容栅传感器在汽车轮胎充气枪中的应用

[摘 要]：汽车轮胎的内压不足易造成汽车侧偏刚度变差，影响汽车操纵稳定性；内压过大在行驶中易造成爆胎，是许多交通事故的原因之一。因此，汽车轮胎充气时要测量内压。数显式汽车轮胎充气枪采用了容栅传感器和独特的结构，测量范围为0～1000 kPa，测量精度为1.25 kPa，满足了使用要求。实现了同步测 量和内压调节及充气和测量压力的数字显示。 关键词：轮胎内压；侧偏刚度；容栅传感器；充气测量 0 引 言 汽车操纵稳定性受侧偏刚度影响很大，汽车轮胎的充气压力不足是造成汽车侧偏刚度变差的原因之一。如果充气压力过大，在行驶中易造成爆胎，是很危险的。因此，轮胎充气时要测量内压，使各轮胎充气压力均匀且在标准范围内。现在常用的方法是在加气枪上装一个气压表，用来测量充气压力，这种装置的缺点是尺寸较大。如果采用压力传感器和位移传感器测量充气压力，对于这种工具类装置，显得过于昂贵，没有实用价值。本文研究的数显式汽车轮胎充气枪采用了较为简单的结构将压力转换为位移，并用低成本的容栅式传感装置和液晶显示装置，实现了对充气压力和胎内压力进行测量和调节，并对充气和测量压力用液晶数字显示。本装置具有体积小、造价低、使用方便的特点，有一定的应用价值。 1 数显式汽车轮胎充气枪的结构和原理 数显式汽车轮胎充气枪的结构简图和通气管路示意图如图l、图2所示。 工作原理是：进气接头通过进气管（图中未画出）气泵相连，压缩空气进入枪体手柄内部的管道。当操作者没有握动扳机时，活动阀在恢复弹簧的作用下，紧靠右边，刚好堵住进气口，活动阀处于关闭状态。当操作者握动扳机时，顶杆推动活动阀向右移动，进气口打开，活动阀处于导通状态，压缩空气通过枪体里的气道进入加气管，此时，如果与汽车轮胎连通，便可进行充气了。与此同时，枪管里的压缩空气也推动活塞向右移动，活塞右端的测压弹簧的弹簧力与相应的气体压力相平衡。活塞的位移反映了气体压强的大小。活塞移动时，与活塞连为一体的位移杆带动容栅动尺在定尺上滑动，产生电信号，经电路转换、放大、标定和液晶数显电路专用集成芯片在液晶数显窗上显示此时充气压力的大小。当气压显示接近要求时，松开扳机，活动阀在恢复弹簧的作用下向左移动，气源被切断，此时，液晶数显窗上显示轮胎内压力的大小。如果胎内压力不够，可握动扳机继续充气。如果胎内压力超过要求值，可松开扳机，按动放气阀将多余的气放掉，直到胎内压力符合要求为止。 2 充测气压与位移的转换关系 充测气压与位移的转换关系如图3所示。 式（3）即为充测气压p与位移s的关系式，可用来设计活塞、弹簧等零部件。还可用来设计容栅传感器的动尺和定尺及相关尺寸。 式（3）表明：当弹簧、活塞等参数一定时，位移s与充测气压P是线性关系。 3 容栅式位移传感系统的设计 3.1 容栅传感测量原理 本测量装置的传感系统由容栅传感器来完成。传感器由定尺和动尺组成。在定尺和动尺的相对面上分别印制（或刻划）一系列互相绝缘、等间隔的金属栅状极片。若将定尺和动尺的栅极面相对放置，其间充填电介质，就形成一对对并联连接的电容（即容栅）。根据电场理论并忽略边缘效府．其最大电容量为 式中N为动尺栅极片数；8为极板间介质的介电常数；ε为极板问的距离；a，b分别为栅极片宽度和高度。 当动尺平行于定尺不断移动时，每对电容的相对遮盖宽度a将由大到小、由小到大周期性变化，电容量值也随之周期性变化。经电路处理后，即可测得线性位移值。再使用液晶数显电路专用集成芯片直接显示测量结果。 3.2容栅测量信号处理 本设计将动尺连接在位移杆上，定尺固定在枪体内。动尺的长度可由用式（3）求出的位移确定，这个位移可通过改变弹簧参数来改变。定尺的长度与动尺相对应并考虑结构状况确定。发射极片宽度和高度根据结构并参考式（4）确定。气体压力的变化使动尺和定尺产生相对位移，电容量值发生相应变化，这一变化经电路处理、由液晶数显装置显示出气体压力的数值来。 4 数据的标定 根据汽车轮胎的内压要求，测量范围定为0～1000kPa，动尺位移设定为40mm，数显分辨力为0.01 mm，位移测量精度为0.05 mm，每毫米位移标定压力为25 kPa．压力测量精度为1.25 kPa，满足轮胎内压的测量要求。 5 结束语 本文所设计的数显式汽车轮胎充气枪，实现了数字化气压显示和充气、测量、调整同步进行，使用方便；未采用现有昂贵的压力传感器，采用了结构简单、体积小、造价低、耗能低、测量精度高的容栅式传感器；数显式汽车轮胎充气枪结构独特，设计新颖，使制造成本大为降低。我国已成为世界汽车生产和消费大国，汽车保有量数千万辆，因此，作为汽车随车工具的数显式汽车轮胎充气枪有广阔的市场应用前景。