CN100510615C - 基于导向波的盘式制动器摩擦片磨损程度检测系统 - Google Patents
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Abstract
一种测试工程技术领域的基于导向波的盘式制动器摩擦片磨损程度检测系统，包括：入射信号的产生和放大模块、传感器路径模块、导向波信号的接收模块、导向波信号的处理与波速计算模块、决策模块，入射信号的产生和放大模块负责产生激励波，将激励波放大后发射到传感器路径模块，并在传感器路径模块的制动器摩擦片中激励出导向波，并将导向波传输给导向波信号的接收模块，导向波信号的接收模块将导向波模拟信号数字化，导向波信号的处理与波速计算模块获取导向波信号特征以及实际传播速度，决策模块利用存储在决策模块的导向波频散曲线和特征数据库，得出摩擦片实际厚度和健康性。本发明实时掌握制动器摩擦片的工作状况，提高了汽车行驶的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种测试工程技术领域的系统，具体是一种基于导向波的盘式制动器摩擦片磨损程度检测系统。
背景技术
随着汽车制造技术的迅速发展和人们生活水平的不断提高，汽车逐渐成为人们日常生活中常用的代步工具。但是，随之而来的则是交通安全的问题。汽车各零部件都在一定程度上影响了汽车的性能及安全性。汽车制动器摩擦片是其中一个关键部件，它对汽车的安全行驶有着极其重要的作用。如果不能及时检测出汽车制动器摩擦片的磨损程度以及存在的损伤，将对汽车行驶安全造成很大的潜在威胁。因此，汽车制动器摩擦片磨损程度成为汽车安全行驶的一个重要环节。目前关于盘式制动器摩擦片的发明主要集中于结构设计和摩擦材料方面，针对摩擦片磨损程度的检测系统则相对较少。
导向波是一种可以在板壳结构中传播的超声波，它的重要内在特性是其频散特性，即当导向波在板壳结构中传播时，导向波的能量会在时间和空间域展开，同时，在某一频率激励波的激励下，导向波在板壳结构中的传播速度随着板壳结构厚度的改变而变化(I.A.Viktorov，《瑞利波和兰姆波》，纽约，Plenum出版社，1967)。导向波已经广泛应用于板壳结构的损伤检测，但在制动器摩擦片磨损程度检测方面还没有提及；同时，导向波本身固有的频散特性在一定程度上限制了它的应用。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号：200510020329.5，公开号：CN1670395，名称为“摩擦片、摩擦块及摩擦片磨损极限报警系统”，公开了一种摩擦片，用于刹车时与制动鼓或制动盘配合。该发明提出的系统包括摩擦片本体，还包括导电物，导电物至少部分固设于摩擦片本体内，一端通过信号线发送信号，所述导电物导电的外表面为导电面，摩擦片本体面向制动鼓或制动盘的外表面与所述导电面之间至少有一层绝缘层。当摩擦片达到磨损极限时，摩擦片发送信号到信号处理装置，信号处理装置处理后进行磨损极限的报警。该发明的不足在于：1)在摩擦片磨损到临界程度前，司机无法实时掌握摩擦片当前的磨损程度；2)当摩擦片出现损伤(例如裂纹)的情况下，该系统则有局限性，因为诸如裂纹之类的损伤并没有使摩擦片达到其极限厚度，但有可能引起制动器摩擦片的突然断裂。如果不能及时检测到这些隐藏在制动器刹车片内部的损伤，就有影响汽车行驶的安全性。
发明内容
本发明针对上述现有技术中的不足，提出了一种基于导向波的盘式制动器摩擦片磨损程度检测系统，使其使用导向波激励器在摩擦片中激励出导向波，另外导向波信号接收器接收在摩擦片中传播的导向波信号，利用波的传播时间和导向波激励器与导向波信号接收器的距离得到导向波的在摩擦片中的实际传播速度，从而获得摩擦片的厚度，也即磨损程度，所接收导向波信号的畸变特征被用于检测摩擦片中是否有损伤存在。
本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括：入射信号的产生和放大模块、传感器路径模块、导向波信号的接收模块、导向波信号的处理与波速计算模块、决策模块，其中：入射信号的产生和放大模块负责产生激励波，并将激励波放大后发射到传感器路径模块；传感器路径模块接收入射信号的产生和放大模块发射的激励波，在制动器摩擦片中激励出导向波，并将导向波的模拟信号传输给导向波信号的接收模块；导向波信号的接收模块接收由传感器路径模块激励出的导向波，将导向波模拟信号数字化，并将数字化的导向波传输给导向波信号的处理与波速计算模块；导向波信号的处理与波速计算模块接收由导向波信号的接收模块传输的数字化的导向波信号，获取导向波信号特征，计算导向波的在当前制动器摩擦片中的实际传播速度，并将实际传输速度和导向波信号特征传输到决策模块；决策模块接收来自于导向波信号的处理与计算模块的导向波实际传播速度和导向波信号特征，利用存储在决策模块的导向波频散曲线和特征数据库，确定摩擦片的磨损程度以及摩擦片中是否有损伤存在。
所述入射信号的产生和放大模块，包括单通道任意信号发生器和压电晶片传感信号放大器，单通道任意信号发生器产生激励波信号，并将激励波信号传送给压电晶片传感器信号放大器，压电晶片传感信号放大器将信号发生器所产生激励波的信号进行放大。
所述传感器路径模块，包括导向波激励器和导向波信号接收器，导向波激励器安装在制动器摩擦片非工作面的一端，导向波激励器输入端与入射信号的产生和放大模块中的压电晶片传感信号放大器相连，导向波信号接收器安装在制动器摩擦片非工作面的另一端，导向波激励器将来自于压电晶片传感器信号放大器的激励波入射到制动器摩擦片，从而在制动器摩擦片中产生导向波，当导向波传输到导向波信号接收器时，在导向波信号接收器上产生与在制动器摩擦片中传播的导向波信号同步的模拟信号，该模拟信号为电压信号。
所述导向波激励器和导向波信号接收器，均为压电晶片传感器。
所述导向波信号的处理与波速计算模块，将从导向波信号的接收模块数字化的数字信号进行滤波，然后利用希尔波特变换获得数字化的导向波信号的包络，从而获取导向波信号峰值的到达时间和导向波信号峰值的大小；计算数字化的导向波信号的波峰到达时间与激励波通过导向波激励器入射到制动器摩擦片时刻的时间差，该时间差即为导向波在制动器摩擦片中传播的时间，将导向波激励器和导向波信号接收器之间的直线距离除以导向波在制动器摩擦片中传播的时间，得到导向波在制动器摩擦片中传播的实际速度，导向波的实际传播速度和导向波信号的峰值大小作为导向波信号的处理与波速计算模块的提取特征被储存，并将该特征传输给决策模块。
所述决策模块，将导向波信号的处理与波速计算模块获取的导向波实际传播速度与存储在决策模块的导向波频散曲线和特征数据库信息相比较，获得当前制动摩擦片的实际厚度以及是否有裂纹和腐蚀损伤，并将制动器摩擦片磨损程度和健康状态的结果通过汽车数字仪表显示给司机。
本发明工作时，单通道任意信号发生器将输入其中的数字化的激励波信号模拟化，然后将模拟化后的激励波信号输出到压电晶片传感信号放大器，压电晶片传感信号放大器将模拟化的激励波信号放大，使之满足激励信号电压幅值的要求，被放大后的模拟信号被入射到导向波激励器，导向波激励器在制动器摩擦片中激励出导向波，当导向波传输到导向波信号接收器时，第一个导向波信息包信号被导向波信号接收器接收，利用导向波信号接收器本身的压电效应，产生导向波的模拟电压信号，然后将第一个导向波信息包信号传输到导向波信号接收模块，导向波信号接收模块将波信息进行模/数转换，即将模拟信号数字化，被数字化后的导向波信号被传送到导向波信号的处理与波速计算模块，通过小波变换与希尔波特(Hilbert)变换，精确获得第一个导向波信息包从被导向波激励器激励到传输至导向波信号接收器的传输时间，并用导向波激励器与信号接收器之间的距离除以传输时间，计算得出导向波的实际传播速度，同时，将第一个导向波信息包的波峰值与激励波的波峰值进行比较，获得波的畸变程度，导向波信号的处理与波速计算模块获得的波的实际传播速度和畸变程度被输入到决策模块，通过与预先植入到决策模块内部的频散曲线和波峰衰减程度的比较，确定摩擦片的磨损程度以及摩擦片中是否有损伤存在，最终结果将被送到汽车仪表盘，为司机在汽车维护和保养方面提供参考。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明将导向波激励器和导向波信号接收器嵌入于制动器摩擦片的表面，同时应用具有超声频率的导向波，因此对现有制动器刹车片的结构勿需改装；(2)本发明中导向波信号的激励波可以根据需要随时发送，因此可以实时检测制动器摩擦片的磨损程度，从而使用户及时了解汽车制动器摩擦片的磨损状况，根据个人需要进行汽车维护；(3)本发明基于导向波的盘式制动器摩擦片磨损程度检测系统具有摩擦片损伤实时检测功能，因此可以在摩擦片达到磨损极限之前检测出隐藏在摩擦片内部的诸如裂纹和腐蚀等损伤，避免制动器摩擦片由于内在损伤出现突然断裂，从而提高了汽车行驶的安全性；(4)本发明可以检测到的制动器摩擦片的极限厚度为1.2mm，小于常见汽车制动器摩擦片的极限厚度1.5mm，因此可以有效应用于汽车制动系统。
附图说明：
图1是本发明系统的结构框图；
图2是本发明的入射信号的发生和放大模块的结构框图；
图3是本发明实施例中制动盘和制动器摩擦片的结构示意图；
图4是本发明的传感器路径模块结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：入射信号的产生和放大模块、传感器路径模块、导向波信号的接收模块、导向波信号的处理与波速计算模块、决策模块，其中：入射信号的产生和放大模块负责产生在制动器摩擦片中激励导向波的激励波，并将激励波发射到传感器路径模块；传感器路径模块接收入射信号的产生和放大模块发射的激励波，在制动器摩擦片中激励出导向波，并将导向波的模拟信号传输给导向波信号的接收模块接收；导向波信号的接收模块接收由传感器路径模块激励出的导向波，将导向波模拟信号数字化，并将数字化的导向波传输给导向波信号的处理与波速计算模块；导向波信号的处理与波速计算模块接收由导向波信号的接收模块传输的数字化的导向波信号，获取导向波信号特征，计算导向波的在当前制动器摩擦片中的实际传播速度，并将实际传输速度和导向波信号特征传输到决策模块；决策模块接收来自于导向波信号的处理与计算模块的导向波实际传播速度和导向波信号特征，利用存储在决策模块的导向波频散曲线和特征数据库，得出摩擦片的磨损程度以及摩擦片中是否有损伤存在。
如图2所示，所述入射信号的产生和放大模块，包括单通道任意信号发生器和压电晶片传感信号放大器，单通道任意信号发生器产生激励波信号，并将激励波信号传送给压电晶片传感器信号放大器，压电晶片传感信号放大器将信号发生器所产生激励波的信号进行放大。
如图4所示，所述传感器路径模块，包括导向波激励器5和导向波信号接收器6，导向波激励器5安装在制动器摩擦片1非工作面3的一端，导向波激励器5输入端与入射信号的产生和放大模块中的压电晶片传感信号放大器相连，导向波信号接收器6安装在制动器摩擦片1非工作面3的另一端，导向波激励器5将来自于压电晶片传感器信号放大器的激励波入射到制动器摩擦片1，从而在制动器摩擦片1中产生导向波，当导向波传输到导向波信号接收器6时，在导向波信号接收器6上产生与在制动器摩擦片1中传播的导向波信号同步的模拟信号，该模拟信号为电压信号。
所述导向波激励器和导向波信号接收器，均为压电晶片传感器。
所述导向波信号的处理与波速计算模块，将从导向波信号的接收模块数字化的数字信号进行滤波，然后利用希尔波特变换获得数字化的导向波信号的包络，从而获取导向波信号峰值的到达时间和导向波信号峰值的大小；计算数字化的导向波信号的波峰到达时间与激励波通过导向波激励器入射到制动器摩擦片时刻的时间差，该时间差即为导向波在制动器摩擦片中传播的时间，将导向波激励器和导向波信号接收器之间的直线距离除以导向波在制动器摩擦片中传播的时间，得到导向波在制动器摩擦片中传播的实际速度，导向波的实际传播速度和导向波信号的峰值大小作为导向波信号的处理与波速计算模块的提取特征被储存，并将该特征传输给决策模块。
所述决策模块，将导向波信号的处理与波速计算模块获取波的实际传播速度与存储在决策模块的导向波频散曲线和特征数据库信息相比较，获得当前制动摩擦片的实际厚度以及是否有裂纹和腐蚀损伤，并将制动器摩擦片磨损程度和健康状态的结果通过汽车数字仪表显示给司机。
本实施例工作时，如图3所示，制动器摩擦片1设置于制动盘4两侧，制动器摩擦片1的工作面2与制动盘4相接触，如图2所示，单通道任意信号发生器将输入其中的数字化的激励波信号模拟化，激励波信号采用具有有限周期数正弦波的调幅脉冲，周期数为3.5周和5周，调幅窗函数采用汉宁窗，激励波信号的频率一般为30kHz～300kHz，然后单通道任意信号发生器将模拟化后的激励波信号输出到压电晶片传感信号放大器，压电晶片传感信号放大器将模拟化的激励波信号放大，使之满足激励信号电压幅值的要求，被放大后的模拟信号被入射到导向波激励器，导向波激励器在制动器摩擦片中激励出导向波，当导向波传输到导向波信号接收器时，第一个导向波信息包信号被导向波信号接收器接收，利用导向波信号接收器本身的压电效应，产生导向波的模拟电压信号，然后将第一个导向波信息包信号传输到导向波信号接收模块，导向波信号接收模块将波信息进行模/数转换，即将模拟信号数字化，被数字化后的导向波信号被传送到导向波信号的处理与波速计算模块，通过小波变换与希尔波特(Hilbert)变换，精确获得第一个导向波信息包从被导向波激励器激励到传输至导向波信号接收器的传输时间，并用导向波激励器与信号接收器之间的距离除以传输时间，计算得出导向波的实际传播速度，当用200kHz的激励波信号激励时，会在制动器摩擦片中产生频率为200kHz的导向波，对于一个未使用过的制动器摩擦片，导向波在其中传播的速度为5200m/s，而一段时间磨损后，导向波在其中的传播速度为5900m/s；同时，将第一个导向波信息包的波峰值与无损伤时导向波的峰值进行比较，首先通过归一处理将获取的导向波信号标准化，即把第一个导向波信息包的峰值除以激励波的峰值，当制动器摩擦片不存在损伤时，第一个导向波信息包的波峰值为0.7，当摩擦片中存在的裂纹损伤深度为2mm时，第一个导向波信息包的波峰值为0.5，而且其峰值随着损伤程度的扩大而降低，获得第一个导向波信息包的畸变程度；从导向波信号的处理与波速计算模块中所获取的导向波的实际传播速度和畸变程度被输入到决策模块，通过与预先植入到决策模块内部的200kHz激励下的制动器摩擦片材料离散化的频散曲线，和200kHz激励下损伤程度与第一个导向波信息包幅值的衰减曲线相比较，获取制动器摩擦片磨损程度，导向波传播速度由5200m/s变为5900m/s时，磨损程度约为20％，第一个导向波信息包的波峰值小于0.65时说明摩擦片中有裂纹或腐蚀等损伤存在，最终结果将被送到汽车仪表盘，为司机在汽车维护和保养方面提供参考。
本实例利用导向波原理进行摩擦片磨损程度和健康状况检测，可以保证司机能实时掌握汽车关键部件制动器摩擦片的工作状况，从而避免意外事故的发生，提高了汽车行驶的安全性。本实施例可以检测到的制动器摩擦片的极限厚度为1.2mm，小于常见汽车制动器摩擦片的极限厚度1.5mm，因此可以有效应用于汽车制动系统。
Claims (6)
1、一种基于导向波的盘式制动器摩擦片磨损程度检测系统，其特征在于，包括：入射信号的产生和放大模块、传感器路径模块、导向波信号的接收模块、导向波信号的处理与波速计算模块、决策模块，其中：
入射信号的产生和放大模块负责产生激励波，并将激励波放大后发射到传感器路径模块；
传感器路径模块接收入射信号的产生和放大模块发射的激励波，在制动器摩擦片中激励出导向波，并将导向波的模拟信号传输给导向波信号的接收模块；
导向波信号的接收模块接收由传感器路径模块激励出的导向波的模拟信号，将导向波模拟信号数字化，并将数字化的导向波传输给导向波信号的处理与波速计算模块；
导向波信号的处理与波速计算模块接收由导向波信号的接收模块传输的数字化的导向波信号，获取导向波信号特征，计算导向波的在当前制动器摩擦片中的实际传播速度，并将实际传输速度和导向波信号特征传输到决策模块；
决策模块接收来自于导向波信号的处理与计算模块的导向波实际传播速度和导向波信号特征，利用存储在决策模块的导向波频散曲线和特征数据库，得出摩擦片的实际厚度并确定摩擦片中是否有损伤存在。
2、根据权利要求1所述的基于导向波的盘式制动器摩擦片磨损程度检测系统，其特征是，所述入射信号的产生和放大模块，包括单通道任意信号发生器和压电晶片传感信号放大器，单通道任意信号发生器产生激励波信号，并将激励波信号传送给压电晶片传感器信号放大器，压电晶片传感信号放大器将信号发生器所产生激励波的信号进行放大。
3、根据权利要求1所述的基于导向波的盘式制动器摩擦片磨损程度检测系统，其特征是，所述传感器路径模块，包括导向波激励器和导向波信号接收器，导向波激励器安装在制动器摩擦片非工作面的一端，导向波激励器输入端与入射信号的产生和放大模块中的压电晶片传感信号放大器相连，导向波信号接收器安装在制动器摩擦片非工作面的另一端，导向波激励器将来自于压电晶片传感器信号放大器的激励波入射到制动器摩擦片，从而在制动器摩擦片中产生导向波，当导向波传输到导向波信号接收器时，在导向波信号接收器上产生与在制动器摩擦片中传播的导向波信号同步的模拟信号，该模拟信号为电压信号。
4、根据权利要求3所述的基于导向波的盘式制动器摩擦片磨损程度检测系统，其特征是，所述导向波激励器和导向波信号接收器，均为压电晶片传感器。
5、根据权利要求3所述的基于导向波的盘式制动器摩擦片磨损程度检测系统，其特征是，所述导向波信号的处理与波速计算模块，将从导向波信号的接收模块数字化的数字信号进行滤波，然后利用希尔波特变换获得数字化的导向波信号的包络，从而获取导向波信号峰值的到达时间和导向波信号峰值的大小，计算数字化的导向波信号的波峰到达时间与激励波通过导向波激励器入射到制动器摩擦片时刻的时间差，该时间差即为导向波在制动器摩擦片中传播的时间，将导向波激励器和导向波信号接收器之间的直线距离除以导向波在制动器摩擦片中传播的时间，得到导向波在制动器摩擦片中传播的实际速度，导向波的实际传播速度和导向波信号的峰值大小作为导向波信号的处理与波速计算模块的提取特征被储存，并将该特征传输给决策模块。
6、根据权利要求1所述的基于导向波的盘式制动器摩擦片磨损程度检测系统，其特征是，所述决策模块，将导向波信号的处理与波速计算模块获取的导向波实际传播速度与存储在决策模块的导向波频散曲线和特征数据库信息相比较，获得当前制动摩擦片的实际厚度以及是否有裂纹和腐蚀损伤，并将制动器摩擦片磨损程度和健康状态的结果通过汽车数字仪表显示给司机。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: LUCAS VARITY LANGZHONG BRAKE CO.,LTD. Free format text: FORMER OWNER: SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY Effective date: 20100809 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 200240 NO.800, DONGCHUAN ROAD, MINXING DISTRICT, SHANGHAI CITY TO: 065001 NO.16, XIANGYUNDAO, LANGFANG ECONOMIC AND TECHNOLOGICAL DEVELOPMENT ZONE, HEBEI PROVINCE |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20100809 Address after: 065001 No. 16 Xiangyun Road, Langfang economic and Technological Development Zone, Hebei Patentee after: LUCAS VARITY LANGZHONG BRAKE Co.,Ltd. Address before: 200240 Dongchuan Road, Shanghai, No. 800, No. Patentee before: Shanghai Jiao Tong University |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090708 |
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