基于低沸点化学物质的无源轿车轮胎温度监测系统*

2014-10-11张健伟胡林杰

汽车工程 2014年7期

张健伟，董群，王鉴，胡林杰

(东北石油大学化学化工学院，大庆 163318)

前言

数据统计表明，爆胎是引起交通事故的主要原因之一［1－3］。轮胎压力监测系统实时监测轮胎内压力和温度，及时报警，最大限度地避免由爆胎引发的交通事故，提高了汽车的行车安全性［4］。目前已开发出的轮胎压力温度监测系统成本高，且须频繁更换电池［5－6］。为此本文中设计了一种采用无源胎温传感器的轿车轮胎温度监测系统，该系统不使用电池，结构简单、轻巧，性能稳定，易于安装，成本低廉，可用于中低档轿车上，有利于提高该档轿车的安全级别，防止由于爆胎引起的交通事故。

1 无源轿车轮胎温度监测系统的设计

1.1 胎温传感器的设计

胎温传感器的结构如图1所示，传感器由活塞缸、活塞和铁钕硼磁铁组成。活塞缸、活塞可用聚乙烯、聚丙烯等塑料类材料和抗磁性轻质金属制作。活塞缸为全封闭筒状结构，活塞安装在活塞缸内，活塞一侧与一圆柱形钕铁硼磁铁的N极面粘结，活塞的另一侧与活塞缸构成一密闭空间，在其中装入一定量的低沸点化学物质，便形成胎温传感器。当传感器所处的环境温度发生变化时，传感器内低沸点化学物质的饱和蒸汽压随之发生变化，而推动活塞移动。选定合适的低沸点化学物质是该胎温传感器研究的关键。

1.2 胎温传感器和霍尔传感器的安装与工作原理

胎温传感器和霍尔传感器的安装方式如图2所示。胎温传感器装在轿车的轮辋上，随着车轮转动。常温时，活塞两侧的空气压力均为常压;当温度变化时，活塞两侧空气压力也随之变化，由于活塞与缸筒之间的摩擦力很小，可忽略不计，故当活塞移动至新的平衡位置时，可以认为两侧的压力保持相等。在轮轴附近的部位如制动器盘上，安装一个霍尔传感器，与胎温传感器装有铁钕硼磁铁的一侧遥遥相对。当胎温传感器随着车轮转动时，粘贴在活塞上的磁铁产生的磁场也随着旋转，而在霍尔传感器上感应出电动势。常温时，活塞上磁铁离霍尔传感器最远;当胎温传感器的温度随着轮胎温度而升高时，低沸点化学物质的饱和蒸汽压增大，推动装有磁铁的活塞向靠近霍尔传感器的方向移动，使磁铁与霍尔传感器的距离和磁场强度发生变化，霍尔传感器输出的电压也随之变化。经过信号转换与处理，显示仪表将实时显示胎内温度值。通过程序设定，在显示温度上限值的同时，发出声光警报。

1.3 信号检测系统的设计

信号检测系统主要由信号衰减电路、触发电路、单片机、LCD驱动电路和语音报警电路等组成。对于来自传感器的信号，通过以LM358构成的减法器将电压衰减到合适的范围，再由LM393构成的比较器处理产生触发信号，触发单片机ATMEGA32对衰减后的信号进行采集，然后经过处理，得到轮胎温度信息，并在轮胎温度异常时给出声、光或语音报警提示。总体设计框图如图3所示。

2 温度监测系统主要参数的确定

2.1 霍尔传感器检测距离的确定

由胎温传感器的设计原理可知，轮胎温度信号通过感温物质饱和蒸汽压的变化，推动活塞连同其上的磁铁向霍尔传感器移动，但仅当磁铁与霍尔传感器之间的距离在检测距离以内时，霍尔元件才能检测到磁信号而输出霍尔电压。为确定霍尔传感器能够检测到磁信号的距离范围，设计了如图4所示的实验。

取一个一次性注射器，模拟胎温传感器，将圆柱形钕铁硼磁铁N极一侧粘接在注射器的推杆上，然后将注射器固定在铝板上，霍尔传感器与磁铁的S极相对，且二者在同一轴线上。拉动推杆，改变磁铁与霍尔传感器之间的距离，该距离可由游标卡尺测量，通过数字电压表测量霍尔传感器的输出电压，结果如图5所示。

由图可见，当磁铁与霍尔传感器之间的距离大于20mm后，电压基本不变，因此，初步设计胎温传感器在工作状态下，磁铁与霍尔传感器之间的最大距离为20mm。

考虑到胎温最高时，装有磁铁一侧的活塞缸虽然承受最高的低沸点化学物质饱和蒸汽压而压缩至最小的体积，磁铁的S极离活塞缸壁仍有一定的距离，加上活塞缸的璧厚约为1mm;固定的霍尔传感器与旋转的胎温传感器之间也应留有一定的空隙，设为1mm，因此设定二者之间的最小距离为8mm。

综上所述，磁铁与霍尔传感器之间距离即检测距离应在8～20mm的范围内，由图5可得相对应的霍尔输出电压范围为1.25～2.35V。

2.2 工作条件下感温物质理论所需蒸汽压的范围

根据轮胎工作过程中的危险温度，设定胎温监测系统的报警温度为70℃。根据传感器设计尺寸的需要，胎温从常温升至70℃(报警温度)时活塞移动的距离应大于7.5mm。利用上述实验装置，设定常温下活塞左右两侧均为一个大气压时，为活塞的起始位置;当活塞的位移为7.5mm时，压力表上的指示值为0.3MPa，因此，感温物质在70℃时的饱和蒸汽压应不低于0.3MPa。

另一方面，为确定常温20℃时感温物质饱和蒸汽压所满足的条件，将图4中注射器的左右两端密封，注射器的左端与空气压缩机连接，二者之间装有调节阀和压力表，调节阀门，使注射器内的活塞缓缓移动，当活塞上的磁铁与霍尔传感器之间的距离为20mm时，读取压力表上的指示值为0.02MPa。因此，感温物质在20℃时的饱和蒸汽压应该不低于0.02MPa。

综上所述，感温物质蒸汽压应满足20℃时的饱和蒸汽压不低于0.02MPa，70℃时不低于0.3MPa的要求。

2.3 感温物质的筛选

为筛选适应胎温传感器要求的感温物质，设计了饱和蒸汽压测定装置，如图6所示。将不同的低沸点化学物质装于活塞缸另一空腔内，它通过导压管与压力传感器连接。利用恒温水浴来改变活塞缸内低沸点化学物质所处的环境温度，测定低沸点化学物质在不同温度下的饱和蒸汽压。

图7给出了单组分物质在不同温度下的饱和蒸汽压。由图可见，5种单组分物质中，只有二氯甲烷满足感温物质蒸汽压的要求。

为进一步寻找更理想的感温物质，图8给出了二氯甲烷与三氯甲烷的混合物在不同温度下的饱和蒸汽压。从图8中可以看出，混合物的饱和蒸汽压介于两种纯物质的饱和蒸汽压之间，且混合物的饱和蒸汽压随着二氯甲烷与三氯甲烷体积比的减小而逐渐减小。温度越高，混合物组成对饱和蒸汽压的影响越显著。这几种混合物中，二氯甲烷和三氯甲烷的体积比为9∶1和8∶2时，混合物的饱和蒸汽压在70℃时大于0.3MPa，在20℃时大于0.06MPa，满足第2.2节的要求。

综上所述，筛选出二氯甲烷和二氯甲烷与三氯甲烷的混合物(体积比分别为9∶1和8∶2)为该胎温传感器中所使用的感温物质。

2.4 报警电压的确定

为复核轮胎报警温度下所对应的霍尔输出电压，设计了如图9所示的实验装置。

将胎温传感器置于恒温水浴中，传感器顶端安装一霍尔传感器，以二氯甲烷和二氯甲烷与三氯甲烷体积比为9∶1和8∶2的混合物做为感温物质，改变水浴的温度，测定不同温度下的霍尔输出电压值，考察霍尔输出电压与温度之间的关系，结果如图10所示。由图可见，电压随温度的升高而减小，且温度每变化1℃，电压平均变化约8mV。

通过对这3条曲线进行拟合，可以得到霍尔输出电压与温度之间的关系分别为

二氯甲烷:

体积比为9∶1的二氯甲烷与三氯甲烷混合物:

体积比为8∶2的二氯甲烷与三氯甲烷混合物:

式中:y为输出电压，V;x为温度，℃。

通过式(1)、式(2)和式(3)可以计算得到不同温度对应的霍尔电压值。利用上述电压与温度的关系，通过程序写入，信号检测系统将轮胎温度信号通过电压转化为温度值实时显示在仪表上。当设定报警温度为70℃时，通过计算得到的电压值分别为1.896、1.929和1.934V。因此，当胎温传感器中的感温物质为二氯甲烷、体积比为9∶1的二氯甲烷与三氯甲烷混合物或体积比为8∶2的二氯甲烷与三氯甲烷混合时，在后续的检测系统中，可设计检测到霍尔电压分别为1.896、1.929和1.934V时发生高温警报。

3 轮胎温度监测系统的验证

3.1 动态模拟实验

为考察所设计的轮胎温度监测系统对温度显示的实时性和准确度，设计了动态模拟实验，装置如图11所示。

将胎温传感器固定在一双层塑料保温筒内，向保温筒内加入不同温度的水，进而改变胎温传感器所处的环境温度，温度由无线测温装置测定。以感温物质二氯甲烷为例，将胎温传感器固定在铝板上，在与胎温传感器同一径向对称位置处安装一重物或另外一个相同的胎温传感器，以保证铝板平衡转动;将霍尔传感器固定在支撑架侧面，并将其信号线与显示仪表连接;调节铝板转速，读取不同温度下显示仪表显示的温度值，结果如表1所示。