基于低沸點(diǎn)化學(xué)物質(zhì)的無(wú)源轎車輪胎溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)*

張健偉，董 群，王 鑒，胡林杰

(東北石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，大慶 163318)

前言

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，爆胎是引起交通事故的主要原因之一［1－3］。輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎內(nèi)壓力和溫度，及時(shí)報(bào)警，最大限度地避免由爆胎引發(fā)的交通事故，提高了汽車的行車安全性［4］。目前已開(kāi)發(fā)出的輪胎壓力溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成本高，且須頻繁更換電池［5－6］。為此本文中設(shè)計(jì)了一種采用無(wú)源胎溫傳感器的轎車輪胎溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)不使用電池，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕巧，性能穩(wěn)定，易于安裝，成本低廉，可用于中低檔轎車上，有利于提高該檔轎車的安全級(jí)別，防止由于爆胎引起的交通事故。

1 無(wú)源轎車輪胎溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 胎溫傳感器的設(shè)計(jì)

胎溫傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，傳感器由活塞缸、活塞和鐵釹硼磁鐵組成。活塞缸、活塞可用聚乙烯、聚丙烯等塑料類材料和抗磁性輕質(zhì)金屬制作。活塞缸為全封閉筒狀結(jié)構(gòu)，活塞安裝在活塞缸內(nèi)，活塞一側(cè)與一圓柱形釹鐵硼磁鐵的N極面粘結(jié)，活塞的另一側(cè)與活塞缸構(gòu)成一密閉空間，在其中裝入一定量的低沸點(diǎn)化學(xué)物質(zhì)，便形成胎溫傳感器。當(dāng)傳感器所處的環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，傳感器內(nèi)低沸點(diǎn)化學(xué)物質(zhì)的飽和蒸汽壓隨之發(fā)生變化，而推動(dòng)活塞移動(dòng)。選定合適的低沸點(diǎn)化學(xué)物質(zhì)是該胎溫傳感器研究的關(guān)鍵。

1.2 胎溫傳感器和霍爾傳感器的安裝與工作原理

胎溫傳感器和霍爾傳感器的安裝方式如圖2所示。胎溫傳感器裝在轎車的輪輞上，隨著車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。常溫時(shí)，活塞兩側(cè)的空氣壓力均為常壓;當(dāng)溫度變化時(shí)，活塞兩側(cè)空氣壓力也隨之變化，由于活塞與缸筒之間的摩擦力很小，可忽略不計(jì)，故當(dāng)活塞移動(dòng)至新的平衡位置時(shí)，可以認(rèn)為兩側(cè)的壓力保持相等。在輪軸附近的部位如制動(dòng)器盤上，安裝一個(gè)霍爾傳感器，與胎溫傳感器裝有鐵釹硼磁鐵的一側(cè)遙遙相對(duì)。當(dāng)胎溫傳感器隨著車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，粘貼在活塞上的磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)也隨著旋轉(zhuǎn)，而在霍爾傳感器上感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。常溫時(shí)，活塞上磁鐵離霍爾傳感器最遠(yuǎn);當(dāng)胎溫傳感器的溫度隨著輪胎溫度而升高時(shí)，低沸點(diǎn)化學(xué)物質(zhì)的飽和蒸汽壓增大，推動(dòng)裝有磁鐵的活塞向靠近霍爾傳感器的方向移動(dòng)，使磁鐵與霍爾傳感器的距離和磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化，霍爾傳感器輸出的電壓也隨之變化。經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理，顯示儀表將實(shí)時(shí)顯示胎內(nèi)溫度值。通過(guò)程序設(shè)定，在顯示溫度上限值的同時(shí)，發(fā)出聲光警報(bào)。

1.3 信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)主要由信號(hào)衰減電路、觸發(fā)電路、單片機(jī)、LCD驅(qū)動(dòng)電路和語(yǔ)音報(bào)警電路等組成。對(duì)于來(lái)自傳感器的信號(hào)，通過(guò)以LM358構(gòu)成的減法器將電壓衰減到合適的范圍，再由LM393構(gòu)成的比較器處理產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)單片機(jī)ATMEGA32對(duì)衰減后的信號(hào)進(jìn)行采集，然后經(jīng)過(guò)處理，得到輪胎溫度信息，并在輪胎溫度異常時(shí)給出聲、光或語(yǔ)音報(bào)警提示。總體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

2 溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要參數(shù)的確定

2.1 霍爾傳感器檢測(cè)距離的確定

由胎溫傳感器的設(shè)計(jì)原理可知，輪胎溫度信號(hào)通過(guò)感溫物質(zhì)飽和蒸汽壓的變化，推動(dòng)活塞連同其上的磁鐵向霍爾傳感器移動(dòng)，但僅當(dāng)磁鐵與霍爾傳感器之間的距離在檢測(cè)距離以內(nèi)時(shí)，霍爾元件才能檢測(cè)到磁信號(hào)而輸出霍爾電壓。為確定霍爾傳感器能夠檢測(cè)到磁信號(hào)的距離范圍，設(shè)計(jì)了如圖4所示的實(shí)驗(yàn)。

取一個(gè)一次性注射器，模擬胎溫傳感器，將圓柱形釹鐵硼磁鐵N極一側(cè)粘接在注射器的推桿上，然后將注射器固定在鋁板上，霍爾傳感器與磁鐵的S極相對(duì)，且二者在同一軸線上。拉動(dòng)推桿，改變磁鐵與霍爾傳感器之間的距離，該距離可由游標(biāo)卡尺測(cè)量，通過(guò)數(shù)字電壓表測(cè)量霍爾傳感器的輸出電壓，結(jié)果如圖5所示。

由圖可見(jiàn)，當(dāng)磁鐵與霍爾傳感器之間的距離大于20mm后，電壓基本不變，因此，初步設(shè)計(jì)胎溫傳感器在工作狀態(tài)下，磁鐵與霍爾傳感器之間的最大距離為20mm。

考慮到胎溫最高時(shí)，裝有磁鐵一側(cè)的活塞缸雖然承受最高的低沸點(diǎn)化學(xué)物質(zhì)飽和蒸汽壓而壓縮至最小的體積，磁鐵的S極離活塞缸壁仍有一定的距離，加上活塞缸的璧厚約為1mm;固定的霍爾傳感器與旋轉(zhuǎn)的胎溫傳感器之間也應(yīng)留有一定的空隙，設(shè)為1mm，因此設(shè)定二者之間的最小距離為8mm。

綜上所述，磁鐵與霍爾傳感器之間距離即檢測(cè)距離應(yīng)在8～20mm的范圍內(nèi)，由圖5可得相對(duì)應(yīng)的霍爾輸出電壓范圍為1.25～2.35V。

2.2 工作條件下感溫物質(zhì)理論所需蒸汽壓的范圍

根據(jù)輪胎工作過(guò)程中的危險(xiǎn)溫度，設(shè)定胎溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的報(bào)警溫度為70℃。根據(jù)傳感器設(shè)計(jì)尺寸的需要，胎溫從常溫升至70℃(報(bào)警溫度)時(shí)活塞移動(dòng)的距離應(yīng)大于7.5mm。利用上述實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)定常溫下活塞左右兩側(cè)均為一個(gè)大氣壓時(shí)，為活塞的起始位置;當(dāng)活塞的位移為7.5mm時(shí)，壓力表上的指示值為0.3MPa，因此，感溫物質(zhì)在70℃時(shí)的飽和蒸汽壓應(yīng)不低于0.3MPa。

另一方面，為確定常溫20℃時(shí)感溫物質(zhì)飽和蒸汽壓所滿足的條件，將圖4中注射器的左右兩端密封，注射器的左端與空氣壓縮機(jī)連接，二者之間裝有調(diào)節(jié)閥和壓力表，調(diào)節(jié)閥門，使注射器內(nèi)的活塞緩緩移動(dòng)，當(dāng)活塞上的磁鐵與霍爾傳感器之間的距離為20mm時(shí)，讀取壓力表上的指示值為0.02MPa。因此，感溫物質(zhì)在20℃時(shí)的飽和蒸汽壓應(yīng)該不低于0.02MPa。

綜上所述，感溫物質(zhì)蒸汽壓應(yīng)滿足20℃時(shí)的飽和蒸汽壓不低于0.02MPa，70℃時(shí)不低于0.3MPa的要求。

2.3 感溫物質(zhì)的篩選

為篩選適應(yīng)胎溫傳感器要求的感溫物質(zhì)，設(shè)計(jì)了飽和蒸汽壓測(cè)定裝置，如圖6所示。將不同的低沸點(diǎn)化學(xué)物質(zhì)裝于活塞缸另一空腔內(nèi)，它通過(guò)導(dǎo)壓管與壓力傳感器連接。利用恒溫水浴來(lái)改變活塞缸內(nèi)低沸點(diǎn)化學(xué)物質(zhì)所處的環(huán)境溫度，測(cè)定低沸點(diǎn)化學(xué)物質(zhì)在不同溫度下的飽和蒸汽壓。

圖7給出了單組分物質(zhì)在不同溫度下的飽和蒸汽壓。由圖可見(jiàn)，5種單組分物質(zhì)中，只有二氯甲烷滿足感溫物質(zhì)蒸汽壓的要求。

為進(jìn)一步尋找更理想的感溫物質(zhì)，圖8給出了二氯甲烷與三氯甲烷的混合物在不同溫度下的飽和蒸汽壓。從圖8中可以看出，混合物的飽和蒸汽壓介于兩種純物質(zhì)的飽和蒸汽壓之間，且混合物的飽和蒸汽壓隨著二氯甲烷與三氯甲烷體積比的減小而逐漸減小。溫度越高，混合物組成對(duì)飽和蒸汽壓的影響越顯著。這幾種混合物中，二氯甲烷和三氯甲烷的體積比為9∶1和8∶2時(shí)，混合物的飽和蒸汽壓在70℃時(shí)大于0.3MPa，在20℃時(shí)大于0.06MPa，滿足第2.2節(jié)的要求。

綜上所述，篩選出二氯甲烷和二氯甲烷與三氯甲烷的混合物(體積比分別為9∶1和8∶2)為該胎溫傳感器中所使用的感溫物質(zhì)。

2.4 報(bào)警電壓的確定

為復(fù)核輪胎報(bào)警溫度下所對(duì)應(yīng)的霍爾輸出電壓，設(shè)計(jì)了如圖9所示的實(shí)驗(yàn)裝置。

將胎溫傳感器置于恒溫水浴中，傳感器頂端安裝一霍爾傳感器，以二氯甲烷和二氯甲烷與三氯甲烷體積比為9∶1和8∶2的混合物做為感溫物質(zhì)，改變水浴的溫度，測(cè)定不同溫度下的霍爾輸出電壓值，考察霍爾輸出電壓與溫度之間的關(guān)系，結(jié)果如圖10所示。由圖可見(jiàn)，電壓隨溫度的升高而減小，且溫度每變化1℃，電壓平均變化約8mV。

通過(guò)對(duì)這3條曲線進(jìn)行擬合，可以得到霍爾輸出電壓與溫度之間的關(guān)系分別為

二氯甲烷:

體積比為9∶1的二氯甲烷與三氯甲烷混合物:

體積比為8∶2的二氯甲烷與三氯甲烷混合物:

式中:y為輸出電壓，V;x為溫度，℃。

通過(guò)式(1)、式(2)和式(3)可以計(jì)算得到不同溫度對(duì)應(yīng)的霍爾電壓值。利用上述電壓與溫度的關(guān)系，通過(guò)程序?qū)懭耄盘?hào)檢測(cè)系統(tǒng)將輪胎溫度信號(hào)通過(guò)電壓轉(zhuǎn)化為溫度值實(shí)時(shí)顯示在儀表上。當(dāng)設(shè)定報(bào)警溫度為70℃時(shí)，通過(guò)計(jì)算得到的電壓值分別為1.896、1.929和1.934V。因此，當(dāng)胎溫傳感器中的感溫物質(zhì)為二氯甲烷、體積比為9∶1的二氯甲烷與三氯甲烷混合物或體積比為8∶2的二氯甲烷與三氯甲烷混合時(shí)，在后續(xù)的檢測(cè)系統(tǒng)中，可設(shè)計(jì)檢測(cè)到霍爾電壓分別為1.896、1.929和1.934V時(shí)發(fā)生高溫警報(bào)。

3 輪胎溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的驗(yàn)證

3.1 動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)

為考察所設(shè)計(jì)的輪胎溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)溫度顯示的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確度，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)，裝置如圖11所示。

將胎溫傳感器固定在一雙層塑料保溫筒內(nèi)，向保溫筒內(nèi)加入不同溫度的水，進(jìn)而改變胎溫傳感器所處的環(huán)境溫度，溫度由無(wú)線測(cè)溫裝置測(cè)定。以感溫物質(zhì)二氯甲烷為例，將胎溫傳感器固定在鋁板上，在與胎溫傳感器同一徑向?qū)ΨQ位置處安裝一重物或另外一個(gè)相同的胎溫傳感器，以保證鋁板平衡轉(zhuǎn)動(dòng);將霍爾傳感器固定在支撐架側(cè)面，并將其信號(hào)線與顯示儀表連接;調(diào)節(jié)鋁板轉(zhuǎn)速，讀取不同溫度下顯示儀表顯示的溫度值，結(jié)果如表1所示。

表1 溫度測(cè)定值與實(shí)際值的對(duì)比

由表1可以看出，在不同轉(zhuǎn)速下，溫度的顯示值與實(shí)際值之間的絕對(duì)誤差在－1～3℃之間，相對(duì)誤差的絕對(duì)值≤6%，說(shuō)明系統(tǒng)對(duì)溫度的測(cè)定具有較高的準(zhǔn)確度。

3.2 輪胎測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為考察轎車輪胎內(nèi)鋼簾線對(duì)輪胎溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確度的影響，將動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)(圖11)中的鋁板換成配有鋁合金輪轂的子午胎，并將胎溫傳感器按照?qǐng)D2所示安裝在輪輞上，固定輪胎轉(zhuǎn)速為500和1 100r/min，讀取不同溫度下顯示儀表顯示的溫度值，考察輪胎內(nèi)鋼簾線對(duì)溫度檢測(cè)精度的影響，結(jié)果如表2所示。

表2 輪胎測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可以看出，輪胎測(cè)試實(shí)驗(yàn)中溫度檢測(cè)值與實(shí)際值的相對(duì)誤差絕對(duì)值≤6%，與模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果基本相符，說(shuō)明輪胎內(nèi)的鋼簾線不會(huì)影響到胎溫系統(tǒng)的檢測(cè)準(zhǔn)確度。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)無(wú)源溫度傳感器和轎車輪胎實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究，得到如下結(jié)論。

(1)低沸點(diǎn)化學(xué)物質(zhì)是溫度傳感器的核心。經(jīng)過(guò)篩選確定適宜的低沸點(diǎn)化學(xué)物質(zhì)為:二氯甲烷和體積比為9∶1與8∶2的二氯甲烷與三氯甲烷的混合物。

(2)該溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)適宜安裝在配有鋁合金輪轂的轎車上，其溫度測(cè)量范圍為20～80℃，檢測(cè)準(zhǔn)確度較高;測(cè)溫精度為1℃;檢測(cè)相對(duì)誤差絕對(duì)值≤6%;系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示輪胎內(nèi)的溫度值，并可根據(jù)設(shè)定的溫度上限值實(shí)現(xiàn)高溫聲光報(bào)警。

(3)該系統(tǒng)不使用電池，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，解決了現(xiàn)有輪胎壓力溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需頻繁更換電池的不便。

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