基于低沸點化學物質的無源轎車輪胎溫度監測系統*

2014-10-11 07:41:52張健偉胡林杰

汽車工程 2014年7期

張健偉，董群，王鑒，胡林杰

(東北石油大學化學化工學院，大慶 163318)

前言

數據統計表明，爆胎是引起交通事故的主要原因之一［1－3］。輪胎壓力監測系統實時監測輪胎內壓力和溫度，及時報警，最大限度地避免由爆胎引發的交通事故，提高了汽車的行車安全性［4］。目前已開發出的輪胎壓力溫度監測系統成本高，且須頻繁更換電池［5－6］。為此本文中設計了一種采用無源胎溫傳感器的轎車輪胎溫度監測系統，該系統不使用電池，結構簡單、輕巧，性能穩定，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別，防止由于爆胎引起的交通事故。

1 無源轎車輪胎溫度監測系統的設計

1.1 胎溫傳感器的設計

胎溫傳感器的結構如圖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金屬制作。活塞缸為全封閉筒狀結構，活塞安裝在活塞缸內，活塞一側與一圓柱形釹鐵硼磁鐵的N極面粘結，活塞的另一側與活塞缸構成一密閉空間，在其中裝入一定量的低沸點化學物質，便形成胎溫傳感器。當傳感器所處的環境溫度發生變化時，傳感器內低沸點化學物質的飽和蒸汽壓隨之發生變化，而推動活塞移動。選定合適的低沸點化學物質是該胎溫傳感器研究的關鍵。

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，隨著車輪轉動。常溫時，活塞兩側的空氣壓力均為常壓;當溫度變化時，活塞兩側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，故當活塞移動至新的平衡位置時，可以認為兩側的壓力保持相等。在輪軸附近的部位如制動器盤上，安裝一個霍爾傳感器，與胎溫傳感器裝有鐵釹硼磁鐵的一側遙遙相對。當胎溫傳感器隨著車輪轉動時，粘貼在活塞上的磁鐵產生的磁場也隨著旋轉，而在霍爾傳感器上感應出電動勢。常溫時，活塞上磁鐵離霍爾傳感器最遠;當胎溫傳感器的溫度隨著輪胎溫度而升高時，低沸點化學物質的飽和蒸汽壓增大，推動裝有磁鐵的活塞向靠近霍爾傳感器的方向移動，使磁鐵與霍爾傳感器的距離和磁場強度發生變化，霍爾傳感器輸出的電壓也隨之變化。經過信號轉換與處理，顯示儀表將實時顯示胎內溫度值。通過程序設定，在顯示溫度上限值的同時，發出聲光警報。

1.3 信號檢測系統的設計

信號檢測系統主要由信號衰減電路、觸發電路、單片機、LCD驅動電路和語音報警電路等組成。對于來自傳感器的信號，通過以LM358構成的減法器將電壓衰減到合適的范圍，再由LM393構成的比較器處理產生觸發信號，觸發單片機ATMEGA32對衰減后的信號進行采集，然后經過處理，得到輪胎溫度信息，并在輪胎溫度異常時給出聲、光或語音報警提示。總體設計框圖如圖3所示。

2 溫度監測系統主要參數的確定

2.1 霍爾傳感器檢測距離的確定

由胎溫傳感器的設計原理可知，輪胎溫度信號通過感溫物質飽和蒸汽壓的變化，推動活塞連同其上的磁鐵向霍爾傳感器移動，但僅當磁鐵與霍爾傳感器之間的距離在檢測距離以內時，霍爾元件才能檢測到磁信號而輸出霍爾電壓。為確定霍爾傳感器能夠檢測到磁信號的距離范圍，設計了如圖4所示的實驗。

取一個一次性注射器，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，且二者在同一軸線上。拉動推桿，改變磁鐵與霍爾傳感器之間的距離，該距離可由游標卡尺測量，通過數字電壓表測量霍爾傳感器的輸出電壓，結果如圖5所示。

由圖可見，當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，初步設計胎溫傳感器在工作狀態下，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，裝有磁鐵一側的活塞缸雖然承受最高的低沸點化學物質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的胎溫傳感器之間也應留有一定的空隙，設為1mm，因此設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距離應在8～20mm的范圍內，由圖5可得相對應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理論所需蒸汽壓的范圍

根據輪胎工作過程中的危險溫度，設定胎溫監測系統的報警溫度為70℃。根據傳感器設計尺寸的需要，胎溫從常溫升至70℃(報警溫度)時活塞移動的距離應大于7.5mm。利用上述實驗裝置，設定常溫下活塞左右兩側均為一個大氣壓時，為活塞的起始位置;當活塞的位移為7.5mm時，壓力表上的指示值為0.3MPa，因此，感溫物質在70℃時的飽和蒸汽壓應不低于0.3MPa。

另一方面，為確定常溫20℃時感溫物質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連接，二者之間裝有調節閥和壓力表，調節閥門，使注射器內的活塞緩緩移動，當活塞上的磁鐵與霍爾傳感器之間的距離為20mm時，讀取壓力表上的指示值為0.02MPa。因此，感溫物質在20℃時的飽和蒸汽壓應該不低于0.02MPa。

綜上所述，感溫物質蒸汽壓應滿足20℃時的飽和蒸汽壓不低于0.02MPa，70℃時不低于0.3MPa的要求。

2.3 感溫物質的篩選

為篩選適應胎溫傳感器要求的感溫物質，設計了飽和蒸汽壓測定裝置，如圖6所示。將不同的低沸點化學物質裝于活塞缸另一空腔內，它通過導壓管與壓力傳感器連接。利用恒溫水浴來改變活塞缸內低沸點化學物質所處的環境溫度，測定低沸點化學物質在不同溫度下的飽和蒸汽壓。

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

為進一步尋找更理想的感溫物質，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，混合物的飽和蒸汽壓在70℃時大于0.3MPa，在20℃時大于0.06MPa，滿足第2.2節的要求。

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。

2.4 報警電壓的確定

為復核輪胎報警溫度下所對應的霍爾輸出電壓，設計了如圖9所示的實驗裝置。

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，改變水浴的溫度，測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系，結果如圖10所示。由圖可見，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。

通過對這3條曲線進行擬合，可以得到霍爾輸出電壓與溫度之間的關系分別為

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，℃。

通過式(1)、式(2)和式(3)可以計算得到不同溫度對應的霍爾電壓值。利用上述電壓與溫度的關系，通過程序寫入，信號檢測系統將輪胎溫度信號通過電壓轉化為溫度值實時顯示在儀表上。當設定報警溫度為70℃時，通過計算得到的電壓值分別為1.896、1.929和1.934V。因此，當胎溫傳感器中的感溫物質為二氯甲烷、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，在后續的檢測系統中，可設計檢測到霍爾電壓分別為1.896、1.929和1.934V時發生高溫警報。

3 輪胎溫度監測系統的驗證

3.1 動態模擬實驗

為考察所設計的輪胎溫度監測系統對溫度顯示的實時性和準確度，設計了動態模擬實驗，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，向保溫筒內加入不同溫度的水，進而改變胎溫傳感器所處的環境溫度，溫度由無線測溫裝置測定。以感溫物質二氯甲烷為例，將胎溫傳感器固定在鋁板上，在與胎溫傳感器同一徑向對稱位置處安裝一重物或另外一個相同的胎溫傳感器，以保證鋁板平衡轉動;將霍爾傳感器固定在支撐架側面，并將其信號線與顯示儀表連接;調節鋁板轉速，讀取不同溫度下顯示儀表顯示的溫度值，結果如表1所示。