用于輪胎胎冠裂紋檢測(cè)的磁致伸縮觸覺傳感器研究

趙智忠，沈 鑫，王博文,王志強(qiáng)

(1.河北工業(yè)大學(xué)，省部共建電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北省電磁場(chǎng)與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130；2.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300130)

0 引言

輪胎的健康狀況對(duì)于安全行車具有重要意義[1]。胎冠裂紋使輪胎與地面的附著力下降同時(shí)也可能導(dǎo)致高速行駛下的汽車爆胎，影響行車安全。機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件中規(guī)定：輪胎不應(yīng)有影響使用的缺損[2]，當(dāng)輪胎出現(xiàn)長(zhǎng)度大于6 mm或者深度大于3 mm裂紋時(shí)建議更換。

輪胎主要由胎冠與胎側(cè)組成，胎側(cè)沒有花紋，缺陷可以人眼識(shí)別；胎冠正常花紋復(fù)雜且車胎老化后細(xì)小裂紋繁多，不符合要求的裂紋可能漏檢[3]。依靠人工檢測(cè)這種識(shí)別方式檢測(cè)輪胎缺陷效果差，為了提高檢測(cè)效率，一些算法已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。孫虹霞將輪胎X光圖像轉(zhuǎn)化到頻域?qū)θ毕葸M(jìn)行定位[4];吳則舉團(tuán)隊(duì)提出了基于改進(jìn)的FasterR-CNN來(lái)實(shí)現(xiàn)輪胎缺陷的自動(dòng)檢測(cè)[5]；文獻(xiàn)[6]開發(fā)了一種深度卷積稀疏編碼網(wǎng)絡(luò)用于輪胎缺陷分類。以上傳統(tǒng)算法在小樣本數(shù)據(jù)集中測(cè)試準(zhǔn)確率低，僅從視覺方面檢測(cè)輪胎缺陷。有必要設(shè)計(jì)觸覺傳感器，視觸融合檢測(cè)輪胎缺陷，將會(huì)提高檢測(cè)結(jié)果的可信度。

現(xiàn)有的觸覺傳感器有多種類型，依據(jù)傳感器的敏感元件不同可將觸覺傳感器分為光纖型、壓電型、電容型、壓阻型[7-8]。光纖傳感器測(cè)量精度高，但其制造工藝要求高價(jià)格昂貴[9]，壓電傳感器具有良好的動(dòng)態(tài)性能，但其不能保持輸出電壓的穩(wěn)定[10]。電容型傳感器體積較小，但通常需要額外的信號(hào)放大和處理電路增加鋪設(shè)成本[11]。壓阻型傳感器制造工藝簡(jiǎn)單，靈敏度高，但輸出特性受環(huán)境溫度影響大，需外加溫度補(bǔ)償[12]。

以鐵鎵合金片為敏感元件設(shè)計(jì)了用于輪胎胎冠裂紋檢測(cè)的磁致伸縮觸覺傳感器陣列。鐵鎵合金制造的金屬片脆性小，能夠承受沖擊機(jī)械載荷。片狀鐵鎵懸臂梁的換能密度可以達(dá)到22 mW/cm3，這是壓電材料不可比擬的[13]。

本文基于動(dòng)物毛發(fā)的感知機(jī)理，使用Galfenol薄片、霍爾元件、永磁體為主要元件，設(shè)計(jì)了一種采集深度信息的觸覺傳感器陣列，用于檢測(cè)輪胎胎冠裂紋。檢測(cè)時(shí)傳感器在輪胎表面滑動(dòng)得到反映正?；y與裂紋信息的電壓數(shù)據(jù)，通過(guò)MATLAB算法從這些數(shù)據(jù)中識(shí)別所需的裂紋數(shù)據(jù)并計(jì)算裂紋的深度。

1 傳感器設(shè)計(jì)

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)

觸覺使動(dòng)物感知外部世界信息，例如海豹胡須可以感應(yīng)周邊動(dòng)物在水中產(chǎn)生的尾波，以此判斷捕獵對(duì)象的大小[14]?；趧?dòng)物毛發(fā)感知結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了傳感單元的基本結(jié)構(gòu)[15]。如圖1(a)所示，動(dòng)物毛發(fā)受力彎曲，神經(jīng)元感受到毛發(fā)變化傳遞給大腦進(jìn)行處理。根據(jù)這種機(jī)理設(shè)計(jì)了傳感單元的基本結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示。Galfenol合金薄片像動(dòng)物的毛發(fā)受力彎曲，霍爾元件作為神經(jīng)元接收磁信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)。

(a)毛發(fā)結(jié)構(gòu)

傳感單元由Galfenol薄片、釹鐵硼(Nd2Fe14B)永磁體、EQ-730L型霍爾元件、剛性樹脂基底、銅鋅合金觸頭、伸縮桿和緩振彈簧組成。為使測(cè)量過(guò)程穩(wěn)定平滑，傳感單元與輪胎接觸部分采用球形觸頭。它的半徑為0.15 mm，寬度大于0.35 mm的裂紋可以有效識(shí)別。采用多晶取向<100>的Fe83Ga17單層片狀合金作為傳感單元的懸臂梁，一端固定在樹脂基底上另一端為自由端，2塊參數(shù)完全相同的平行永磁體提供偏置磁場(chǎng)。觸覺傳感器基于磁致伸縮逆效應(yīng)，當(dāng)處于均勻磁場(chǎng)中的Galfenol薄片受到外力作用時(shí)磁導(dǎo)率發(fā)生改變，霍爾元件周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化，輸出的電壓信號(hào)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。

1.2 Galfenol薄片長(zhǎng)度的選擇

使用COMSOL Multiphysics有限元軟件對(duì)Galfenol薄片受力仿真分析，結(jié)果如圖2所示。自由端施加0.2～1 N固定力，在10～20 mm范圍內(nèi)，長(zhǎng)度選擇12 mm時(shí)輸出結(jié)果最理想。

圖2 Galfenol薄片長(zhǎng)度與深度方向位移的關(guān)系

將厚度0.1 mm的Galfenol薄片切割成寬度為3 mm，長(zhǎng)度分別為10、12、15 mm的矩形薄片。只改變Galfenol薄片長(zhǎng)度時(shí)自由端施加力，得到受力與輸出電壓關(guān)系。實(shí)驗(yàn)施加0～0.8 N力，步長(zhǎng)為0.1 N，為保證實(shí)驗(yàn)的可靠性，每個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)測(cè)量10次取平均值，如圖3所示。長(zhǎng)度為10 mm的懸臂梁電壓輸出幅值小，測(cè)量噪聲及誤差對(duì)有效數(shù)據(jù)干擾大。當(dāng)懸臂梁長(zhǎng)度設(shè)置為15 mm時(shí)，彈性不足，測(cè)力范圍小，傳感器恢復(fù)困難。綜上懸臂梁長(zhǎng)度設(shè)置為12 mm可以保證傳感單元在一定的測(cè)力范圍有較高的靈敏度。

圖3 不同長(zhǎng)度Galfenol片輸出電壓與壓力的關(guān)系

1.3 傳感陣列的設(shè)計(jì)與制作

傳感單元只能檢測(cè)輪胎花紋深度，無(wú)法完成輪胎裂紋的識(shí)別，通過(guò)一次滑動(dòng)有效識(shí)別裂紋至少需要3個(gè)傳感單元。雖然各傳感單元之間存在相互磁場(chǎng)干擾，但磁力線在Galfenol薄片內(nèi)部主要沿著長(zhǎng)度方向傳播。傳感單元間距大于5 mm時(shí)這種影響消失，施加力大小為0.5 N時(shí)，各單元相對(duì)誤差小于2.5%。制備的1×3磁致伸縮傳感器陣列如圖4所示，傳感器陣列的長(zhǎng)寬高為18 mm×15 mm×12 mm，傳感單元觸頭間距為6 mm。

圖4 傳感器陣列

霍爾元件的3個(gè)引腳焊接在長(zhǎng)17.96 mm、寬7.62 mm、厚1.60 mm的印刷電路板PCB(printed circuit board)上?；魻栐?個(gè)引腳(電源VCC、接地GND、信號(hào)輸出SIGNAL),置入PCB板相應(yīng)過(guò)孔，用焊錫固定，信號(hào)輸出端過(guò)孔連接信號(hào)采集裝置。工作時(shí)信號(hào)采集設(shè)備同時(shí)采集3個(gè)傳感單元輸出的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理可以獲得輪胎胎冠裂紋信息。

2 傳感單元的輸出特性模型

2.1 接觸力檢測(cè)模型

傳感器內(nèi)部永磁體提供偏置磁場(chǎng)，當(dāng)懸臂梁未受力時(shí)，F(xiàn)=0，S=0，霍爾元件輸出電壓初始值為

Vref=μKHKCH

(1)

式中：μ為鐵鎵合金的磁導(dǎo)率；KH為霍爾元件的磁電轉(zhuǎn)化系數(shù)；KC為霍爾元件檢測(cè)鐵鎵合金內(nèi)磁場(chǎng)的損耗系數(shù)；H為偏置磁場(chǎng)，這里認(rèn)為偏置磁場(chǎng)是定值。

傳感單元輸出電壓可以表示為

UH=KHKCBGal

(2)

式中BGal為材料內(nèi)部的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度。

鐵鎵材料的磁致伸縮逆效應(yīng)本構(gòu)方程見式(3)和式(4)，該方程描述了磁致伸縮材料的磁機(jī)耦合特性。

ε=d33H+σ/E

(3)

BGal=d33σ+μH

(4)

式中：ε為鐵鎵合金片長(zhǎng)度方向的總應(yīng)變；d33為動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)；σ為外加應(yīng)力；E為磁致伸縮材料的楊氏模量。

懸臂梁為長(zhǎng)方體，矩形對(duì)于中線(垂直于h邊的中軸線)的慣性矩I為

(5)

式中：b、h分別懸臂梁的寬、高。

懸臂梁在受到應(yīng)力彎曲時(shí)高度z處沿懸臂梁的長(zhǎng)度方向的力和受力點(diǎn)處的力F之間的關(guān)系為

σ=F(x-l)z/I

(6)

懸臂梁所受的平均壓應(yīng)力為

(7)

傳感單元輸出電壓為實(shí)際電壓與初始電壓的差：

U=UH-Vref

(8)

把式(1)和式(2)代入式(8)得，傳感單元的輸出電壓為

U=Kam(KHKCBGal-μKHKCH)

(9)

式中：Kam為模型所需的可調(diào)放大倍數(shù)；d33為實(shí)驗(yàn)測(cè)量值。

采用Kam來(lái)調(diào)節(jié)d33的測(cè)量誤差，把式(5)和式(7)代入式(9)得：

(10)

式中：Kam=17；KH=130 mV/mT；KC=4.28×10-3；d33=3.01×10-8T/GPa。

式(10)為傳感單元應(yīng)力與輸出電壓的表達(dá)式，由式(10)可知,傳感單元輸出電壓U與受力F成正比。

2.2 胎冠裂紋檢測(cè)模型

胡克定律解釋了線性系統(tǒng)內(nèi)力與位移的關(guān)系。傳感器觸頭連接緩振彈簧，這使得傳感器懸臂梁的等效彈性系數(shù)K發(fā)生變化。傳感器受力F深度方向的位移為S，t和x分別代表緩振彈簧和懸臂梁。懸臂梁與緩振彈簧等效為2個(gè)彈簧串聯(lián)，由胡克定律得串聯(lián)彈簧的彈性系數(shù)K為

(11)

由歐拉-伯努利梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論可得懸臂梁撓度與受力的關(guān)系：

(12)

自由端x取最大值此時(shí)撓度為

(13)

懸臂梁在彈性范圍內(nèi)的等效彈性系數(shù)：

(14)

豎向位移與受力關(guān)系：

(15)

K為常數(shù)，在彈性形變范圍內(nèi)，深度方向位移與受力滿足線性關(guān)系。將式(10)代入式(15)得傳感單元輸出電壓與觸頭位移的關(guān)系為

(16)

式(18)為傳感單元輸出電壓U與觸頭深度方向位移S的關(guān)系式，輸出電壓與位移成正比。

3 觸覺傳感器特性測(cè)試

磁致伸縮觸覺傳感器輸出特性測(cè)試系統(tǒng)如圖5所示，主要由數(shù)據(jù)采集卡、直流穩(wěn)壓電源、壓力測(cè)試機(jī)、滑軌等組成。直流穩(wěn)壓電源為霍爾元件提供5 V的工作電壓，數(shù)據(jù)采集卡采集霍爾元件輸出的動(dòng)態(tài)信號(hào)。經(jīng)過(guò)PC處理得到胎冠裂紋信息。

圖5 傳感器輸出特性測(cè)試系統(tǒng)

3.1 傳感單元靜態(tài)測(cè)試

通過(guò)電子游標(biāo)卡尺和壓力測(cè)試機(jī)給傳感單元施加0～0.8 N固定力，每次增加0.1 N，每增加0.1 N力觸頭位移增加0.7 mm，如圖6所示。當(dāng)力增加到0.8 N時(shí)輸出電壓增幅變緩，這是磁導(dǎo)率變化接近飽和導(dǎo)致的。由此知傳感單元在0～0.7 N對(duì)應(yīng)觸頭位移0～4.9 mm范圍內(nèi)具有較平穩(wěn)的靜態(tài)輸出特性，靈敏度可達(dá)170.5 mV/N，施加不同力時(shí)響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間小于80 ms。因?yàn)橄聣荷疃瘸^(guò)4.9 mm傳感單元輸出非線性且下壓深度大會(huì)導(dǎo)致懸臂梁恢復(fù)存在困難，故將傳感單元觸頭的最大下壓深度設(shè)置為4.9 mm，保證傳感單元工作時(shí)的穩(wěn)定性。

圖6 輸出電壓與觸頭深度方向位移關(guān)系

3.2 傳感單元?jiǎng)討B(tài)測(cè)試

KH-01步進(jìn)電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)裝有傳感器的滑軌工作臺(tái)勻速在3D打印制作的光滑花紋上滑動(dòng)，如圖7所示。

圖7 傳感器與實(shí)驗(yàn)?zāi)K接觸示意圖

開始傳感器觸頭處于下壓狀態(tài)與模型平面接觸，為防止傳感器非觸頭部分與胎面接觸增大摩擦，實(shí)際下壓深度4.8 mm。隨著滑軌的移動(dòng)深度發(fā)生變化，下壓深度與花紋深度對(duì)應(yīng)表如表1所示。測(cè)試結(jié)果如圖8所示，實(shí)驗(yàn)值與式(16)得到的計(jì)算值誤差小于2%，量測(cè)噪聲在允許偏差范圍內(nèi)。

表1 模型花紋深度與觸頭下壓深度 mm

圖8 傳感單元?jiǎng)討B(tài)測(cè)試輸出電壓

4 輪胎裂紋測(cè)量

選取典型的帶有裂紋的輪胎胎冠花紋塊并固定，將傳感器固定在滑軌工作臺(tái)，觸覺傳感器陣列觸頭下壓(4.8 mm)放置。傳感單元1、2、3滑過(guò)的軌跡如圖9所示，由圖9可知，傳感單元1和2接觸裂紋D，傳感單元3滑過(guò)正?；yA與B。

圖9 帶有裂紋的輪胎胎冠花紋

傳感單元1與傳感單元2出現(xiàn)了噪聲，這是輪胎胎面不平整導(dǎo)致的。此類噪聲與裂紋幅值差異大容易區(qū)分，濾波后不會(huì)影響裂紋的識(shí)別。

裂紋與正?；y有一定的區(qū)別，持續(xù)時(shí)間較短且沒有重復(fù)性。MATLAB軟件編程可以對(duì)裂紋的點(diǎn)定位，流程圖如圖10所示。正常輪胎花紋每個(gè)周期的花紋數(shù)少，不難判斷每個(gè)周期花紋間的溝槽數(shù)，確定了溝槽數(shù)也就確定了周期。D1和D2點(diǎn)為程序最后所得點(diǎn)，如圖11所示。由D1和D2的出現(xiàn)時(shí)間和幅值平均值可得裂紋深度3.4 mm，真實(shí)裂紋深度3.3 mm。單排傳感單元的間距為6 mm，長(zhǎng)度0～12 mm的裂紋存在漏檢問(wèn)題，為解決此問(wèn)題，可以將傳感器陣列為n排結(jié)構(gòu)交錯(cuò)放置。識(shí)別的最短裂紋為6/nmm，并且可以根據(jù)檢測(cè)到裂紋的傳感單元數(shù)估測(cè)裂紋長(zhǎng)度。

圖10 裂紋檢測(cè)流程

圖11 輪胎胎冠裂紋檢測(cè)

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)動(dòng)物毛發(fā)感知機(jī)理結(jié)合磁致伸縮逆效應(yīng)、歐拉-伯努利梁結(jié)構(gòu)力學(xué)原理、胡克定律設(shè)計(jì)了一種用于檢測(cè)車輛輪胎胎冠裂紋的磁致伸縮觸覺傳感器，對(duì) Galfenol片長(zhǎng)度進(jìn)行了優(yōu)化。推導(dǎo)傳感單元的輸出特性模型，并將傳感單元陣列為1×3的結(jié)構(gòu)。搭建了傳感器輸出特性測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)傳感器進(jìn)行了靜態(tài)與滑動(dòng)性能以及各單元間的差異測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明傳感器靈敏度高達(dá)170.5 mV/N，恢復(fù)與響應(yīng)時(shí)間小于80 ms。觸覺傳感陣列輸出的動(dòng)態(tài)信號(hào)可以檢測(cè)胎冠裂紋的位置、深度與估測(cè)長(zhǎng)度。