CN104764546A - 基于磁纳米热图像的轮胎与路面间接触应力测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于磁纳米热图像的轮胎与路面间接触应力测试装置。用于道路应力测试领域。本装置包括应力感应板、外磁场激励系统和感应磁场测试系统。其中应力感应板由非铁磁性的金属材料制成，呈矩形板状，板的上表面焊接或粘敷有具有超顺磁性的磁纳米颗粒；外磁场激励系统对感应板施加恒定或交变磁场，感应磁场测试系统测量外磁场激励下的磁纳米颗粒的磁化强度。相对于传统的轮胎接地压力测量方法和装置，本发明的装置能够测试行驶状态下的轮胎接地压力，并直接反映轮胎与地面接触的应力分布情况，准确度高。

Description

基于磁纳米热图像的轮胎与路面间接触应力测试装置

技术领域

本发明应用于道路应力测试领域，涉及一种新的应力测试装置，特别适用于轮胎-路面接触表面应力分布的测试。

背景技术

交通运输业是我国社会经济发展的基础产业，随着我国经济的快速发展，交通载荷突出表现为交通量大，汽车载重增加，车速加快等特点，对路面结构安全性、耐久性、经济性等方面也提出了更高的要求。沥青路面设计荷载采用的是双圆垂直均匀分布的静荷载作为结构的外力荷载，路面设计运行状况与路面实际运行状况有很大差别，使得对道路实际的受力分布测试需求十分紧急。

传统的轮胎接地压力测量方法包括压力板法、压敏膜法、压力传感器法和光吸收法。这些测试方法或者准确度低，或者无法测试行驶状态下的轮胎接地压力，或者只能测试垂直地面的力，无法测试三向力，或者无法获得轮胎的接地印痕，而且多数方法兼具上述问题中的两到三个，而且上述方法均无法直接反映轮胎与地面接触的应力分布情况。

发明内容

本发明为解决轮胎-路面接触面接触应力测试这一技术问题，提出一种基于磁纳米热图像的轮胎与路面间接触应力测试装置，适用于胎-路接触面应力的动态测试，测试结果更加准确。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种基于磁纳米热图像的轮胎与路面间接触应力测试装置，包括应力感应板、外磁场激励系统和感应磁场测试系统；应力感应板为非铁磁性金属材料制成的均匀矩形薄板；其特征在于，在应力感应板上表面设置有具有超顺磁性的磁纳米颗粒层；外磁场激励系统由两个竖直方向平行间隔设置的圆形亥姆霍兹线圈以及与亥姆霍兹线圈配套的控制电路系统组成，两个亥姆霍兹线圈之间水平设置所述应力感应板，应力感应板所在矩形薄板水平面与各亥姆霍兹线圈所在竖直方向平面垂直；其特征在于：亥姆霍兹线圈的半径等于应力感应板所在矩形薄板长边的长度；感应磁场测试系统由一组磁阻传感器及相应控制电路组成，磁阻传感器置3于应力感应板下表面，在磁纳米颗粒层的对应位置放置。

上述技术方案中，磁纳米颗粒层在应力感应板上表面上呈非连续的矩阵分布。

上述技术方案中，应力感应板为铝合金板；在铝合金板上表面焊接或粘敷有具有超顺特性的磁纳米颗粒层。

上述技术方案中，应力感应板放置在两个亥姆霍兹线圈的水平直径位置。

上述技术方案中，该轮胎与路面间接触应力测试装置的应力检测过程如下：

第一步，当车辆通过测试装置时，由车辆通过轮胎对应力感应板施加向下的外力，感应板的内部以及感应板与轮胎接触面上均产生非均匀分布的应力；根据金属材料的热弹效应，应力感应板的应力变化会导致应力感应板的温度分布变化；而该温度分布变化同时传递到磁纳米颗粒层上；

在车辆通过测试装置的同时，通过控制电路系统使亥姆霍兹线圈产生恒定或交变磁场，从而在应力感应板上固定的磁纳米颗粒层中产生外激励场；同时，利用磁阻传感器捕获车辆通过应力感应板时该磁纳米颗粒层上的磁化强度变化；

第二步，磁阻传感器捕获的磁化强度变化结果传回控制器，由控制器计算对应位置磁纳米颗粒层的磁化率，并根据朗之万定律，自动计算获取磁纳米颗粒层对应的应力感应板的温度分布；

第三步，由第二步获得的温度分布，控制器根据金属热弹效应关系计算得到应力感应板上的应力分布。

具体检测原理如下：当汽车载荷通过轮胎施加到应力感应板上时，感应板上会产生相应的应力分布。根据金属材料的热弹效应，感应板上的应力变化会导致感应板上的温度分布发生变化，应力变化量和温度的关系可以表示为：

$\mathrm{\ΔT}=-T\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\ρ}{c}_p}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{kk}}---\left(1\right)$

其中，ΔT为应力变化导致的温度变化，T为材料的绝对温度，α为材料的导热系数，ρ为材料的密度，c_p为材料在温度T下的比热容，Δσ_kk为主应力的变化量。

温度变化同时会发生在感应板上的磁纳米颗粒材料中，根据朗之万函数，温度变化会导致磁纳米材料的磁化率发生改变，磁化强度与温度的关系可以表示为：

M＝NM_sL(x)    (2)

其中，

$x=\frac{M_{s}H}{\mathrm{kT}}---\left(3\right)$

M为磁化强度，N为测试区域包含的磁纳米粒子数，M_s为单个磁纳米粒子的有效饱和磁矩，H为外加激励磁场的磁场强度，x为朗之万变量，L(x)称为朗之万函数，其表达式为：

$L\left(x\right)=\coth \left(x\right)-\frac{1}{x}---\left(4\right)$

另外，在外加激励磁场下，磁纳米粒子的磁化率χ可以表述为：

$\mathrm{\χ}=\frac{M}{H}---\left(5\right)$

所述外磁场激励系统，由亥姆霍兹线圈，以及控制电路系统组成。所述感应板放置于亥姆霍兹线圈的中间。通过电路控制，亥姆霍兹线圈产生恒定或交变磁场，从而在感应板的磁纳米颗粒材料中产生激励场。

所述感应磁场测试系统由一组磁阻传感器及其控制电路组成，磁阻传感器置于感应板下表面，在磁纳米颗粒的对应位置放置。通过磁阻传感器测试磁纳米颗粒材料的磁化强度，然后计算出磁纳米材料的磁化率。

结合公式(1)～公式(5)，进而可以计算出感应板中应力变化的分布情况。

相对于传统的轮胎接地压力测量方法和装置，本发明的装置基于热弹效应和磁纳米热图像原理，能够测试行驶状态下的轮胎接地压力，并直接反映轮胎与地面接触的应力分布情况，准确度高。

附图说明

如图1所示为根据本发明实施的基于磁纳米热图像的轮胎与路面间接触应力测试装置的一个具体实施例结构示意图。

图中附图标记对应如下：1、亥姆霍兹线圈；2、磁纳米颗粒层；3、应力感应板；4、磁阻传感器；5、支撑底座。

具体实施方式

如图1所示，根据本发明实施的基于磁纳米热图像的轮胎与路面间接触应力测试装置，包括应力感应板3、外磁场激励系统，和感应磁场测试系统。

应力感应板3为非铁磁性金属材料制成的均匀矩形薄板；其特征在于，在应力感应板3上表面设置有具有超顺磁性的磁纳米颗粒层2；外磁场激励系统由两个竖直方向平行间隔设置的同轴圆形亥姆霍兹线圈1、以及与亥姆霍兹线圈1配套的控制电路系统组成，两个亥姆霍兹线圈1竖直设置在支撑底座5上且两亥姆霍兹线圈1之间的间距等于各自线圈半径；两个亥姆霍兹线圈1之间悬空水平设置所述应力感应板2，应力感应板3所在矩形薄板水平面与各亥姆霍兹线圈所在竖直方向平面垂直；其特征在于：亥姆霍兹线圈1的半径等于应力感应板3所在矩形薄板长边的长度，从而保证两个载流线圈亥姆霍兹线圈1的总磁场在轴的中点附近的最大范围内是均匀的；感应磁场测试系统由一组磁阻传感器4及相应控制电路组成，磁阻传感器置4于应力感应板3下表面，在磁纳米颗粒层2的对应位置放置；各传感器和控制电路与控制器(计算机)连接。

上述技术方案中，磁纳米颗粒层2在应力感应板3上表面上呈非连续的矩阵分布，如图1中，按行和列均匀排列的点阵式分布。

上述技术方案中，应力感应板3为铝合金板；在铝合金板上表面焊接或粘敷有具有超顺特性的磁纳米颗粒层2。

上述技术方案中，应力感应板3放置在两个亥姆霍兹线圈1的水平直径位置。

上述轮胎与路面间接触应力测试装置检测原理如下：

该轮胎与路面间接触应力测试装置的应力检测过程和原理如下：

第一步，当车辆通过测试装置时，由车辆通过轮胎对应力感应板3施加向下的外力，感应板的内部以及感应板与轮胎接触面上均产生非均匀分布的应力；根据金属材料的热弹效应，应力感应板3的应力变化会导致应力感应板3的温度分布变化；而该温度分布变化同时传递到磁纳米颗粒层2上；

在车辆通过测试装置的同时，通过控制电路系统使亥姆霍兹线圈1产生恒定或交变磁场，从而在应力感应板3上固定的磁纳米颗粒层2中产生外激励激励场；同时，利用磁阻传感器4捕获车辆通过应力感应板3时该磁纳米颗粒2上的磁化强度变化；

第二步，磁化强度变化结果传回控制器，由控制器计算对应位置磁纳米颗粒层2的磁化率，并根据朗之万定律，自动计算获取对应的应力感应板3的温度分布；

第三步，由第二步获得的温度分布，控制器根据金属热弹效应关系计算得到应力感应板3上的应力分布。

当汽车车轮通过应力感应板3的上表面时，车轮的力直接作用在应力感应板3上，应力感应板3上会产生相应的应力分布，根据金属材料的热弹效应，应力感应板3上的应力变化会导致应力感应板3上的温度分布发生变化，应力变化量和温度的关系可以表示为：

$\mathrm{\ΔT}=-T\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\ρ}{c}_p}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{kk}}---\left(1\right)$

其中，ΔT为应力变化导致的温度变化，T为应力感应板3材料的绝对温度，α为应力感应板3材料的导热系数，ρ为应力感应板3材料的密度，c_p为应力感应板3材料在温度T下的比热容，Δσ_kk为主应力的变化量。

温度变化同时会发生在应力感应板3上的磁纳米颗粒层2的磁纳米颗粒材料中，根据朗之万函数，温度变化会导致磁纳米颗粒材料的磁化率发生改变，磁化强度与温度的关系可以表示为：

M＝NM_sL(x)    (2)

其中，

$x=\frac{M_{s}H}{\mathrm{kT}}---\left(3\right)$

M为磁化强度，N为测试区域包含的磁纳米粒子数，M_s为单个磁纳米粒子的有效饱和磁矩，H为外加激励磁场的磁场强度，x为朗之万变量，L(x)为朗之万函数，其表达式为：

$L\left(x\right)=\coth \left(x\right)-\frac{1}{x}---\left(4\right)$

另外，在外加激励磁场下，磁纳米粒子的磁化率χ可以表述为

$\mathrm{\χ}=\frac{M}{H}---\left(5\right)$

再结合公式(1)～公式(5)，由于应力感应板3与磁纳米颗粒层2受力一致，进而可以计算出应力感应板3中应力变化的分布情况。相对于传统的轮胎接地压力测量方法和装置，本发明的装置基于热弹效应和磁纳米热图像原理，能够测试行驶状态下的轮胎接地压力，并直接反映轮胎与地面接触的应力分布情况，准确度高。

Claims (5)

1.一种基于磁纳米热图像的轮胎与路面间接触应力测试装置，包括应力感应板、外磁场激励系统和感应磁场测试系统；应力感应板为非铁磁性金属材料制成的均匀矩形薄板；其特征在于：在应力感应板上表面设置有具有超顺磁性的磁纳米颗粒层；外磁场激励系统由两个竖直方向平行间隔设置的圆形亥姆霍兹线圈以及与亥姆霍兹线圈配套的控制电路系统组成，两个亥姆霍兹线圈之间水平设置所述应力感应板，应力感应板所在矩形薄板水平面与各亥姆霍兹线圈所在竖直方向平面垂直；其特征在于：亥姆霍兹线圈的半径等于应力感应板所在矩形薄板长边的长度；感应磁场测试系统由一组磁阻传感器及相应控制电路组成，磁阻传感器置于应力感应板下表面，在磁纳米颗粒层的对应位置放置。

2.根据权利要求1所述的基于磁纳米热图像的轮胎与路面间接触应力测试装置，其特征在于：磁纳米颗粒层在应力感应板上表面上呈非连续的矩阵分布。

3.根据权利要求1或2所述的基于磁纳米热图像的轮胎与路面间接触应力测试装置，其特征在于：应力感应板为铝合金板；在铝合金板上表面焊接或粘敷有具有超顺特性的磁纳米颗粒层。

4.根据权利要求1所述的基于磁纳米热图像的轮胎与路面间接触应力测试装置，其特征在于：应力感应板放置在两个亥姆霍兹线圈的水平直径位置。

5.根据权利要求1所述的基于磁纳米热图像的轮胎与路面间接触应力测试装置，其特征在于：该装置的应力检测过程如下：

第一步，当车辆通过测试装置时，由车辆通过轮胎对应力感应板施加向下的外力，感应板的内部以及感应板与轮胎接触面上均产生非均匀分布的应力；根据金属材料的热弹效应，应力感应板的应力变化会导致应力感应板的温度分布变化；而该温度分布变化同时传递到磁纳米颗粒层上；

在车辆通过测试装置的同时，通过控制电路系统使亥姆霍兹线圈产生恒定或交变磁场，从而在应力感应板上固定的磁纳米颗粒层中产生外激励场；同时，利用磁阻传感器捕获车辆通过应力感应板时该磁纳米颗粒上的磁化强度变化；

第二步，磁阻传感器捕获的磁化强度变化结果传回控制器，由控制器计算对应位置磁纳米颗粒层的磁化率，并根据朗之万定律，自动计算获取对应的应力感应板的温度分布；

第三步，由第二步获得的温度分布，控制器根据金属热弹效应关系计算得到应力感应板上的应力分布。