輪胎紅外測溫防爆預警系統設計研究

楊 瑞，張海龍

(東北林業大學交通學院，哈爾濱150040)

汽車輪胎在高速滾動時，其應力、應變及輪胎材料的粘彈性滯后特性，會使輪胎生熱而溫度升高，導致輪胎材料的強度、粘合力等使用參數大幅下降，極易發生汽車爆胎，這就給行車帶來了很大的安全隱患。同時輪胎溫度過高對車輛的行駛性能也有不良影響，如操縱穩定性變差、耐磨性降低等。為此提出輪胎生熱、爆裂機理、紅外測溫原理，完成輪胎紅外測溫防爆預警系統的設計，幫助駕駛員合理使用輪胎，實現輪胎防爆預警功能，避免因此而造成人員和財產損失，為車輛安全行駛，避免重大交通安全事故具有很大的社會和經濟意義［1］。

1 輪胎生熱、爆裂機理

輪胎生熱及溫升是由于受到周期性應力的作用，橡膠及橡膠基復合材料的粘彈性滯后特性，引起能量的損失［2］。損失的能量一部分轉化為熱量使輪胎溫度升高，高速行駛下輪胎最高溫度可達100℃以上，甚至可以達到輪胎的使用的臨界溫度125℃［3］。高速滾動輪胎破壞性試驗表明，輪胎胎冠鼓包時的溫度達到了99.8℃，輪胎的內部橡膠呈融乳狀。這種高的溫度對輪胎是有負面作用的，溫度過高會使輪胎橡膠材料的彈性模量、斷裂強度和粘合力等參數降低，這樣會使輪胎材料內部開始產生裂紋，裂紋再進一步吸收能量進行擴展［4］，同時，高溫下輪胎內氣體壓力增加，使裂紋繼續擴大，最后引起輪胎的脫層和爆裂。

綜上所述，輪胎爆裂的主要原因是輪胎在運行過程中內部溫升過高，同時造成輪胎內氣壓過高等綜合作用引起的。

2 紅外測溫原理

非絕對零度的物體都會向他的周圍輻射熱量。這是因為物體的帶電粒子受到溫度激發后將熱能以電磁波的方式輻射到外界。電磁波的強度與物體的溫度相關，溫度越高，所發出的電磁波能量越大，由于物體內帶電粒子運動頻率存在差異，這樣形成的電磁波的波普隨之不相同［5］。

普朗克黑體輻射定律是紅外測溫法的理論根據，普朗克黑體輻射定律可以定量確定不同溫度的黑體在各個波長下的電磁輻射能量的大小［6］。各種物質產生熱輻射能力的高低與溫度和其波長λ有關。某一波段λ1—λ2的紅外輻射線實際就是紅外輻射測溫所接受的紅外輻射線，在這一波段內輻射能力可用普朗克公式積分求取［5］。

在實際的紅外測溫測對象，基本上都不是黑體。此外，對象在到達檢測器的過程中發出的輻射能量，也會由于各種因素而造成損失［7］。溫度測量設備，測得的溫度不是物體表面的真實溫度，其與真實溫度T之間有一定誤差。目前紅外測溫儀測得真實溫度，仍然有很多困難，所測得溫度主要是亮溫度和色溫度［8－9］。

3 輪胎防爆預警系統結構與組成

輪胎防爆預警系統研制的基本思路為:一是通過紅外探測器測得輪胎表面某點溫度。然后根據輪胎表面溫度與內部溫度的關系，來進行計算、分析和判斷，實現報警功能;二是通過壓力傳感器測出輪胎內部氣壓，然后根據輪胎內部最高溫度與胎內氣壓的關系，計算出輪胎內部最高溫度值，從而實現報警。由此可知輪胎內部的最高溫度很難直接測出，而輪胎表面的溫度變化很容易使用紅外測溫儀測出。因此，可根據輪胎表面溫度和最高溫度的關系，運用預測模型，建立輪胎表面溫度與輪胎參數的關系式。然后利用數據轉換與顯示技術，告訴駕駛員輪胎的實時熱狀況，實現輪胎防爆預警功能。

3.1 輪胎防爆預警系統基本工作原理

將4個 (或8個)紅外測溫傳感器安裝到車輛擋泥板下，對輪胎進行溫度采集，采集信號經過模數轉換進入單片機處理，報警裝置與單片機相連引入駕駛室內實現溫度顯示，并通過蜂鳴器進行報警。當采用8個傳感器時，即每個輪子兩個，這樣可以實時監測同一輪胎的不同位置，能通過同一輪胎不同部位溫度的顯示，為駕駛員提供輪胎定位參數等更多信息。

3.2 輪胎防爆預警系統硬件結構

該裝置根據單片機原理、擴展芯片、A/D轉換器芯片、液晶顯示屏與單片機接口技術、各芯片和液晶顯示屏與單片機的通訊協議等理論知識為依據，設計完整的系統原理圖。根據系統原理圖，將硬件系統焊接成PCB板。其中紅外傳感器選擇的是臺灣貝克萊斯IR816A紅外線測溫探頭，用于檢測輪胎溫度，測溫范圍是0～500℃，精度±2%，視場D∶S為10∶1;A/D轉換器采用的是AD0804芯片，該芯片可以把測得的輪胎溫度模擬信號轉換為數字信號，供單片機處理，該芯片為20引腳集成芯片，分辨率為8位，轉換時間是100μs，輸入電壓為0～5v;擴展芯片選擇的是8 255A，該芯片屬于Intel系列8位并行接口芯片，通用性強、使用靈活，可用程序設置和改變芯片的工作方式，是一種典型的可編程并行接口芯片，40個引腳，雙列直插式;該裝置采用的是AT89C52單片機，他是一種低電壓、高性能COMS8位單片機，存儲器8k的只讀程序存儲器和256為的隨機存取數據存儲器 (ROM);裝置采用的液晶顯示模塊式128×64點陣顯示屏，可顯示漢字及圖形，內置8192個中漢字 (16×16點陣)、128個字符 (8×16點陣)及64×256點陣顯示RAM(GDRAM)。圖1為系統硬件結構圖。

圖1 輪胎防爆預警系統硬件結構圖Fig.1 Hardware structure of the tire explosion early warning system

3.3 輪胎防爆預警系統主程序

為保證該系統高效穩定運行，根據系統功能選擇C語言設計編寫固件程序，下載后進行調試，實驗板在單片機控制下能單獨工作后，在和上位機進行聯機調試，這是運用USB接口來實現與上位機的相互通信。圖2為系統主程序圖。

圖2 輪胎防爆預警系統主程序圖Fig.2 The main program of the tire explosion-proof warning system

4 結論

本文通過對“輪胎防爆預警系統”的研究，設計出一套通用的基于紅外測溫技術輪胎動態溫度檢測裝置，可以實時監測輪胎表面溫度分布情況，保證駕駛員對輪胎的合理使用，防止因超速駕駛、超載而造成的財產、人員損失。該系統的實現為防止汽車爆胎提供了一條有效途徑。

［1］萬鵬繼，江 楠.高速公路上輪胎溫度場研究現狀及發展趨勢［J］.現代橡膠技術，2008，34(5):5 －9.

［2］柯順魁.輪胎膠料的熱物性數據庫及其在輪胎溫度場有限元分析系統中的應用［D］.青島:青島科技大學，2007.

［3］趙子亮，王慶年，李 杰，等.基于滾動狀態輪胎溫度場的穩態熱分析中的應用［J］.機械工程學報，2001，37(5):30 －34.

［4］劉天臣，王海靈，許傳民，等.地面高速輪胎復合材料生熱專家系統的應用［J］.輪胎工業，1999，19(2):67 －72.

［5］施明恒，薛宗榮.熱工實驗的原理和技術［M］.南京:東南大學出版社，1992.

［6］蔡璐璐.雙波長光纖輻射溫度測量儀的設計及其應用技術的研究［D］.秦皇島:燕山大學碩士，2004.

［7］王慶年，趙子亮，李幼德，等.紅外測溫技術在滾動輪胎表面溫度場測試中的應用［J］.輪胎工業，2001，21(12):733 －738.

［8］楊 瑞，孫成啟.汽車行駛平順性的模擬與仿真［J］.森林工程，2010，26(2):62 －67.

［9］馬連湘，柯順魁，何 燕，等.輪胎穩態溫度場有限元分析系統設計與開發［J］.橡膠工業，2006，54(12):746 －749.