王湘博，孫長(zhǎng)勇，王淑芳，王玉寶，邵俊領(lǐng)，齊肇瑞，盧 升，劉雪宇

（山東華宇工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，山東 德州 253000）

0 引言

隨著科技的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車的數(shù)量也在快速地增加，汽車已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ?、旅行、學(xué)習(xí)、生活中不可或缺的一種交通方式。汽車雖然為我們的生活提供了便利，但它所帶來(lái)的交通事故也給我們的生命帶來(lái)了極大的威脅。輪胎是車輛的重要組成部分，對(duì)車輛的安全起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)汽車在高速行駛時(shí)，很容易導(dǎo)致車輛失去平衡，造成嚴(yán)重的交通事故。根據(jù)交警部門的數(shù)據(jù)，在2021 年，我國(guó)高速公路上發(fā)生的車禍占40%以上，爆胎占70%以上[1]。造成這種情況的根本原因是，在事故發(fā)生前，有螺釘、鐵屑、石子等異物刺入或卡入了車胎，造成爆胎；當(dāng)車輛速度過(guò)快或負(fù)荷改變時(shí)，很容易被異物扎破輪胎，導(dǎo)致輪胎突然漏氣或爆胎。特別是在高速公路行駛的時(shí)候，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)這種危險(xiǎn)的情況，過(guò)高速度的行駛會(huì)導(dǎo)致輪胎直接的爆炸，造成不可估量的損失。針對(duì)這些問(wèn)題，我們需要能夠監(jiān)測(cè)輪胎是否扎入鐵制或玻璃做的物品的裝置，并且配上胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，更好地保護(hù)駕駛?cè)藛T的安全。

1 汽車輪胎異物扎入探測(cè)原理

1.1 金屬檢測(cè)原理

汽車在行駛中，通過(guò)使用金屬的電磁感應(yīng)作用來(lái)探測(cè)道路上的異物，比如鐵釘和鐵刺等?，F(xiàn)在，汽車輪胎離近地面異物檢測(cè)的主要方式是通過(guò)使用電渦流式傳感器進(jìn)行檢測(cè)，該傳感器是由一圈圈緊密的線圈組成，它的內(nèi)部是高頻變換的交流電。通過(guò)改變線圈內(nèi)部的電流，可以改變線圈內(nèi)部的磁場(chǎng)，使其在中心軸方向產(chǎn)生高頻的交變磁場(chǎng)。這種用于檢測(cè)金屬異物的電磁渦流傳感器，是裝在汽車輪胎內(nèi)部的，一旦靠近物體，就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，產(chǎn)生一種可以抵抗外界磁場(chǎng)的變化[2]。另外，金屬內(nèi)部的磁場(chǎng)會(huì)對(duì)電渦流傳感器產(chǎn)生電流，通過(guò)電流來(lái)控制磁場(chǎng)的變化，從而判斷出金屬異物的位置和距離，避免接觸到異物，從而扎入汽車輪胎中。具體工作原理如圖1 所示。

圖1 探測(cè)傳感線圈的工作原理

利用電渦流傳感器探針進(jìn)行金屬異物的探測(cè)，如圖1 中所示其工作原理如，當(dāng)將正弦交流電流I˙1加到探測(cè)線圈上時(shí)，它的角度頻率是ω，那么，在軸向方向上，線圈會(huì)出現(xiàn)相同頻率的交流磁場(chǎng)H1。當(dāng)金屬異物存在于交流磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流I˙2，將會(huì)產(chǎn)生交流磁場(chǎng)H2，具體如圖2 所示。

圖2 探測(cè)傳感線圈的等效電路

根據(jù)基爾霍夫定律可寫出方程：

解方程式可得：

如果在檢測(cè)傳感器周圍有金屬時(shí)，電流就會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)對(duì)電流的分析，能夠判斷出有沒(méi)有金屬異物存在。

1.2 非金屬探測(cè)

根據(jù)電容器的基本原理，在不考慮邊沿影響的前提下，將電容C表達(dá)為：

式中，ε0、ε分別是介電常數(shù)、相對(duì)介電系數(shù)；S為電容器對(duì)應(yīng)面積；δ為電容器和異物的距離。

當(dāng)δ、S或ε任何一個(gè)參數(shù)的改變都會(huì)導(dǎo)致電容的改變。如果保持S、ε參數(shù)的不改變，僅改變距離δ，然后把它轉(zhuǎn)化成非金屬異物，通過(guò)測(cè)量電容器的電容值，再把它轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。在圖3 中顯示了電容傳感器的基本構(gòu)造。

圖3 電渦輪傳感器的結(jié)構(gòu)

在齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)的電容會(huì)發(fā)生周期性的變化，通過(guò)檢測(cè)電路對(duì)其進(jìn)行運(yùn)算，然后輸出脈沖信號(hào)，從而得到齒輪的速度。

2 汽車輪胎異物扎入智能警報(bào)裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 裝置組成

該汽車輪胎異物智能警報(bào)裝置主要包括：線性掃描激光傳感器、電渦流傳感器、殼體、保護(hù)外殼、控制單元1、控制單元2、藍(lán)牙模塊、語(yǔ)音播報(bào)器、電源等。采用電渦流式傳感器進(jìn)行信號(hào)采集，然后將傳感器探頭和周邊支承電路安裝到汽車輪轂的安全部位，調(diào)整探測(cè)器的方位，以使探測(cè)器朝向車輛的輪轂，并在常規(guī)條件下對(duì)著輪轂的頂端進(jìn)行測(cè)量。汽車輪胎外有異物時(shí)，其電流或電壓會(huì)發(fā)生變化，并將其傳輸至報(bào)警裝置系統(tǒng)。數(shù)據(jù)分析主要通過(guò)在異物檢測(cè)裝置中，預(yù)先編輯好的檢測(cè)算法被保存在控制器中，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。由于其工作機(jī)理的差異，對(duì)金屬異物和非金屬異物的識(shí)別方法有不同的界定[3]。根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算、分析，確定是否存在有異物，并將處理結(jié)果反饋給了駕駛室的電腦。當(dāng)輪胎表面有異物時(shí)，如玻璃、金屬等，則會(huì)影響計(jì)算的結(jié)果。當(dāng)接收到來(lái)自檢測(cè)裝置的計(jì)算結(jié)果時(shí)，駕駛室內(nèi)的計(jì)算機(jī)會(huì)將其與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，如果有異常，就會(huì)觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)。有異常情況的指示燈會(huì)閃動(dòng)，并啟動(dòng)警報(bào)，警告司機(jī)停車[4]。如圖4 所示，這種智能報(bào)警器的結(jié)構(gòu)是：

圖4 該裝置電路控制簡(jiǎn)圖

該裝置中控制單元1：接收來(lái)自渦流和激光傳感器的訊號(hào)，并將訊號(hào)傳送至藍(lán)牙傳送設(shè)備。

控制單元2：控制語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)與藍(lán)牙接收器。

線掃描激光傳感器：用于檢測(cè)行駛中的汽車車胎是否扎入玻璃，檢測(cè)范圍在車胎兩側(cè)之內(nèi)，并且在于輪胎上表面，從而保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性?？梢愿鶕?jù)輪胎的寬度選擇不同的傳感器。

渦流傳感器：用于檢測(cè)汽車車胎是否扎入鐵質(zhì)物品，檢測(cè)范圍在輪胎兩側(cè)之內(nèi)，且檢測(cè)輪胎上表面。可以根據(jù)輪胎的寬度選擇不同的傳感器。

藍(lán)牙模塊：包含藍(lán)牙發(fā)送和接收信號(hào)的藍(lán)牙接收機(jī)。

語(yǔ)音播報(bào)器：與藍(lán)牙模塊進(jìn)行配對(duì)，當(dāng)車胎扎到鐵釘或玻璃時(shí)能夠進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)，警報(bào)裝置電量不足時(shí)也可以發(fā)出警報(bào)。

電源：用電池或本車的電源，使用電池供電，放置位置比較困難，建議用汽車自帶電源。

2.2 技術(shù)方案

在與電流信號(hào)相似的基礎(chǔ)上，使用的是線性激光傳感器，這樣可以檢測(cè)玻璃制品扎入輪胎，同時(shí)與渦流傳感器一起使用，根據(jù)磁場(chǎng)的感應(yīng)與強(qiáng)度進(jìn)行判斷是否有鐵釘扎入輪胎[5]。而激光傳感器通過(guò)玻璃反射的原理來(lái)進(jìn)行信號(hào)的發(fā)射與接受。當(dāng)有玻璃制品或鐵制品扎入輪胎后，兩個(gè)傳感器會(huì)產(chǎn)生信號(hào)給控制單元1，控制單元1 發(fā)射信號(hào)給藍(lán)牙模塊發(fā)射器，在藍(lán)牙接受器接受信號(hào)之后產(chǎn)生信號(hào)給控制單元2，通過(guò)控制裝置2 對(duì)車輛中的聲音廣播進(jìn)行報(bào)警。本裝置裝在汽車輪胎底殼的上面，能夠方便檢測(cè)，如圖5 所示。

圖5 汽車輪胎異物扎入智能警報(bào)裝置位置

2.3 具體實(shí)施方式

先在該裝置用螺釘固定在輪胎上部的車殼上，接通電源。在固定車殼時(shí)應(yīng)該選用與輪胎等寬的渦流傳感器和激光掃描傳感器，同時(shí)該傳感器共有4 對(duì)，分別對(duì)應(yīng)4 個(gè)輪胎；在該發(fā)明通電之后，該電流通到渦流傳感器與掃描激光傳感器中，這兩個(gè)傳感器會(huì)對(duì)輪胎表面進(jìn)行檢測(cè)，并且檢測(cè)范圍在輪胎兩側(cè)之內(nèi)。

當(dāng)有金屬異物刺入輪胎時(shí)，這個(gè)物體會(huì)在一個(gè)由渦流傳感器引起的磁場(chǎng)中進(jìn)行切割，并使導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生漩渦狀的感應(yīng)電流，由于該感應(yīng)電流，會(huì)使高頻電流的相位和幅度得到改變，而這個(gè)改變的電壓幅度變化，會(huì)經(jīng)過(guò)振蕩器、檢測(cè)電路、放大器進(jìn)行輸出給控制單元，由控制單元處理并傳遞信號(hào)給藍(lán)牙發(fā)射器發(fā)射信號(hào)，當(dāng)車內(nèi)的藍(lán)牙接受器接收信號(hào)之后會(huì)傳遞給控制單元2，通過(guò)控制裝置2 開啟聲音廣播，在這個(gè)時(shí)候，將播放：XX（被扎輪胎）輪胎有鐵制物品扎入，請(qǐng)注意安全。

當(dāng)激光傳感器檢測(cè)到扎入輪胎內(nèi)的異物的時(shí)候，會(huì)由該傳感器發(fā)射出一道激光并穿過(guò)內(nèi)置鏡片，通過(guò)光的漫反射的原理反射到半導(dǎo)體激光器，并產(chǎn)生電流到信號(hào)處理器[6]，再由電流信號(hào)處理器傳遞給控制單元，控制單元經(jīng)過(guò)計(jì)算傳遞給藍(lán)牙發(fā)射器發(fā)射信號(hào)，藍(lán)牙接收器接收到信號(hào)之后，發(fā)送給控制單元2，由控制單元2 打開語(yǔ)音播報(bào)器。此時(shí)，語(yǔ)音播報(bào)器將播放控制單元：XX（被扎的輪胎）輪胎有玻璃制品扎入，請(qǐng)注意安全。

3 結(jié)語(yǔ)

汽車在使用中，路面異物是引起輪胎破損的一個(gè)重要原因，為了避免由于異物扎入輪胎而影響其工作，引發(fā)爆胎后果。以汽車輪胎異物扎入為基礎(chǔ)的智能報(bào)警裝置，該裝置主要由線性掃描激光傳感器、電渦流傳感器、殼體、保護(hù)外殼、控制單元1、控制單元2、藍(lán)牙模塊、語(yǔ)音播報(bào)器等元件構(gòu)成。該智能報(bào)警裝置能夠檢測(cè)到金屬和非金屬異物，一旦發(fā)現(xiàn)異常，就會(huì)發(fā)出報(bào)警，處理速度快，有效地提升了行車的安全性。