一种轮胎智能检测装置的设计与分析*

2023-08-22张胜凯孙长勇李凤芹闫康义

南方农机 2023年17期

张胜凯，孙长勇，李凤芹，公晨，闫康义

（山东华宇工学院机械工程学院，山东德州 253000）

0 引言

随着经济的不断发展，几乎家家户户都有了汽车。在这些汽车上，轮胎与路面进行直接接触，其与汽车的悬挂共同保证汽车的乘坐感和行驶的平顺性，轮胎的质量决定了汽车的抓地性、平稳性。好的轮胎能让驾驶者体会到更好的舒适性，轮胎的质量、表面的磨损情况也对驾驶舒适性起到决定性的作用[1-3]。

目前，我国与轮胎故障有关的交通事故非常多，其中轮胎磨损严重导致的交通事故占了很大一部分[4]。轮胎检测是一大难题，现有的传统人工检测方式费时费力。虽然国内外相继推出了各种类型的轮胎检测装置，但是这些检测装置比较单一，形式也大致相同。基于此，本课题组研发了一种轮胎智能检测装置。实践证明，该装置结构简单，便于操作，可以很好地完成对轮胎的检测工作，能够快速发现问题，可以替代人工、测量尺等，节省了人力物力，在汽车驾驶的同时，也可以检测汽车轮胎问题，并保证驾乘人员的安全[5]。该装置属于汽车配件技术领域，此设计可侦测胎面状况、胎面温度（透过超声波感应侦测胎面状况、通过红外线温度传感器侦测胎面温度），并以电子信号的方式将侦测到的信息传送至控制中心，再由控制中心将侦测到的信息传送至语音播报器，语音播报器发出警报，并警示轮胎出现了哪些问题，以保证驾乘人员的生命财产安全。

1 轮胎智能检测装置元件分析

1）超声波传感器。如图1 所示，超声波传感器元件的材料主要有压电晶体和镍铁铝合金两大类。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波后，也能将其转变成电能。超声波传感器是由压电晶体组成，可将电能转换成机械振荡产生超声波，并在接收超声波后也可以将其转换成电能的可逆传感器。其具有频率高、波长短、绕射现象小等特点，特别是方向性好，能够成为射线而定向传播[6]。本课题组设计的轮胎磨损检测装置主要用于检测轮胎的磨损情况，防止轮胎的表面磨损情况过于严重，导致抓地不牢，引起交通事故。

图1 超声波传感器元件

该装置中的超声波传感器元件发出超声波发射到轮胎表面时，超声波会进行反射，如果反射回来的时间比完好轮胎反射回来的时间长，那就说明轮胎表面发生了磨损，当反射时间超出了设定的最大限度时间，该元件就会将收到的信号传递到控制中心，并进行报警，告知驾驶人员出现的问题在什么位置。每个小装置中包含3 个超声波传感器，这3 个传感器分别检测轮胎外径的中间表面和轮胎外径的两侧，如果1个超声波传感器检测到了问题，那么是轮胎发生了磨损；如果3 个超声波传感器同时检测到了问题，那么就是胎压出现了问题，所以该装置可以同时进行胎压检测。

2）红外线温度传感器。如图2 所示，红外温度传感器元件是利用辐射热效应，在接收辐射能量后，使探测器件引起环境温度升高，从而使传感器中某一栏与环境温度的特性发生变化，从而检测出红外温度传感器中某一栏、某一特性的变化以及辐射的大小。大多数情况下都是借助Sebeck 效应来检测辐射的大小，当器件受到辐射后，还可以借助适当的变化将其转化为电量再进行精确的测量，从而产生一种非电量的物理变化。红外线是一类人的眼睛看不见的光线，但其实它也是一类客观存在的物质，就像其他所有的光线一样。任何物体都会向周围辐射红外线，只要它的环境温度比热力学零度高。红外线是一种光线，位于可见光中的红光之外，所以叫红外线。其波长范围大致在频谱范围的0.75 μm~100 μm 之间[7]。其特点是精度高、标准TO05 封装、灵敏度高、反应时间短、成本低、内置Ni温度传感器、采用薄膜工艺[8-9]。

图2 红外线温度传感器元件

本课题组研发的轮胎磨损检测装置主要用于检测轮胎表面的温度，防止轮胎温度过高引发自燃，加剧轮胎磨损。该装置中的红外线温度传感器可以通过红外线对轮胎表面的温度进行检测，如果轮胎表面的温度没有超过设定的温度上限，则红外线温度传感器不会将检测到的信号进行传递，也就不会报警；如果轮胎的表面温度超过了设定的最高温度上限，那么红外线温度传感器会将检测的电子信号进行传递，控制中心就会操控语音报警系统进行报警，并告知驾驶人员什么位置的轮胎出现了问题。

2 轮胎智能检测装置的设计

2.1 装置组成

轮胎智能检测装置由超声波传感器、红外线温度传感器、功能开关、控制单元、语音播报器以及汽车电源组成，利用超声波传感器检测轮胎的磨损量，每个装置有3 个超声波传感器，用于检测轮胎外径最中间和两边；红外线温度传感器用于测量轮胎表面温度，全部安装在轮胎轮罩上方，如图3 所示。在启用或关闭智能系统时，均采用功能开关，用于警报的语音播报器1台，提供动力的车载电源1 部。

图3 智能装置的位置简图

2.2 技术方案

在人工调试好设备的基础上，使用红外线温度传感器和超声波传感器，通过检测的温度以及超声波反射回来的时间，对检测信号进行分析，并以电子信号的形式传递给控制单元，最终控制单元作出反应，将检测信息传递到语音播报器进行报警，并由系统实时播报具体情况。

2.3 具体实施方式

以汽车一个轮胎为例进行说明，如图4 所示。

图4 智能装置的控制电路简图

1）在最开始使用时，建议是新胎，同时让轮胎的胎压达到标准状态（这样可以保障录入的信息是标准的，而且录入的信息是原始的初始量，控制单元就可以将检测到的数值与初始量数值进行比较，方便检测出现了什么问题，同时通过检测的数值可以设置检测的最大限度，防止出现意外），然后打开功能开关，让该装置的3 个超声波传感器发射信号，将检测到的信号作为初始信号，以便之后检测时可以进行比较，检测问题。

2）在驾驶人员驾驶汽车的过程中，驾驶人员通过控制开关可以选择是否打开该装置，或者将该装置一直处于打开状态，只要打开汽车电源电池，该装置就可自行启动对轮胎的检测。在汽车行驶过程中，该装置中的3 个超声波传感器分别向轮胎两侧和上方发射超声波，这3 个超声波传感器在接收超声波时，对接收到的时间长短进行分析，将超声波信号转换成电信号，传递给控制单元；控制单元在接收到信号后进行分析，如果反射回来的时间比最初的时间长，则控制单元会控制语音播报器进行报警。一般两个前轮轮胎表面内侧磨损较大，若超声波传感器3探测到前轮轮胎表面内侧磨损超出控制单元设定参数，控制单元控制语音播报器进行报警“右前/左前轮胎内侧磨损超标”，则需要进行轮胎对调；控制单元控制语音播报器进行报警“右前/右后/左前/左后轮胎磨损超标或气压不足”，如因气压不足或轮胎表面整体磨损超标，造成3 个超声波传感器信号变化较大，则需要检查更换。若超声波感应器2 因气压压力过大而侦测到轮胎表面中间位置反射超声波回来的时间长短变化信号低于控制单元设定参数，则控制单元控制语音播报器进行报警“右前/右后/左前/左后胎压过大异常”；控制单元判断轮胎磨损不均、质量有问题或车轮变形引起的车辆行驶颠振，若3 个超声波传感器将超声波发射到轮胎表面检测的两侧与中间3 个位置上的反射时间信号大小变化超过控制单元设定的参数，则控制单元对“右前/右后/左前/左后轮胎运动不平衡”进行报警，并需要进行轮胎检查或做轮胎动平衡。这样可以在不影响原来汽车轮胎运行的情况下，有效保证汽车的行驶安全。同时，该装置可以根据红外线温度传感器检测轮胎在行驶过程的温度信号，并传递给控制单元，如果判断温度异常，控制单元语音播报器进行报警“右前/右后/左前/左后轮胎温度异常”。

3）该设计简化了轮胎检测工作，不影响车内任何设备的使用，在节省人力物力的同时，大大保证了人们驾车出行的安全。

4）该轮胎智能检测装置不仅可以在汽车熄火、停止不动的情况下使用，也可以在汽车行驶状态下使用，大大节省了人力物力。

3 创新特色

1）设计红外线传感器和温度传感器连接装置，可以快速地传播信号，完成对轮胎的智能检测。

2）设计自动检测装置，能够自行检测轮胎磨损情况，保障装置的独立自主。

3）该设计不影响原来汽车轮胎的运行，可以有效保证汽车的行驶安全。

4）传统的轮胎检测需要人力物力，甚至检测一个轮胎要将其拆解下来仔细研究。而本设计可以大幅度地减少人力物力，它不仅不需要拆解，而且当本装置检测出哪个轮胎出现问题时，可以及时用语音播报，比传统的检测省时省力。

5）本设计可以在汽车行驶过程中提醒驾驶员车轮的问题状况，让驾驶员提前做好准备。

4 使用情况及反馈

该装置的设计达到了预期的使用效果，通过程序的编写对装置的操作信息进行录入，根据模型可以准确地测量轮胎的磨损情况以及轮胎表面的温度。该装置操作起来十分简单，体积也小巧，可以完美地安装在轮罩上方，同时汽车轮胎不会碰到该装置，也不影响汽车的正常行驶[10]。

根据其他人实验的反馈结果，本装置的受认可程度很高，该装置的元件成本均不高，完全可以低成本制作，方便很多普通家庭使用。该模型装置在运行时，可以很好地检测到轮胎的运行情况，当轮胎的表面出现磨损时，3个超声波传感器可以准确地告知什么位置的轮胎表面出现了情况，模型附加了显示屏，显示屏中的数值十分清晰。红外线温度传感器可以检测轮胎表面的温度，当轮胎表面温度过高时，红外线温度传感器会将检测到的电子信号传递到控制单元，控制单元对数值进行比对，如果发现异常，控制单元会及时转换信号控制语音播报器进行报警。该装置体验感好，预期的效果基本都能达到，可以很好地满足人们的需要。