浙江大学的向真
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机动车检测技术的发展与现状
/来源:链接新闻访问量:2476发布时间:2011-11-28 QC检测仪器网。
标签:内窥镜、内径千分尺、检验仪器、超声波探伤仪、里氏硬度计、金相显微镜、无损检测、合金分析仪、涡流探伤仪、万能试验机。
向真，浙江大学信息学院光学工程研究所，吴勇，周颖
一.概述
汽车为人们提供便利的同时，也带来了空气污染、噪音、交通安全等一系列问题。随着里程的增加和服役时间的延续，其技术状况会继续恶化。因此，一方面需要不断开发性能优异的汽车；另一方面，需要借助维护和修理来恢复其技术状况。汽车综合性能检测是在汽车使用、维护和修理过程中对汽车技术状况进行测试和检查的技术。近年来，我国机动车数量急剧增加，机动车运行安全问题越来越突出。加强机动车管理，重视机动车检测已成为全社会的迫切要求，也为我国机动车检测仪器的发展提供了良好的机遇。
随着汽车工业的发展，相关检测设备制造商加大了开发新设备的力度，不断改进和增加检测设备，使其更适合实际需要。单一的检测设备越来越先进，所有的传感器都从机械的变成了电子的，控制方式也从继电器控制变成了电脑控制。数据采集和处理都使用计算机。
二、汽车检测技术的发展
汽车检测技术是随着汽车技术的发展而发展的。在汽车发展的早期，人们主要是通过有经验的维修人员来发现汽车故障，并进行有针对性的维修。随着现代科学技术的进步，汽车检测技术也发展迅速。目前，人们可以依靠各种先进的仪器设备来安全、快速、可靠地测试汽车。
1.国外汽车检测技术的发展现状
汽车检测技术从无到有，逐步发展。早在20世纪50年代，一些工业化国家就形成了以故障诊断和性能调试为重点的单项检测技术和生产单项检测设备。60年代初，进入中国的汽车检验测试设备有美国发动机分析仪、英国发动机点火系统故障诊断仪、汽车路试车速分析仪等，这些都是国外较早开发的。60年代后期，国外汽车检测诊断技术发展迅速，大量应用了光电、理化、机械一体化检测技术。20世纪70年代以来，随着计算机技术的发展，出现了具有汽车检测诊断、数据采集和处理自动化、测试结果直接打印等功能的汽车性能检测仪器设备。在此基础上，为了加强汽车管理，各工业化国家相继建立了汽车检测站和检测线，使汽车检测制度化。
总的来说，工业化国家的汽车检测管理已经制度化；基础技术检测实现了“标准化”；检测技术正朝着“智能化、自动化检测”的方向发展。
2.国内汽车检测技术发展综述
中国从20世纪60年代开始研究汽车检测技术。
20世纪70年代，我国大力发展汽车检测技术，汽车不解体检测技术与设备被列为国家科委开发应用项目。反力式汽车制动试验台是在交通部的资助下研制的。惯性汽车制动试验台:发动机综合检测仪:汽车性能综合测试平台(具有制动检测、底盘测功机、速度测试等功能。).
20世纪80年代，随着国民经济的发展，科学技术的各个领域迅速发展，汽车检测诊断技术也随之发展。如何保证车辆快速、经济、灵活，尽可能不造成公害，逐渐被提到政府相关部门的议事日程上，从而推动了汽车诊断检测技术的发展。
在单台检测设备研制成功的基础上，为保证汽车良好的技术状况，加强在用汽车的技术管理，充分发挥汽车检测设备的使用功能，交通部于1980开始计划在全国公路运输和车辆管理系统(当时交通部主管汽车监管)建设汽车检测站，检测内容主要是汽车安全检测。
80年代初，交通部在大连建立了国内第一家汽车检测站。技术上，提出在线安装各种单项检测设备，形成功能齐全的汽车检测线，其检测方案为3万辆/年。
为配合汽车检测，我国共发布实施了100多项国家标准、行业标准和计量检定规程。从汽车综合性能检测站的建立，到汽车检测的具体检测项目，基本都是有法可依的。
3.我国汽车综合性能检测技术的发展方向。
为赶超世界先进水平，我国汽车检测技术应在汽车检测技术基础、智能化汽车检测设备、网络化汽车检测管理等方面进行研发。
A.汽车检测技术基础标准化
B.智能汽车检测设备
C.汽车检测管理的网络化
根据汽车安全和性能检测的要求，论述了正在迅速发展的联网技术、排放测试、四轮定位、灯光测试和制动性能测试中的一些道路测试方法。
第三，设备联网
目前，我国部分汽车综合性能检测站已经实现了计算机管理系统检测。虽然计算机管理系统采用计算机测控，但各站的计算机测控方式有很大差异。即使采用计算机网络系统技术，也只有一个工位实现联网。随着技术和管理的进步，汽车检测未来将实现真正的联网(局域网)，从而享受信息资源、硬件资源和软件资源。在此基础上，利用信息高速公路将全国汽车综合性能检测站连接成广域网，以便上级交通管理部门实时了解各地区的车辆情况。在这种结构下，汽车综合性能检测站不仅可以承担车辆动力性、经济性、可靠性、安全性、环保管理等方面的检测，还可以承担在用车辆的汽车维修质量和技术状态的检测，以及科研教学的性能测试和参数测试。检测项目广而深，可为汽车使用、维修、科研、教学、设计、制造等部门提供可靠的技术依据。
目前，这些设备主要通过串口和以太网协议进行互连。随着通信技术的发展，提供了更方便的选择。比如可以使用短信平台方便数据交换，也可以使用基于802.1的无线以太网协议。蓝牙技术也是一种标准的开放互连协议。随着光通信的发展，光网络可以作为复杂大规模网络中信号的传输介质。
第四，机动车的排放测试
随着汽车保有量的增加(年增长率在10%以上)，汽车尾气污染物对环境的污染会越来越严重。目前，空气污染已经逐渐发展成为一个世界性的问题。废气分析仪和烟度计测量废气污染物浓度的目的是控制废气污染物的扩散，将其限制在允许的范围内，以保护生态环境和自然界的生态平衡。
汽车排放的主要污染物是一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(氮氧化合物)、硫氧化物(主要是二氧化硫)和颗粒物(由煤烟、氧化铅等重金属氧化物和烟尘组成)。与汽油机相比，柴油机的一氧化碳排放量要小得多。此外，柴油发动机的HC排放量较少，但氮氧化合物排放量与汽油发动机相似，而且会排放令人讨厌的黑烟。
为了控制汽车尾气污染物对生态环境的危害，世界各国政府相继制定了汽车尾气污染物的限值标准。
4.1汽油车污染物排放检测
汽油车污染物排放检测方法的演变分为两部分，一是气体浓度检测方法的变化，二是测试时车辆本身的工作状态。这个问题分两部分讨论。
4.1.1气体浓度检测方法分类
所选择的红外波长范围是3-5um。为了保证仪器的测量精度和距离，对红外辐射源的要求是:辐射的光谱成分要稳定。由于各种气体对红外线的吸收是有选择性的，如果发射出的光谱成分(波长和能量)不稳定，对于同样浓度的气体，吸收的能量会有所不同，必然会导致测量误差。
大部分辐射能量应集中在待测元件的特征吸收带，传输系统的光束发散角应较小，以保证光信号能量在长距离传输后足够强，从而增加待测元件可吸收的能量。红外光源发出的近似平行的红外光束穿过汽车排气区域，并被放置在两车道公路对面的角反射器反射。光束返回仪器接收部分，依次经过气体校准池、红外聚焦透镜、斩波器和旋转滤光轮，最后聚焦在红外探测器上。
2.可调谐红外激光差分吸收汽车尾气路边监测系统。
最近国外引进了一种输出波长可调谐的激光器，可以在一定的波长范围内进行扫描，测量相应气体的实际吸收光谱的峰值，利用峰值的形状来确定各种气体的浓度值，从而实现对机动车行驶过程中排放的尾气中的CO、CO2、NO、HC等污染物的自动监测。由于激光输出光束的波长远小于滤光片的波长，所以各种气体光谱重叠的可能性更小，测试结果更准确。
传统的尾气检测方法需要先对汽车排气管取样，然后在实验室条件下用常规仪器进行分析，费时费力，成本高，操作难度大。四个工人一天只能检测100辆左右，而尾气路侧监测技术可以实现实时在线遥测，可以实时监测汽车尾气的污染状况，一个小时可以检测1000多辆。能够实时反映车辆运行时的真实排放。
4.1.2排放检测采用不同的汽车工况。
如前所述，随着发动机工况和实际负荷的不同，即使是同一辆车的实际排放效果也是千差万别，这也是目前排放测量中最大的问题。排放测量的目的是为了更好地了解车辆在实际使用中的污染物排放情况，从而达到控制污染的目的。如果测量状态与实际使用状态不同，则测量结果没有很好的参考价值。随着技术的发展和要求的提高，汽油车的排气测量方法分为工况法、恒速工况法和怠速法。空闲方法包括单空闲方法和双空闲方法。
A.汽油车怠速污染物排放检测
单怠速法主要用于检测站对汽油车排气污染物的测量。实际上，怠速法并不能反映车辆的实际情况，但由于其操作简单、限制少，在检测站得到了广泛的应用。
B.用汽油车工况法检测污染物排放
ASM(加速度模拟模式稳态加载条件)要求底盘测功机根据机动车参考质量模拟机动车运行中的稳态载荷，被检测的机动车在该载荷下匀速行驶。当车速为24km/h时，处于BASM5024工况。当车速为40km/h时，处于BASM2540工况。测试时，被测车辆先在BASM5024工况下测试，如果排放超标，再在BASM2540工况下测试。
使用稳态工况检测系统能更真实地反映汽车的实际排放情况，但它是对汽车尾气浓度的测量。汽车尾气成分的浓度测量不能完全衡量汽车对大气的污染程度，因为没有尾气的总质量就无法测量污染物的实际重量。由于以上原因，欧标的排放标准以克/公里为单位，因为它兼顾了浓度和质量。
现在使用的先进的Vmas系统可以测试实际排放气体的流量，计算排放污染物的总质量，确保测量结果与通行的欧II或欧III标准兼容，真正达到控制污染物排放总量的目的。
4.2柴油车自由加速烟度的检测
A.滤纸烟度计的原理
烟度计主要用于测量柴油机的排气烟度。取样器是一个弹簧泵，前端有取样探头。它插在排气管中央，吸收一定体积的废气，使之通过一张有一定面积的白色滤纸。废气中的碳烟堆积在滤纸表面，使滤纸受到污染。用检测仪测量滤纸的污染程度。污染程度定义为滤纸烟雾，单位为FSN。规定全白滤纸的FSM值为0，全黑滤纸的FSM值为10，从0-10均匀分级。
滤纸法测量稳态工况下的烟度是可靠的，但用于变工况下碳烟的连续测量时，测量结果的准确性受滤纸质量的影响，不能测量蓝烟和白烟，从以上指标来看该仪器的测量精度不高。
B.不透光烟度计的原理
不透光烟度计采用不透光光学原理，使一定光通量的入射光穿过一定长度的被测烟柱，通过光学接收器接收到的透射光强度来评价可见污染物的排放程度。
因为滤纸烟度计测量结果的准确性受滤纸质量的影响；不透光烟度计不仅可以连续测量，还可以测量废气中的水分和烟雾。因此，为了使我国的排放法规与国际接轨，从2000年开始实施的排放标准中引入了不透光度的概念。通风机
不透光烟度计的测量原理
废气中烟和蒸汽的浓度越高，光通过测量室时光能衰减越大，光电转换器转换的电信号越弱。
c、用散射法测量烟尘的浓度和平均粒径。
不透明烟度计利用不透明光学原理来测量柴油发动机排放物中的总烟密度。事实上，探测器接收到的能量不仅与粒子排放的浓度有关，还与粒子的平均粒径有关。
五、汽车定位检测技术及其发展
由于车速的提高，操纵稳定性对汽车安全性的影响越来越重要。汽车操纵稳定性主要由汽车定位参数决定。汽车定位参数包括:前轮定位参数(前束、后倾角、后倾角、前桥后倾角、转向前、转向角等。)和后轮定位参数(前束、后倾角、后轮轴后退角、推进角等。).汽车不仅有前轮定位参数，一些豪华轿车和豪华轿车也有后轮定位参数。这些定位参数的误差会严重影响汽车的操控性能。比如主销后倾角过大，转向沉重，主销后倾角过小时，容易造成前轮摆振，方向盘不稳，方向盘自动扶正能力变差。左右主销后倾角偏差过大时，会造成行驶跑偏，后轮前束不正确时，不仅会造成行驶跑偏，还会造成轮胎异常磨损。
1，定位器的分类
定位器是一种测量汽车定位参数的设备。检测前轮定位参数的设备称为前轮定位仪。汽车的操控性能不仅与前轮有关，还与后轮的定位参数有关。检测前后轮定位参数的设备称为四轮定位仪。
随着电子技术的发展，四轮定位仪的测量方式、数据处理和数据传输方式都在不断变化，但它们的基本测量原理基本相同。
1.1按照出现的先后顺序划分。
A.前束尺；
B.光学水准仪；
C.拉线定位器；
D.拉线电脑四轮定位器
E.光学计算机四轮定位器
1.2根据测量数据传输技术
有线定位器:传感器通过电缆将测量数据传输到主机，主要特点是传输可靠，成本低。红外无线定位器:利用红外通信技术将传感器测量数据传输到主机。与有线模式相比，它的主要特点是操作更方便。但由于红外传输的方向性，在安装和使用过程中要格外小心。
高频无线定位器:通过高频无线电通信技术将传感器测量数据传输到主机。它具有非定向传输、距离远、受障碍物影响小等优点，主要缺点是成本高。
2.四轮定位的发展历史
早期的定位测量工具由前束、外倾角和主销后倾角测量装置组成。前束测量仪通过测量左右前轮之间的前后距离差来测量前束。只能测量以长度单位表示的总前束值，不能测量单轮前束、回缩角、推进角等参数，测量精度有限。随着汽车技术的不断发展，其测量功能和精度远远不能满足定位要求。
A.利用激光技术测量前束的光学水平仪。
激光发射器安装在被测车辆的两个前轮和两个后轮上，通过读取照射在刻度尺上的激光束的位置来测量前束。当前光束为0时，激光束照射标尺的0位置，当前光束不为0时，激光照射位置移动。该偏差代表被测车轮的前束值。
B.拉线四轮定位器
用拉线代替激光测量前束，进一步加强了装置的测量功能，由于采用单片机等微型计算机进行控制，提高了测量的自动化程度。显示屏采用LED，更加直观方便。有的还用电脑控制和显示，各种型号的定位数据存储在电脑里，与实测结果进行对比。电缆定位器前束测量原理的核心是测量旋转角度的旋转电位器(有的用霍尔传感器或光电编码器或旋转变压器测量旋转位置)，用来测量电缆的偏转角。
早期的电缆定位器只有两个头，需要对整车的四个车轮进行两次测量。先测量两个前轮，再测量两个后轮。后来也有了四个云台，可以同时测量四个车轮的定位参数。电缆定位器的主要缺点是操作复杂，测量精度低。
C.光学电脑四轮定位仪。
无论是激光四轮定位仪还是红外四轮定位仪，虽然它们的测量传感器不同，但最终的测量对象都是光线的偏转角(激光红外)。电脑激光四轮定位仪通过测量激光在感应接收器上的位置信息，计算出激光的偏转角，从而得到前束测量数据，CCD红外传感器通过测量面阵CCD的成像信息，计算测量出红外光源在CCD视场中的水平坐标，从而计算出红外光的偏转角。
随着电子技术的不断发展和个人电脑价格的不断下降，结合计算机技术和光学测量技术开发出了计算机四轮定位仪。本发明极大地丰富了四轮定位仪的功能，简化了四轮定位仪的操作:操作界面友好；电脑四轮定位仪存储各种车辆的定位数据，并将实测数据与技术规范进行对比，指导操作人员对车辆进行调整，帮助操作人员使用、存储和打印测量数据等等。目前市面上的电脑四轮定位仪种类繁多，但是性能和质量差别很大，价格也相差很大。关键在于传感器元件的种类和质量以及传感器数据处理技术，对四轮定位设备的测量精度、响应速度、可靠性和稳定性有重要影响。一些高档的四轮定位仪已经采用了DSP技术。
3.电脑四轮定位仪的数据传输技术。
传感头的测量数据需要传输到上位机进行处理和显示。目前主要方法如下:
A.有线模式
传感器测量数据通过电缆传输到主机。有线数据传输可以采用的技术有很多，采用哪种技术主要取决于性价比等因素。
B.红外无线传输技术
红外无线传输技术是将待传输的数据进行调制，通过红外载波发送出去，红外接收器将对调制后的红外信号进行解调，恢复出传输的数据。因为红外线是有方向性的，所以它的传播也是有方向性的，有一些缺点，比如挡不住，传播距离不远。其主要特点是工艺简单，成本低。
C.高频无线电传输技术
待传输的数据经过调制，以高频无线电波为载波发送到周围空间。它使用的无线电频段一般。与红外传输相比，无线电传输具有传输距离远、指向性弱的优点。它的主要缺点是成本高。
4.3维定位器
三维图像定位器的测量装置由高分辨率CCD摄像机和反射光板组成。每个轮子都装有一个反射器，反射器上有一个特定的反射点。由于CCD的焦距，每个反射镜必须对应一个相应焦距的CCD。计算机中要安装图像采集卡，使用时计算机也要获取电梯的高度信息，才能得到正确的计算结果。
计算机先将汽车举升到指定高度，然后按时间顺序逐一门控每个CCD，采集CCD发送的图像信息。计算机根据采集的图形信息计算每个定位角度。它的测量原理是计算每个反射镜的二维角坐标(对应前束和外倾角)、反射镜中心在CCD中的坐标以及到对应CCD的距离。四个CCD在选定的三维坐标系中的坐标是固定的，已知的，这样就可以得到每个反射镜的中心在这个坐标系中的坐标。从而可以得到各反射镜的相对位置，得到车辆各车轮的参数，如前束、外倾角、回缩角等。中枢销参数的测量类似于其他定位器的测量。
三维图像定位器的测量部分采用高分辨率的面阵图像传感器(面阵CCD或数码相机)，但将原来的机头换成了反射镜，反射镜上有按照一定规律排列的反射光斑。用图像传感器观察反光镜，根据反光点的位置和大小计算出每个车轮的位置参数。如图所示，如果车轮向外倾斜，反射镜在CCD的视场中绕视场中心轴旋转，各反射光斑的上、下、左、右位置发生变化。
当前光束发射改变时，反射器将围绕Y轴旋转一定角度。此时，CCD相机中原本圆形的反射光斑会变成椭圆形。根据椭圆的形状变化，可以计算出前束。
因为测量距离不能和调整前的对焦距离完全相等，所以图像不清晰，精度计算会打折扣。因此，这种定位器需要将车辆轻轻地来回推动一定距离，以获得不同姿态的多次测量。
定位器的主要问题是精度。由于不同型号的CCD的焦距和反射镜到CCD的实际距离可能相差甚远，对焦成为测量精度的最大障碍。此外，由于这种CCD成本较高，设计者也希望每边只用一个CCD，焦距问题比较突出。如果使用自动对焦，但是对焦的成像物体不理想，自动对焦本身也带来测量误差。选择更高分辨率的CCD也很难解决根本问题。所以这种定位器目前不适合大众普通用户。
六、大灯测试
汽车大灯主要用于夜间或黑暗、雨天、雾天的行车照明。它的亮度和照明方向对行车安全非常重要。夜间，当汽车所有前照灯同时照明时，灯具应具有使驾驶员能看清前方100米距离内交通障碍物的性能，照明光束应对准汽车方向，主光轴方向应较低。如果大灯的发光强度不足或者照射方向不合适，就看不清车前的情况。但如果发光强度过强或照射方向过高，迎面而来的车内驾驶员会感到眼花缭乱，妨碍驾驶员做出正确的判断。这些都是导致交通事故的重要原因。为了减少交通事故，保证交通安全，汽车出厂前必须正确调整好大灯。汽车大灯的检查必须定期化、制度化。因此，国家公布了《机动车前照灯使用和光束调节技术方案》(GB7454-87)和《机动车前照灯配光性能》(GB4599-84)，对机动车远光灯和近光灯的发光强度和照射方向提出了明确的要求。特别是中国入世后，这一要求将逐步加强，以便与国际接轨。
我国对前照灯的检验越来越严格，以远光灯为主的检验要求将向近光灯转变。因此，汽车检测站和汽车生产企业迫切需要配备能够检测近光和近光的仪器。
由于国家法律法规的逐步完善，前照灯检测仪经历了一个从远光灯测量到远近光灯测量的过程。早期的单个远光灯测量仪，广泛利用远光灯的对称性，采用对称的光伏电池排列来测量远光灯的光轴中心。随着国家标准开始强调近光检测的重要性，目前出现了很多具有近光检测功能的仪器。本文中照明设备的主要内容是测量远近光。
1.前照灯的配光特性
典型的前照灯近光配光特征是有明显的明暗截止线，明暗截止线的左上方有一个较暗的暗区，明暗截止线的右下方有一个较亮的区域，光强最强的区域在明暗截止线的右下方。
3.前照灯测量原理分类
目前，各前照灯检测设备生产厂家生产的测试仪大多采用五种测量方法:
(1)采用CCD和光电池相结合的方法。用光电池测量远光灯，用CCD测量近光灯。这种方法是由原来的远光灯测量仪改进而来的。
(2)采用全CCD测量，用CCD代替光电池测量远光灯的定位、角度和光强。
(3)利用CCD成像的高分辨率测量远近光的角度，利用大动态范围的光电管测量远光灯的强度。
(4)采用全光伏电池的方法。用光电池扫描近光，获得平面图像用于近光分析。；
(5)用手定位仪器，用目测法观察偏转角，用光电管测量光强；
CCD法在角度测量方面有优势，在测量不符合标准的远光灯光型和多组对称点时精度和重复性高。如果考虑到灯具生产时要保证光型，其优势并不明显。同样，由于CCD本身生产工艺的限制，其器件的动态范围较小。目前国内器件的动态范围只有几百。为了避免易饱和的缺点，常进行非线性校正。如果校正，它不能胜任光强测量。国外高端产品的动态范围只有两三千，但是价格相当贵。因为大灯的光强范围变化很大，光电池比CCD好；在光强度测量中；
4.目前照明检测存在的主要问题
在灯光检测中，目前最大的问题是测得的数据是车辆停车方向偏差造成的，目前的仪器无法识别测得的数据是车辆灯光方向偏差造成的还是车辆整体偏差造成的。国家标准规定的角度最大允许误差是1 ~ 2度，这么小的角度对汽车的停放要求太高了。对于前照灯检测仪来说，目前迫切需要解决这个问题，以使测量结果准确。
七、汽车道路试验检测技术
在汽车检测仪器还没有完全发展起来的阶段，有些项目是通过路试来评价的。随着测试仪器的发展，在这个阶段，通常可以方便快捷地完成测量。此时，汽车通常处于静止状态。有些检测项目其实就是检测汽车的动力特性，比如常见的制动性能、排放检测等。现在常用的方法是在固定的工位完成测试过程，大大提高了开发初期测试的便利性。随着要求的提高，人们希望获得真实的动态数据。有两种方法。
用模拟的方法给汽车加人工载荷，如用工况法测量尾气排放；
开发路测设备，使汽车行驶时能获得预期的数据。
目前模拟运行状态的方法只是某种意义上的近似，很难达到和实际情况一样的效果。因此，在条件允许的情况下，开展实际道路试验，掌握机动车的真实运行情况，可以为计量的维护和设计提供重要的指导意义。
本文所述的可调谐红外激光差分吸收汽车尾气路边监测系统