandthehysteresiserroris2.70%FS.Inthetempera-turerangefrom0℃to60℃,thezerodriftis0.41pm/℃,sotemperatureperformanceisgood.Thesensorcanbewellappliedinlong-termmonitoringofthecracksorseamopendegreeinthewaterconservancyandhydropoweren-gineering,industrialandcivilbuildings.Keywords:sensor;temperaturecompensation;spectrum;cantileverbeam;fiberbragggrating(FBG;displacementEEACC:7220Edoi:10.3969/j.issn.1005-9490.2021.03.015温度补偿型光纤光栅位移传感器*田晓丹1,2,张会新1,2,刘文怡1,2*,范军刚3(1.中北大学电子测试技术重点实验室,太原030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;3.中北大学仪器与电子学院,太原030051摘要:基于等腰三角形悬臂梁和双光纤光栅结构设计并制造了一种高分辨率、温度自补偿的光纤位移传感器。采用光谱分析法对测量结果进行解调,常温下的实验结果表明,传感器的量程为0~70mm,灵敏度为21.9pm/mm,线性拟合度高达0.999,重复性误差为4.72%FS,迟滞误差为2.70%FS。而且在0~60℃温度范围内的零漂为0.41pm/℃,温度性能良好。该传感器能很好的应用于水利水电工程、工业与民用建筑等结构上裂缝或接缝开合度的长期监测。关键词:传感器;温度补偿;光谱;悬臂梁;光纤光栅;位移中图分类号:TP212.1文献标识码:A文章编号:1005-9490(202103-0576-05水利水电工程、工业与民用建筑等结构经过长时间的使用或受到恶劣环境的影响后,自然而然地会产生裂缝或接缝开合,可能会给实际的使用带来严重的危害,因此需要适宜的位移传感器对这些结构的裂缝和接缝开合度进行长期的监测,以保障工厂的顺利运行及人员的人身安全。与传统的机械类、电学类位移传感器相比,光纤光栅位移位移传感器具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点[1-2]。本文利用光纤光栅特殊的结构特性以及等强度悬臂梁的力学性能,设计并制造出一种高分辨率的光栅位移传感器,并对该传感器的位移测量灵敏度以及温度补偿进行了理论分析和实验研究。1传感器的结构设计光纤光栅位移传感器的结构如图1所示,主要由等腰三角形悬臂梁、双光纤光栅(FBG、弹簧管、固定块、位移传动杆以及封装外壳组成。等腰三角形悬臂梁的底端用传感器的封装外壳固定(固定端,顶端自由悬空(自由端,位于同一根光纤上的两个布拉格光栅分别对称粘贴于悬臂梁上下表面————————————项目来源:青年科学基金项目(51405454收稿日期:2021-08-17修改日期:2021-09-17第3期田晓丹,张会新等:温度补偿型光纤光栅位移传感器的中轴线上,同时将弹簧管的两端分别与悬臂梁的自由端和位移传动杆固连。固定块有稳固位移传动杆,使其发生平行移动的作用,更重要的是能够有效避免使用时超出量程,保护传感器。当位移传动杆在外力作用下实现位移变化时,与其固连的弹簧管将会被拉伸,同时将拉伸产生的力传送并作用于悬臂梁的自由端,使得悬臂梁发生弯曲,上表面产生拉伸应力,下表面产生压缩应力。粘贴于悬臂梁上下表面的两个光纤光栅的反射中心波长在该应力的作用下发生漂移,经过解调便可得到被测位移量。由于传感光栅对分别贴在悬臂梁同一位置的上下表面,因此将受到完全相同的温度调制。在利用两光栅中心波长对位移量进行解调时,温度引起光纤FBG中心波长的变化将被作为共模信号剔除掉,从而达到温度补偿的效果[3]。图1光纤光栅位移传感器的结构图2传感器的工作原理图2给出了等腰三角形悬臂梁与弹簧系统的形变示意图。当拉动位移传递杆使其位移为L时,传动弹簧管自身拉伸量为△d,由此产生的拉力F集中作用于悬臂梁的自由端,使悬臂梁发生弯曲,设其自由端的挠度为ω,显然有:L=Δd+ω(1当传动弹簧自身伸长时,对应产生的拉伸力F为:F=Pd·Δd(2式中pd=Gd48ND3为传动弹簧的刚度[4],其中G为弹簧材料的切变模量;d为直径;D为弹簧直径;N为弹簧的匝数。图2等腰三角形悬臂梁与弹簧系统的形变示意图悬臂梁自由端在拉伸力F作用下,产生的挠度为:W=6a3Eb0h3F(3联立式(1~式(3,可求出作用于悬臂梁自由端的集中力F与传感器的位移L之间的关系为:F=2EI0Pd2EI0+a3PdL(4设悬臂梁的长度为a、等腰三角形底端宽度为b0、厚度为h,弹性模量为E。根据材料力学知识可得[5],等腰三角形悬臂梁自由端受到集中载荷F作用时,其表面各点的应变为:ε=6aFb0h2E(5上式表明等腰三角形悬臂梁表面的应变处处相同,与位置无关。对于入射到Bragg光栅的光波,由耦合理论[6-7]可知,满足如下Bragg条件的光波都将被反射:λB=2neffΛ(6其中,neff为纤芯中相应模式的有效折射率;Λ为光栅的空间周期。当受到外界环境如温度、应变的影响时,neff和Λ会分别产生变化,而且应变和温度能够相互独立地引起光纤光栅中心波长的漂移。因此,当应变和温度同时作用时,光栅反射波长的漂移为二者的叠加[8]:ΔλBλB=(1-Peε+(a+ξΔT(7577电子器件第39卷式中,λB是光栅反射中心波长;ΔλB是在外界环境作用下反射波长的变化量;Pe为光纤的有效弹光系数;a为光纤的热膨胀系数;ξ为光纤的热光系数;ΔT为外界温度变化量。由于两只光纤光栅处于同一环境中,因此温度变化引起的两个光栅的波长漂移应该相等,而由于在悬臂梁上下表面的光栅感受到的是分别是正应变和负应变,且大小相等。根据两光栅的对称设计,在应变作用下,两光纤光栅的中心反射波长分别向长波长方向和短波长方向移动,两光栅中心波长漂移之差由下式给出:ΔλB1λB1-ΔλB2λB2=2(1-Peε(8可以看出,光纤光栅对的布拉格波长间隔不包括温度的影响,因此这种方法可以消除温度变化对位移传感的影响[9]。联立式(4、式(5、式(8得:ΔλB1λB1-ΔλB2λB2=(1-Pe24aI0Pdb0h2(2EI0+a3PdL(9由(9式可知,位移与波长漂移量的差值成正比。3传感器的制作及实验3.1传感器的设计与制作经过ANSYS仿真软件的优化分析,设计的等腰三角形悬臂梁的结构如图3所示。整体长度为14mm,其中悬臂梁的长度为7mm,等腰三角形的底边宽度为2.8mm,用于固定悬臂梁的固定孔的直径为1.05mm,弹簧管钩挂的牵引孔的直径为0.35mm。而且牵引孔的位置恰好为等腰三角形两斜边的交点,只有这样在该处施加载荷F时,式(5才成立。实验所使用的双光纤光栅是使用紫外光曝光的方法制作在同一根光纤上的,它们的中心波长分别为1548.09nm和1545.99nm,反射率均在90%以上,将它们分别粘贴在悬臂梁上下表面中轴线上大概居中的位置。由于悬臂梁表面的应力处处相等,故不必受光纤光栅粘贴位置高准确度要求的限制,同时也消除了啁啾现象。此外,悬臂梁和拉杆之间的65Mn弹簧,既能实现位移的放大,又能保护悬臂梁不受损坏。弹簧的长度为18.75mm,截面直径为0.5mm,有效圈数为21,中径为3.5mm。图3等腰三角形悬臂梁的结构尺寸图3.2位移传感系统的搭建如图4所示,将以上制作好的光纤光栅位移传感器用支撑架固定在光学实验平台上,然后把MIO公司生产的光谱分析仪分别与传感器的尾纤和上位机连接起来,再将刻度尺水平固定于实验平台上,并使刻度尺的零刻线与传感器的零点对齐。光谱分析仪内置一个宽带光源(扫描波长范围为1510nm~1590nm、一个耦合器和一个接收器,当宽带光源发出的光经耦合器入射到光纤Braag光栅位移传感器中时,其中满足布拉格条件的光分别图4光纤光栅位移传感系统578第3期田晓丹,张会新等:温度补偿型光纤光栅位移传感器被悬臂梁上下两表面的光纤光栅反射回来,再次通过耦合器后进入光谱分析仪的接收器,这样在上位机界面就可通过配套的Enlight软件观测到图中所示的光谱图,图中的两个波峰对应的波长即为两光纤光栅反射波的中心波长(较大者对应上光栅。当在外力和弹簧作用下使位移增大时,可以观察到上光栅的反射中心波长向长波长方向移动,而下光栅的反射中心波长向短波长方向移动,即中心波长会向外扩张;反之,则向内收缩。3.3传感器的位移实验在常温环境下,从传感器的零点处开始缓慢拉动位移传动杆,每隔10mm的距离停顿几秒,并分别记录两个光纤光栅的中心波长值。直至传感器的满量程(70mm。再使位移传动杆在弹簧的作用下往回收缩,此过程中以同样的方式记录数据。往返行程的实验重复做3次,得到的两光纤光栅中心波长变化量的差值与所对应的位移量之间的关系如图5所示。图5中心波长变化量的差值与位移量的关系图5(a为3次往返实验的结果,可以看出,随着位移的增加,中心波长变化量的差值基本呈线性上升趋势。经计算可得,重复性误差为4.72%FS,迟滞性误差为2.70%FS。再取以上6组数据的算术平均值,并使用最小二乘法拟合出一条直线,如图5(b所示。由此可知,实验所用传感器的灵敏度为21.9pm/mm,线性度为2.48%FS,且相关系数高达0.999,证明线性度很好。3.4传感器的温度特性实验我们将未施加位移的光纤光栅位移传感器放入高低温实验箱内研究其温度特性。在0~60℃范围内,以10℃为间隔逐渐升温和降温进行往返实验。为保证实验数据尽可能准确,使高低温实验箱在每个温度节点保温一定时间后再记录。图6描述了两光纤光栅的温度特性,可见,位移为零时,上光栅和下光栅中心波长的漂移均随温度T的变化呈线性增长关系,其拟合方程分别为:λ11=0.0217T+1548.665(nm;λ12=0.0219T+1547.665(nm;λ21=0.0219T+1545.548(nm;λ22=0.0222T+1545.542(nm,线性拟合度分别为:0.9998,0.9996,0.9996,0.9996。而且两光栅的温度响应灵敏系数大致相同,为KT=0.022nm/℃,与理论值Kn=0.023nm/℃基本相符。图6光纤光栅的零点温度特性曲线同时,由图6可知,λ1和λ2随着温度的升高和降低几乎是同幅度地向长波方向和短波长方向漂移,即两光栅的温度响应基本一致。求出两中心波长漂移量之差Δλ=ΔλB1-ΔλB2,做出Δλ随温度变化的曲线,并对正逆行程求平均值,结果如图7所示。以20℃时的零点输出为基准进行归一化处理,最后除以其满量程输出值,即可得到实验所用传感器的零点温漂为0.41pm/℃,表明温度对传感器的影响在可接受的范围之内,其温度性能良好。579电子器件第39卷图7零点温度特性曲线4结束语本文提出并实验验证了一种高分辨率的光纤光栅位移传感器。双光栅的结构设计达到了温度补偿的效果,并且使灵敏度增加了一倍。该传感器结构简单、测量精度高、线性度好、重复性好、抗电磁干扰,能很好的应用于水利水电工程、工业与民用建筑等结构上裂缝或接缝开合度的长期监测。参考文献:[1]刘波,牛文成,杨亦飞,等.基于光纤布喇格光栅传感器的精密位移测量[J].纳米技术与精密工程,2005,3(1:53-55.[2]甘维兵,张翠,戴玉堂,等.光纤光栅位移传感器的开发及应用[J].半导体光电,2021,33(6:795-798.[3]余有龙,谭华耀,廖信义,等.免受温度影响的光纤光栅位移传感器[J].光学学报,2000,20(4:538-542.[4]王俊杰,付晓红,姜德生,等.差动式光纤光栅位移计及其温度特性的研究[J].武汉理工大学学报,2007,29(12:112-115.[5]丁腾蛟.基于悬臂结构的大量程光纤Bragg光栅位移传感器[D].武汉:武汉理工大学,2021.[6]侯立群,赵雪峰,冷志鹏,等.光纤光栅应变传感器温度补偿计算值的改进[J].传感技术学报,2021,27(1:70-73.[7]郑建,邦刘嘉,任驹,等.一种免受温度影响的双光纤光栅应变传感器[J].传感技术学报,2006,19(6:2411-2413,2417.[8]WeiTing,QiaoXueguang,JiaZhenan.SimultaneousSensingofDisplacementandTemperaturewithaSingleFBG[J]Optoelec-tronicsLetters,2021,7(1:26-29.[9]何俊,董惠娟,周智,等.一种适合工程应用的新型光纤光栅位移传感器[J].哈尔滨理工大学学报,2021,15(5:61-64.田晓丹(1991-,女,汉族,山西省人,现为中北大学在读硕士研究生,主要从事光纤传感器方向的研究,1120848146@qq;张会新(1980-,男,汉族,黑龙江省人,中北大学讲师,现为北京航空航天大学在读博士,主要从事动态测试技术与仪器方面的研究,zhanghx@;刘文怡(1970-,男,汉族,山西岚县人,中北大学博士,教授,博士生导师。主要从事测试计量技术及仪器领域的研究,liuwenyi@。580教育部参赛_汽车冷却液温度传感器的检测_朱清燕一、教案背景1、面向学生：中职学生2、学科：汽修专业《汽车电控发动机构造与维修》3、课时：4课时（第1-2课时主要通过“看一看”、“想一想”、“学一学”完成案例引入、理论教学、计算机仿真检测教学对汽车冷却液温度传感器的作用、类型、工作原理及检测部分的掌握，第3-4课时主要通过“做一做”、“练一练”、“评一评”完成汽车冷却液温度传感器实车检测、小组PK等部分）4、教学设计理念：利用互联网百度搜索、多媒体仿真软件和校内实训基地企业化模式下的实训平台，根据中职学生好奇心强和喜欢动手的特点，通过网络视频创设情景，激发学生学习的兴趣；通过多媒体仿真软件中的模拟实操，使学生更易掌握知识点；通过多媒体课件中的教学互动，使学生成为学习的主体能够促进教师教学的改进；通过多媒体课件中的评价系统，学生可以检测掌握知识的情况；通过校内实训基地企业化模式下的实训平台，提高学生实际的汽修检测技能。5、教学基础条件：（1）连接到Internet的多媒体教学平台。（2）上海鹏达计算机系统开发公司提供的多媒体仿真软件。（3）中山市沙溪理工学校汽车实训基地提供的4S管理模式下的整车实训平台二、教学目标知识目标：1、掌握汽车冷却液温度传感器的作用及类型；2、理解汽车冷却液温度传感器的工作原理。能力目标：1、通过对汽车冷却液温度传感器检测模拟的操作；掌握冷却液温度传感器检测原理和操作方法；2、通过实物图片和动画的展示，培养学生的观察分析能力；3、通过校内实训基地企业化模式下的实训平台，提高学生实际的汽修检测技能。情感目标：1、通过创设情景、实物演示，激发学生的好奇心和求知欲；2、通过多媒体仿真软件提供自主学习和反馈，增强学生的自信心和成就感；素质目标：1、培养团队合作、吃苦耐劳等精神2、培养良好的职业素养。三、教材分析1、教材使用本文选自中等职业教育国家规划教材人民交通出版社的《汽车冷却液温度传感器的检测》第四章第四节。汽车冷却液温度传感器的工作原理及检测是本章的重点，只有掌握好这部分内容，学生才能更好进行故障分析和检修。2、主要参考书《汽车传感器原理与检测200问》宋年秀//张俊祥//刘超编著，中国电力出版社（2021ISBN:9787508380483）和《汽车传感器检测图解(二版》鲁植雄//赵兰英编著，江苏科学技术出版社（2007ISBN:9787534556647）。教学重点：1、汽车冷却液温度传感器的工作原理；2、汽车冷却液温度传感器的检测。教学难点：汽车冷却液温度传感器的检测。四、教学方法中职学生的学习问题主要是方法问题，其特点是喜欢动手操作，因此，我在教学过程中力求突出方法及兴趣结合的渗透。1、引导发现法（如头脑风暴）2、直观分析法；3、任务驱动法4、分组教学法；5、项目PK6、问题引入等结合理实一体化的教学方法。五、课前准备【教师活动】1、教师利用百度互联网搜索，查找汽车冷却液温度传感器相关的图片和视频资料；2、带动学习小组组长，让其优先掌握多媒体仿真软件的使用来带动小组成员；3、和小组组长一起熟悉校内实训基地企业化模式下的实训平台（整车实训检测）【学生活动】提前一周下发要求，让学生上网查阅汽车空调的相关资料和观察汽车冷却液温度传感器实物构成，为新课学习奠定一定的基础。六、流程设计根据该教学任务，通过多媒体仿真软件将教学内容设计成七个环节，如下图所示：七、教学过程教学过程设计意图（一）、“看一看”创设情景（案例引入）【教师活动】案例引入——通过汽车发动机起动困难的故障案例，来引入汽车冷却液温度传感器的检测新课。【百度搜索】：汽车起动困难【学生活动】让学生根据起动困难的故障进行思考讨论，该故障很可能是什么原因引起的？【学法指导】情景导入，问题驱动。配合网络及音乐，创设情景，激发学生学习和探究的兴趣。（二）、“想一想”激发思维【教师活动】1、通过视频，提出问题，讲授新课，解答汽车起动困难产生的原因有那些。2、问题可能产生原因：【学生活动】让学生分组讨论，并派代表回答问题。【学法指导】问题驱动，交流谈论。激发学生的思维，导入汽车冷却液温度传感器探究和学习。（三）、“学一学”掌握知识【教师活动】1、通过实物及百度搜索图片、百度搜索视频，介绍汽车冷却液温度传感器的作用、分类、原理，通过动画演示分析原理，使这个教学难点容易让学生理解和掌握。【百度搜索】：汽车冷却液传感器分类【百度搜索】：汽车冷却液温度传感器【学生活动】师生互动，共同得出结论：1、汽车冷却液温度传感器的作用：2、汽车冷却液温度传感器的工作原理：3、汽车冷却液温度传感器的检测：【学法指导】观察分析，讲授指导。动画演示工作原理，实物及图片展示，让学生掌握重难点内容。（四）“做一做”仿真实操【教师活动】本环节通过仿真软件模拟汽车冷却液温度传感器的检测的操作。【学生活动】学生模拟演示，并讲解相关的检测原理。【学法指导】模拟操作，示范指导。模拟仿真，让学生能够真实感受汽车冷却液温度传感器检测的操作。（五）、“练一练”巩固知识（实车检测）【教师活动】本环节通过通过校内实训基地企业化模式下的实训平台真实进行汽车冷却液温度传感器检测的操作。【学生活动】学生小组PK，加强技能掌握，并检查学习效果。【学法指导】课堂演练和PK竞赛，及时点评。让学生进行课堂演练，加深巩固知识，同时通过小组间的PK竞赛，让学生及时检测自己掌握技能的程度。（六）“评一评”教学反馈【教师活动】设立教学调查反馈表，学生可以将自己对知识的掌握情况以及对老师的教学建议及时反馈给老师，学生通过发电子邮件或微博给老师。1、你是否清楚汽车冷却液温度传感器的作用？是（）否（）2、你是否清晰汽车冷却液温度传感器的工作原理？是（）否（）3、你是否清晰汽车冷却液温度传感器的检测？是（）否（）4、你对老师的教学是否满意？满意（）比较满意（）不满意（）5、你对教学的意见？发送email给老师6、与老师的微博互动，发表你的看法。【学生活动】学生课后反思完成反馈表。【学法指导】反思反馈，多练多改，温故知新。教学相长，认真听取学生的反馈，改进教学方法。八、教学反思：选用的是专业实例进行讲解强调的是教学过程与专业内容的紧密结合学生的学习目的性更强根据以往教学经验，学生的学习效果会更好。九、教师个人介绍省份：广东省学校：中山市沙溪理工学校姓名：朱清燕通讯地址：广东省中山市沙溪理工学校，汽技部2021年华南理工大学机械与汽车学院本科毕业，中共党员中学一级教师，汽车维修高级技师、汽车电气高级工。曾多次荣获省市镇优秀教师、骨干教师、先进教师等荣誉称号，多篇论文发表、获奖。汽车发动机冷却液技术发动机冷却液常见问题防冻液会腐蚀发动机,不如用水!防冻液=水+醇腐蚀?水管漏?水箱漏?气味?不防冻?结垢了?水管产盐了?防冻液里有沉淀!不能冷却的冷却液?水管硬的跟铁棒似的?水管堵了?焊点脱落了?水泵得换了,一个水泵xxxRMB!水泵叶片上净是麻点,您换了吧!水泵肯定不行了,您肯定用了劣质防冻液?汽缸进水,您换个发动机吧!缸瓦腐蚀?冷却水道针孔渗漏?我晕,油底壳里有防冻液!冬天过去了,不用防冻液了!一年四季用防冻液?长效防冻液?终身寿命防冻液?发动机冷却液基础冷却液?防冻液?冷却液防锈冷却液受地域限制南方一些地区使用防冻冷却液北方使用全年使用防冻液的误区冬天采用,夏天放出功能单一化,忽视冷却液的多功能性汽车发动机冷却液冷却功能多防功能有几多?防沸功能抑制金属腐蚀防垢功能防冻功能黄铜紫铜铸铁金属钢铝锰合金铝镁焊锡车用冷却液分类按基础液类型一元醇、较少使用二元醇、主要使用三元醇、较少使用混合型、在用按照使用发动机负荷分类轻负荷,轿车及轻型卡车重负荷,载重卡车及其他长周期运转发动机,采用湿式缸套车用冷却液的分类按照缓蚀剂组成无机型缓蚀剂为无机盐组分缓蚀剂在金属表面发生钝化,产生钝化膜缓蚀剂消耗快有机型缓蚀剂以有机酸为主在金属的活性表面发生吸附,改变金属电化学性质,来防止腐蚀消耗速度比较慢车用冷却液的分类按照使用寿命分类长寿命型重负荷发动机制造商认为50-80万公里,加入1-2%的补充液延长冷却液的使用年限轻负荷及汽车发动机制造商认为冷却液的更换周期5年16万公里一般是有机型为主,无机型也可以达到长效型使用周期2-2.5年一般是以无机型为主普通型车用冷却液的发展历程长寿有机型普通型无机型水+二元醇水+一元醇,缺点在于沸点低,挥发快,容水+无机盐:易着火风冷却问题:冷却效果差氯化钙、氯化铁、氯化钠等,问题是腐蚀冷却系统水冷却:优点:传热效果好缺点:0℃时结冰发动机冷却液的化学组成水、二元醇型冷却液的组成—水优点原料易得导热性好与防冻剂协同降低冰点缺点水中存在的钙镁铁会生成水垢氯离子或硫酸根离子累积会形成腐蚀生产冷却液和补加冷却液时,要使用蒸馏水或者去离子水水、二元醇冷却液—二元醇二元醇主要是:乙二醇丙二醇二乙二醇优点:沸点高不易挥发闪点高毒性低缺点乙二醇有一定的毒性丙二醇的毒性小,可以做环保型的产品温度乙二醇基础液特点乙二醇水溶液的冰点和沸点220冰点℃沸点℃20018016014012010080604020-20020406080100120-40-60-80体积%丙二醇基础液的特点冰点℃406080100120-10-20-30冰点℃-40-50-60-70主要添加剂冷却液浓缩液中使用的添加剂一般不超过5%缓冲剂金属腐蚀过程与冷却液的PH值有关铝在PH4.5-5.5时得到保护铁在PH>8的环境中易钝化乙二醇在使用分解产生酸性物质发动机运转过程中,酸性气可能传入冷却系统作用在于使冷却液维持PH值7.5-11的范围缓蚀剂作用是减少冷却系统金属在压力、热负荷和腐蚀介质存在下的腐蚀选择性强,与腐蚀介质的性质、温度、流动状态、材料的种类和性质、缓蚀剂本身的种类和剂量有关一直是冷却液研究中的重要课题其他添加剂防垢剂作用是防止冷却液使用过程中的水垢沉积配合型防垢剂为金属螯合剂分散型防垢剂是水溶性有机聚电解质消泡剂减少泡沫生成减少水泵的气穴腐蚀常用硅油、甲基丙烯酸酯、聚醚等着色剂易判断渗漏发生位置染色剂和PH指示剂两种缓蚀剂化学结构适合金属PH值作用原理优点缺点应用前景硼砂十个结晶水的四硼酸钠锌、钢8-9.5在金属表面形成一层氧化膜价格便宜、易得促进铝合金传热腐蚀,有毒一些冷却液中限制使用磷酸盐磷酸氢钠,磷酸钠钢,铁可作缓蚀剂在金属表面形成У-氧化膜便宜,易得,有缓冲能力易与水中钙镁离子反应生成水垢一些冷却液中限制使用亚硝酸盐亚硝酸钠钢,铸铁-在金属表面形成У-氧化膜便宜,易得,防止铸铁衬里点蚀能力使用有临界浓度有毒重负荷冷却液中使用硝酸盐硝酸钠钢、铁、铝-氧化性缓蚀剂防止铝点蚀能力强强氧化性一些冷却液中限制使用钼酸盐钼酸钠多种金属-与亚硝酸盐一同配合使用多金属防护能力剧毒,致癌作用,促进乙二醇氧化停止使用硅酸盐偏硅酸钠偏硅酸钾铝,钢铁,有色金属>9形成保护膜铝和铝合金的特效缓蚀剂,减少传热腐蚀长期储存和使用中稳定性差主要使用,解决稳定性巯基苯并噻唑巯基苯并噻唑钠铜及合金>9形成附着力强的难溶的保护膜阳极型缓蚀剂PH值下降析出,氧化剂存在会氧化被替代苯并三唑类衍生物BTA,TTZ铜及合金-致密的聚合物薄膜铜的特效缓蚀剂有氧化剂和氯存在,缓释效果下降在用芳香酸盐苯甲酸钠,肉桂酸盐铸铁-与亚硝酸钠混合使用形成保护膜不会形成局部腐蚀与氧化剂混合使用受限制脂肪酸一元酸和二元酸多金属作缓冲剂活性吸附在腐蚀活性点消耗缓慢,对铝合金传热性能更好尚未看到介绍作为长寿命产品重要的缓蚀剂及作用早期无硅酸盐配方英国BS3150针对飞机发动机的铝合金冷却系统采用磷酸三乙醇胺作缓冲剂,PH值6.9-7.3,巯基苯并噻唑缓蚀剂不能用于铸铁系统BS3151苯甲酸钠和亚硝酸钠做缓蚀剂专用于铸铁系统美军重负荷乙二醇防冻液军用规范十二水磷酸钠作缓冲剂硼砂,甲基苯三唑钠作为缓蚀剂早期非硅酸盐配方缺点铝合金的点蚀传热腐蚀通用性差发动机冷却液国际标准汽车发动机分类轻负荷发动机light-dutyengine长期在比额定功率低得多的条件下运转的发动机,典型的轻负荷机械如轿车、皮卡、轻卡、箱式货车及运动多用车、小型农用拖拉机及草坪维护机等重负荷发动机heavy-dutyengine长期在额定功率或接近额定功率的条件下运转的发动机,典型的重负荷机械如整车7吨以上的货车、农矿用及建筑用机器、固定机组、列车和船舶机组等。重负荷发动机大多采用湿式缸套设计。ASTMD3306标准标准名称《汽车及轻负荷车辆的二元醇发动机冷却液规范》有四个规范合并而成原来的D3306乙二醇型浓缩液规范D456550%乙二醇型预稀释液规范D5216丙二醇型浓缩液规范D625750%丙二醇性浓缩液规范把冷却液分成四类I.II.III.IV.乙二醇型浓缩液丙二醇型浓缩液50%(体积的乙二醇型预稀释液50%(体积的丙二醇型预稀释液其它轻负荷车用冷却液规格美国汽车工程协会SAE行业规范SAEJ1034汽车及轻负荷卡车乙二醇型冷却浓缩液规范SAEJ2306汽车及轻负荷卡车丙二醇型冷却浓缩液规范日本工业规范JISK2234发动机防冻冷却液使用浓度为40-60%分冬天使用和全年使用两类英国标准规范BS6580具有防腐蚀性的发动机冷却浓缩液中国的石化行业规范SH0521,汽车及轻负荷发动机用乙二醇型冷却液分浓缩液和预稀释液预稀释液按冰点分-25,-30,-35,-40,-45,-50其它醇类含量不超过15%(体积ASTMD3306规范的性能试验要求性能测试中溶液浓度不根据冰点,而根据二元醇的浓度配置玻璃器皿腐蚀试验中二元醇的浓度为33%模拟使用试验中二元醇浓度44%传热腐蚀试验中的二元醇浓度为25%泡沫倾向性能试验中的二元醇浓度为33%铝泵气穴腐蚀试验中二元醇的含量17%汽车制造商冷却液规格要求汽车公司对轻负荷冷却液的理化指标要求公司名称相对密度冰点(50%体积℃沸点℃水含量m%灰分m%Daimler-Benz1.11-1.14,20℃≤-33150≤6.5-Volkswagen1.11-1.14,20℃≤-33165-180-BMW1.12-1.14,20℃≤-37≥180≤1-Opel1.124----≤1FordEurope1.11-1.14,15.6℃≤-30(45%---Chrysler-≤-38≥155--Renault1.12-1.13,15℃≤-34-≤30Fiat1.12-1.14,15℃≤-35≥170≤2≤1.5MAN-≤-45(60%45(60%≥150≤3-VolVo1.131-1.35,20℃≤-30(45%≥190≤1.5-ASTMD33061.110-1.145,15.5℃≤-37≥163≤5≤5汽车公司对冷却液储备碱度和PH值的要求汽车公司规范名称储备碱度,mlPH值Fiat55523/187.5-8.5(50%(Volvo98505-7.1-7.5(45%PeugeotFH0623-267.6-9.6(30%MANM9.210-01-7.5-9.0(30%D3306-7.5-11(50%公司名称测试方法测试方法的调整失重,mg/片Daimler-BenzASTMD1384无紫铜和钢片铸铁<5、铝<10、黄铜<2.5、焊锡<7.5VolkswagenASTMD1384增加铝硅12和铝锰合金试片铝合金<7.5、其余试片<10BMWEMPA加锌片所有试片均<8.8OpelGMEASTMD1384-黄铜、紫铜<2,钢、铸铁<2,焊锡<4,铝<5FordEuropeASTMD1384体积分数25%焊锡<15.5、其余均为<7.75FiatASTMD1384体积分数50%,腐蚀水中另含275mg/L的氯化钙焊锡<15,铝<30,其余试片<10MANASTMD1384EMPA体积分数15%铝<2.5,其余试片<5D3306ASTMD1384体积分数33%,腐蚀水中氯离子、硫酸根离子和碳酸氢根离子各100mg/Kg紫铜、黄铜、钢和铸铁<10,焊锡、铝<30欧洲汽车公司的玻璃器皿腐蚀试验汽车公司测试方法测试方法的调整Daimler-Benz晃动试验/EMPA33%溶液,测量20℃和80和℃两个温度点VolkswagenTL774ASTMD1881/EMPA泡沫体积≤150ml,泡沫破灭时间≤3SGMEuropeASTMD1881测量20℃和80℃两个温度点BMW晃动试验50%溶液,测量温度80℃MANASTMD1881-FordEurope晃动试验30%溶液Chrysler-FranceASTMD1881试验1:测量24℃和80℃两个温度点试验2:试样中浸入胶管一段时间后,取出胶管重复试验1PeugeotASTMD1881试样中浸入胶管一段时间后,取出胶管测量溶液的泡沫特性FiatASTMD188150%溶液,加入0.02g氯化锌D3306ASTMD188133%溶液,测量温度80℃汽车公司的泡沫性能要求重负荷发动机冷却液重负荷发动机冷却液使用汽车和轻负荷发动机冷却液常见问题气穴腐蚀导致汽缸衬里点蚀补充添加剂(SCA使用导致硅酸盐析出固溶体含量高以及硅酸盐析出导致水泵泄露高浓度的亚硝酸盐、补充添加剂含量过高引起焊锡腐蚀,导致焊锡开花与腐蚀使用中补加水导致传热表面结垢问题突出重负荷发动机冷却液的发展铬酸盐性配方污染环境,相容性问题硼砂-亚硝酸盐型配方亚硝酸盐的浓度要维持较高,导致焊锡腐蚀硼砂加剧铝合金的传热腐蚀和气穴腐蚀磷酸-钼酸盐-亚硝酸盐-硼砂型配方钼酸盐剧毒使用中有消耗,需要补充和维护有机酸型配方有机酸型重负荷发动机冷却液优点能使冷却液的稳定性更好或者使用寿命更长平均使用寿命达到30万公里更优异的防衬里点蚀性能更优异的铝保护效果减少水泵泄露次数更有利于环境和健康重负荷发动机冷却液的规格美国ASTMD4985-00,需要预加补充添加剂SCA的低硅酸盐乙二醇型发动机冷却液规范与ASTMD3306要求一致增加硅含量要求:浓缩液≤250mg/Kg,稀释液125mg/Kg美国汽车工程师协会SAEJ1941-90,需要预加补充添加剂SCA的低硅酸盐乙二醇型发动机冷却液规范与SAEJ1034要求一致增加硅含量要求:≤250mg/Kg美国ASTMD6210,全配方乙二醇性重负荷发动机冷却液规范美国ASTMD6211,全配方丙二醇性重负荷发动机冷却液规范涵盖新配置冷却液和回收利用冷却液与D3306、D456550%乙二醇型规范和D5216、D625750%丙二醇性规范对应要求一致重点突出防止气穴腐蚀和热表面结垢能力强调与SCA的相容性三个标准简单介绍铁道行业标准TB/T1750于1986年发布,是国内最早的冷却液标准。使用对象为铁路范围内的内燃机车,目的是防止内燃机车冷却系统部件腐蚀及结垢,技术指标主要围绕腐蚀性能及对应的化学组分展开。TB/T1750的实施在铁道行业起到很好的效果,其防腐相关技术要求及检测方法对制定国标具有一定参考意义。石化行业标准SH0521于1992年发布,非等效采用美国ASTMD3306标准,内容比较全面。标准对乙二醇型轻负荷发动机冷却液产品的质量指标进行了全面的规定,包括浓缩液,并根据国情划分了六个牌号的冷却液产品。相应项目检测标准也直接从ASTM转化过来,与SH0521共同形成冷却液产品标准系列。交通行业标准JT225-1996是根据汽车运输行业对汽车安全运行的要求而提出的一个强制性标准。JT225-1996对冷却液的冰点、腐蚀、泡沫等若干关键指标作了严格规定。它从发动机冷却液如何保证汽车安全运行的角度出发,提出了关键性的技术要求,因此为广大用户提供了一个正确选择冷却液的指南,为冷却液的生产企业提供了保证其生产的冷却液使用的最低要求,为对市场上流通的冷却液进行质量控制和管理提供了技术依据。原来标准存在的不足近年来,国内冷却液行业发展迅速。制定国标是保障广大消费者合法权益的需要,是生产企业控制及提高产品质量的需要,是行业管理规范市场的需要,因此迫在眉睫。现在的冷却液标准至少在以下方面存在缺陷。权威地位不够。无论是SH0521还是JT225,都仅仅是行业标准,缺乏国标的广泛性和一致性,甚至有些企业在这两标准的交集地带打擦边球,让人难以判别。适用范围狭窄,缺乏重负荷冷却液方面的内容。重负荷发动机冷却系统的特殊结垢需要相应的重负荷冷却液,轻负荷冷却液代替不了。产品分类不够全面,缺乏丙二醇型及其他类型冷却液的内容。随着冷却系统的不断改进以及环保要求不断提高,以丙二醇作为防冻剂的冷却液产品逐步受到人们的重视,很多公司都已开发出丙二醇型冷却液。甘油、亚砜等为原料的冷却液产品也出现在人们视野中。技术内容不够全面。如参比液的配制、台架试验溶液的配制等未充分说明。市场容量发动机冷却液在车用油品中占有较大比重,其用量仅次于车用润滑油。截止2007年底,全国汽车保有量接近5700万辆,发动机冷却液的年需求量大约在57000吨。质量水平参差不齐发动机冷却液的生产工艺相对比较简单,主要是多种添加剂的复配,基本不涉及复杂的化学反应。生产准入门槛低,目前我国汽车发动机冷却液行业市场局面不容乐观:生产厂家过多,全国约有两千多家大多数生产厂规模小,为小型作坊式生产生产配方不固定原料从无机盐、低碳醇、二元醇、二甘醇甚至工业废醇等应有尽有产品质量参差不齐质量普查2006年,国家工商总局对石家庄和沈阳等地汽车配件市场的13家经销单位销售的汽车发动机冷却液质量进行了抽样监测,共抽取样品20批次。经检测,合格率仅为5%。2006年,国家质检总局组织了发动机冷却液产品质量监督专项抽查。共抽查了全国191家企业生产的214种产品,产品抽样合格率为63.1%。其中,大型企业的产品抽样合格率为100%;中型企业的产品抽样合格率为84.6%;小型企业的产品抽样合格率仅为54.7%。2007年,安徽省质监局在省内部分汽配市场抽查了30批次冷却液样品,合格11批次,合格率为36.7%。2007年,西安市质量技术监督局对西安市辖区内的汽车配件市场进行抽查,抽取了50个批次的冷却液,合格27个批次,合格率为54%。2007年,上海市质量技监局对本市生产、销售的发动机冷却液产品开展专项监督。共抽查了23批次产品,合格10批次,抽样合格率43.5%。其中生产领域抽样合格率为66.7%,流通领域抽样合格为28.6%。主要问题冰点较高沸点较低金属腐蚀严重。新的国家标准即将出台2007年7月成立标准制定课题组,内部明确了分工和任务。2007年8~12月查阅翻译了国外相关标准,包括ASTMD系列、SAEJ系列、JISK系列,对现行标准进行各方面的试验和验证。2021年1~3月课题组结合我国实际情况,起草了标准讨论稿。2021年5月课题组围绕讨论稿中的技术要求及检验方法进行充分研讨。2021年6~8月各课题成员单位完成了丙二醇冷却液检测方法及质量指标的验证工作。2021年9月再次对讨论稿进行修改,形成了标准意见征求稿。i囊攀囊譬ApplicationGuides蚀裁~般豢凡耪甚至+几秘亿学暇料按一定的酝比组成,它们之闻具有良好的化学平衡性,以保护发动机冷却系统的全部金属部件。防冻液在汽车嗣涵液电占有较大比重,其用量仅次于率用润滑油。按全国汽车假有量6.0X107辆计算,防冻液酶霉嚣求差约梵6.0X{04t。出于防冻液生产工艺相对比较简单,生产准入门槛低,目前全国有2000多家工厂生产防冻滚。大多数生产厂魏模小,为小型作坊式生产,原材料没有标准,生产配方不阐定,造成产品震量差另l镁大。近A笨来,国家矮硷总局和地方质监局多次缱织防冻液产品质量监衡抽查,产晶合格率多数迭不到50%。大部分不会格产品的臌量问题主耍表现在泳煮较高、沸点较低及金属腐蚀严重。本文拟对防冻液组分对使用性能的影响避行分析,供产鑫磷餐及使霜时参考。防冻液的主要传热介质——水防冻渡是发动槐冷帮系统审的传热介质。因此要求具有较高的传热性能,即具有高的比热容和导热系数。比热察是单崔质爨的某静物艨温度升高1℃时吸收的热量。物质的比热容越高,温度升高时吸收的热邈越多,对传递热量越有刹。一些物鹱的比热容觅表’。汽车发动机冷却液(简称防冻f丙二醇。添加剂主要由缓蚀剂、抗泡在所有液态和固态物质中,水的液是汽车水冷式发动机冷却系统中|剂、染料、防垢赛4、杀菌剂等缀威。缓比热容最大。这是因为水中存在绵合酌循环传熬介质,是使发动视正常工作、运转必不可少的组成部分,其成接影响汽车的使用寿命。防冻液的主黉功髓是:☆带走发动机在工作中产生的热量;☆防止在嘉温下沸鬓鞫羝漫下结冰;☆保护发动机冷却系统金属部{孛,防止发生锈蚀、瘸蚀和气蚀;☆防止发动机冷却系统因结垢两影响传热效率。防冻液内水、防冻刘稠各类添加剂组成,其中防冻蘩主琵为乙二醇秘分子,当水骚热时,要消耗相当多豹热量来使缔合分子离解,然后才使水的温度升高。把水作为传热介质,就是剩惩水豹跑热大这一褥牲。导热系数是指传递热薰的物质厚度为1m、面积为1m2、两壁面的温差为’℃对,簿小眩通过的传热量。罨热系数高的物质具有优嶷的导热悛熊。不同物质的导热系数见表2。水的导热系数比其他液体高,困褥热传递性麓好,适用于作发动杭冷却系统的传热介质,但含钙(Ca、镁(Mq等盐类的“硬水”易导致水垢的生成,对散热不裁。发动枧的教热器幽铁、铜或铝制成,其导热系数高。当散热器内未结水垢时,由于散热器的凌夕I壁漫差不大,悉教热器肉壁溢度又与散热器中防冻液的濑度接近,因此,防冻液携带的热量很快通过散热嚣壁传递到潮圈空气孛,达到散热效聚。但当散热器内壁结水垢后,由于水垢的导热祭数很小,仅为钢材的1110~1t100,甚至更低,发动机的热量不链校雩夹传递虱防冻液中,会罨致发动机过热。同时,防冻液中的热璺也不能很快传递到周围空气中,而使防冻液自势温度升高,严重黠会健防冻液沸腾,影响发动机正常工作,甚至导致发动机过热损坏。尧了确僳防冻滚的痰曩,降低水的硬度,防止结垢和矿物成分如氯化物、硫酸盐等(这些矿物成分会加重对铝和铁的腐蚀的带入,对用于调制防冻液的水有一定的潢蹙要求,未缀处理的水遐禁止使用的。美国防冻液标准ASTMD3306《小汽车和轻型设备爱发动毒旯二元醇鳖冷却液鬣范》规定,调制预稀释防冻液时要用符合ASTMD1193水试剂规范中IV类去离子求的摆标鬓求,吴藩觅装3。ASTMD4985《重型发动机低磁酸盐乙二醇型冷却液规范》规定的调制预稀释防冻液时对水豹震量要求冤袭4,两用浓缩液配制实际使用的防冻液时,ASTMD3306、ASTMD4985、ASTMD6210《重型发动机全配方乙二醇型冷却液规范》釉AsTMD6211《重型发动奉晁全配方焉二醇墼冷却液规范》都要求所用的水不舍过量固体、硬盐、硫酸盐和氯化物,具体指标见浓4。我国正在筏订魏《发动极冷却液》国家ApplicationGuidEs拣准要求瓣裁防冻滚辑用水应符含GB6682《分析实验堂用水规格和试验方法》中规定的三级水要求,具体摇拣羹表§。●●靠ApplicationGuides防冻液的防冻剂——乙二醇或丙=醇水具窍来源广、无毒、输廉、嚣燕t陛髓良好等诸多优点,长期阪来一直作为汽车发动机冷却液使用。但水也存在不足,如冰点高。o℃以下就会维、承。汽车在严寒圭毽区冬季鹭争}婷赦时,夜间地掰气温有时会降到一40cC以下。要保证水箱及冷却系统管路不被滚裂,陵冻渡应在基匕瀵凄下不缝、承或凝固,以免发生体积膨胀;同时亦保证随时可以启动汽车。水的沸点低,当发动枕处于苛刻条件下行驶时。尤其在炎热的夏季行驶时,会造成水温升高,甚至沸膦,影响汽车正常行驶。因此,在防冻液中除加入水外。还要麴入防冻剂,泼降低防冻滚的冰点,提高沸点。以前市场上的防冻剂有浓盐溶液、争醇、乙醇、苗;囊、异秀簿、二甲亚砜等,但其都存强不同的缺点:☆浓盐溶液会严璧腐蚀水箱,已被淘汰;☆甲醵、乙醇易撵发,不利于防冻液长期保持冰点;☆甘油密度大、黏发高、流动憔差,影响防冻液的循环使雳,会遮藏发动机启动困难;☆异丙醇价格较高,毒性较大;☆二举莲辘逶合缀埯抗冻,毽价格极高。目前市场上的防冻液基本上采用乙二醇散防冻裁。乙二簿是一秘无龟徽黏的液体,沸点197.4℃,冰点一115℃,能与水以任意比例混合,是比较理想的防冻液激料。由于乙二醇与水混合后改变了冷却水的蒸气压,防冻液的冰点显著降低。冰点降低的程度在一定范围内隧乙二醇含量的增加面下降。当乙二醇会羹秀68%时,冰点可降低到一68oC;当乙二醇含量超过68%时,冰点殿而上升。乙二醇、丙二醇含量与防冻液冰点的奖系凳墅1。随着汽车工业的迅速发展,因汽车而带来的环保问题圈益突出。汽车使爱豹茨冻滚霉定期燹换,但更挨下p~《篝+乙二薛+丙二醇一,\.■\/\。\一。/\\/\■\./\■\/\、/’、心k/N/≮“≯、、/\。Y、乙二醇{瓣二簿;落积分数搦图1乙二醇、丙二醇含量与防冻液冰点的关系寒的防冻滚却只有极小部分徭以循环再生,绝大部分被排放到大自然中。由于乙二醇是一种毒性大且难以生物降惑豹亿合麴,程瑞±联邦毒魏法中被意为4类有毒化合物,因此,乙二醇型防冻液所带来的环保问题也日渐受到人们的关注。英国翻臻±旱在1972年就禁止在超市、汽车配侔商店出售乙二醇型防冻液。为了替代乙二醇,许多欧洲国家采嗣嚣二醇作为防冻液的调配基液。丙二醇用作防冻液的防冻剂,在热传导、冰点防护及橡胶相容性等方面的牲麓与乙二醇榻警,在抗气镶、毒牲及生物降解方面则有着乙二醇无法比拟的优势。在毒性方面,乙二醇的LD50僮{半数致强量惫47(X朔nq/kq,而丙二醇的LD50值为33700mq/kq,毒憔和刺激性极小,属于微毒化合物。攫生物降熊性方面,有数握表明,丙二醇5天后裔69%降艇,两乙二醇只荫36%降解。但丙二醇的价格较高,是制约其殿用的主要原因。丙二醇两{乍环保型防冻滚的防冻剂时,最为引人注目的是可以用其调制无水型丙二醇防冻液(见图¨。当乙二簿露积分数迭至l68%融,防冻滚的冰点最低为一68℃;如果进一步提高乙二醇的体积分数,反而会使冰点上舟。当防冻泼全部为乙二簿时,冰点将只鸯一{1,5℃。嚣无东嚣二薅型防冻液冰点低达L68℃,沸点高达187℃,具有优异的抗沸、抗冻性能。由于瑟时防冻滚中无水存在,可便冷却系统弦~种低压状态下运行,避免了高压对金属的侵蚀;同时,二醇的氧化反疲被阻断,就不会产生有藤蚀性的有梳酸。系统的pH值得阪保持,缓;中剂便可以少加或不加。无水型丙二醇防冻液的蒸气糕和蒸气密发远远低于寿水型防冻滚,这在重受祷冷却系统中有着很重要的实际意义,可大大减小流体从高压区向低压区及低温区骞高滋送流动过疆中塞褒麴气镱及发动机誊负荷运转下的超声波抖渤气蚀。因此,无水型丙二醇防冻液在不旋I磊亚磷酸盐的情况下,仍有怒够的抗气蚀髓力,具备耄负荷冷却液的性能特征,是一种名副其实的全寿命防沸、防冻、超级丽缳型防冻液。美丽防冻液标准对用于调制防冻液的乙二醇和丙二醇有一定的质量要求,要求符合ASTME1177一06《发动褫冷却液级二醇的浚茫》,觅泼6。防冻液的缓蚀剂组分——复会陵腐蚀添加荆"4’在防冻液中,乙二醇或丙二醇的缺点遐容易氧化并生成酸性物质,癔键冷却系统豹金耩部{每,所以防冻液必须加入缓蚀剂才能使用。每个娩震的防冻滚都有一嬷优良翁持久的缓蚀蠢I,对各种金属有均衡的腐蚀抑制作用。发动机冷去S系统含有6静金属,分剐是铸铁、铸铝、钢、紫铜、黄钢凝水箱焊缝中的焊锡。早期的发动机冷却系统材膜以黄铜、铸铁为主。随螫轻鍪汽车发劝李晁设计舞离效、重量轻、易维修等方向发展,铝合金的使用越来越广泛。一般小轿车的发动机躲体毒季覆菇铸锾,大型货车的发动毒A缶I体材质是铸铁,而水箱主要是由紫锏及黄铜制成的。发动机冷却系统所受的腐蚀每对每裁都是极为严重的。诲多水箱在使用防冻液目寸焊缝开裂并鼠滴漏,就是由未添加缓蚀剂的防冻液腐蚀焊锡所造成的。除抑裁金属腐蚀外,抗气锤褴也是防冻液的关键技术问题。气蚀(又称穴蚀悬发动机冷却系统的大敬。气馁是撰流体在高速滚囊蠢嚣力变化条件下,网压力波动而使流体孛气泡稿渍,产生强大的褫棱冲击力,使金属表骊发生洞穴状腐蚀的现象。发动机冷却系统中的气蚀主要鸯2处:一处是在缸套的外部,郓艇袋与防冻液的接艇面上;另一处是循环水泵泵体上。气蚀严熏时,会导致缸套穿透,造成防冻液渗入燃烧塞,这季搴情滚在大功率发动规上尤为突出。只有添加优质缓蚀剂的防冻液才具有优良的防气蚀能力,髭够戆长发动毒曩豹使爱寿会。程防冻液规格中,用于评定防冻液防腐蚀性能的方法有:☆SH/T0085《发动枕冷却液腐蚀测京法《玻璃器皿法》(ASTMD1384:☆SH/T0088《发动机冷却液模撅使潮瘸蚀溺定法{ASTMD2570舞☆SH/T0087《发动机冷却液铝泵气穴腐蚀特性试验法》(ASTMD2809;;Application(;uides☆SH/T0620《发动机冷却液对传热状态下的铸铝金金腐蚀测定法》(ASTMD4340o防冻液中常用的缓蚀剂见表7。从表7可以看出。没有一种缓蚀蠢l可以对发溯杌冷却系统审的搿霄金属起到保护作用。因此,防冻液研制工作的技术难点就在于找到一个合适的含畜多籀缓镱裁豹复合粪云方,翳髓保护系统中所有金属不被腐蚀、±亢蚀和气蚀,又能在长期使用中保持性能稳定,司聪价格便宜,对蓼境无污絷。目前,防冻液的复合配方主要有3种类型:无机型、有机型和有机无枕复合型。无机型配方有磷酸盐型、胺爱和硅酸盐型,它们各自有优、缺点,因前在国内使用较广。无橇筮缓锤荆东使用中消耗较快,行驶25000~30000km时便需对所使用的防冻液卒l,/m腐蚀抑制荆,使爱寿会一般只鸯{~2年。无奉曩ApplicationGuides瑙防冻滚中饕遍含有的稠fB》、磷fP等无机盐类,对自然界的水和土壤鼹荫较强的破坏性。目前,许多欧洲嗣豢譬经禁盘使雳无橇璧院冻滚。硅酸盐型防冻液中硅酸盐的存在会使防冻液稳定性变差,易析比胶状二氧化硅,使产翕变浑浊,产生沉淀,难以满足汽车生产商日益苛刻的要求。有机型缓蚀剂在使用中消耗较蠼,所调制的防冻液的使用寿命一般可达3~5年,&口使行驶100000~150000km也不用补加任何添加剂。但有机型缓蚀剂一般加入量多,纛价格高,瀚此防冻滚成本较高。荑一方面,有机型缓蚀剂往往会使铝变黑,因此,在有机缓蚀剂中加入一宠的硅酸釜与硅酸釜稳定蓑可以改善镪交黑淘题,蠢多成了鸯褫光褫复合型鹳已方。肖机羧酸型防冻液以其良好的防藤馋憔髭、壤存稳定萑及抗磺求注髭克服了无机型防冻液的缺点,越来越多地骚到人们的裔睐。有机型防冻液不会嚣枧盐类,其鸯饶越豹环保牲能,受到英、法等许多发达阐家的承认和推荐。研制祷机型防冻液已成为以德阑大众、日本目产为代袭的国际汽车制造商的强烈要求。结束语防冻滚虽然缝箴简单,调制工艺也不复杂,但防冻液的每种纵分都对其使用性能产生臌著影响。防冻液关系至l发动魏的工作状态和锭羯寿会,是汽车使溺者必须关注的问题。参考文献1易如媛。不霹配方类型冷毒液蜓特点及性能比较fT1.石油商技,2021,26(增刊1:261—264.2OtsukaChemicalCo,Ltd,MetalCorrosionInhibimr[H.USPatAppl.LJS4219433.1980—08—26.2021-08一O霉热电偶温度传感器冷端补偿和信号线性化钱进（长江工程职业技术学院，湖北437302赤壁，）摘要：介绍各种热电偶温度传感器的基本工作原理及其信号特点，提出了几种冷端补偿办法，指出了热电偶温度信号线性化规律。关键词：热电偶温度传感器；冷端补偿；变化规律；信号中图分类号：TN601文献标识码：B文章编号：1009－0908（2004）02－0032－03Cold-junctionCompensationandSignalLinearizationofThermocoupleTemperatureSensorQIANJin(ChangjiangEngineeringVocationalCollege,Chibi,Hubei437302China)Abstract:Basicprincipleandfeaturesofsignalofthermocoupletemperaturesensorareintroduced,severalmethodsofcold-junctioncompensationareprovided,andthelinearizationruleofthermocoupletemperaturesignalisreleasedtoo.Keywords:thermocoupletemperaturesensor;cold-junctioncompensation;transformationrule;signal1前言能获得实际应用价值的温度传感器，应具备许多条件，如测量范围宽、精度高、可靠性强、外形尺寸小、耐热性能好、响应速度快、价格便宜并能大量生产等等。故温度传感器多是利用一些金属或半导体材料的温度特性制成的。实际应用中，温度信号的检测和控制，除了利用有源元件外，多数是采用热电阻或热电偶。其中，热电偶有着更广泛的应用。在这里介绍热电偶及热电偶温度信号的处理。1.1热电偶的基本工作原理把两根不同质的导体或半导体（A和B）联接起来组成一个闭合回路，该闭合回路叫热电回路。当两导体两个接时，回路中就有一定的电流流点1和2处于不同温度T和T0过，表明回路有电势产生，该电势称为热电势，这种产生热电势的效应叫作热电效应。常用的热电偶由两根化学成分不同的金属导线组成，它们的一端焊接在一起，放入被测介质中，叫做热端。与测量仪表相联的那一端叫冷端。当热端与冷端有温差时，测量仪表便能测出被测介质的温度。热电偶由温差产生的热电势是随介质温度变化而变化的，其关系可由下式表示，即Et=eAB(T)－eAB(T0)式中：Et——热电偶的热电势（V）；eAB(T)——温度为T时的接触电势（V）；eAB(T0)——温度为T0时的接触电势（V）。当热电偶的材料均匀时，热电偶的热电势大小与电极的几何尺寸无关，仅与热电偶材料的成分和热、冷端的温差有关。在通常的测量中要求冷端的温度恒定，此时热电偶的热电势就是被测介质温度的单值函数，即Et=f(T)。1.2热电偶检测到的信号特点组成热电偶的两根热偶丝称作为热电极，常用的热电偶一般用合金热电极的较多，例如铜—康铜热电偶、镍铬—考铜热电偶、镍铬—镍硅热电偶、铂铑—铂热电偶等等。从一些常用热电偶的热电势与温度的理想关系曲线中，可以看出热电偶检测到的温度信号有如下特点：（1）能用到高温的热电偶，信号都较小，最大的几十mv，最小的十几mv。这就意味着对检测到的信号要进行放大。－32－钱进热电偶温度传感器冷端补偿和信号线性化（2）热电偶分度表中给出的数据是以0℃为参考点。实际应用时，环境常常不是0℃。为热电偶冷端创造一个环境0℃，通常的作法是进行冷端补偿。（3）热电偶的温度信号实际上非线性很大，并且，各种热电偶随温度的升高，在某一温度下，热电势的增加量变小。这就使线性化变得困难。由于上述原因，热电偶的温度信号调理电路就比较复杂。2冷端补偿由热电偶测温原理可知，只有当热电偶的冷端温度保持不变，热电势才是被测温度的单值函数。而且，在工程技术上使用的热电偶分度表和根据分度表刻划的测温显示仪表的刻度都是根据冷端温度为0℃而制作的。另外在实际使用时，由于热电偶的热端（测量端）与冷端离得很近，冷端又暴露于空气中，容易受到环境温度的影响，因而冷端温度很难保持恒定。为此采用下列几种处理方法进行温度补偿。（1）补偿导线法。为了使热电偶的冷端温度保持恒定（最好是0℃），一般采用补偿导线将热电偶的冷端延伸出来，使其置于恒温环境中进行测量。延伸用的导线在一定温度范围内（0～100℃）又具有和所连热电偶相同的热电性能。使用补偿导线时应当注意：①不同的热电偶要配用不同的补偿导线，不能用错，更不能用铜导线代替，否则就达不到补偿目的。②补偿导线的正、负极不能接错。③100热电偶与补偿导线连接处的温度不应超出℃，否则将会产生一定的测量误差。（2）冷端温度校正法。尽管采用补偿导线可使热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，但只要冷端温度不等于0℃，就必须对测温仪表指示值加以修正。例如，冷端温度高于0℃，但恒定于t0，则测得的热电势要小于该热电偶的分度值，这时不能对照分度表查出被测温度。为求得真实温度可利用下式进行修正，即E(T,0℃)=E(T,t0)+E(t0,0℃)式中：E(T,0℃)—被测介质实际温度对应的热电势；E(T,t0)—在恒温t0条件下测得的热电势；E(t0,0℃)—在恒温t0条件下热电偶产生的热电势，可查分度表求得。经上面修正后的实际热电势，再由分度表中查出与其对应的实际被测介质温度。3热电偶温度信号的线性化在理想的情况下热电偶的热电势才是被测温度的单值种：①冰浴法：把冷端放在冰水混合物中，使冷端温度保持在0℃。这种方式精度高，但在工程上使用不便，多用在实验室中。②铁匣法：把冷端固定在铁匣内，利用铁匣有较大的热容量这一特点，使冷端温度变化不大或变化缓慢。为了改善温度的恒定性，常把铁匣做成带水套的，然后让水套通以流动的冷却水。③油浸法：把冷端放在盛油的容器内，利用油的热惰性，保持冷端温度恒定。④埋地法：把冷端置于充满绝缘物的铁管中，把铁管埋在1.5～2m深的地下保持恒温。⑤加热恒温法：把冷端放在加热的恒温盒中，恒温盒用电加热，并用自动控制方法保持这一金属容器内温度恒定。一个恒温盒内可以装数个热电偶的冷端，恒温盒恒定温度的选择要根据具体条件而定。一般恒温盒温度应当超过周围环境温度的上限。应当指出，除了冰浴法以外，其它几种恒温法都不是将冷端保持在0℃，因此还必须进行校正。（5）采用PN结温度传感器作冷端补偿。补偿电路如图1所示。其原理是热电偶产生的电势经放大器A1放大后有一定的灵敏度（mv/℃），采用PN结传感器组成的测量电桥（置于热遇偶冷端处）的输出经放大器A2放大后也有相同的灵敏度。将这两个放大后的信号再通过增益为1的电压跟随器A3相加，则可以自动补偿冷端温度变化引起的误差。一般在0～50℃。（3）电桥补偿法。电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度不在0℃时引起的热电势变化值。使用补偿电桥时，应当注意以下几点：①不同分度号的热电偶要配用与热电偶同型号的补偿电桥。②补偿电桥与热电偶、电源和测量仪表连接时，要接线正确，特别是电源正、负极不可接反。③不平衡电桥的输出电压随直流电源的电压而变，因此直流电源的电压要恒定不变。④20因为这种补偿器设计在冷端温度为℃时电桥处于平衡状态。所以在使用前要把测量毫伏表的指针调到20℃的刻度上。（4）冷端恒温法。目前采用的冷端恒温法有以下几－33－20046212年月长江工程职业技术学院学报第卷第期（放大级），放大倍数的大小是根据线性化和输出的标准要求决定的，不同的热电偶放大倍数是不同的；信号调理电路的最后部分，即为输出信号的标准化处理，是由用户的要求决定的，可以是电压信号，也可以是电流信号。由于热电偶所产生的信号较小，一般需要对信号进行放大。图3是一种由运算放大器组成的典型的热电偶放大电路，由转换开关K改变放大倍数以满足几种不同热电偶的放大倍数的需要。图1PN结温度传感放大器作热电偶冷端补偿的工作原理函数。实际上，热电偶温度信号非线性是比较大的，温度从0℃升高到1800℃，热电势从0mv变化到13.585mv，每100℃热电势增加最大值约为最小值的8倍。其它热电偶都存在类似的问题，这又给线性化增加了难度。从这一特性出发，热电偶温度信号的线性化主要有如下几种方法。（1）单反馈法。利用负反馈，可以改善其线性，但是很有限。几种非线性稍小的热电偶，在温区要求不宽的情况下，可以采用这种方法。有时，由于在某一温区有精度要求，那么就在该温区对信号进行调理，达到要求的目标；在没有精度要求温区可以放宽，只作监视用。（2）折线近似法。这是一种对非线性较大信号处理的较好方法，处理得好可以达到较高的精度。它普遍适用于各种热电偶的整个正信号温区，电路原理如图2所示。图3热电偶放大器A1、A2采用ICL7650型CMOS斩波自稳零高精度运算放大器，A3采用OP07型高精度运算放大器，用以保证放大器有较高的输入阻抗及测量精度。A4为低通滤波器，可消除外界干扰，并有较好的带负载能力。其冷端补偿采用PN结温度传感器，它的信号输入A/D变换后与单片机连接，利用单片机运算进行自动补偿。在工业上广泛地应用动圈式仪表作为温度指示仪表，其优点是结构简单，价格便宜。它由热电偶、补偿导线、调整电阻及仪表组成。仪表内有冷端补偿器及磁电式动圈测量结构。以上主要介绍的是热电偶冷端补偿和信号线性化处理，用铂电阻作冷端补偿，简单实用。实践证明，用分段线性化方法，对各种热电偶，包括整个正信号温区，信号处理的精度都可以达到0.5%以上。这里提出的线性化方法也适用于其它非线性信号的线性化处理。图2折线近似法4热电偶测温指示仪表及应用电路如前所述，热电偶的输出信号较小，此外，线性化过程也是以牺牲信号的强度为代价的。因此，完整的热电偶信号调理电路，除了前边介绍的冷端补偿和线性化部分外，还应包括放大和输出电路。作为信号调理电路的前级－34－教育部参赛_汽车冷却液温度传感器的检测_朱清燕一、教案背景1、面向学生：中职学生2、学科：汽修专业《汽车电控发动机构造与维修》3、课时：4课时（第1-2课时主要通过“看一看”、“想一想”、“学一学”完成案例引入、理论教学、计算机仿真检测教学对汽车冷却液温度传感器的作用、类型、工作原理及检测部分的掌握，第3-4课时主要通过“做一做”、“练一练”、“评一评”完成汽车冷却液温度传感器实车检测、小组PK等部分）4、教学设计理念：利用互联网百度搜索、多媒体仿真软件和校内实训基地企业化模式下的实训平台，根据中职学生好奇心强和喜欢动手的特点，通过网络视频创设情景，激发学生学习的兴趣；通过多媒体仿真软件中的模拟实操，使学生更易掌握知识点；通过多媒体课件中的教学互动，使学生成为学习的主体能够促进教师教学的改进；通过多媒体课件中的评价系统，学生可以检测掌握知识的情况；通过校内实训基地企业化模式下的实训平台，提高学生实际的汽修检测技能。5、教学基础条件：（1）连接到Internet的多媒体教学平台。（2）上海鹏达计算机系统开发公司提供的多媒体仿真软件。（3）中山市沙溪理工学校汽车实训基地提供的4S管理模式下的整车实训平台二、教学目标知识目标：1、掌握汽车冷却液温度传感器的作用及类型；2、理解汽车冷却液温度传感器的工作原理。能力目标：1、通过对汽车冷却液温度传感器检测模拟的操作；掌握冷却液温度传感器检测原理和操作方法；2、通过实物图片和动画的展示，培养学生的观察分析能力；3、通过校内实训基地企业化模式下的实训平台，提高学生实际的汽修检测技能。情感目标：1、通过创设情景、实物演示，激发学生的好奇心和求知欲；2、通过多媒体仿真软件提供自主学习和反馈，增强学生的自信心和成就感；素质目标：1、培养团队合作、吃苦耐劳等精神2、培养良好的职业素养。三、教材分析1、教材使用本文选自中等职业教育国家规划教材人民交通出版社的《汽车冷却液温度传感器的检测》第四章第四节。汽车冷却液温度传感器的工作原理及检测是本章的重点，只有掌握好这部