汽车制动盘端跳在线检测仪的设计

张兴娇，文如泉，张 玄，李伯勋，王贤平

(1.萍乡学院机械电子工程学院，江西萍乡 337055 2.江西师范大学物理与通信电子学院，江西南昌 330027)

0 引言

汽车制动盘是汽车零部件中重要的组成部分之一，制动盘质量的好坏直接关系着汽车的安全性，因此对制动盘的检测至关重要[1]。在汽车制动盘的众多检测参数中，制动盘端面跳动检测是最重要的一个，端面跳动越小说明制动盘的安全性越好。传统的制动盘相关参数检测主要是靠人工利用千分尺测量，这种方式不但效率低且测量误差大。因此本文设计了一种汽车制动盘端跳在线自动检测仪，其是利用自感式螺管型差动传感器测量制动盘圆周面上各个点的数值，通过上位机软件识别采集的数据中最大值和最小值，以最大值和最小值的差值大小来衡量制动盘的端面跳动情况。该系统具有自动化程度高、测量精度高等优点，为测量制动盘的端面跳动情况提供了一种新型的解决方案[2-3]。

1 制动盘端面跳动误差检测原理

制动盘端面跳动误差是指被测端面上各点与轴心平面间最大与最小距离的差值[4]。该差值的大小是反映制动盘摩擦表面平整程度的一项关键数据，若此数据超标，就会使得制动过程中盘面与摩擦片之间的接触压力分布不均，导致汽车抖动。检测示意图如图1所示。其是将制动盘固定在底座上，利用驱动电机带动制动盘一起转动，将传感器固定在待测制动盘端面上，电机带着制动盘旋转2周，每周采集60个点，2周总共120个点，选出测得的端面跳动的最大值Zmax和最小值Zmin，则端面跳动值可以表示为F=|Zmax-Zmin|。

图1 系统检测示意图

2 系统总统方案设计

汽车制动盘端跳在线检测仪的总体设计方案如图2所示，系统利用交流电桥来检测自感式螺管型差动传感器输出的电信号，采用仪用放大器对传感器输出的信号进行预处理，通过相敏检波电路来鉴别被测信号的幅值和极性[5]，通过低通滤波器滤除高频分量得到有效的载波信号，最后利用A/D转换器采集此信号，最终在上位机中实现数据的计算和处理。

图2 系统总统方案设计图

3 系统硬件设计

系统硬件电路主要包括自感式螺管型差动传感器信号采集电路、数据处理电路、检波电路、串口通讯电路以及单片机最小系统电路等[6]。当启动系统开始测量时，系统将测得的数据通过串口传输电路发送到上位机中，在上位机中实现对测得最大和最小距离的筛选，并求出其差值。当求得的差值超过设定的阈值时，系统会发出报警。硬件电路图如图3所示。

图3 系统硬件电路图

3.1 交流电桥采集电路

自感式螺管型差动传感器的输出是通过交流电桥电路来测量的，其能将传感器线圈电感的变化转换为电桥电路的电压输出[7]。交流电桥采用双臂的工作原理，其中将传感器作为电桥的两个工作臂，电桥的平衡臂为两个已知阻值的高精度电阻R3、R4，交流电桥采集原理图如图4所示。

图4 交流电桥采集电路图

图中，U为电桥的供电电压，L1、L2为传感器的两个线圈电感，R1、R2为传感器线圈的接线电阻。

电桥的输出电压U0=U1-U2，当电桥平衡时，U1=U2，传感器输出电压U0=0。当传感器检测到制动盘圆周面各点与轴心线间的距离不等时，传感器内部线圈的电感就会发生变化，从而导致电桥失衡，电桥输出电压不为零。电桥输出的电压大小与传感器线圈内电感的变化量成正比，而线圈内电感的变化量与所测得的距离大小也成正比，因此可以通过检测到电桥的输出电压来计算得到制动盘圆周面各点与轴心线的距离。

3.2 差动放大电路

交流电桥输出的电压信号比较微弱，为了不失真地放大此信号就需要利用高精度、低噪声、低失真的运算放大器，系统利用3个AD8610组成的差动数据放大器实现微弱信号的放大功能，差动放大器抗干扰能力强[8]。差动放大电路电路图如图5所示。

图5 差动放大电路图

3.3 相敏检波电路

经上述放大电路处理过后的信号为矢量信号，经过调制后该原始信号的极性和幅值难以识别，为了有效地提取原始信号的极性，需要对此信号进行相敏检波[8-9]。系统利用RC振荡电路产生频率为6 kHz的正弦波信号x(t)，以此信号作为参考信号来鉴别原始信号的极性。当原始信号与参考信号同相时，相敏检波器输出电压为正；当原始信号与参考信号反相时，相敏检波器输出电压为负。系统采用图6所示的开关式全波相敏检波电路。

图6 相敏检波电路图

4 软件设计

硬件设计完之后，需要烧录软件验证硬件的功能。系统软件采用C语言编写，编译环境为Keil，当编写好软件之后，利用Keil编译成Bin文件，最终通过串口下载到系统中。系统软件包括外部按键输入程序、定时器中断程序、A/D采样程序、串口传输程序以及STM32F103最小系统程序等。系统上电后，等待外部按键输入指令启动系统，启动测量时，A/D采样程序共采集120个数据点，将采集的数据发送到上位机中，在上位机中筛选出最大与最小值，最终求得差值，判断汽车制动盘的性能。软件流程图如图7所示。

图7 软件流程图

5 实验数据分析

本文设计的汽车制动盘端面跳动在线检测仪的分辨率为0.5 μm，量程达到2 mm。现对系统进行测试，验证系统的重复性和精度。分别对型号为PICASSO、206-3A、N7的汽车制动盘进行测试，每个型号以相同的测量方式测量8次，分别求出各组的平均值及重复性，测试数据如表1所示。

表1 3组不同品牌的测试结果

通过对以上3种型号产品的多次测量可知，系统每次测量的数据在一个很小的范围内波动，几乎保持一致，系统测得的平均值与每次测得的数据之差也很小，系统测量的重复性小于7 μm，因此本文设计的汽车制动盘端面跳动在线检测仪具有较高的精度和重复性，具有一定的实用价值。

6 结束语

针对传统汽车制动盘端面跳动检测仪存在的不足，设计了一种自动化程度高、精度高的汽车制动盘端跳在线检测仪。该检测仪将传感器技术和集成电路技术有机结合在一起，通过传感器测量制动盘各个端面与轴心的距离，在上位机中实现数据的自动处理、比对，筛选出最大与最小距离并求出其差值，以差值的大小来衡量汽车制动盘的性能。实际测试结果表明，该系统能有效测得汽车制动盘端面的跳动情况，当测量值超出阈值时，系统会发出报警。