CN110579261A - 一种冷却液液位、冷却液浓度及冷却液检测装置和方法 - Google Patents

一种冷却液液位、冷却液浓度及冷却液检测装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种冷却液液位及浓度检测装置和方法，属于车辆发动机领域，包括支座、弹性片、光纤安装架、光源发生组件和处理器。支座浮于车辆的冷却液的液面处，冷却液盛装容器内的压强随着冷却液液面的变化而变化，支座底部设有与冷却液的液面连通的腔体。弹性片设置于腔体底部，使得位于其上部的腔体形成应变腔，随压强变化而发生形变，使得应变腔的高度随弹性片的变形而发生改变。光纤安装架与支座固定连接，其上安装有入射光纤和出射光纤，入射光纤和出射光纤的一端均伸入支座并插设在应变腔内，另一端均伸出支座的顶部。光源发生组件与入射光纤相连；处理器用于计算冷却液的液位。通过本发明的方案可以实现冷却液液位和浓度的在线实时检测。

Description

一种冷却液液位、冷却液浓度及冷却液检测装置和方法
技术领域
本发明涉及车辆发动机领域，特别是涉及一种冷却液液位、冷却液浓度及冷却液检测装置和方法。
背景技术
现有技术中，冷却液液位检测均是离线状态，机械或电子式冷却液液位传感器被广泛使用，以上传感器都是基于液体的静压强来进行液位的测量，但是当遇到被监测的液体是导电或者腐蚀性、或者车辆行驶过程中因冷却液处于动态产生加速度和额外压强等情况时，这些传统的传感器将不再适用。冷却液浓度测量则是通过抽取样品进行化验对比分析得出，现有的冷却液浓度测试方法有：折光法酸解破乳法和根据溶液组成中的特定成分来测试容液浓度，以上方法虽已经应用成熟，但均不能实现冷却液浓度的在线实时检测。
因而，冷却液的液位和浓度实时检测存在着诸多问题，如冷却液液位波动会对被测信号带来的干扰、冷却液对传感器的腐蚀、传感器的耐久可靠性不高及冷却液温度变化等因素使得检测的冷却液液位和浓度值不准确。
发明内容
本发明的一个目的是要实现在线实时检测冷却液的液位。
本发明的另一个目的是要实现在线实时检测冷却液的浓度。
本发明的一个进一步地目的是要避免在线实时检测冷却液的浓度和液位过程中因冷却液液位波动会对被测信号带来的干扰、冷却液对传感器的腐蚀、传感器的耐久可靠性不高及冷却液温度变化等因素使得检测的冷却液的液位值和浓度值不准确。
特别地，本发明提供一种冷却液液位检测装置，用于在线实时检测车辆的所述冷却液的液位值，包括：
支座，浮于所述车辆的所述冷却液的液面处，所述冷却液密封在冷却液盛装容器中，所述冷却液盛装容器内的压强随着所述冷却液液面的变化而变化，所述支座底部设有与所述冷却液的液面连通的腔体；
弹性片，设置于所述腔体底部，使得位于所述弹性片上部的腔体形成应变腔，所述弹性片随所述冷却液盛装容器内的压强变化而发生形变，使得所述应变腔的高度随所述弹性片的变形而发生改变；
第一光纤安装架，与所述支座固定连接，一端插入所述应变腔中，另一端伸出所述支座的顶部，其上安装有第一入射光纤和出射光纤，所述第一入射光纤和所述出射光纤的一端均伸入所述支座并插设在所述应变腔内，另一端均伸出所述支座的顶部；
光源发生组件，与所述第一入射光纤相连，用于发出光强度稳定不变的光源；
处理器，与所述第一入射光纤和所述出射光纤均相连，用于根据所述第一入射光纤内的入射光强、所述出射光纤的出射光强、所述第一入射光纤的波长、所述应变腔上下端面的反射率计算所述冷却液的液位。
可选地，所述车辆还包括：
冷却液温度传感器，与所述处理器相连，用于采集所述冷却液的温度数据并发送至所述处理器；
所述处理器还用于根据所述温度数据进行液位补偿计算。
特别地，本发明还提供一种冷却液液位检测方法，用于上述冷却液液位检测装置，包括以下步骤：
采集所述第一入射光纤的光强、所述出射光纤的光强、所述第一入射光纤的波长和所述应变腔上下端面的反射率；
根据所述第一入射光纤的光强、所述出射光纤的光强、所述第一入射光纤的波长和所述应变腔上下端面的反射率计算所述冷却液的液位值。
可选地，根据所述第一入射光纤的光强、所述出射光纤的光强、所述第一入射光纤的波长和所述应变腔上下端面的反射率计算所述冷却液的液位值，包括：
根据所述第一入射光纤的光强、所述出射光纤的光强、所述第一入射光纤的波长和所述应变腔上下端面的反射率按照以下公式1反推获得所述应变腔高度L；
Ir＝2R(1-cos 4πL/λ)/(1+R^2-2Rcos 4πL/λ)I0 公式1
根据所述应变腔高度按照公式2计算获得压强P；
P＝ALn+BLn-1+…+KL+M 公式2
根据所述压强按照公式3计算获得初始液位值h：
h＝Q-P-k-P-k+1-…-kP 公式3
其中：R为所述应变腔上下两端面的反射率，L为所述应变腔高度，λ为所述第一入射光纤的波长，I0为所述第一入射光纤的光强，Ir为所述出射光纤的光强，A、B、K、M、Q及k均为常数；
可选地，还根据所述温度传感器采集的所述冷却液温度采用温度补偿算法并按照以下公式4计算所述冷却液的密度变化率Δρ；
根据所述密度变化率△ρ按照以下公式5计算所述冷却液的补偿液位值Δh；
Δh＝NΔρ-1f(s)-1 公式5
其中Δρ为所述冷却液的密度变化率，Δh为所述冷却液的补偿液位值，W、w、a1、b1、N为常数；P1、T0为设计温度压力和温度，T为当前实际温度；f(s)为体积变化率；
可选地，经过所述温度补偿算法补偿后通过以下公式6计算所述冷却液的液位值；
H＝h+Δh 公式6
其中，H为所述冷却液的液位值。
特别地，本发明还提供一种冷却液浓度检测装置，用于实时检测车辆的所述冷却液的浓度值，包括：
支座，浮于所述车辆的所述冷却液的液面处，所述冷却液密封在冷却液盛装容器中；
棱镜，呈倒三角结构，所述倒三角结构的所述棱镜底部与所述支座的底部连接，使得所述棱镜浸没在所述冷却液中；
第二光纤安装架，安装固定在所述支座的底部，其上安装有第二入射光纤和第二出射光纤，所述第二入射光纤和所述第二出射光纤的一端均伸入所述支座并达到所述倒三角结构的所述棱镜底部，另一端均伸出所述支座的顶部；
光源发生组件，与所述第二入射光纤相连，用于发出光强度稳定不变的光源；
处理器，与所述第二入射光纤和所述第二出射光纤均相连，用于根据所述第二出射光纤的光强计算所述冷却液的浓度。
特别地，本发明还提供一种冷却液浓度检测方法，用于上述冷却液浓度检测装置，包括以下步骤：
采集所述第二出射光纤的光强；
根据所述第二出射光纤的光强计算所述冷却液的浓度。
可选地，根据所述第二出射光纤的光强计算所述冷却液的浓度值，包括：
根据所述第二出射光纤的光强按照公式7反推得所述冷却液的浓度值：
I＝aCn+bCn-1+…+cC+d 公式7
其中，I为所述第二出射光纤的强度，a、b、c和d均为常数，C为浓度。
特别地，本发明还提供一种冷却液检测装置，用于实时检测车辆的所述冷却液的浓度和液位，包括：
支座，浮于所述车辆的所述冷却液的液面处，所述冷却液密封在冷却液盛装容器中，所述冷却液盛装容器内的压强随着所述冷却液液面的变化而变化，所述支座底部设有与所述冷却液的液面连通的腔体；
弹性片，设置于所述腔体底部，使得位于所述弹性片上部的腔体形成应变腔，所述弹性片随所述冷却液盛装容器内的压强变化而发生形变，使得所述应变腔的高度随所述弹性片的变形而发生改变；
棱镜，呈倒三角结构，所述倒三角结构的所述棱镜底部与所述支座的底部连接，使得所述棱镜浸没在所述冷却液中；
第一光纤安装架，与所述应变腔固定连接，其一端插入所述应变腔中，另一端伸出所述支座的顶部，其上安装有第一入射光纤和第一出射光纤，所述第一入射光纤和所述第一出射光纤的一端均伸入所述支座并插设在所述应变腔内，所述第一入射光纤和所述第一出射光纤的另一端均伸出所述支座的顶部；
第二光纤安装架，安装固定在所述支座的底部，其底部与所述棱镜相连，其上安装有第二入射光纤和第二出射光纤，所述第二入射光纤和所述第二出射光纤均为一端伸入所述支座并达到所述倒三角结构的所述棱镜底部，另一端均伸出所述支座的顶部；
光源发生组件，与所述第一入射光纤和所述第二入射光纤相连，用于发出光强度稳定不变的光源；
光源耦合器，与所述光源发生组件相连，用于将所述光源分为所述第一入射光纤和所述第二入射光纤；
处理器，与所述第一入射光纤、所述第二入射光纤、所述第一出射光纤和所述第二出射光纤均相连，用于根据所述第一入射光纤内的第一入射光强、所述第一出射光纤的出射光强、所述第一入射光纤的波长、所述应变腔上下端面的反射率计算所述冷却液的液位和根据所述第二出射光纤的光强计算所述冷却液的浓度。
可选地，所述车辆还包括冷却液温度传感器，与所述处理器相连，用于采集所述冷却液的温度数据并发送至所述处理器；
所述处理器还用于根据所述温度数据进行液位补偿计算。
特别地，本发明还提供一种冷却液检测方法，用于上述冷却液检测装置，包括以下步骤：
采集所述第一入射光纤的光强、所述第一出射光纤的光强、所述第一入射光纤的波长、所述应变腔上下端面的反射率和所述第二出射光纤的光强；
根据所述入射光纤的光强、所述出射光纤的光强、所述入射光纤的波长和所述应变腔上下端面的反射率计算所述冷却液的液位值；
根据所述第二出射光纤的光强计算所述冷却液的浓度值。
可选地，通过以下公式计算所述冷却液的液位值：
根据所述第一入射光纤的光强、所述第一出射光纤的光强、所述第一入射光纤的波长和所述应变腔上下端面的反射率按照以下公式1反推获得所述应变腔高度L；
Ir＝2R(1-cos 4πL/λ)/(1+R^2-2Rcos 4πL/λ)I0 公式1
根据所述应变腔高度按照公式2计算获得压强P；
P＝ALn+BLn-1+…+KL+M 公式2
根据所述压强按照公式3计算获得初始液位值h；
h＝Q-P-k-P-k+1-…-kP 公式3
其中：R为所述应变腔上下两端面的反射率，L为所述应变腔高度，λ为所述第一入射光纤的波长，I0为第一入射光纤的光强，Ir为所述第一出射光纤的光强，A、B、K、M、Q及k均为常数；
可选的，还根据所述温度传感器采集的所述冷却液温度采用温度补偿算法并按照以下公式4计算所述冷却液的密度变化率Δρ；
根据所述密度变化率Δρ按照以下公式5计算所述冷却液的补偿液位值Δh；
Δh＝NΔρ-1f(s)-1 公式5
其中Δρ为所述冷却液的密度变化率，Δh为所述冷却液的补偿液位值，W、w、a1、b1、N为常数；P1、T0为设计温度压力和温度，T为当前实际温度；f(s)为体积变化率；
可选地，经过所述温度补偿算法补偿后通过以下公式6计算所述冷却液的液位值；
H＝h+Δh 公式6
可选地，根据所述第二出射光纤的光强按照公式7反推得所述冷却液的浓度值；
I＝aCn+bCn-1+…+cC+d 公式7
其中I为所述第二出射光纤的强度，a、b、c和d均为常数，C为浓度。
根据本发明提供的方案，在冷却液的液位测量中，因冷却液的液位高度不同使得冷却液盛装容器中的压强不同，压强改变使得弹性片发生形变而进一步使得应变腔的高度发生改变，进而使得入射光纤和出射光纤的光强、波长等参数的变化，通过上述各参数可以计算得到冷却液的液位值，实现在线实时检测冷却液的液位。
进一步地，在冷却液的浓度测量中，光线以不同的角度从光密介质入射到光疏介质，临界角不同，反射光的能量则不同，而临界角是溶液折射率的函数，折射率与溶液浓度相关，因此反射光的能量大小代表了溶液的浓度变化。反射光由棱镜的反射膜反射到出射光纤，通过出射光纤的光强变化计算得出冷却液的浓度值，实现在线实时检测冷却液的浓度。
进一步地，本发明通过冷却液温度传感器测得的冷却液的温度，采用温度补偿算法对通过光纤测得的冷却液的液位值进行补偿，可以得到更为精确的冷却液的液位值。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的冷却液的液位检测装置示意图；
图2是根据本发明的另一个实施例的冷却液的液位检测装置示意图；
图3是根据本发明的一个实施例的冷却液的液位检测方法流程示意图；
图4是根据本发明的另一个实施例的冷却液的液位检测方法流程示意图；
图5是根据本发明的一个实施例的冷却液的浓度检测装置示意图；
图6是根据本发明的另一个实施例的冷却液的浓度检测装置示意图；
图7是根据本发明的一个实施例的冷却液的浓度检测方法流程示意图；
图8是根据本发明的一个实施例的冷却液的液位和浓度检测装置示意图；
图9是根据本发明的另一个实施例的冷却液的液位和浓度检测装置示意图；
图10是根据本发明的一个实施例的冷却液的液位和浓度检测方法流程示意图；
图11是根据本发明的另一个实施例的冷却液的液位和浓度检测方法流程示意图。
具体实施方式
本发明提供一种冷却液液位检测装置，用于在线实时检测车辆的冷却液的液位值。图1是根据本发明的一个实施例的冷却液的液位检测装置示意图，如图1所示，冷却液液位检测装置包括支座20、弹性片22、第一光纤安装架21、光源发生组件26和处理器(未图示)。支座20浮于车辆的冷却液的液面处，冷却液密封在冷却液盛装容器中，冷却液盛装容器内的压强随着冷却液液面的变化而变化，支座20底部设有与冷却液的液面连通的腔体。弹性片22设置于腔体底部，使得位于弹性片22上部的腔体形成应变腔23，弹性片22随冷却液盛装容器内的压强变化而发生形变，使得应变腔23的高度随弹性片的变形而发生改变。第一光纤安装架21与支座20固定连接，一端插入应变腔23中，另一端伸出支座20的顶部，其上安装有第一入射光纤24和第一出射光纤25，第一入射光纤24和第一出射光纤25的一端均伸入支座20并插设在应变腔23内，另一端均伸出支座20的顶部。光源发生组件26与第一入射光纤24相连，用于发出光强度稳定不变的光源。处理器(未图示)与第一入射光纤24和第一出射光纤25均相连，用于根据第一入射光纤24内的入射光强、第一出射光纤25的出射光强、第一入射光纤24的波长、应变腔23上下端面的反射率计算冷却液的液位。
根据本实施例提供的方案，在冷却液的液位测量中，因冷却液的液位高度不同使得冷却液盛装容器中的压强不同，压强改变使得弹性片22发生形变而进一步使得应变腔23的高度发生改变，进而使得第一入射光纤24和第一出射光纤25的光强、波长等参数的变化，通过上述各参数可以计算得到冷却液的液位值，实现在线实时检测冷却液的液位。
进一步地，车辆还包括冷却液温度传感器(未图示)，与处理器相连，用于采集冷却液的温度数据并发送至处理器，处理器还用于根据温度数据进行液位补偿计算。
进一步地，本发明通过冷却液温度传感器测得的冷却液的温度，采用温度补偿算法对通过光纤测得的冷却液的液位值进行补偿，可以得到更为精确的冷却液的液位值。
在一个优选地实施例中，光源发生组件26的光源通过LED灯27发射出。
图2根据本发明的另一个实施例的冷却液的液位检测装置示意图。下面结合图1和图2对冷却液的液位检测装置做进一步说明。冷却液的液位检测装置还包括LED光源7、液位显示器14、报警系统15存储器扩展器16，光源发生组件26包括第一矩形波发射器1、光电接收器2、第一光电放大器3、检波器4、第二光电放大器5和第二矩形波发射器6，处理器包括液位光电信号接收器8、光电转换器9、电信号放大器10、A/D转换电路11、温度补偿电路12和电路与单片机控制系统13。其中第一矩形波发射器1、光电接收器2、第一光电放大器3、检波器4、第二光电放大器5、第二矩形波发射器6、LED光源7、液位光电信号接收器8、光电转换器9、电信号放大器10和A/D转换电路11串联，A/D转换电路11和温度补偿电路12并联，液位显示器14、报警系统15和存储器扩展器16均与电路与单片机控制系统13连接。第一矩形波发射器1用于发射出初始光信号，光电接收器2用于接收并传递上述初始光信号，第一光电放大器3用于将上述初始光信号放大，检波器4用于将初始光信号与预设的高精度电压源信号对比并根据对比结果将初始光信号调节成检测冷却液所需的光信号，第二光电放大器5用于将光信号放大，第二矩形波发射器6用于发射光信息，LED光源7用于将上述光信号以光源发射出，液位光电信号接收器8用于接收第一入射光纤24和第一出射光纤25的光信号，光电转换器9用于将光信号转换成电信号，电信号放大器10用于将电信号放大，A/D转换电路用于将电信号转换成数字信号(冷却液的液位值)，温度补偿电路12用于对冷却液的液位值进行补偿，液位显示器14用于显示冷却液的液位值，报警系统15用于在冷却液液位低于预设值时提醒驾驶员补充冷却液，存储器扩展器16用于存储一定时期内的冷却液液位变化值。
特别地，本发明还提供一种冷却液液位检测方法，用于上述实施例中的冷却液液位检测装置。图3是根据本发明的一个实施例的冷却液的液位检测方法流程示意图，如图3所示，冷却液液位检测方法包括以下步骤：
S11：通过液位光电信号接收器10采集第一入射光纤24的光强、第一出射光纤25的光强、第一入射光纤24的波长和应变腔23上下端面的反射率。
S12：根据第一入射光纤24的光强、第一出射光纤25的光强、第一入射光纤24的波长和应变腔23上下端面的反射率计算冷却液的液位值。
进一步地，根据第一入射光纤24的光强、第一出射光纤25的光强、第一入射光纤24的波长和应变腔23上下端面的反射率计算冷却液的液位值，包括：
根据第一入射光纤24的光强、第一出射光纤25的光强、第一入射光纤24的波长和应变腔23上下端面的反射率按照以下公式1反推获得应变腔23高度L：
Ir＝2R(1-cos 4πL/λ)/(1+R^2-2Rcos 4πL/λ)I0 公式1
根据应变腔23高度按照公式2计算获得压强P：
P＝ALn+BLn-1+…+KL+M 公式2
根据压强按照公式3计算获得初始液位值h：
h＝Q-P-k-P-k+1-…-kP 公式3
其中：R为应变腔23上下两端面的反射率，L为应变腔23高度，λ为第一入射光纤的波长，I0为第一入射光纤的光强，Ir为第一出射光纤的光强，M、Q及k为均常数，L前面的大写字母A、B…K均为常数。
因为冷却液的密度会随着工况条件的变化而改变，冷却液的密度与压强成正比，与温度成反比，在车辆的发动机受热过程中，冷却液的密度变小，液位上升，所以会出现在车辆运行过程中检测的冷却液液位比实际值高的情况，因此需要对上述实施例中检测的冷却液液位值进行补偿。图4是根据本发明的另一个实施例的冷却液的液位检测方法流程示意图，如图4所示，冷却液的液位检测方法还包括：
S13：根据温度传感器采集的冷却液温度采用温度补偿算法对冷却液的液位进行补偿，优选地，按照以下公式4和公式5进行补偿：
根据所述冷却液温度按照以下公式4计算所述冷却液的密度变化率Δρ：
根据所述密度变化率Δρ按照以下公式5计算所述冷却液的补偿液位值Δh：
Δh＝NΔρ-1f(s)-1 公式5
其中Δρ为冷却液的密度变化率，Δh为冷却液的补偿液位值，W、w、a1、b1、N为常数；P1、T0为设计温度压力和温度，T为当前实际温度；f(s)为体积变化率。
可选地，经过所述温度补偿算法补偿后通过以下公式6计算冷却液的液位值：
H＝h+Δh 公式6
其中，H为冷却液的液位值。
图2根据本发明的另一个实施例的冷却液的液位检测装置示意图，结合图2对冷却液的液位检测方法做进一步阐述。在一个优选地实施例中，冷却液的液位检测方法如下：通过第一矩形波发射器1发射出初始光信号，初始光信号经第一光电放大器3放大，通过检波器4将放大后的初始光信号与高精度电压源信号对比，根据所述高精度电压源信号调节初始光信号以形成精确的光信号，通过第二光电放大器5放大光信号，光信号再经过第二矩形波发射器6发射，最后通过LED光源将光信号以光源形式传递至第一入射光纤24，液位光电信号接收器接收第一入射光纤24和第一出射光纤25的光信号，光电转换器9将光信号转换成电信号，电信号放大器10将电信号放大，A/D转换电路11将电信号转换成数字信号，并根据第一入射光纤24的光强、第一出射光纤25的光强、第一入射光纤24的波长和应变腔23上下端面的反射率计算得出冷却液的液位值，温度补偿电路12根据冷却液的温度值对冷却液的液位进行补偿，将补偿后的液位值显示在液位显示器14上，当液位值低于预设值时，报警系统15发出信号提醒用户补充冷却液，存储器16将冷却液的液位值存储。
在一个优选地实施例中，在第一入射光纤24和第二出射光纤25的表面增加特殊的保护层提升第一入射光纤24和第二出射光纤25的耐高温、耐低温及耐腐蚀能力。
通过本发明设计的方案，实现冷却液的液位的在线、实时、准确检测，装置结构简单，仅需要在车辆现有的软硬件的基础上做简单的改进即可实现，且没有易损坏的部件，抗环境干扰能力强，运行成本低，进一步地通过预设值和报警系统的设置可以实现实时监控和智能化预警。
特别地，本发明还提供一种冷却液浓度检测装置，用于在线实时检测车辆的冷却液的浓度值。图5是根据本发明的一个实施例的冷却液的浓度检测装置示意图，如图5所示，冷却液浓度检测装置包括支座20、棱镜32、第二光纤安装架31、光源发生组件26和处理器。支座20浮于车辆的冷却液的液面处，冷却液密封在冷却液盛装容器中。棱镜32呈倒三角结构，倒三角结构的棱镜底部与支座的底部连接，使得棱镜32浸没在冷却液中。第二光纤安装架31，安装固定在支座20的底部，其上安装有第二入射光纤33和第二出射光纤34，第二入射光纤33和第二出射光纤34的一端均伸入支座20并达到倒三角结构的棱镜底部，另一端均伸出支座20的顶部。光源发生组件26与第二入射光纤33相连，用于发出光强度稳定不变的光源。处理器(未图示)与第二入射光纤33和第二出射光纤34均相连，用于根据第二出射光纤的光强计算冷却液的浓度。
在一个优选地实施例中，光源发生组件26的光源通过LED灯27发射出。
在冷却液的浓度测量中，光线以不同的角度从光密介质入射到光疏介质，临界角不同，反射光的能量则不同，而临界角是溶液折射率的函数，折射率与溶液浓度相关，因此反射光的能量大小代表了溶液的浓度变化。反射光由棱镜的反射膜反射到出射光纤，通过出射光纤的光强变化计算得出冷却液的浓度值，实现在线实时检测冷却液的浓度。
图6根据本发明的另一个实施例的冷却液的浓度检测装置示意图，结合图6对冷却液的浓度检测装置作进一步阐述。冷却液的浓度检测装置还包括LED光源7、浓度显示器14’、报警系统15和存储器扩展器16，光源发生组件26包括第一矩形波发射器1、光电接收器2、第一光电放大器3、检波器4、第二光电放大器5和第二矩形波发射器6，处理器包括浓度光电信号接收器8’、光电转换器9、电信号放大器10、A/D转换电路11和电路与单片机控制系统13。第一矩形波发射器1、光电接收器2、第一光电放大器3、检波器4、第二光电放大器5、第二矩形波发射器6、LED光源7、浓度光电信号接收器8’、光电转换器9、电信号放大器10和A/D转换电路11串联，浓度显示器14’、报警系统15和存储器扩展器16均与电路与单片机控制系统13连接。第一矩形波发射器1用于发射出初始光信号，光电接收器2用于接收并传递上述初始光信号，第一光电放大器3用于将上述初始光信号放大，检波器4用于将初始光信号与预设的高精度电压源信号对比并根据对比结果将初始光信号调节成检测冷却液所需的光信号，第二光电放大器5用于将光信号放大，第二矩形波发射器6用于发射光信息，LED光源7用于将上述光信号以光源发射出，浓度光电信号接收器8’用于接收第二入射光纤33和第二出射光纤34的光信号，光电转换器9用于将光信号转换成电信号，电信号放大器10用于将电信号放大，A/D转换电路用于将电信号转换成数字信号，浓度显示器14’用于显示冷却液的浓度值，报警系统15用于在冷却液浓度值高于预设值时提醒驾驶员补充或更换冷却液，存储器扩展器16用于存储一定时期内的冷却液浓度变化值。
特别地，本发明还提供一种冷却液浓度检测方法，用于上述实施例中的冷却液浓度检测装置。图7是根据本发明的一个实施例的冷却液的浓度检测方法流程示意图，如图7所示，冷却液浓度检测方法包括以下步骤：
S21：采集第二出射光纤34的光强；
S22：根据第二出射光纤34的光强计算冷却液的浓度。
可选地，根据第二出射光纤34的光强计算冷却液的浓度值，包括：
根据第二出射光纤34的光强按照公式7反推得冷却液的浓度值：
I＝aCn+bCn-1+…+cC+d 公式7
其中，I为第二出射光纤34的强度，a、b、c和d均为常数，C为浓度。
图6根据本发明的另一个实施例的冷却液的浓度检测装置示意图，结合图6对冷却液的浓度检测方法作进一步阐述。在一个优选地实施例中，冷却液的浓度检测方法如下：通过第一矩形波发射器1发射出初始光信号，初始光信号经第一光电放大器3放大，通过检波器4将放大后的初始光信号与高精度电压源信号对比，根据所述高精度电压源信号调节初始光信号以形成精确的光信号，通过第二光电放大器5放大光信号，光信号再经过第二矩形波发射器6发射，最后通过LED光源将光信号以光源形式传递至第二入射光纤33，浓度光电信号接收器接收第二入射光纤33和第二出射光纤34的光信号，光电转换器9将光信号转换成电信号，电信号放大器10将电信号放大，A/D转换电路11将电信号转换成数字信号，并根据第一出射光纤34的光强，计算得出冷却液的浓度值，将冷却液的浓度值显示在浓度显示器14’上，当浓度值高于预设值时，报警系统15发出信号提醒用户补充或更换冷却液，存储器16将冷却液的浓度值存储。
通过本发明提供的方法，不仅可以实现冷却液的浓度的在线实时检测，且通过光纤作为传输介质可以避免因传感器腐蚀和耐久性差等因素带来的检测结果不准确。同时，通过采用温度补偿方法对冷却液的液位进行补偿使得检测结果更为精确。
特别地，本发明还提供一种冷却液检测装置，用于在线实时检测车辆的冷却液的浓度和液位。图8是根据本发明的一个实施例的冷却液的液位和浓度检测装置示意图，如图8所示，一种冷却液检测装置包括支座20、弹性片22、棱镜32、第一光纤安装架21、第二光纤安装架31、光源发生组件26、光源耦合器29和处理器。支座20浮于车辆的冷却液的液面处，冷却液密封在冷却液盛装容器中，冷却液盛装容器内的压强随着冷却液液面的变化而变化，支座20底部设有与冷却液的液面连通的腔体。弹性片22设置于腔体底部，使得位于弹性片22上部的腔体形成应变腔23，弹性片22随冷却液盛装容器内的压强变化而发生形变，使得应变腔23的高度随弹性片22的变形而发生改变。棱镜32呈倒三角结构，倒三角结构的底部与支座20的底部连接，使得棱镜32浸没在冷却液中。第一光纤安装架22与应变腔23固定连接，其一端插入应变腔23中，另一端伸出支座20的顶部，其上安装有第一入射光纤24和第一出射光纤25，第一入射光纤24和第一出射光纤25的一端均伸入支座20并插设在应变腔23内，第一入射光纤24和第一出射光纤25的另一端均伸出支座20的顶部。第二光纤安装架31安装固定在支座20底部，其底部与棱镜32相连，其上安装有第二入射光纤33和第二出射光纤34，第二入射光纤33和第二出射光纤34均为一端伸入支座20并达到倒三角结构的底部，另一端均伸出支座20的顶部。光源发生组件26与第一入射光纤24和第二入射光纤33相连，用于发出光强度稳定不变的光源。光源耦合器27与光源发生组件26相连，用于将光源分为第一入射光纤24和第二入射光纤33。处理器(未图示)与第一入射光纤24、第二入射光纤33、第一出射光纤25和第二出射光纤34均相连，用于根据第一入射光纤24内的入射光强、第一出射光纤25’的出射光强、第一入射光纤24的波长、应变腔23上下端面的反射率计算冷却液的液位和根据第二出射光纤34的光强计算冷却液的浓度。
根据本实施例提供的方案，在冷却液的液位测量中，因不同的冷却液液位使得冷却液盛装容器中的压强不同，压强改变带来弹性片发生形变而进一步使得应变腔的高度发生改变，进而使得入射光纤和出射光纤的光强、波长等参数的变化，通过上述各参数可以计算得到冷却液的液位值，实现在线实时检测冷却液的液位。
进一步地，车辆还包括冷却液温度传感器，与处理器相连，用于采集冷却液的温度数据并发送至处理器，处理器还用于根据温度数据进行液位补偿计算。
进一步地，本发明通过冷却液温度传感器测得的冷却液的温度，采用温度补偿算法对通过光纤测得的冷却液的液位值进行补偿，可以得到更为精确的冷却液的液位值。
在一个优选地实施例中，光源发生组件26的光源通过LED灯27发射出。
在冷却液的浓度测量中，光线以不同的角度从光密介质入射到光疏介质，临界角不同，反射光的能量则不同，而临界角是溶液折射率的函数，折射率与溶液浓度相关，因此反射光的能量大小代表了溶液的浓度变化。发射光由棱镜的反射膜反射到出射光纤，通过出射光纤的光强变化计算得出冷却液的浓度值，实现在线实时检测冷却液的浓度。
图9是根据本发明的另一个实施例的冷却液的液位和浓度检测装置示意图，结合图9对冷却液的检测装置做进一步说明。冷却液检测装置还包括LED光源7、显示器14”、报警系统15和存储器扩展器16，光源发生组件26包括第一矩形波发射器1、光电接收器2、第一光电放大器3、检波器4、第二光电放大器5和第二矩形波发射器6，处理器包括液位光电信号接收器8、浓度光电信号接收器8’、光电转换器9、电信号放大器10、A/D转换电路11、温度补偿电路12和电路与单片机控制系统13。第一矩形波发射器1、光电接收器2、第一光电放大器3、检波器4、第二光电放大器5、第二矩形波发射器6、LED光源7、浓度光电信号接收器8’、光电转换器9、电信号放大器10和A/D转换电路11串联，A/D转换电路11和温度补偿电路12并联，浓度显示器14’、报警系统15和存储器扩展器16均与电路与单片机控制系统13连接。第一矩形波发射器1用于发射出初始光信号，光电接收器2用于接收并传递上述初始光信号，第一光电放大器3用于将上述初始光信号放大，检波器4用于将初始光信号与预设的高精度电压源信号对比并根据对比结果将初始光信号调节成检测冷却液所需的光信号，第二光电放大器5用于将光信号放大，第二矩形波发射器6用于发射光信息，LED光源7用于将上述光信号以光源发射出，液位光电信号接收器8用于接收第一入射光纤24和第一出射光纤25的光信号，在浓度光电信号接收器8用于接收第二入射光纤33和第二出射光纤34的光信号，光电转换器9用于将光信号转换成电信号，电信号放大器10用于将电信号放大，A/D转换电路用于将电信号转换成数字信号，温度补偿电路12用于对冷却液的液位值进行补偿，显示器14”用于显示冷却液的液位值和浓度值，报警系统15用于冷却液液位低于预设值时提醒驾驶员补充冷却液及在冷却液浓度值高于预设值时提醒驾驶员补充或更换冷却液，存储器扩展器16用于存储一定时期内的冷却液液位和浓度变化值。
在一个优选地实施例中，在光纤的表面增加特殊的保护层提升其耐高温、耐低温及耐腐蚀能力。
通过本发明设计的方案，不仅可以实现冷却液的液位和浓度的在线、实时、准确检测，而且装置结构简单，仅需要在车辆现有的软硬件的基础上做简单的改进即可实现，没有易损坏的部件，抗环境干扰能力强，运行成本低，进一步地通过预设值和报警系统的设置可以实现实时监控和智能化预警。
特别地，本发明还提供一种冷却液检测方法，用于上述实施例中的冷却液检测装置。图10是根据本发明的一个实施例的冷却液的液位和浓度检测方法流程示意图，如图10所示，冷却液检测方法包括以下步骤：
S31：采集第一入射光纤24的光强、第一出射光纤25的光强、第一入射光纤24的波长、应变腔23上下端面的反射率和第二出射光纤34的光强；
S32：并根据第一入射光纤24的光强、第一出射光纤25的光强、第一入射光纤24’的波长和应变腔23上下端面的反射率计算冷却液的液位值；
S33：根据第二出射光纤34的光强计算冷却液的浓度值。
可选地，根据上述公式1反推获得应变腔高度L，根据应变腔高度按照上述公式2计算获得压强P，根据压强按照上述公式3计算获得初始液位值h。
可选地，通过以上公式6计算冷却液的液位值。
可选地，根据第二出射光纤34的光强按照以上公式7计算冷却液的浓度值。
图11是根据本发明的另一个实施例的冷却液的液位和浓度检测方法流程示意图，如图11所示，冷却液的液位检测方法还包括
S34：根据温度传感器采集的冷却液温度采用温度补偿算法对冷却液的液位进行补偿，按照上述公式4和5进行补偿。
图9根据本发明的另一个实施例的冷却液的浓度检测装置示意图，结合图9对冷却液检测方法作进一步阐述。在一个优选地实施例中，冷却液的浓度检测方法如下：通过第一矩形波发射器1发射出初始光信号，初始光信号经第一光电放大器3放大，通过检波器4将放大后的初始光信号与高精度电压源信号对比，根据所述高精度电压源信号调节初始光信号以形成精确的光信号，通过第二光电放大器5放大光信号，光信号再经过第二矩形波发射器6发射，最后通过LED光源将光信号以光源形式传递至第二入射光纤33，浓度光电信号接收器接收第二入射光纤33和第二出射光纤34的光信号，光电转换器9将光信号转换成电信号，电信号放大器10将电信号放大，A/D转换电路11将电信号转换成数字信号，并根据第一出射光纤34的光强，计算得出冷却液的浓度值，将冷却液的浓度值显示在显示器14”上，当浓度值高于预设值时，报警系统15发出信号提醒用户补充或更换冷却液，存储器16将冷却液的浓度值存储。
在一个优选地实施例中，冷却液的液位检测方法为：通过第一矩形波发射器1发射出初始光信号，初始光信号经第一光电放大器3放大，通过检波器4将放大后的初始光信号与高精度电压源信号对比，根据所述高精度电压源信号调节初始光信号以形成精确的光信号，通过第二光电放大器5放大光信号，光信号再经过第二矩形波发射器6发射，最后通过LED光源将光信号以光源形式传递至第一入射光纤24，液位光电信号接收器接收第一入射光纤24和第一出射光纤25的光信号，光电转换器9将光信号转换成电信号，电信号放大器10将电信号放大，A/D转换电路11将电信号转换成数字信号，并根据第一入射光纤24的光强、第一出射光纤25的光强、第一入射光纤24的波长和应变腔23上下端面的反射率计算得出冷却液的液位值，温度补偿电路12根据冷却液的温度值对冷却液的液位进行补偿，将补偿后的液位值显示在显示器14”上，当液位值低于预设值时，报警系统15发出信号提醒用户补充冷却液，存储器16将冷却液的液位值存储。
通过本发明提供的方法，不仅可以实现冷却液的浓度和液位的在线实时检测，且通过光纤作为传输介质可以避免因传感器腐蚀和耐久性差等因素带来的检测结果不准确。同时，通过采用温度补偿方法对冷却液的液位进行补偿使得检测结果更为精确。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种冷却液液位检测装置，用于在线实时检测车辆的所述冷却液的液位值，其特征在于，包括：
支座，浮于所述车辆的所述冷却液的液面处，所述冷却液密封在冷却液盛装容器中，所述冷却液盛装容器内的压强随着所述冷却液液面的变化而变化，所述支座底部设有与所述冷却液的液面连通的腔体；
弹性片，设置于所述腔体底部，使得位于所述弹性片上部的腔体形成应变腔，所述弹性片随所述冷却液盛装容器内的压强变化而发生形变，使得所述应变腔的高度随所述弹性片的变形而发生改变；
第一光纤安装架，与所述支座固定连接，一端插入所述应变腔中，另一端伸出所述支座的顶部，其上安装有第一入射光纤和第一出射光纤，所述第一入射光纤和所述第一出射光纤的一端均伸入所述支座并插设在所述应变腔内，另一端均伸出所述支座的顶部；
光源发生组件，与所述第一入射光纤相连，用于发出光强度稳定不变的光源；
处理器，与所述第一入射光纤和所述第一出射光纤均相连，用于根据所述第一入射光纤内的入射光强、所述第一出射光纤的出射光强、所述第一入射光纤的波长、所述应变腔上下端面的反射率计算所述冷却液的液位。
2.根据权利要求1所述的冷却液液位检测装置，其特征在于，所述车辆还包括：
冷却液温度传感器，与所述处理器相连，用于采集所述冷却液的温度数据并发送至所述处理器；
所述处理器还用于根据所述温度数据进行液位补偿计算。
3.一种冷却液液位检测方法，用于权利要求1或2所述的冷却液液位检测装置，其特征在于，包括以下步骤：
采集所述第一入射光纤的光强、所述第一出射光纤的光强、所述第一入射光纤的波长和所述应变腔上下端面的反射率；
根据所述第一入射光纤的光强、所述第一出射光纤的光强、所述第一入射光纤的波长和所述应变腔上下端面的反射率计算所述冷却液的液位值。
4.根据权利要求3所述的冷却液液位检测方法，其特征在于，根据所述第一入射光纤的光强、所述第一出射光纤的光强、所述第一入射光纤的波长和所述应变腔上下端面的反射率计算所述冷却液的液位值，包括：
根据所述第一入射光纤的光强、所述第一出射光纤的光强、所述第一入射光纤的波长和所述应变腔上下端面的反射率按照以下公式1反推获得所述应变腔高度L；
Ir＝2R(1-cos4πL/λ)/(1+R^2-2Rcos4πL/λ)I0 公式1
根据所述应变腔高度按照公式2计算获得压强P；
P＝ALn+BLn-1+…+KL+M 公式2
根据所述压强按照公式3计算获得初始液位值h；
h＝Q-P-k-P-k+1-…-kP 公式3
其中：R为所述应变腔上下两端面的反射率，L为所述应变腔高度，λ为所述第一入射光纤的波长，I0为所述第一入射光纤的光强，Ir为所述第一出射光纤的光强，A、B、K、M、Q及k均为常数；
可选地，还根据所述温度传感器采集的所述冷却液温度采用温度补偿算法并按照公式4计算所述冷却液的密度变化率Δρ；
根据所述密度变化率Δρ按照以下公式5计算所述冷却液的补偿液位值Δh；
Δh＝NΔρ-1f(s)-1 公式5
其中Δρ为所述冷却液的密度变化率，Δh为所述冷却液的补偿液位值，W、w、a1、b1、N为常数；P1、T0为设计温度压力和温度，T为当前实际温度；f(s)为体积变化率；
可选地，经过所述温度补偿算法补偿后通过以下公式6计算所述冷却液的液位值；
H＝h+Δh 公式6
其中，H为所述冷却液的液位值。
5.一种冷却液浓度检测装置，用于在线实时检测车辆的所述冷却液的浓度值，其特征在于，包括：
支座，浮于所述车辆的所述冷却液的液面处，所述冷却液密封在冷却液盛装容器中；
棱镜，呈倒三角结构，所述倒三角结构的所述棱镜底部与所述支座的底部连接，使得所述棱镜浸没在所述冷却液中；
第二光纤安装架，安装固定在所述支座的底部，其上安装有第二入射光纤和第二出射光纤，所述第二入射光纤和所述第二出射光纤的一端均伸入所述支座并达到所述倒三角结构的所述棱镜底部，另一端均伸出所述支座的顶部；
光源发生组件，与所述第二入射光纤相连，用于发出光强度稳定不变的光源；
处理器，与所述第二入射光纤和所述第二出射光纤均相连，用于根据所述出射光纤的光强计算所述冷却液的浓度。
6.一种冷却液浓度检测方法，用于权利要求5所述的冷却液浓度检测装置，其特征在于，包括以下步骤：
采集所述第二出射光纤的光强；
根据所述第二出射光纤的光强计算所述冷却液的浓度。
7.根据权利要求6所述的冷却液浓度检测方法，其特征在于，根据所述第二出射光纤的光强计算所述冷却液的浓度值，包括：
根据所述第二出射光纤的光强按照公式7反推得所述冷却液的浓度值；
I＝aCn+bCn-1+…+cC+d 公式7
其中，I为所述出射光纤的强度，a、b、c和d均为常数，C为浓度。
8.一种冷却液检测装置，用于在线实时检测车辆的所述冷却液的浓度和液位，其特征在于，包括：
支座，浮于所述车辆的所述冷却液的液面处，所述冷却液密封在冷却液盛装容器中，所述冷却液盛装容器内的压强随着所述冷却液液面的变化而变化，所述支座底部设有与所述冷却液的液面连通的腔体；
弹性片，设置于所述腔体底部，使得位于所述弹性片上部的腔体形成应变腔，所述弹性片随着所述冷却液盛装容器内的压强变化而发生形变，使得所述应变腔的高度随所述弹性片的变形而发生改变；
棱镜，呈倒三角结构，所述倒三角结构的所述棱镜底部与所述支座的底部连接，使得所述棱镜浸没在所述冷却液中；
第一光纤安装架，与所述应变腔固定连接，其一端插入所述应变腔中，另一端伸出所述支座的顶部，其上安装有第一入射光纤和第一出射光纤，所述第一入射光纤和所述第一出射光纤的一端均伸入所述支座并插设在所述应变腔内，所述第一入射光纤和所述第一出射光纤的另一端均伸出所述支座的顶部；
第二光纤安装架，安装固定在所述支座的底部，其底部与所述棱镜相连，其上安装有第二入射光纤和第二出射光纤，所述第二入射光纤和所述第二出射光纤均为一端伸入所述支座并达到所述倒三角结构的所述棱镜底部，另一端均伸出所述支座的顶部；
光源发生组件，与所述第一入射光纤和所述第二入射光纤相连，用于发出光强度稳定不变的光源；
光源耦合器，与所述光源发生组件相连，用于将所述光源分为所述第一入射光纤和所述第二入射光纤；
处理器，与所述第一入射光纤、所述第二入射光纤、所述第一出射光纤和所述第二出射光纤均相连，用于根据所述第一入射光纤内的第一入射光强、所述第一出射光纤的出射光强、所述第一入射光纤的波长、所述应变腔上下端面的反射率计算所述冷却液的液位和根据所述第二出射光纤的光强计算所述冷却液的浓度。
9.根据权利要求8所述的冷却液检测装置，其特征在于，所述车辆还包括冷却液温度传感器，与所述处理器相连，用于采集所述冷却液的温度数据并发送至所述处理器；
所述处理器还用于根据所述温度数据进行液位补偿计算。
10.一种冷却液检测方法，用于权利要求8或9所述的冷却液检测装置，其特征在于，包括以下步骤：
采集所述第一入射光纤的光强、所述第一出射光纤的光强、所述第一入射光纤的波长、所述应变腔上下端面的反射率和所述第二出射光纤的光强；
根据所述入射光纤的光强、所述出射光纤的光强、所述入射光纤的波长和所述应变腔上下端面的反射率计算所述冷却液的液位值；
根据所述第二出射光纤的光强计算所述冷却液的浓度值。
可选地，通过以下公式计算所述冷却液的液位值：
根据所述第一入射光纤的光强、所述第一出射光纤的光强、所述第一入射光纤的波长和所述应变腔上下端面的反射率按照以下公式1反推获得所述应变腔高度L；
Ir＝2R(1-cos4πL/λ)/(1+R^2-2Rcos4πL/λ)I0 公式1
根据所述应变腔高度按照公式2计算获得压强P；
P＝ALn+BLn-1+…+KL+M 公式2
根据所述压强按照公式3计算获得初始液位值h；
h＝Q-P-k-P-k+1-…-kP 公式3
其中：R为所述应变腔上下两端面的反射率，L为所述应变腔高度，λ为所述第一入射光纤的波长，I0为第一入射光纤的光强，Ir为所述第一出射光纤的光强，A、B、K、M、Q及k均为常数；
可选的，还根据所述温度传感器采集的所述冷却液温度采用温度补偿算法并按照以下公式4计算所述冷却液的密度变化率Δρ；
根据所述密度变化率Δρ按照以下公式5计算所述冷却液的补偿液位值Δh；
Δh＝NΔρ-1f(s)-1 公式5
其中Δρ为所述冷却液的密度变化率，Δh为所述冷却液的补偿液位值，W、w、a1、b1、N为常数；P1、T0为设计温度压力和温度，T为当前实际温度；f(s)为体积变化率；
可选地，经过所述温度补偿算法补偿后通过以下公式6计算所述冷却液的液位值；
H＝h+Δh 公式6
可选地，根据所述第二出射光纤的光强按照公式7反推得所述冷却液的浓度值；
I＝aCn+bCn-1+…+cC+d 公式7
其中I为所述第二出射光纤的强度，a、b、c和d均为常数，C为浓度。
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