专利名称：基于弹性波与无线网络的制动器摩擦片磨损程度监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测试工程技术领域的系统，具体是一种基于弹性波与无线网 络的制动器摩擦片磨损程度监测系统。
技术背景汽车制动器定期检测维修的方法目前得到了最广泛的应用。当汽车运行一定 的周期或者运行到一定的里程数后，就需要进行汽车性能和关键零部件的检测维 修，以保障汽车行驶的安全性。这种方法的最主要缺点就是在定期维护检测时间 以外，司机通常没有意识去检测这些部件的性能和健康程度。制动器摩擦片是汽 车安全行驶的最关键部件之一，如果不能及时了解其磨损程度，可能会造成不可 估量的损失。目前，关于制动器摩擦片磨损程度的检测有两种方法， 一种方法采 用最直观的定期检测维修方法，另一种是采用基于电路的极限检测方法。弹性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，即当波在板壳结构中传播时，其能量会在时间和空间域展开，同时，在某 一频率的入射波激励下，弹性的传播速度随着板壳结构的厚度的改变而变化(I.A. Viktorov，《瑞利波和兰姆波》，纽约，Plenum出版社，1967)。目前，弹性已经 广泛应用于飞行器和桥梁等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；此外，弹性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)需要对制动器摩擦片的结构进行重新设计和制造，提高了发明应用的 成本。发明内容本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种基于弹性波与无线网络的制动 器摩擦片磨损程度监测系统，使其利用弹性波在板壳结构中传播时固有的频散特 性，通过计算波在制动器摩擦片中的实际传播速度，从而确定盘式制动器摩擦片 的厚度，信息通过无线网络进行传输，通过语音实时传送监测指令和接收监测报告。本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括可移动无线网络终端、弹 性波激励模块、弹性波信号接收和传输模块、车载计算和决策模块，其中可移 动无线网络终端负责向弹性波激励模块发送检测指令；弹性波激励模块接收到来 自于可移动无线网络终端的语音指令后产生激励波，并将激励波发射到制动器摩 擦片，在制动器摩擦片中产生弹性波，弹性波传输到弹性波信号接收和传输模块 中；弹性波信号接收和传输模块接收在制动器摩擦片中产生的弹性波信号，并将 弹性波信号数字化后存储，然后将弹性波信号传输给车载计算和决策模块；车载 计算和决策模块对弹性波信号接收和传输模块传输的弹性波信号进行滤波和求包络，提取弹性波到达时间的特征，计算弹性波的实际传播速度，并与车载计算 和决策模块内部数据库相比较，获得制动器摩擦片的磨损程度，并将磨损程度报 告传输给手持式移动终端。所述弹性波激励模块，包括语音指令接收器、数/模转换器、信号放大器和 压电晶片激励器，语音指令接收器接收来自于可移动无限网络终端的语音指令， 并将接收到的语音指令传输到数/模转换器中；数/模转换器中预先存储具有超声 频率的数字激励波信号，当数/模转换器接收到来自于语音指令接收器的语音指 令后，将存储在其内部的数字激励波信号转换为弹性波模拟激励波信号，并将弹 性波模拟激励信号传输给信号放大器；信号放大器负责将数/模转换器传输的弹 性波模拟激励波信号放大，并传输给压电晶片激励器；压电晶片激励器与制动器 摩擦片的非工作面一端相连，压电晶片激励器负责将被放大后的激励波信号射入 到制动器摩擦片。所述数字激励波信号，其频率为20kHz ~ 500kHz。所述弹性波信号接收和传输模块，包括压电晶片接收器、单通道数据采集器 和数据缓存器，压电晶片接收器安装在制动器摩擦片非工作面远离压电晶片激励 器的一端，负责接收由制动器摩擦片传输的弹性波，并将弹性波传到单通道数据 采集器；单通道数据采集器负责将压电晶片接收器传输的弹性波数字化，并将数 字化的弹性波传输到数据缓存器；数据缓存器负责存储单通道数据采集器传输的 弹性波数字信号，并利用无线网络技术将弹性波信号传传送给车载计算和决策模 块。所述车载计算和决策模块，包括数字信号处理模块和摩擦片磨损程度决策模 块，数字信号处理模块接收来自于数据缓存器的弹性波信号，利用存储在数字信 号处理模块的滤波和希尔波特包络算法，对弹性波信号进行滤波和求包络处理， 通过包络信号得到弹性波信号从激励波入射到制动器摩擦片到传播到压电晶片 接收器所需的时间，将压电晶片激励器和压电晶片接收器之间的直线距离除以弹 性波在制动器摩擦片中传播的时间，从而计算出弹性波在摩擦片中传播的实际速 度，同时获得弹性波信号的频率，并将弹性波的实际速度和弹性波信号的频率传 输给摩擦片磨损程度决策模块；摩擦片磨损程度决策模块将弹性波传播的实际速 度和弹性波信号的频率与存储在摩擦片磨损程度决策模块的数据库中的传播的 理论频散曲线数据比较，得出制动器摩擦片的当前厚度，从而也就获得了制动器 摩擦片的磨损程度，生成磨损程度报告，并将磨损程度报告利用无线网络技术传 送给可移动无线网络终端。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果(1)本发明采用贴片式压电晶 片传感器分别作为弹性波的压电晶片激励器和压电晶片接收器，因此，只需要将 压电晶片激励器和压电晶片接收器粘贴在制动器摩擦片的非工作面即可实现硬 件的安装，无须对现有摩擦片做结构上的改变；(2)本发明釆用即将在汽车上广 泛应用的无线网络技术(例如篮牙技术)，司机或授权用户可以通过带无线功能 的可移动无线网络终端在任何需要的时候发送监测请求，从而达到实时监测制动 器摩擦片磨损程度的目的，增加行驶的安全性；(3)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。
图1是本发明的系统结构示意图；图2是本发明弹性波激励模块结构示意图；图3是本发明制动器摩擦片与压电晶片激励器、压电晶片接收器的连接结构 示意图；图4是本发明弹性波信号接收和传输模块的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细的说明本实施例在以本发明技术方 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，本实施例包括可移动无线网络终端l、弹性波激励模块2、 弹性波信号接收和传输模块4、车载计算和决策模块5，其中可移动无线网络 终端1负责向弹性波激励模块2发送检测指令；弹性波激励模块2接收到来自于 可移动无线网络终端1的语音指令后产生激励波，并将激励波发射到制动器摩擦 片3，在制动器摩擦片3中产生弹性波并将弹性波传输到弹性波信号接收和传输 模块4中；弹性波信号接收和传输模块4接收到在制动器摩擦片3中产生的弹性 波信号，并将弹性波信号数字化后存储，然后将弹性波信号利用无线网络技术传输给车载计算和决策模块5;车载计算和决策模块5对弹性波信号接收和传输模块4传输的弹性波信号进行滤波和求包络，提取弹性波到达时间的特征，计算弹 性波的实际传播速度，并与车载计算和决策模块5内部数据库相比较，获得制动 器摩擦片3的磨损程度，并将磨损程度报告通过无线网络传输给可移动无线网络 终端1。所述可移动无线网络终端l，为手机或掌上电脑。如图2所示，所述弹性波激励模块2，包括语音指令接收器22、数/模转换 器23、信号放大器24和压电晶片激励器25，语音指令接收器22接收来自于可 移动无线网络终端1的语音指令21，并将接收到的语音指令传输到数/模转换器 23中；数/模转换器23中预先存储激励波信号，当数/模转换器23接收到来自于 语音指令接收器22的语音指令21后，将存储在数/模转换器23内部的弹性波数 字激励信号转换为弹性波模拟激励信号，并将弹性波模拟激励信号传输给信号放 大器24;信号放大器24负责将数/模转换器23传输的弹性波模拟激励信号放大， 并传输给压电晶片激励器25;压电晶片激励器25与制动器摩擦片3的非工作面 一端相连，负责将被放大后的激励波信号射入到制动器摩擦片3。如图4所示，所述弹性波信号接收和传输模块4，包括压电晶片接收器41、 单通道数据采集器42和数据缓存器43，压电晶片接收器41安装在制动器摩擦 片3非工作面远离压电晶片激励器25的一端，负责接收由制动器摩擦片3传输 的弹性波，并将弹性波传到单通道数据采集器42;单通道数据采集器42负责将 压电晶片接收器41传输的弹性波数字化，并将数字化的弹性波传输到数据缓存 器43，数据缓存器43负责存储单通道数据采集器42传输的弹性波数字信号， 并将弹性波信号通过无线网络传送给车载计算和决策模块。所述车载计算和决策模块5，包括数字信号处理模块和摩擦片磨损程度决策 模块，数字信号处理模块接收来自于数据缓存器43的弹性波信号，利用存储在 数字信号处理模块的滤波和希尔波特包络算法，对弹性波信号进行滤波和求包络 处理，通过包络信号得到弹性波信号从激励波入射到制动器摩擦片3到传播到压 电晶片接收器41所需的时间，将压电晶片激励器25和压电晶片接收器41之间 的直线距离除以弹性波在制动器摩擦片3中传播的时间，从而计算出弹性波在制 动器摩擦片3中传播的实际速度，同时获得弹性波信号的频率，并将弹性波的实际速度和弹性波信号的频率传输给摩擦片磨损程度决策模块；摩擦片磨损程度决 策模块，将弹性波传播的实际速度和弹性波信号的频率与存储在摩擦片磨损程度决策模块的数据库中的传播的理论频散曲线数据比较，得出制动器摩擦片3的当 前厚度，从而也就获得了制动器摩擦片3的磨损程度，生成磨损程度报告，并将 磨损程度报告利用无线网络技术传送给可移动无线网络终端1。本实施例工作时，可移动无线网络终端1向弹性波激励模块2发出语音指令 21，要求得到制动器摩擦片的磨损程度报告，弹性波激励模块2中的语音指令接 收器22接收来自于可移动无线网络终端1的语音指令21后，将该指令传输给数 /模转换器23，数/模转换器23中预先嵌入了 300kHz的激励波信号的数字量，当 接收到来自于语音指令接收器22检测指令后，数/模转换器23将预先嵌入起内 部的激励波信号数字量模拟化，转换成300kHz的弹性波激励波信号，激励波信
号被输入到信号放大器24，经过信号放大器24放大后，激励波信号变成可以施 加在压电晶片激励器25上的激励波，压电晶片激励器25将激励波信号入射到所 附着的制动器摩擦片3中，如图3所示；由于受到激励波的激励作用，弹性波在 制动器摩擦片3中被激励起来，并在制动器摩擦片3中传播，当在制动器摩擦片 3中的弹性波传播到压电晶片接收器41时，压电晶片接收器41产生和制动器摩 擦片13同步的变形，将弹性波转换成模拟信号，该信号被输入到单通道数据采 集器42，从而将这些弹性波模拟信号数字化后输送到数据缓存器43中，如图4 所示；弹性波信号采集完毕后，数字化的弹性波信号由数据缓存器43，通过无 线网络传输到车载计算和决策模块5，车载计算和决策模块5接收到来自与数据 缓存器43的弹性波数字信号，利用小波变换对信号进行降噪和滤波预处理后， 处理过的信号经过希尔波特变换，得到信号的包络，进而获得波从激励器到接收 器的传播时间，再利用压电晶片激励器25与压电晶片接收器41之间的距离，计 算弹性波在摩擦片当前状况下的实际传播速度；对于一个新制造的摩擦片，弹性 波的传输速度为5000m/s，在经过一段时间的使用后，弹性波的传输速度变为 5700m/s;估计出来的弹性波实际传播速度被输入到摩擦片磨损程度决策模块中， 通过与植入到摩擦片磨损程度决策模块中的弹性波频散曲线相比较，得到当前状 态下得到制动器摩擦片3的厚度为原来厚度的80%，也就是说制动器摩擦片3 的磨损程度为20%。最终，利用无线网络将磨损程度结果返回给可移动无线网络 终端1。本实例利用弹性波在板壳结构中传播时固有的频散特性，及时地将摩擦片磨 损程度报告利用无线网络技术反馈给可移动无线网络终端，达到实时监测汽车部 件工况的目的，提高了汽车行驶的安全性。并且利用目前已经普及的手机和掌上 电脑等具有无线网络模块的移动终端，司机或授权乘客可以在需要的时候通过这些可移动无线网络终端发出检测请求，可以直接获得磨损程度报告。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。
权利要求
1、 一种基于弹性波与无线网络的制动器摩擦片磨损程度监测系统，其特征 在于，包括可移动无线网络终端、弹性波激励模块、弹性波信号接收和传输模 块、车载计算和决策模块，其中可移动无线网络终端负责向弹性波激励模块发送检测指令；弹性波激励模块接收到来自于可移动无线网络终端的语音指令后产生激励 波，并将激励波发射到制动器摩擦片，在制动器摩擦片中产生弹性波并将弹性波 传输到弹性波信号接收和传输模块中；弹性波信号接收和传输模块接收在制动器摩擦片中产生的弹性波信号，并将 弹性波信号数字化后存储，然后将弹性波信号传输给车载计算和决策模块；车载计算和决策模块对弹性波信号接收和传输模块传输的弹性波信号进行滤波和求包络，提取弹性波到达时间的特征，计算弹性波的实际传播速度，并与 车载计算和决策模块内部数据库相比较，获得制动器摩擦片的磨损程度，并将磨 损程度报告传输给手持式移动终端。
2、 根据权利要求1所述的基于弹性波与无线网络的制动器摩擦片磨损程度监测系统，其特征是，所述弹性波激励模块，包括语音指令接收器、数/模转换 器、信号放大器和压电晶片激励器，语音指令接收器接收来自于可移动无限网络终端的语音指令，并将接收到的语音指令传输到数/模转换器中；数/模转换器中预先存储具有超声频率的数字激励波信号，当数/模转换器接 收到来自于语音指令接收器的语音指令后，将存储在其内部的数字激励波信号转 换为弹性波模拟激励波信号，并将弹性波模拟激励信号传输给信号放大器；信号放大器负责将数/模转换器传输的弹性波模拟激励波信号放大，并传输 给压电晶片激励器；压电晶片激励器与制动器摩擦片的非工作面一端相连，压电晶片激励器负责 将被放大后的激励波信号射入到制动器摩擦片。
3、 根据权利要求2所述的基于弹性波与无线网络的制动器摩擦片磨损程度 监测系统，其特征是，所述数字激励波信号，其频率为20kHz 500kHz。
4、 根据权利要求1所述的基于弹性波与无线网络的制动器摩擦片磨损程度 监测系统，其特征是，所述弹性波信号接收和传输模块，包括压电晶片接收器、 单通道数据采集器和数据缓存器，压电晶片接收器安装在制动器摩擦片非工作面 远离压电晶片激励器的一端，负责接收由制动器摩擦片传输的弹性波，并将弹性 波传到单通道数据采集器；单通道数据采集器负责将压电晶片接收器传输的弹性 波数字化，并将数字化的弹性波传输到数据缓存器；数据缓存器负责存储单通道 数据采集器传输的弹性波数字信号，并利用无线网络技术将弹性波信号传送给车 载计算和决策模块。
5、 根据权利要求1所述的基于弹性波与无线网络的制动器摩擦片磨损程度 监测系统，其特征是，所述车载计算和决策模块包括数字信号处理模块和摩擦片 磨损程度决策模块，数字信号处理模块接收来自于数据缓存器的弹性波信号，利 用存储在数字信号处理模块的滤波和希尔波特包络算法，对弹性波信号进行滤波 和求包络处理，通过包络信号得到弹性波信号从激励波入射到制动器摩擦片到传 播到压电晶片接收器所需的时间，将压电晶片激励器和压电晶片接收器之间的直 线距离除以弹性波在制动器摩擦片中传播的时间，从而计算出弹性波在摩擦片中 传播的实际速度，同时获得弹性波信号的频率，并将弹性波的实际速度和弹性波 信号的频率传输给摩擦片磨损程度决策模块；摩擦片磨损程度决策模块将弹性波传播的实际速度和弹性波信号的频率与存储在摩擦片磨损程度决策模块的数据 库中的传播的理论频散曲线数据比较，得出制动器摩擦片的当前厚度，从而也就 获得了制动器摩擦片的磨损程度，生成磨损程度报告，并将磨损程度报告利用无 线网络技术传送给可移动无线网络终端。
全文摘要
一种测试工程技术领域的基于弹性波与无线网络的制动器摩擦片磨损程度监测系统，包括可移动无线网络终端、弹性波激励模块、弹性波信号接收和传输模块、车载计算和决策模块，可移动无线网络终端向弹性波激励模块发送检测指令，弹性波激励模块产生激励波，在摩擦片中产生弹性波并传输到弹性波信号接收和传输模块，弹性波信号接收和传输模块将弹性波信号数字化后传输给车载计算和决策模块，车载计算和决策模块获得弹性波到达时间和实际传播速度，与车载计算和决策模块内部数据库相比较，获得摩擦片磨损程度，并将磨损程度传输给可移动无线网络终端。本发明将制动器摩擦片磨损程度监测并实时传送给司机，提高汽车行驶的安全性。
文档编号F16D66/00GK101144515SQ20071004739
公开日2008年3月19日 申请日期2007年10月25日 优先权日2007年10月25日
发明者林 叶, 光 孟, 李富才, 栋 王 申请人:上海交通大学