CN117147019A - 一种柔性薄膜压力传感器及车辆制动的压力检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性薄膜压力传感器及车辆制动的压力检测装置，该柔性薄膜压力传感器包括：基片和设置在所述基片上部的电阻电路；所述基片呈环状或条状，与制动卡钳活塞面积和形状相关，以保证环状或条状基片的压阻敏感区完全接触压力面；所述基片采用柔性材料制成；所述电阻电路由碳纳米材料制成。该柔性薄膜压力传感器，具有贴接力强、易弯折耐用、灵敏度高、功耗低、响应速度快、易于集成、检测范围宽、稳定性好、抗干扰等优点。另外，运行检测时，可以实现直接检测准确的制动衬片刹车压力、刹车起止时间，有助于判定制动衬片真实工作情况。

Description

一种柔性薄膜压力传感器及车辆制动的压力检测装置

技术领域

本发明涉及工业控制和电子产品技术领域，主要用于汽车底盘制动系统，更具体的说是涉及一种柔性薄膜压力传感器及车辆制动的压力检测装置。

背景技术

目前，汽车制动器是由制动卡钳、制动盘(刹车盘)或制动鼓(刹车鼓)、制动衬片(刹车片)、制动分泵、ABS(分压器防抱死系统)、制动管等组成。其中，制动衬片(刹车片)分为盘式衬片(盘式刹车片)和鼓式衬片(鼓式刹车片)两种。

盘式衬片(盘式刹车片)是由摩擦面料、钢制背板、防噪音板、磨损报警器组成，如图1所示。鼓式衬片(鼓式刹车片)是由摩擦面料和蹄铁组成，如图2所示。

汽车在制动过程中，是由制动总泵给制动分泵压力，由分泵给制动卡钳活塞压力，制动卡钳活塞受力夹紧，使制动卡钳内制动衬片(刹车片)夹紧制动盘(刹车盘)产生制动摩擦，根据摩擦力大小和运行速度变化，达到减速和停止。

但是，现有汽车底盘制动系统对刹车片刹车压力是无法检测的，比如针对事故判定，难以确定其夹紧力、刹车力是具体多少数值，而只能参考地面的刹车痕迹、轮胎磨损、刹车距离；但无法得知什么时间开始刹车、刹车力度是多少，踩刹车时长等数据，也无法得知是采取了点刹、急刹还是其他方式。

目前虽然能通过电子液压系统制动分泵压力传感器间接检测，作为参考值使用，但所得到制动刹车压力不准确，无法检测制动衬片(刹车片)刹车过程真实数据，无法判定制动衬片(刹车片)真实工作情况。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种柔性薄膜压力传感器及车辆制动的压力检测装置，可以解决汽车在制动过程中无法直接在终端刹车片检测刹车真实数据的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种柔性薄膜压力传感器，包括：基片和设置在所述基片上部的电阻电路；所述基片呈环状或条状，与制动卡钳活塞面积和形状相关，以保证环状或条状基片的压阻敏感区完全接触压力面；

所述基片采用柔性材料制成；所述电阻电路由碳纳米材料制成。

进一步地，所述柔性材料为PT或PE材料。

进一步地，所述基片和所述电阻电路一体密封。

进一步地，所述电阻电路由碳纳米材料制成的导丝绕成栅状，通过镀银铜线与所述导丝连接，作为电阻电路的引线。

进一步地，所述电阻电路的电阻值为0～100MΩ，驱动电压0.1V～5V。

第二方面，本发明还提供一种车辆制动的压力检测装置，包括依次顺序连接的压力传感器、信号转换器、数字放大器、处理器和显示器；所述压力传感器为第一方面任一项所述的柔性薄膜压力传感器。

进一步地，所述信号转换器连接有信号发射器，所述处理器连接有与所述信号发射器相适配的信号接收器。

进一步地，还包括相互卡接的制动衬板钢背和防噪音板；

所述压力传感器位于所述制动衬板钢背和防噪音板中间。

进一步地，还包括相互卡接的蹄铁和摩擦块；

所述压力传感器位于所述蹄铁和摩擦块中间。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种柔性薄膜压力传感器，包括：基片和设置在所述基片上部的电阻电路；所述基片呈环状或条状，与制动卡钳活塞面积和形状相关，以保证环状或条状基片的压阻敏感区完全接触压力面；所述基片采用柔性材料制成；所述电阻电路由碳纳米材料制成。该柔性薄膜压力传感器，具有贴接力强、易弯折耐用、灵敏度高、功耗低、响应速度快、易于集成、检测范围宽、稳定性好、抗干扰等优点。另外，运行检测时，可以实现直接检测准确的制动衬片刹车压力、刹车起止时间，有助于判定制动衬片真实工作情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1a为盘式衬片的前视结构示意图；

图1b为盘式衬片的侧视结构示意图；

图1c为盘式衬片的后视结构示意图；

图2为鼓式衬片的结构示意图；

图3a为本发明实施例提供的柔性薄膜压力传感器的环状结构示意图；

图3b为本发明实施例提供的柔性薄膜压力传感器的条状结构示意图；

图4为电阻式应变压阻工作原理示意图；

图5为柔性薄膜压力传感器采集制动器制动衬片工作压力信号原理图；

图6为显示器显示的界面示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本发明实施例公开了一种柔性薄膜压力传感器，如图3a-3b所示，包括：基片1和设置在基片1上部的电阻电路2；其中，该基片1呈环状或条状，在应用时与制动卡钳活塞适配，因此，基片1的形状与制动卡钳活塞面积、形状相关，以保证环状或条状基片的压阻敏感区完全接触压力面；比如当应用在盘式刹车片的车辆时，则采用环状；当应用在鼓式刹车片的车辆时，则采用条状。

基片1采用柔性材料为PT或PE材质，电阻电路由碳纳米材料制成。可将基片和电阻电路一体密封，密封材料同样采用PT或PE材质。

在具体实施时，比如可采用两层基片，其中一个基片作为基底，通过采用喷印和移印工艺将碳纳米材料贴入基底，另外一个基片作为密封层使用。

本实施例中，选用PT和PE材料，具有如下优势：

1.弯曲性能：PT和PE材料具有良好的柔性和弯曲性能，可以适应各种形状和曲线表面。这使得压力传感器可以灵活地适应不同的应用场景和安装环境。

2.耐用性：PT和PE材料具有出色的耐久性和机械强度，能够承受较大的应力和变形而不损坏。这使得压力传感器能够在长时间的使用中保持稳定的性能，具有较长的使用寿命。

3.轻量化：PT和PE材料具有轻质化的特点，相对密度较低，可以减轻整个压力传感器的重量。这对于某些应用场景(如移动设备或轻量化装置)尤为重要，可以提高设备的携带性和操作性能。

4.电绝缘性：PT和PE材料具有良好的电绝缘性能，可以有效地隔离和保护传感器内部的电子元件和电路。这有助于防止电气干扰和电路短路，提高压力传感器的稳定性和可靠性。

如图3a-3b所示，电阻电路由碳纳米材料制成的导丝绕成栅状，通过镀银铜线与导丝连接，作为电阻电路的引线。具有如下优势：

1)灵敏度高：碳纳米材料具有出色的电阻特性，能够快速而敏感地响应外部压力或变形。当施加压力或应变时，碳纳米导丝的电阻值会随之变化，从而实现对压力或应变的测量和检测。

2)响应速度快：由于碳纳米材料具有良好的导电性能和较小的尺寸，电流可以在其内部快速传播。这使得碳纳米导丝绕成的栅状电阻电路具有快速的响应速度，能够准确地捕捉瞬时压力或应变的变化。

3)轻量化：碳纳米材料本身具有轻质化的特点，导丝绕成的栅状电路也相对轻巧。这对于需要轻量化设计或对重量敏感的应用场景非常有利，如便携式设备、可穿戴设备等。

4)高度可调性：碳纳米导丝的电阻特性可以通过调整材料的尺寸、形状和结构进行调控。因此，栅状电阻电路可以根据具体应用的需求进行定制，以实现不同范围、灵敏度和精度的压力或应变测量。

5)弯曲性能：碳纳米导丝具有优异的柔性和弯曲性能，可以适应各种形状和曲率的表面。这使得栅状电阻电路能够与弯曲的或非平坦的物体接触，并对其施加压力进行测量，适用于复杂曲面或弯曲结构的应用。

6)高温稳定性：碳纳米材料具有较高的热稳定性和耐高温性能，可以在较高温度环境下工作，保持稳定的测量性能。

本实施例中，该柔性薄膜压力传感器采用电阻式应变压阻工作原理，由压阻敏感环形或条形组成，压力越大压阻变小，根据电阻阻值变化，达到压阻信号变化，得到压力信号。基片采用PT和PE柔性薄膜材料，碳纳米材料做压阻敏感触发，采用喷印和移印将碳纳米材料贴入基片。

如图4所示，通过改变Rs电阻，压阻大电阻小，无压电阻大，压力传感器压阻敏感区宽度差别，需要保证电阻值由0Ω～100MΩ，驱动电压0.1V～5V，且采用大于制动卡钳活塞面积环形或条形压阻敏感区。根据制动卡钳活塞面积和形状大小，设计压阻敏感区为环形准确接触压力面，达到100％无故障压力压阻变。其优点是贴接力强、易弯折耐用、灵敏度高、功耗低、响应速度快、易于集成、检测范围宽、稳定性好、抗干扰等。运行检测时，可以实现直接检测准确的制动衬片刹车压力、刹车起止时间，有助于判定制动衬片真实工作情况。

该柔性薄膜压力传感器经过长期实践经验和精心研究开发，可在汽车制动刹车片的完美运用，真正意义上解决汽车运行中无法得到制动器衬片(刹车片)刹车数据的问题，例如可以得到如下数据：制动力、制动时间、摩擦系数、制动工况；也可以服务于交通事故判定、产品质量控制、产品试验、产品研发等。另外，依据PT和PE材料特性和应用方式可以起到刹车过程减噪音和降低噪音作用。

制成的柔性薄膜压力传感器主要功能指标，可参考如下：

1)压力量程：0--100Kg；

2)厚度≤0.4mm；

3)外观尺寸：根据制动器盘式卡钳活塞直径外径尺寸制定。鼓式根据弧长制定。

4)响应点：≤0.2Kg；

5)重复性：1％(在30％负载情况下)；

6)一致性：同批次5％；

7)初始电阻：＞10MΩ，最大为100MΩ；

8)响应时间：＜1mS；

9)恢复时间：＜10mS；

10)工作电压：DC5V；

11)工作温度：-40℃—80℃；

12)抗静电干扰；

13)耐久疲劳性：＞1000万次。

14)传感器使用方法为：比如它在钢背与防噪音板之间的双面定位夹合式或在蹄铁和摩擦块之间的双面定位夹合式。

15)传感器组合方式可采用：单组、二组、四组、六组、八组等。

16)传感器防水等级：大于等于IP67。

实施例2：

基于同一发明构思，本发明还提供一种车辆制动的压力检测装置，如图5所示，包括依次顺序连接的压力传感器51、信号转换及放大器52、处理器53和显示器54；压力传感器51为实施例1的柔性薄膜压力传感器。

在具体实施时，还可以进一步做成无线检测装置，固定无线频率，随机二维码，一装置一码，信号转换及放大器52连接有信号发射机，而处理器53连接有与信号发射机相适配的信号接收机。

信号发射机负责将信号转换及放大器产生的信号转换为适合传输的形式，以无线电波的形式辐射出去，发送到信号接收机。比如可以采用无线电发射机模块或芯片，如射频(RF)收发机芯片、无线电频率模块等。

信号接收机负责接收发射机发出的信号，并将其转换为处理器可以处理的形式。信号接收机可以采用无线电接收机模块或芯片，如射频接收机芯片、无线电频率模块等。

还可以将信号发射机、信号接收机均采用蓝牙芯片，实现信号的传输。可以根据需要具体的应用场景和通信协议来选择适合的信号发射机和信号接收机部件，以确保它们能够相互适配并满足车辆的应用或使用环境的要求。以上提到的部件仅为示例，并不限于特定的部件选择，具体选择应根据实际需求进行评估和决策。

以盘式衬片为例，进行说明如下：

该车辆制动的压力检测装置，还包括相互卡接的制动衬板钢背和防噪音板；压力传感器位于制动衬板钢背和防噪音板中间。

制动器制动衬片刹车时压力检测原理如下：

制动衬片钢背11与防噪音板12是双平面相互卡连固定(如图1a-图1c所示)，将实施例1的柔性薄膜压力传感器，采用双面胶，双面贴入制动衬片钢背11与防噪音板12中间，通过制动卡钳夹紧力，将制动衬片钢背11和柔性薄膜压力传感器及防噪音板12一体夹紧，柔性薄膜压力传感器检测到制动卡钳真实作用夹紧力和刹车起止时间，还可以与速度传感器检测到的运行速度计算出摩擦系数。具体使用时，对柔性薄膜压力传感器采用防水防污表面防护处理，双面胶夹入中间使用，稳定长期耐用(耐用性为1000万次以上)。接插件及检测装置防水等级：大于等于IP67。

如图5所示，柔性薄膜压力传感器采集制动器制动衬片工作压力信号，制动衬片压力信号输入到制动压力信号转换器，制动压力信号转换器传入信号放大器，信号放大器放大信号后输入信号处理器，信号处理器输出给显示器。

其中，处理器可以存储数据；显示器比如还可以采用手机蓝牙在手机显示。在手机端和/或显示器显示的内容：比如设计汽车底盘示意图，显示左前轮、右前轮、左后轮、右后轮，各轮故障(正常)，各轮刹车起止时间，各轮刹车压力数据，各轮摩擦系数，各轮刹车工作状态等，如图6所示。有助于解决车辆因刹车故障而引起的交通事故问题，可以提供刹车最直接的第一数据和交通事故参考依据；有助于解决制动衬片(刹车片)生产过程质量控制，解决汽车路试无法取得制动衬片(刹车片)刹车过程直接数据。还有助于解决制动衬片(刹车片)在刹车过程中各轮平衡的真实情况和是否有装配不完善情况。

实施例3：

本实施例与实施例2所不同的是：以鼓式衬片为例，进行说明，其他皆与实施例2相同，未尽之处请参照实施例2所述，重复之处不再赘述。

该车辆制动的压力检测装置，还包括相互卡接的蹄铁和摩擦块；压力传感器位于蹄铁和摩擦块中间。

制动器制动衬片刹车时压力检测原理如下：

蹄铁21与摩擦块22是相互卡连固定(如图2所示)，将实施例1的柔性薄膜压力传感器，采用双面胶，双面贴入蹄铁21与摩擦块22中间，通过制动向外推送压力刹车时产生压力变化，柔性薄膜压力传感器检测到制动向外推送压力和刹车起止时间，还可以与速度传感器检测到的运行速度计算出摩擦系数。

通过结合柔性薄膜压力传感器特性和汽车底盘制动系统工作原理，本发明实现了直接检测制动衬片刹车压力、刹车起止时间、与轮速传感器检测速度及计算动态摩擦系数和磨损数据的功能。该装置不仅能提供刹车的直接数据和交通事故参考依据，还可用于制动衬片生产过程质量控制、汽车路试中的数据采集，以及判定制动衬片在刹车过程中的平衡情况和装配质量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种柔性薄膜压力传感器，其特征在于，包括：基片和设置在所述基片上部的电阻电路；所述基片呈环状或条状，与制动卡钳活塞面积和形状相关，以保证环状或条状基片的压阻敏感区完全接触压力面；

所述基片采用柔性材料制成；所述电阻电路由碳纳米材料制成。

2.根据权利要求1所述的柔性薄膜压力传感器，其特征在于，所述柔性材料为PT或PE材料。

3.根据权利要求1所述的柔性薄膜压力传感器，其特征在于，所述基片和所述电阻电路一体密封。

4.根据权利要求1所述的柔性薄膜压力传感器，其特征在于，所述电阻电路由碳纳米材料制成的导丝绕成栅状，通过镀银铜线与所述导丝连接，作为电阻电路的引线。

5.根据权利要求1所述的柔性薄膜压力传感器，其特征在于，所述电阻电路的电阻值为0～100MΩ，驱动电压0.1V～5V。

6.一种车辆制动的压力检测装置，其特征在于，包括依次顺序连接的压力传感器、信号转换器、数字放大器、处理器和显示器；所述压力传感器为权利要求1-5任一项所述的柔性薄膜压力传感器。

7.根据权利要求6所述的压力检测装置，其特征在于，所述信号转换器连接有信号发射器，所述处理器连接有与所述信号发射器相适配的信号接收器。

8.根据权利要求6所述的压力检测装置，其特征在于，还包括相互卡接的制动衬板钢背和防噪音板；

所述压力传感器位于所述制动衬板钢背和防噪音板中间。

9.根据权利要求6所述的压力检测装置，其特征在于，还包括相互卡接的蹄铁和摩擦块；

所述压力传感器位于所述蹄铁和摩擦块中间。