基于壓電陶瓷的輪胎壓力檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、基于壓電陶瓷的輪胎壓力檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)　　摘要　　本文針對目前輪胎壓力檢測系統(tǒng)中電池容量有限、易污染環(huán)境、受溫度影響等問題，提出了用壓電陶瓷為輪胎壓力檢測系統(tǒng)提供能源的方法。制作了一種微型的壓電陶瓷發(fā)電裝置，設(shè)計(jì)了基于壓電陶瓷的輪胎壓力檢測系統(tǒng)的發(fā)射與接收模塊電路，發(fā)射模塊能源由壓電陶瓷發(fā)電裝置提供，接收模塊能源由車載直流電源提供。該發(fā)電裝置體積小重量輕，無需經(jīng)常更換電池，完全能滿足輪胎壓力檢測系統(tǒng)的發(fā)射模塊的能源要求?！　　娟P(guān)鍵詞】輪胎壓力壓電陶瓷發(fā)電發(fā)射　　汽車輪胎的壓力直接關(guān)系到汽車的安全與舒適性能，關(guān)系到駕乘人員的人身安全。胎壓不足而爆胎引發(fā)的安全事故時常見諸報端，

2、特別是高速公路上，據(jù)統(tǒng)計(jì)由爆胎引發(fā)的交通事故占高速公路事故總數(shù)的70%。避免爆胎最關(guān)鍵也是最有效的措施就是及時監(jiān)測胎壓，時刻保持在標(biāo)準(zhǔn)胎壓的范圍內(nèi)行駛。汽車輪胎壓力檢測系統(tǒng)目的就是實(shí)時地對胎壓進(jìn)行自動監(jiān)測，當(dāng)胎壓低于標(biāo)準(zhǔn)氣壓時及時報警，提醒駕駛員采取對應(yīng)措施，保障行車安全?！　∑囕喬毫z測系統(tǒng)主要有兩種類型：一種是間接式汽車輪胎壓力檢測系統(tǒng)，一種是直接式汽車輪胎壓力檢測系統(tǒng)。間接式汽車輪胎壓力檢測系統(tǒng)依賴于汽車制動防抱死系統(tǒng)中的輪速傳感器，根據(jù)不同輪胎中輪速傳感器傳遞過來的轉(zhuǎn)速信息來比較不同輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，當(dāng)不同輪胎之間的轉(zhuǎn)速差大于一定值時，說明其中某一個輪胎胎

3、壓不足，以此來實(shí)時監(jiān)測輪胎胎壓情況。這種間接式汽車輪胎壓力檢測系統(tǒng)基于汽車現(xiàn)成的輪速傳感器，簡單方便，但這種依賴于兩個輪速差的方法在某些情況可能失效，如同軸的兩個輪胎同時胎壓不足，或行駛在彎道時輪速差可能引起的誤報。直接式汽車輪胎壓力檢測系統(tǒng)基于每個輪胎中的胎壓傳感器直接檢測，可以監(jiān)測每個輪胎的實(shí)時胎壓，避免誤判。這種系統(tǒng)需要為輪胎中的發(fā)射模塊提供能源，目前一般使用鋰電池提供，而鋰電池電池容量有限需更換，其中的化學(xué)物質(zhì)易污染環(huán)境，而且鋰電池容量受溫度影響大。所以在持續(xù)長時間運(yùn)動及高溫等惡劣環(huán)境下工作的輪胎中，不使用鋰電池而又能獲得能源，成了人們的研究熱點(diǎn)?！　?壓電陶瓷

4、材料　　壓電陶瓷材料屬于一種智能材料，工作原理基于壓電效應(yīng)，當(dāng)壓電陶瓷端面受到外力作用時，兩端面會集聚電荷，產(chǎn)生電能。在不受外力作用時，壓電陶瓷內(nèi)部晶體的正負(fù)電荷中心相互重合，總電矩為零，晶體對外不顯極性。當(dāng)沿某一方向施加作用力時，由于變形，晶體中的正、負(fù)電荷重心分離，晶體總電矩不再為零，對外呈現(xiàn)極性，產(chǎn)生電荷。對于鋯鈦酸鉛型壓電陶瓷而言，一小塊的壓電陶瓷片即可產(chǎn)生大量的電荷。如圖1所示的壓電發(fā)電裝置，高壓生成部分由幾塊直徑為1cm、高0.4cm的壓電陶瓷組成。持續(xù)旋轉(zhuǎn)的偏心輪機(jī)構(gòu)持續(xù)為壓電陶瓷提供外力?；趬弘娦?yīng)，機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽蓧弘娞沾刹⒙?lián)輸出端輸出，輸出端經(jīng)

5、變壓器后點(diǎn)亮一個40W的燈泡。持續(xù)點(diǎn)亮燈泡30min后，輸出功率并無明顯的變化。近幾年，隨著壓電陶瓷技術(shù)的發(fā)展，利用壓電陶瓷制作的壓電發(fā)電裝置也越來越多，這些裝置大都具有無污染、結(jié)構(gòu)簡單、不發(fā)熱等特點(diǎn)，將壓電陶瓷這些特征應(yīng)用于在惡劣環(huán)境工作的輪胎中，不僅可以實(shí)現(xiàn)裝置的微小化與集成化，而且可以替換鋰電池，滿足輪胎壓力檢測系統(tǒng)中的能源需求?！　?壓電發(fā)電裝置及電路設(shè)計(jì)　　汽車輪胎的轉(zhuǎn)動特征類似于如圖1壓電發(fā)電裝置中偏心輪的持續(xù)轉(zhuǎn)動，偏心輪通過活塞給壓電陶瓷持續(xù)不斷的壓力類似于汽車輪胎中的持續(xù)轉(zhuǎn)動。汽車行進(jìn)過程也是對壓電陶瓷不斷擠壓的過程，這樣壓電陶瓷可以源源不斷地發(fā)電，安裝

6、于輪胎壓力檢測系統(tǒng)中，可以持續(xù)不斷地為壓力檢測模塊提供能源，保證輪胎壓力檢測系統(tǒng)時刻正常工作。利用壓電陶瓷的特性和輪胎的運(yùn)動特征，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于輪胎壓力檢測系統(tǒng)中的發(fā)電裝置，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示?！　D2中的接觸體與輪胎的承壓面接觸，輪胎在高速轉(zhuǎn)動過程中持續(xù)不斷地擠壓接觸體，進(jìn)而給壓電陶瓷片以持續(xù)的脈沖式壓力，這種壓力產(chǎn)生的電荷是瞬態(tài)的，無法直接轉(zhuǎn)換成可用的電能，需要有儲能電路對該電能進(jìn)行能量存儲，儲能電路如圖3所示，脈沖式壓力產(chǎn)生的電荷經(jīng)二極管流向充電電容，利用充電電容給發(fā)射模塊提供能量。　　輪胎壓力檢測系統(tǒng)的發(fā)射模塊如圖4所示。胎壓信號經(jīng)由輪胎中的壓力傳感器檢測后，

7、經(jīng)相關(guān)的除噪濾波模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入微處理器MCU進(jìn)行處理。設(shè)計(jì)中采用MC68HC908RF2作為發(fā)射模塊處理芯片，模塊處理芯片對檢測的溫度壓力信號進(jìn)行編碼后經(jīng)由RF發(fā)射進(jìn)行發(fā)射。發(fā)射頻率采用433MHz。壓電發(fā)電裝置提供發(fā)射模塊中的所有能源?！　≥喬毫z測系統(tǒng)的接收模塊如圖5所示。接收芯片選用MC33594，控制器選用MC68HC908GT8。RF接收器MC33594接收輪胎發(fā)射模塊發(fā)射來的溫度壓力信號，經(jīng)MC68HC908GT8微處理器處理后系統(tǒng)與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)胎壓值進(jìn)行比較，當(dāng)檢測的胎壓值出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)自動報警，駕駛員根據(jù)報警信息采取對應(yīng)