摘 要

近年来，各国由于汽车爆胎导致的交通事故频频发生，轮胎压力正常与否对乘客的安全起着重要作用，因为轮胎直接影响着车辆的操控和控制。轮胎压力监测系统（TPMS）已经成为现代车辆中的重要传感系统，它对于确保汽车行业安全有效地使用轮胎变得越来越重要。

胎压传感器开发的主要问题之一是如何嵌入柔软的、体积小、质量轻、可持续的传感器来获得例如充气压力、垂直载荷或滚动速度等可靠信息，这些参数可以为描述车辆动力学特性提供关键信息。由于PVDF(聚偏氟乙烯)具有优异的柔性特征，适宜大幅度的形变，因此非常适合制成汽车轮胎监测用的传感器。

本文主要对轮胎内嵌入的PVDF柔性电子传感器进行相关理论研究和建模分析，探究柔性传感器由于变形产生的电压信号与一些参数之间的关系。本文主要完成的工作有：

1、介绍了胎压传感器研究现状，了解了胎压监测系统对于汽车行驶安全的重要作用。阐述了PVDF柔性电子传感器的应用背景与需求，阐述了PVDF薄膜的基本性能。

2、根据材料力学里面的知识，建立了PVDF柔性压电薄膜的悬臂梁模型，得出了挠度与产生电荷的关系。通过悬臂梁模型对柔性电子传感器实现了有限元建模，另外建立了轮胎三维模型，将柔性传感器模型嵌入轮胎中，进行有关参数的分析和仿真。

3、根据胎面接地部分受到垂向作用力和切向摩擦力这两种工况分别建立了两个数学模型，并以此模型来估算汽车行驶过程中的一些关于路面的关键参数，这对汽车行驶过程中路况的分析和行驶安全具有重要作用。

关键词： PVDF薄膜；柔性电子传感器；胎压监测；有限元建模

Abstract

In recent years, due to frequent traffic accidents caused by car punctures in various countries, normal tire pressure plays an important role in passenger safety because tires directly affect the control and control of vehicles. The tire pressure monitoring system (TPMS) has become an important sensing system in modern vehicles and it is becoming increasingly important to ensure that the automotive industry uses tires safely and effectively.

One of the main problems in the development of tire pressure sensors is how to embed a soft, small, lightweight, and sustainable sensor to obtain reliable information such as inflating pressure, vertical load or rolling speed. These parameters can provide key information for describing the dynamic characteristics of vehicle. As PVDF (polyvinylidene fluoride) has excellent flexibility and suitable for large deformation, it is very suitable for making sensors for monitoring automobile tires.

This paper focuses on the theoretical research and modeling analysis of the PVDF flexible electronic sensor embedded in the tire, and explores the relationship between the voltage signal and some parameters due to the deformation of the flexible sensor. The following works have been accomplished：

1、This paper introduces the research status of tire pressure sensor, and understands the important role of tire pressure monitoring system for vehicle driving safety. The application background and requirements of PVDF flexible electronic sensors are described, and the basic properties of PVDF thin films are described.

2、According to the knowledge in mechanics of materials, a cantilever beam model of PVDF flexible piezoelectric thin film is established, and the relationship between deflection and charge generation is obtained. The finite element modeling of the flexible electronic sensor is realized by the cantilever beam model, and the three-dimensional model of the tire is established, and the flexible sensor model is embedded in the tire, and the related parameters are analyzed and simulated.

3、Two mathematical models are established according to the two working conditions of the vertical force and tangential friction of the grounding part of the tread, and this model is used to estimate some key parameters of the road in the course of vehicle driving, which plays an important role in the analysis of road conditions and the safety of driving in the course of vehicle driving.

Keywords: PVDF thin film；Flexible electronic sensor；Tire pressure monitoring；Finite element modeling

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 胎压监测系统研究现状 2

1.2.1 胎压监测系统发展概况 2

1.2.2 胎压传感器研究现状 7

1.3 PVDF压电传感器的研究现状 10

1.4 论文主要研究内容 13

第2章 PVDF压电传感器理论分析计算 14

2.1 PVDF压电薄膜简介 14

2.2 压电效应 17

2.3 PVDF压电薄膜数学模型 18

2.3.1 压电特性 18

2.3.2 PVDF压电薄膜传感器等效电路 21

2.4 PVDF压电薄膜传感器制作过程 25

2.5 柔性电子卷绕传送 28

2.5.1 柔性卷绕传送工艺原理 28

2.5.2 柔性卷绕传送工艺要求 29

2.5.3 柔性卷绕传送发展过程 30

2.6 本章小结 30

第3章 PVDF压电薄膜建模过程 31

3.1 PVDF压电薄膜悬臂梁模型 31

3.2 PVDF压电薄膜建模过程 35

3.3 轮胎有限元建模 39

3.4 含压电薄膜的三维轮胎模拟仿真 47

3.5 本章小结 51

第4章 压电薄膜传感器接地力学模型 52

4.1 轮胎-路面相互作用模型 52

4.2 胎面变形测量 53

4.2.1 PVDF薄膜受垂直载荷产生电压模型 54

4.2.2 PVDF薄膜受切向摩擦力产生电压模型 55

4.3 PVDF柔性传感器测量信号的运用 58

4.4 本章小结 60

第5章 总结与展望 61

5.1 总结 61

5.2 展望 61

参考文献 63

附录 66

致谢 68

第1章 绪论

1.1 研究背景

自从100多年前汽车工业发展以来，我们看到了科学技术的不断改进，这些伟大的进步体现在乘坐舒适性，操纵稳定性，人性化，智能化和计算机化。汽车种类繁多的基本设备和可选设备让人赏心悦目。然而，和安全相关的发明和设备似乎不够。鉴于此，越来越多的研究致力于提高车辆的安全性。目前，胎压监测是汽车行业关注的重要问题，越来越多的汽车制造商将轮胎压力实时监控系统作为基本设备之一。

近年来，轮胎过度充气或充气不足导致的事故在现代社会引起了越来越多的关注。当轮胎过度充气时，就会出现不必要的轮胎磨损，导致汽车行驶里程减少，车辆的最佳性能降低等问题。由于轮胎压力监测系统（Tire Pressure Monitoring System）可以预测轮胎充气时的压力和温度异常情况，并警告司机可能发生的问题，从而避免事故的发生。因此胎压监测系统引起了公众对汽车交通安全的关注。此外，各国政府对汽车TPMS的普及也越来越重视。

众所周知，轮胎在车辆中起着至关重要的作用。任何驱动车辆的力和扭矩都是由轮胎和路面之间的相互作用产生的。因此，车辆的动态性能、燃油经济性和操纵稳定性等车辆性能的指标都会受到轮胎的影响。一般来说，轮胎是被动元件。也就是说，轮胎本身没有记录任何信息。因此，在轮胎里面装配用来监测轮胎运动状态的传感器，来预测车辆的各种性能指标，为车辆的安全行驶提供重要保障，是当代车辆轮胎的一个重要研究方向。