本发明专利技术属于汽车电子测量领域，具体涉及一种基于有机压电材料的汽车轮胎监测装置。其由轮胎内探头、胎内电路部分（从级）和主控电路部分组成，是利用ＰＶＤＦ薄膜配合特定的支架做成探头，将汽车轮胎在运行过程中的轮胎欠压下的作用距离ｘ的变化经过探头转化为作用在ＰＶＤＦ膜上的压力和形变，从而产生压电信号，利用压电信号来反映轮胎的状态。同时将感应信号经过多物理量的数据修正处理，通过无线通讯方式传输信号，系统可以对胎压进行实时、有效地测量和估计，还可以判断轮胎真正危险的漏气欠压情况并报警。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于汽车电子测量领域，具体涉及一种基于有机压电材料的汽车轮胎监测装置。
技术介绍
轮胎是汽车的重要部件，其性能的优劣，将直接影响汽车的驱动性、舒适性、稳定 性和安全性。根据美国汽车工程师学会最近的调查，每年75%的轮胎故障是由于轮胎渗漏 或充气不足引起的；据公安部统计，在中国高速公路上发生的交通事故有70%是由于轮胎 问题引起的。所以，能够对轮胎状态，尤其是胎压进行实时有效监测，从而在汽车行驶时能 及时发现车胎漏气，使之保持标准的胎压是解决上述问题的关键。由此可见，对汽车轮胎监测系统的研究与开发具有重大的科研意义，于是汽车轮 胎气压监测系统TPMS (Tire Pressure Monitoring System)开始得到开发与使用，并成为 了相关领域的科学研究焦点。同时，许多新的材料和技术也应用到轮胎监测系统中，其中主 要有两种传感器件一是在硅基上利用微电子机械系统MEMS (Micro Electro Mechanical System)工艺制作的电容式或者压阻式压力传感器，还有一种是采用声表面波SAW (Surface Acoustic Wave)技术设计的无线射频传感器件。国内对TPMS的研究起步较晚，虽然有了 一些技术研究和方案，还有轮胎监测报警系统的专利。但由于其可靠性、稳定性和灵敏度等 方面还远达不到实际使用的要求，所以这些专利很少得到应用。国外对于TPMS系统的研究 从20世纪70年代末就开始了，到目前为止，英、法、德、日等发达国家的相关科研机构已申 请了许多专利。而且，国外的电子厂商，如英飞凌、飞思卡尔、摩托罗拉等，已生产了硅集成 电容式或硅压电阻式的商品化TPMS压力传感器件。压电现象在1880年被居里兄弟发现，到现在已经有100多年的历史了。所谓压电 效应就是某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象， 同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的 状态。不过压电材料大多数为无机材料，如石英晶体、陶瓷等。1969年，日本科学家Kawai 发现极化后的有机材料聚偏氟乙烯(PVDF)具有压电特性后，PVDF压电薄膜的优越性能引 起了人们的广泛关注。经研究发现，较之过去传统的无机压电材料，PVDF具有如下特点1)压电常数d和压电系数g比一般的压电石材料高，使得它在一定的条件下可以 有更明显的压电效应。2)柔性和加工性能好，可弯曲不易破碎，任意剪裁，可制成5μπι Imm厚度不等、 形状不同的大面积薄膜，因此适于做大面积传感元件。3)声阻抗低，与水、人体肌肉的声阻抗很接近，并且柔顺性好，便于人体接触，因此 用作水听器和医用仪器的传感元件时，可不用阻抗变换器。4)频率响应宽，室温下在10_5 IO9Hz范围内响应平坦，即从准静态、低频、高频、 超声及超高频均能转换机电效应。5)机械强度高，使得它的化学稳定性和耐疲劳性高。6)高介电强度，可耐受强电场作用，此时大部分陶瓷已退极化。7)质量轻，它的密度只是压电陶瓷的1/4，做成传感器对被测量的结构影响小。8)容易加工和安装，可以根据实际需要来制定形状，用一般的树脂胶，如502胶来 粘贴固定。因为PVDF有着优越的物理特性和巨大的应用价值，所以使其成为国内外相关科 研领域的研究热点，并在电声、水声、结构监测、航空和航海、医疗电子和机器人领域都有着 广泛的实际应用。而且PVDF材料在检测汽车轮胎方面也有了一些尝试，圣地亚哥大学的 Jingang Yi将PVDF传感器贴到轮胎内侧，制成了通过PVDF形变产生的信号来反映车轮与 地面之间的接触和摩擦信息的传感器。但是目前还没有系统地将PVDF应用于TPMS的研究。基于国内外TPMS和PVDF压电材料的研究现状，本专利技术利用PVDF压电材料配合特 定的支架做成探头，将感应信号经过多物理量的数据拟合处理，通过无线信号传输系统，设 计制作出一种能对轮胎状况进行准确估计，结构简明，可实际应用的轮胎监测系统。
技术实现思路
本专利技术利用了新型有机功能材料PVDF(聚偏氟乙烯)薄膜的压电效应，将汽车轮 胎在运行过程中的胎压情况，经过探头转化为作用在PVDF膜上的压力和形变，从而产生压 电效应的极化电荷，再用该压电信号来反映表征轮胎的状态。本专利技术所涉及的基于有机压电材料的汽车轮胎监测装置，由轮胎内探头、胎内电 路部分(从级)和主控电路部分组成(主级，主控电路包括无线电收发模块和单片机，其作 用是从汽车总线中读取轮胎的转速f，并将f值通过主控电路的收发模块发送到胎内电路 的无线电收发模块14，并接受来自无线电收发模块14的轮胎欠压下的作用距离χ的相关信 息，将其储存后发送到汽车总线)。轮胎内探头的结构如图1所示(其中，(a), (c)是探头 在轮胎内的侧视图，(b)，(d)是探头的俯视图)，1是轮胎，2是轮毂，3是探头基底支架，4是 压电薄膜，5是作用单元，6是橡胶薄膜。其中，探头基底支架3是可以用树脂胶粘接在轮胎 1内表面上的板材，如软塑料板、橡胶板等，长观 45cm，宽10 20cm，厚度1 20mm。压 电薄膜4为有机压电薄膜聚合物，如PVDF，P(VDF-TrfE)(聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物) 等，面积小于探头基底支架3的面积，厚度20 μ m 1mm，压电常数d33 > 10pC/N,断裂伸长 大于10%，断裂拉伸强度大于20MPa，压电薄膜4的上下表面用真空镀膜法、电镀法或热喷 涂法镀上金属电极，电极材料可以是金、银或铝。作用单元5是硬度大于探头基底支架3的 球状或椭球状物体，质量轻(如塑料质地赛璐珞)，长直径不大于6cm，短直径不小于2cm。探头基底支架3的边缘用树脂胶粘接在轮胎1的内表面上，两面镀有金属电极的 压电薄膜4也用胶粘在探头基底支架3的正中位置，作用单元5压在压电薄膜4的正中位 置，并用少许树脂胶将其粘接固定在压电薄膜上，橡胶薄膜6将压电薄膜4和作用单元5包 覆住，其边缘用树脂胶粘在探头基底支架3上，形成“碗状”结构。在轮胎内标准气压时，橡 胶薄膜6下部距离轮胎内表面0. 5 2cm。设轮胎的半径为R，轮胎的中心到地面的距离为h。当轮胎处在标准气压Ptl时(P。 大约2 ;3bar)，车轮在行驶过程中形状几乎不会发生变化，h R，如图1(a)所示。当轮 胎内气体因为漏气等原因有所损耗的时候，轮胎内气压会欠压，这样轮胎形状一定会发生 变化，如图1(b)所示，尤其是轮胎的与路面相接触部分，产生形变较大，h< R ；当轮胎内部的探头部分转到路面时，作用单元5就会向上挤压PVDF压电膜4，向其电轴方向(垂直薄膜 面)施加正向的压力，相应的PVDF膜就会产生电荷( ΤΕ。同时，基板3也会随着轮胎形变和 作用单元5的挤压而变形，那么PVDF压电膜4也随之弯曲，内部产生横向拉应力，PVDF膜 也会产生出感应电荷Qm整个PVDF压电薄膜4产生总的电荷为Q。将PVDF压电薄膜的两 个表面用常温固化银胶分别和导线粘接，这样可将电荷Q导出到胎内电路系统进行后续处 理。Q = Qte+Qle(1)Qte = d33 σ ,A1 (2)Qle = CI31O1A2 (3)其中，d33，d31是压电薄膜的压电常数，σ t，σ i是单位本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于有机压电材料的汽车轮胎监测装置，包括轮胎内探头、胎内电路部分和主控电路三个部分，其特征在于：（１）轮胎内探头由探头基底支架（３）、压电薄膜（４）、作用单元（５）和橡胶薄膜（６）组成，压电薄膜（４）的面积小于探头基底支架（３）的面积，压电薄膜（４）的上、下表面镀有金属电极，作用单元（５）是硬度大于探头基底支架（３）的球状或椭球状物体，且质量轻；探头基底支架（３）的边缘用树脂胶粘接在轮胎（１）的内表面上，压电薄膜（４）贴在探头基底支架（３）的正中位置，作用单元（５）压在压电薄膜（４）的正中位置，并用少许树脂胶将其粘接固定在压电薄膜（４）上，橡胶薄膜（６）将压电薄膜（４）和作用单元（５）包覆住，其边缘用树脂胶粘在探头基底支架（３）上，形成“碗状”结构，在轮胎内标准气压时，橡胶薄膜６下部距离轮胎内表面０．５～２ｃｍ；（２）胎内电路由电荷放大器（７）、前置放大器（８）、峰值保持电路（９）、Ａ／Ｄ采集电路（１０）、复位电路（１１）、单片机（１２）、温度传感器（１３）和无线电收发模块（１４）组成，电荷放大器（７）将压电薄膜（４）所产生的电荷Ｑ转化为电压信号Ｕ↓［ｉ］，再经过前置放大器（８）放大成为Ｕ，峰值保持电路（９）输出等于Ｕ峰值的直流电压，Ａ／Ｄ采集电路（１０）将此直流电压值转换为数字信号传给单片机（１２）；（３）利用控制变量法，建立车轮转速频率ｆ、轮胎内的温度Ｔ、轮胎欠压下的作用距离ｘ、电压信号Ｕ之间的经验关系曲面，通过划分曲面后将得到的一系列不同车轮转速频率ｆ↓［ｎ］下的多组三维变量数组［Ｕ↓［ｎ］，Ｔ↓［ｎ］，ｘ↓［ｎ］］的数据按照一定的地址储存在单片机（１２）中；（４）在实际测量中，根据测得的ｆ、Ｔ和Ｕ值，由单片机（１２）中存储的不同车轮转速频率ｆ↓［ｎ］下的多组三维变量数组［Ｕ↓［ｎ］，Ｔ↓［ｎ］，ｘ↓［ｎ］］的数据求得轮胎欠压下的作用距离ｘ，然后通过无线收发模块（１４）发送到主控系统中。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张涛，韩冰，李陈孝，黄东岩，胡天立，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：82[]
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