一種輪胎智能檢測裝置的設計與分析*

張勝凱 ，孫長勇 ，李鳳芹 ，公 晨 ，閆康義

（山東華宇工學院機械工程學院，山東 德州 253000）

0 引言

隨著經濟的不斷發(fā)展，幾乎家家戶戶都有了汽車。在這些汽車上，輪胎與路面進行直接接觸，其與汽車的懸掛共同保證汽車的乘坐感和行駛的平順性，輪胎的質量決定了汽車的抓地性、平穩(wěn)性。好的輪胎能讓駕駛者體會到更好的舒適性，輪胎的質量、表面的磨損情況也對駕駛舒適性起到決定性的作用[1-3]。

目前，我國與輪胎故障有關的交通事故非常多，其中輪胎磨損嚴重導致的交通事故占了很大一部分[4]。輪胎檢測是一大難題，現(xiàn)有的傳統(tǒng)人工檢測方式費時費力。雖然國內外相繼推出了各種類型的輪胎檢測裝置，但是這些檢測裝置比較單一，形式也大致相同?；诖?，本課題組研發(fā)了一種輪胎智能檢測裝置。實踐證明，該裝置結構簡單，便于操作，可以很好地完成對輪胎的檢測工作，能夠快速發(fā)現(xiàn)問題，可以替代人工、測量尺等，節(jié)省了人力物力，在汽車駕駛的同時，也可以檢測汽車輪胎問題，并保證駕乘人員的安全[5]。該裝置屬于汽車配件技術領域，此設計可偵測胎面狀況、胎面溫度（透過超聲波感應偵測胎面狀況、通過紅外線溫度傳感器偵測胎面溫度），并以電子信號的方式將偵測到的信息傳送至控制中心，再由控制中心將偵測到的信息傳送至語音播報器，語音播報器發(fā)出警報，并警示輪胎出現(xiàn)了哪些問題，以保證駕乘人員的生命財產安全。

1 輪胎智能檢測裝置元件分析

1）超聲波傳感器。如圖1 所示，超聲波傳感器元件的材料主要有壓電晶體和鎳鐵鋁合金兩大類。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?，它可以將電能轉變成機械振蕩而產生超聲波，同時它接收到超聲波后，也能將其轉變成電能。超聲波傳感器是由壓電晶體組成，可將電能轉換成機械振蕩產生超聲波，并在接收超聲波后也可以將其轉換成電能的可逆?zhèn)鞲衅?。其具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小等特點，特別是方向性好，能夠成為射線而定向傳播[6]。本課題組設計的輪胎磨損檢測裝置主要用于檢測輪胎的磨損情況，防止輪胎的表面磨損情況過于嚴重，導致抓地不牢，引起交通事故。

圖1 超聲波傳感器元件

該裝置中的超聲波傳感器元件發(fā)出超聲波發(fā)射到輪胎表面時，超聲波會進行反射，如果反射回來的時間比完好輪胎反射回來的時間長，那就說明輪胎表面發(fā)生了磨損，當反射時間超出了設定的最大限度時間，該元件就會將收到的信號傳遞到控制中心，并進行報警，告知駕駛人員出現(xiàn)的問題在什么位置。每個小裝置中包含3 個超聲波傳感器，這3 個傳感器分別檢測輪胎外徑的中間表面和輪胎外徑的兩側，如果1個超聲波傳感器檢測到了問題，那么是輪胎發(fā)生了磨損；如果3 個超聲波傳感器同時檢測到了問題，那么就是胎壓出現(xiàn)了問題，所以該裝置可以同時進行胎壓檢測。

2）紅外線溫度傳感器。如圖2 所示，紅外溫度傳感器元件是利用輻射熱效應，在接收輻射能量后，使探測器件引起環(huán)境溫度升高，從而使傳感器中某一欄與環(huán)境溫度的特性發(fā)生變化，從而檢測出紅外溫度傳感器中某一欄、某一特性的變化以及輻射的大小。大多數(shù)情況下都是借助Sebeck 效應來檢測輻射的大小，當器件受到輻射后，還可以借助適當?shù)淖兓瘜⑵滢D化為電量再進行精確的測量，從而產生一種非電量的物理變化。紅外線是一類人的眼睛看不見的光線，但其實它也是一類客觀存在的物質，就像其他所有的光線一樣。任何物體都會向周圍輻射紅外線，只要它的環(huán)境溫度比熱力學零度高。紅外線是一種光線，位于可見光中的紅光之外，所以叫紅外線。其波長范圍大致在頻譜范圍的0.75 μm~100 μm 之間[7]。其特點是精度高、標準TO05 封裝、靈敏度高、反應時間短、成本低、內置Ni溫度傳感器、采用薄膜工藝[8-9]。

圖2 紅外線溫度傳感器元件

本課題組研發(fā)的輪胎磨損檢測裝置主要用于檢測輪胎表面的溫度，防止輪胎溫度過高引發(fā)自燃，加劇輪胎磨損。該裝置中的紅外線溫度傳感器可以通過紅外線對輪胎表面的溫度進行檢測，如果輪胎表面的溫度沒有超過設定的溫度上限，則紅外線溫度傳感器不會將檢測到的信號進行傳遞，也就不會報警；如果輪胎的表面溫度超過了設定的最高溫度上限，那么紅外線溫度傳感器會將檢測的電子信號進行傳遞，控制中心就會操控語音報警系統(tǒng)進行報警，并告知駕駛人員什么位置的輪胎出現(xiàn)了問題。

2 輪胎智能檢測裝置的設計

2.1 裝置組成

輪胎智能檢測裝置由超聲波傳感器、紅外線溫度傳感器、功能開關、控制單元、語音播報器以及汽車電源組成，利用超聲波傳感器檢測輪胎的磨損量，每個裝置有3 個超聲波傳感器，用于檢測輪胎外徑最中間和兩邊；紅外線溫度傳感器用于測量輪胎表面溫度，全部安裝在輪胎輪罩上方，如圖3 所示。在啟用或關閉智能系統(tǒng)時，均采用功能開關，用于警報的語音播報器1臺，提供動力的車載電源1 部。

圖3 智能裝置的位置簡圖

2.2 技術方案

在人工調試好設備的基礎上，使用紅外線溫度傳感器和超聲波傳感器，通過檢測的溫度以及超聲波反射回來的時間，對檢測信號進行分析，并以電子信號的形式傳遞給控制單元，最終控制單元作出反應，將檢測信息傳遞到語音播報器進行報警，并由系統(tǒng)實時播報具體情況。

2.3 具體實施方式

以汽車一個輪胎為例進行說明，如圖4 所示。

圖4 智能裝置的控制電路簡圖

1）在最開始使用時，建議是新胎，同時讓輪胎的胎壓達到標準狀態(tài)（這樣可以保障錄入的信息是標準的，而且錄入的信息是原始的初始量，控制單元就可以將檢測到的數(shù)值與初始量數(shù)值進行比較，方便檢測出現(xiàn)了什么問題，同時通過檢測的數(shù)值可以設置檢測的最大限度，防止出現(xiàn)意外），然后打開功能開關，讓該裝置的3 個超聲波傳感器發(fā)射信號，將檢測到的信號作為初始信號，以便之后檢測時可以進行比較，檢測問題。

2）在駕駛人員駕駛汽車的過程中，駕駛人員通過控制開關可以選擇是否打開該裝置，或者將該裝置一直處于打開狀態(tài)，只要打開汽車電源電池，該裝置就可自行啟動對輪胎的檢測。在汽車行駛過程中，該裝置中的3 個超聲波傳感器分別向輪胎兩側和上方發(fā)射超聲波，這3 個超聲波傳感器在接收超聲波時，對接收到的時間長短進行分析，將超聲波信號轉換成電信號，傳遞給控制單元；控制單元在接收到信號后進行分析，如果反射回來的時間比最初的時間長，則控制單元會控制語音播報器進行報警。一般兩個前輪輪胎表面內側磨損較大，若超聲波傳感器3探測到前輪輪胎表面內側磨損超出控制單元設定參數(shù)，控制單元控制語音播報器進行報警“右前/左前輪胎內側磨損超標”，則需要進行輪胎對調；控制單元控制語音播報器進行報警“右前/右后/左前/左后輪胎磨損超標或氣壓不足”，如因氣壓不足或輪胎表面整體磨損超標，造成3 個超聲波傳感器信號變化較大，則需要檢查更換。若超聲波感應器2 因氣壓壓力過大而偵測到輪胎表面中間位置反射超聲波回來的時間長短變化信號低于控制單元設定參數(shù)，則控制單元控制語音播報器進行報警“右前/右后/左前/左后胎壓過大異?！?；控制單元判斷輪胎磨損不均、質量有問題或車輪變形引起的車輛行駛顛振，若3 個超聲波傳感器將超聲波發(fā)射到輪胎表面檢測的兩側與中間3 個位置上的反射時間信號大小變化超過控制單元設定的參數(shù)，則控制單元對“右前/右后/左前/左后輪胎運動不平衡”進行報警，并需要進行輪胎檢查或做輪胎動平衡。這樣可以在不影響原來汽車輪胎運行的情況下，有效保證汽車的行駛安全。同時，該裝置可以根據(jù)紅外線溫度傳感器檢測輪胎在行駛過程的溫度信號，并傳遞給控制單元，如果判斷溫度異常，控制單元語音播報器進行報警“右前/右后/左前/左后輪胎溫度異?！?。

3）該設計簡化了輪胎檢測工作，不影響車內任何設備的使用，在節(jié)省人力物力的同時，大大保證了人們駕車出行的安全。

4）該輪胎智能檢測裝置不僅可以在汽車熄火、停止不動的情況下使用，也可以在汽車行駛狀態(tài)下使用，大大節(jié)省了人力物力。

3 創(chuàng)新特色

1）設計紅外線傳感器和溫度傳感器連接裝置，可以快速地傳播信號，完成對輪胎的智能檢測。

2）設計自動檢測裝置，能夠自行檢測輪胎磨損情況，保障裝置的獨立自主。

3）該設計不影響原來汽車輪胎的運行，可以有效保證汽車的行駛安全。

4）傳統(tǒng)的輪胎檢測需要人力物力，甚至檢測一個輪胎要將其拆解下來仔細研究。而本設計可以大幅度地減少人力物力，它不僅不需要拆解，而且當本裝置檢測出哪個輪胎出現(xiàn)問題時，可以及時用語音播報，比傳統(tǒng)的檢測省時省力。

5）本設計可以在汽車行駛過程中提醒駕駛員車輪的問題狀況，讓駕駛員提前做好準備。

4 使用情況及反饋

該裝置的設計達到了預期的使用效果，通過程序的編寫對裝置的操作信息進行錄入，根據(jù)模型可以準確地測量輪胎的磨損情況以及輪胎表面的溫度。該裝置操作起來十分簡單，體積也小巧，可以完美地安裝在輪罩上方，同時汽車輪胎不會碰到該裝置，也不影響汽車的正常行駛[10]。

根據(jù)其他人實驗的反饋結果，本裝置的受認可程度很高，該裝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。該模型裝置在運行時，可以很好地檢測到輪胎的運行情況，當輪胎的表面出現(xiàn)磨損時，3個超聲波傳感器可以準確地告知什么位置的輪胎表面出現(xiàn)了情況，模型附加了顯示屏，顯示屏中的數(shù)值十分清晰。紅外線溫度傳感器可以檢測輪胎表面的溫度，當輪胎表面溫度過高時，紅外線溫度傳感器會將檢測到的電子信號傳遞到控制單元，控制單元對數(shù)值進行比對，如果發(fā)現(xiàn)異常，控制單元會及時轉換信號控制語音播報器進行報警。該裝置體驗感好，預期的效果基本都能達到，可以很好地滿足人們的需要。

5 結語

綜上所述，在汽車行駛的過程中，胎壓、輪胎溫度、路面狀況都是導致輪胎磨損問題的因素，輪胎磨損嚴重，容易導致交通事故發(fā)生。本課題組設計的檢測裝置可以有效地檢測輪胎問題，避免因輪胎問題導致的交通事故，一旦發(fā)現(xiàn)問題，可以及時進行報警，此裝置可以很好地保障駕乘人員的生命財產安全，發(fā)展前景十分廣闊。