基於輪胎阻抗的汽車輪胎壓力監測方法及其裝置的製作方法

2023-08-02 22:06:51

專利名稱：基於輪胎阻抗的汽車輪胎壓力監測方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種汽車安全行駛監測方法及其裝置，特別涉及一種基於輪胎阻抗的汽車輪 胎壓力監測方法及其裝置。
(二)
背景技術：
在汽車行駛中，輪胎爆破是所有駕駛者最為擔心和最難預防的，它會引起或誘發嚴重的 交通事故。特別是在高速行駛時，輪胎爆破將更加危險，安全專家指出，當汽車時速超過 160公裡以上時，輪胎爆破而造成的死亡率幾乎接近100%。根據理論分析，輪胎爆破前，輪 胎的壓力會出現異常，因此通過對輪胎壓力的監測和異常情況的報警可以從根本上避免輪胎 爆破造成的危險。另外，如果輪胎的充氣壓力不足，則輪胎滾動阻力增大，汽車油耗增加， 同時胎面異常磨耗加劇，導致輪胎早期報廢，因此，對輪胎壓力的實時監測和異常情況的報 警對提高汽車的安全性、經濟性和穩定性具有非常重要的意義。
現有的輪胎壓力測量方法，如CN209245公告號的名稱為"汽車輪胎低氣壓報警器"的專 利，該專利是將傳感器固定在輪轂上實現輪胎壓力和溫度的直接接觸和測量，但是，這種安 裝過程比較複雜，需要將輪胎從鋼圈上去掉進行傳感器的固定，固定的傳感器在輪胎的長時 間旋轉和振動過程中容易發生鬆動或脫落，輪胎在惡劣天氣和高速運動時，輪胎內部形成的 高溫、潮溼環境極易降低傳感器的性能甚至損壞傳感器。另外，這種測量方法由於將傳感器 安裝在輪胎的內部，需要能夠長時間供電的電源， 一般使用高性能的鋰電池供電，但是鋰電 池的壽命是有限的，更換電池很不方便，並且鋰電池體積和重量比較大，增加了輪胎旋轉的 動態負載，易破壞輪胎的動態平衡，廢棄的電池還會造成環境的汙染。
為了避免上述傳感器在安裝方面的問題，2005年，R. Matsuzakia和A. Todoroki在 2005年第119期《Sensors and Actuators》第323-331頁上發表文章"利用電容和振蕩電路 進行輪月臺變開多的無線測量(Wireless Strain Monitoring of Tires Using Electrical Capacitance Changes with an Oscillating Circuit)"，首次將輪月臺壓力變化弓l起的月臺 面電容阻抗變化轉化為頻率變化無線發射出來，即將輪胎的胎面橡膠和鋼絲看作電容元件， 橡膠為介電材料，鋼絲為導電材料，相鄰鋼絲之間的橡膠和鋼絲一起可以組成一個輪胎電容 元件。在輪胎模塊中，輪胎壓力的變化引起輪胎胎面的變形，胎面鋼絲之間的距離發生變化 ，由胎面鋼絲和橡膠組成的電容器的電容發生變化，電容的變化經過CR振蕩器轉化為頻率的
變化，通過發射器的天線發射出去。在外部模塊接收器接收發射器發射的頻率信號，並經過 頻率計數器計算送給電腦進行處理，將獲得的測量頻率信號的變化轉化為輪胎壓力的變化， 從而實現輪胎壓力的無線測量。這樣雖然可以省去常規的輪胎壓力傳感器，避免了安裝常規 傳感器時出現的各種麻煩，但是在利用輪胎電容阻抗和CR振蕩器進行輪胎壓力的無線測量時 ，測量信號在發射時需要供電電源， 一般使用高性能的鋰電池供電，因此這種輪胎狀態測量 方法仍然存在使用電池供電存在的各種問題，另外，CR振蕩器和發射器由電阻和放大器等電 子元件組成，進行胎面嵌入安裝的難度很大，並且安裝後會影響輪胎的胎面彈性和剛度。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種無需使用電池供電、安裝容易的基於輪胎阻抗的 汽車輪胎壓力監測方法及其裝置。
本發明的基本構思為通過在輪胎內部嵌入聲表面波諧振器，並將輪胎橡膠和鋼絲所組 成輪胎的電容與電阻作為聲表面波諧振器的外接阻抗負載。輪胎狀態變化引起輪胎阻抗的變 化，輪胎阻抗的變化引起聲表面波諧振器諧振頻率的變化，聲表面波諧振器通過外部的激勵 脈衝發生諧振將諧振頻率信號無源無線的發送出來，從而實現輪胎狀態的無線無源檢測。在 輪胎狀態檢測過程中，將不同的鋼絲與多個不同的聲表面波諧振器相連組成多個具有不同外 接阻抗負載的聲表面波諧振器，利用多個聲表面波諧振器的諧振頻率的組合實現輪胎壓力、 溫度、磨損和老化等狀態的檢測。
本發明所設計的基於輪胎阻抗的汽車輪胎壓力監測方法，包括如下步驟
1) 在輪胎胎面橡膠內嵌入聲表面波諧振器組成輪胎模塊，聲表面波諧振器兩端分別與 輪胎胎面的不同鋼絲相連，輪胎胎面鋼絲和橡膠所構成的輪胎自身電容和電阻作為聲表面波 諧振器的外接輪胎阻抗；
2) 通過外部模塊向聲表面波諧振器發射頻率與聲表面波諧振器的中心諧振頻率相同的 射頻脈衝信號；
3) 聲表面波諧振器在射頻脈衝的激勵下發生諧振，該諧振頻率受聲表面波諧振器外接 的輪胎阻抗的影響，輪胎的阻抗受輪胎壓力等變化的影響，該諧振頻率信號返回至外部模塊
4) 外部模塊通過測量外接輪胎阻抗的變化所引起的聲表面波諧振器諧振頻率的變化， 並利用諧振頻率的變化和輪胎壓力的變化的對應關係實現輪胎壓力的測量。
在輪胎壓力測量過程中，季節或天氣的變化會引起外界環境氣溫的變化，氣溫的變化或 輪胎旋轉發熱都會引起輪胎內的溫度變化。輪胎溫度的變化會引起聲表面波諧振器的中心諧
振頻率的偏移，為了消除這些因素的影響，需要進行測量誤差的補償。本發明最好在輪胎胎 面橡膠內嵌入兩個具有相同結構和相同中心諧振頻率的聲表面波諧振器構成一個聲表面波諧 振器組，兩個聲表面波諧振器的一端相互連接，餘下的另外兩端，其中一個外接輪胎阻抗， 另一個不外接輪胎阻抗。由於溫度變化對兩個聲表面波諧振器中心諧振頻率的影響一樣，因 此，利用這兩個聲表面波諧振器的諧振頻率就可以消除溫度對聲表面波諧振器中心諧振頻率 的影響，得到正確的輪胎壓力測量值。
在進行輪胎壓力安全狀態的判斷時，輪胎內的其它狀態(如溫度、和/或磨損和老化程 度等)會影響輪胎壓力的安全範圍，輪胎在不同溫度、不同磨損和不同老化程度下，壓力的 安全範圍不同。本發明利用n(n》3)個不同中心諧振頻率的聲表面波諧振器組獲取輪胎的狀 態(如壓力、和/或溫度、和/或磨損和老化程度等)信息，n與所需求解的輪胎參數的個數 相當。每個聲表面波諧振器組的兩個引出端， 一個連接不同的輪胎阻抗， 一個不連接輪胎阻 抗。當輪胎的狀態(如壓力、和/或溫度、和/或磨損和老化程度等)變化時，胎面鋼絲和橡 膠組成的阻抗元件的電容和電阻都發生變化，連接輪胎阻抗的聲表面波諧振器的外接輪胎阻 抗發生變化，該聲表面波諧振器的諧振頻率發生變化，利用該聲表面波諧振器的諧振頻率可 以反映輪胎的狀態(如壓力、和/或溫度、和/或磨損和老化程度等)信息。利用n(n》3)個 聲表面波諧振器組的2n個聲表面波諧振器的諧振頻率，根據輪胎狀態(如壓力、和/或溫度 、和/或磨損和老化程度等)與輪胎阻抗的關係以及輪胎阻抗與聲表面波諧振器諧振頻率的 關係，通過數據融合的方法可以同時獲得輪胎的多種狀態(如壓力、和/或溫度、和/或磨損 和老化程度等)信息。
外部模塊根據得到的具體輪胎狀態(如壓力、和/或溫度、和/或磨損和老化程度等)信 息，利用輪胎在不同狀態(如溫度、和/或磨損和老化程度等)的壓力安全範圍，通過智能 算法可以對輪胎在當前狀態(如溫度、和/或磨損與老化程度等)下輪胎的壓力安全狀態做 出判斷。利用這種方法測量輪胎的狀態(如壓力、和/或溫度、和/或磨損和老化程度等)信 息時，標定的方法是採用標準的輪胎狀態(如壓力和/或溫度等)傳感器和LCR測試儀對輪胎 在不同狀態(如壓力、和/或溫度、和/或磨損和老化程度等)的阻抗進行測量，然後將測量 的結果與利用本發明的測量方法測量的頻率進行對比，獲得輪胎狀態(如壓力、和/或溫度 、和/或磨損和老化程度等)-頻率的對應關係，外部模塊利用這些對應關係，根據得到的頻 率信號可以求解出具體的輪胎狀態(如壓力、和/或溫度、和/或磨損和老化程度等)。
外部模塊用於控制發射射頻脈衝信號的時間、頻率大小和接收諧振頻率信號的時間，每 一次僅給一個輪胎模塊發射射頻脈衝信號，每一次僅接收一個輪胎模塊的諧振頻率信號。當
外部模塊接收到所有輪胎模塊返回的壓力測量數據後，外部模塊根據所得輪胎的壓力情況確 定下一次測量的開始時間，當輪胎的壓力異常時，應該縮短兩次測量之間的時間，否則，可 以增加兩次測量之間的時間。
本發明為實現上述方法所設計的基於輪胎阻抗的汽車輪胎壓力監測裝置，包括將輪胎壓 力所引起的胎面電容和電阻阻抗的變化轉化為頻率變化無線發射出來的輪胎模塊，以及根據 接收到的頻率變化求解輪胎壓力變化的外部模塊。所述外部模塊沿用現有技術所常用的外部 模塊構成，所述每個輪胎模塊包括嵌入在輪胎橡膠內的至少一個聲表面波諧振器、近端天線 和匹配阻抗；聲表面波諧振器的一端通過匹配阻抗與輪胎胎面橡膠內的公共鋼絲G相連，另 一端通過導線與不同於公共鋼絲G的輪胎鋼絲Sn相連，聲表面波諧振器與匹配阻抗間還接有 近端天線。輪胎模塊的聲表面波諧振器在受到外部模塊發送來的射頻脈衝信號的激勵，在輪 胎壓力的影響下發生諧振，並通過近端天線將諧振頻率返回外部模塊進行頻率計算，進而求 解出輪胎的壓力。
由於輪胎溫度的變化會弓1起聲表面波諧振器的中心諧振頻率的偏移，因此為了消除這些 因素的影響，使得輪胎壓力的測量結果更為準確，需要進行測量誤差的補償。作為改進，所 述輪胎模塊的輪胎橡膠內還可以嵌入通過兩個具有相同結構和相同中心諧振頻率的聲表面波 諧振器相連而成的聲表面波諧振器組。兩個聲表面波諧振器相接的一端通過匹配阻抗與公共 鋼絲G相連，聲表面波諧振器組的另外兩端一個通過導線與公共鋼絲G相連， 一個通過導線與 不同於公共鋼絲G的輪胎鋼絲Sn相連，聲表面波諧振器與匹配阻抗間還接有近端天線。由於 溫度變化對兩個聲表面波諧振器中心諧振頻率的影響一樣，因此，利用這兩個聲表面波諧振 器的諧振頻率就可以消除溫度對聲表面波諧振器中心諧振頻率的影響，得到正確的輪胎壓力
位於同一個輪胎模塊內的多個聲表面波諧振器和/或聲表面波諧振器組均共用一個匹配 阻抗和近端天線。
位於同一個輪胎模塊內的不同聲表面波諧振器和/或聲表面波諧振器組所接的輪胎鋼絲 Sn各不相同，即外接輪胎阻抗不同，以此求解那些能夠影響輪胎壓力測量結果的其它輪胎參 數，如輪胎的溫度、磨損和老化程度等。根據所需求解的參數的個數選定聲表面波諧振器和 /或聲表面波諧振器組的個數，並使得每個聲表面波諧振器和/或聲表面波諧振器組具有不同
的中心諧振頻率。利用n(n》3)個聲表面波諧振器組的2n個聲表面波諧振器的諧振頻率，根 據輪胎參數(如壓力、和/或溫度、和/或磨損和老化程度等)與輪胎阻抗的關係以及輪胎阻 抗與聲表面波諧振器諧振頻率的關係，通過數據融合的方法可以同時獲得輪胎的多種參數(
如壓力、和/或溫度、和/或磨損和老化程度等)信息。
所述外部模塊包括相互連接的遠端天線和射頻收發器、頻率計數器、微控制器、以及電
源；
遠端天線和射頻收發器用於向聲表面波諧振器和/或聲表面波諧振器組發射射頻脈衝 信號，以及接收聲表面波諧振器和/或聲表面波諧振器組返回的諧振頻率脈衝信號；
頻率計數器用於對接收到的諧振頻率進行計算，並將計算結果送入微控制器；
微控制器用於控制遠端天線和射頻收發器的工作狀態、和/或發射射頻脈衝信號的時 間和頻率大小、和/或接收諧振頻率信號的時間、並根據輪胎狀態(如壓力、和/或溫度、和 /或磨損和老化程度等)與聲表面波諧振器諧振頻率之間的關係求解輪胎的具體狀態(如壓 力、和/或溫度、和/或磨損和老化狀態等)信息。
所述射頻收發器和遠端天線的套數與輪胎模塊的個數相同，每一套射頻收發器和遠端天 線對應一個輪胎模塊。
所述微控制器還與存儲器、和/或報警裝置、和/或顯示裝置相連，存儲器用於存儲輪胎 的安全壓力範圍、輪胎的壓力-頻率、和/或溫度-頻率、和/或磨損和老化-頻率關係以及每 次測量的輪胎壓力值、和/或溫度、和/或磨損和老化程度；報警裝置用於在輪胎的壓力過高 或過低時，發出報警信號；顯示裝置用於顯示輪胎的壓力值、和/或輪胎的狀態、和/或故障 類型。
外部模塊根據輪胎的具體狀態(如溫度、和/或磨損和老化程度等)，利用存儲器存儲 的輪胎在不同狀態(如溫度、和/或磨損和老化程度等)下的壓力安全範圍，通過智能推理 ，對當前狀態下輪胎的壓力安全狀態做出正確的判斷，如果輪胎的壓力過高或過低，微控制 器給報警裝置發信號和顯示裝置發信號，如果輪胎的壓力狀態正常，微控制器僅給顯示裝置 發信號。
本發明根據輪胎壓力和輪胎胎面的電容和電阻阻抗的關係以及輪胎胎面阻抗與聲表面波 諧振器的諧振頻率之間的關係實現輪胎壓力的無源無線檢測，節省了常規的傳感器，降低了 成本；監測系統的輪胎模塊體積很小，輪胎模塊的聲表面波諧振器的抗電磁幹擾和耐熱性能 都很好，可以在輪胎生產過程中直接嵌入安裝在輪胎的胎面鋼絲層的橡膠內，避免了目前輪 胎壓力監測系統的輪胎模塊安裝在氣門嘴部位或輪轂部位存在的安裝、固定和性能影響等問 題；輪胎模塊採用無源工作方式，避免了目前輪胎壓力監測系統中使用有源傳感器需要使用 電池供電而限制監測系統使用壽命的問題和電池汙染問題，也避免了目前輪胎壓力監測系統 中採用有源傳感器時輪胎模塊體積和重量較大而增加輪胎旋轉的動態負載和影響輪胎的動態
平衡的問題。
(四)


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進行進一步詳細說明。 圖l為本發明的一種實施例的結構示意圖。 圖2為對應圖1的外部模塊的工作流程圖。
圖3為本發明的另一種實施例的聲表面波諧振器組Mn的結構示意圖。 圖4為在同一個輪胎內嵌入多個如圖3的聲表面波諧振器組Mn連接的示意圖。
圖5為對應圖4的外部模塊的工作流程圖。

1、外部模塊；2、輪胎模塊；3、基片；4、聲表面波諧振器；5、聲表面波
諧振器組。
(五)
具體實施例方式
實施例l:
基於輪胎阻抗的汽車輪胎壓力監測裝置的實施方式可以由如圖l所示的至少一個輪胎模 塊2和外部模塊1組成。位於不同輪胎內的輪胎模塊2包括嵌入在輪胎胎面鋼絲層橡膠內的聲 表面波諧振器4和與之相連的鋼絲、近端天線與匹配阻抗。聲表面波諧振器4由基片3和基片 3表面的叉指換能器與兩個完全一樣的反射器組成，反射器完全對稱的布置在叉指換能器的 兩側。聲表面波諧振器4的叉指換能器的一端與匹配阻抗相連，另外該端還與近端天線相連 ，聲表面波諧振器4的叉指換能器的另一端與胎面鋼絲Sn相連。匹配阻抗的一端與近端天線 連接在一起，另一端連接公共鋼絲G。公共鋼絲G是不同於聲表面波諧振器4的叉指換能器直 接連接的胎面鋼絲Sn的另一根鋼絲。鋼絲為導電材料，橡膠為介電材料，另外，橡膠內含有 的碳黑為導電材料，這樣由胎面鋼絲Sn、公共鋼絲G、以及它們之間的橡膠可以組成輪胎的
電容和電阻阻抗，該輪胎電容和電阻阻抗可以看作聲表面波諧振器4的外接輪胎阻抗負載。
當輪胎的壓力變化時，輪胎鋼絲Sn與公共鋼絲G間的距離發生變化，輪胎鋼絲Sn、公共鋼絲G
和橡膠組成的阻抗元件的電容和電阻發生變化，聲表面波諧振器4的阻抗負載發生變化，聲 表面波諧振器4的諧振頻率發生變化。
外部模塊l由遠端天線、射頻收發器、頻率計數器、微控制器、存儲器、報警顯示裝置
和電源組成，電源一般為汽車的供電電源。由於存在多個輪胎模塊2，為了進行輪胎模塊2的 區分，外部模塊l可以設置多套射頻收發器和遠端天線，其套數與輪胎模塊2的個數相同，每 一套收發器和遠端天線對應一個輪胎模塊2，並將射頻收發器和天線安裝在輪胎上部的遮灰 板上。頻率計數器、微控制器、存儲器和顯示報警裝置安裝在駕駛室內，每一套遠端天線和 收發器都通過導線連接到外部模塊l的頻率計數器和微控制器，微控制器與頻率計數器、收 發器和顯示報警裝置相連，存儲器可以存儲輪胎的安全壓力範圍以及前幾次測量的輪胎壓力 值。
當外部模塊l的微控制器向某一個射頻收發器發送發射脈衝的命令後，該射頻收發器通 過遠端天線向輪胎模塊2發送與聲表面波諧振器4的中心諧振頻率相同的射頻脈衝信號。輪胎 模塊2的近端天線直接連接聲表面波諧振器4的叉指換能器，聲表面波諧振器4利用叉指換能 器將接收到的射頻信號轉化為聲表面波諧振器4基片3表面的聲表面波，聲表面波在聲表面波 諧振器4的叉指換能器和反射器之間傳播發生諧振。與聲表面波諧振器4相連的外接輪胎阻抗 為輪胎的電容和電阻阻抗，輪胎的電容和電阻阻抗受輪胎的壓力等因素的影響，聲表面波諧 振器4的諧振頻率受外接的輪胎阻抗的影響，因此，輪胎的壓力等狀態可以通過聲表面波諧 振器4的諧振頻率反映出來。聲表面波諧振器4的諧振頻率信號通過聲表面波諧振器4的叉指 換能器轉化為相同頻率的電磁脈衝信號，該電磁脈衝信號通過輪胎模塊2的近端天線發射出 去。
外部模塊l的收發器在發射完脈衝信號後，當收到外部模塊l的微控制器發送的接收脈衝 命令後進入接收狀態， 一旦接收到對應輪胎模塊2發送的脈衝信號後，將接收脈衝信號傳送 給頻率計數器進行脈衝頻率的計算。計算的脈衝頻率送給微控制器，微控制器根據輪胎壓力 變化與聲表面波諧振器4的諧振頻率的變化之間的關係進行輪胎壓力的計算，然後將計算得 到的輪胎壓力與存儲器存儲的該輪胎模塊2前幾次輪胎壓力信號以及輪胎壓力變化的安全範 圍進行比較，利用智能算法判斷輪胎的壓力狀態是過高、過低或正常。如果輪胎壓力狀態為 過高或過低，微控制器給報警裝置發信號，報警裝置發出報警信號；同時，微控制器給顯示 裝置發信號，顯示輪胎的狀態和故障類型，否則微控制器僅給顯示裝置發信號，顯示出輪胎 的壓力值。
外部模塊l的微控制器控制射頻收發器和遠端天線的工作狀態以及發射脈衝信號的時間 、頻率和接收脈衝信號的時間。每一個發射或接收命令只能發送給一個收發器，即每一次只 能有一個收發器工作。當所有的輪胎模塊2的壓力測量數據都收到後，微控制器根據輪胎的 壓力情況確定下一次測量的開始時間。當輪胎的壓力異常時，應該縮短兩次測量之間的時間 ，否則，可以增加兩次測量之間的時間。
當存在m (m>l)個輪胎模塊2時，如圖2，本實施例外部模塊l的工作流程如下 a)初始化發射脈衝的時間T1和接收脈衝的時間T2，定義收發器的編號為i (i=l m， m 為輪胎模塊2的個數)，並初始化1=1，轉入步驟b);b) 判斷i是否超過m+l，即是否檢測完所有的輪胎模塊2，如果沒有，轉入步驟c)，否 則轉入步驟d);
c) 外部模塊l的微控制器向第i個收發器發送發射脈衝命令，第i個收發器收到發射脈衝 命令後通過遠端天線發送射頻脈衝信號，發射時間為T1，然後，外部模塊l的微控制器向第 i個收發器發送接收脈衝命令，第i個收發器收到接收脈衝命令後，第i個收發器的遠端天線 處於接收脈衝信號狀態，等待接收輪胎模塊2返回的諧振頻率信號脈衝，接收時間為T2，最 後，第i個收發器將收到的脈衝信號送入頻率計數器進行頻率計算，計算結果送入微控制器
，微控制器根據輪胎的壓力變化與聲表面波諧振器4的頻率變化之間的關係求解輪胎的壓力 ，i=i+l，轉入步驟b);
d) 外部模塊l的微控制器根據接收到的m個輪胎模塊2的壓力變化信號和存儲器存儲的各 個輪胎模塊2前幾次輪胎壓力信號以及輪胎壓力變化的安全範圍，利用智能算法進行m個輪胎 壓力狀態的智能判斷，如果某一個輪胎的壓力狀態異常壓力過高或壓力過低，轉入步驟e)
，如果所有的輪胎的壓力狀態都正常，轉入步驟f);
e) 外部模塊l的微控制器向報警裝置發出報警命令，報警裝置發出報警信號，微控制器 向顯示裝置發送輪胎壓力狀態信息和壓力值，顯示裝置顯示每一個輪胎的壓力狀態，如果壓 力異常，顯示異常的具體狀態，如果壓力正常，僅顯示壓力值，等待測量間隔時間T3，轉入 步驟a);
f) 外部模塊l的微控制器向顯示裝置發送每一個輪胎的具體壓力值，顯示裝置顯示每一 個輪胎的壓力值，然後等待測量間隔時間T4， T4可以大於T3，轉入步驟a)。
實施例2:
本實施例通過在輪胎內部嵌入多個聲表面波諧振器組5，不僅可以同時獲取輪胎的壓力 、溫度、磨損和老化信息，還可以根據獲得的輪胎壓力、溫度、磨損和老化信息進行輪胎壓 力安全狀態的正確判斷。
本實施例的外部模塊l的結構與實施例l相同，其輪胎模塊2的結構比實施例1複雜，即每 個輪胎模塊2主要由聲表面波諧振器組5、近端天線和匹配阻抗組成。該聲表面波諧振器組5 為兩個具有完全相同結構的聲表面波諧振器4相互連接而成，兩個聲表面波諧振器4相接的一 端通過匹配阻抗與公共鋼絲G相連，在聲表面波諧振器4與匹配阻抗間還接有近端天線。聲表 面波諧振器組5的另外兩端一個通過導線與公共鋼絲G相連，即不連接外接輪胎阻抗； 一個通 過導線與不同於公共鋼絲G的輪胎鋼絲Sn相連，即連接外接輪胎阻抗，如圖3所示。
當輪胎內部的溫度變化時，溫度的變化會弓1起聲表面波諧振器4中心諧振頻率的變化，
從而引起測量誤差。本發明還可以利用不連接外接輪胎阻抗的聲表面波諧振器4進行測量誤 差的補償，由於溫度的變化同樣會影響連接外接輪胎阻抗的聲表面波諧振器4的中心諧振頻 率。另外，這兩個聲表面波諧振器4的結構與中心諧振頻率完全相同，所處環境也完全相同 ，因此，溫度變化在這兩個聲表面波諧振器4上引起的頻率變化應該是一樣的。於是，利用 這兩個聲表面波諧振器4的頻率變化就可以消除溫度變化引起的測量誤差，從而得到正確的 輪胎壓力狀態信息。
另外，在利用聲表面波諧振器組5進行輪胎壓力測量時，由於輪胎在不同溫度下的安全 壓力範圍不同，輪胎在不同磨損和老化程度下的安全壓力範圍也不同，因此，外部模塊l為 了能夠進行輪胎壓力安全狀態的正確判斷，還需要獲得輪胎內部的溫度信息以及輪胎的磨損 和老化狀態信息。此時，為了同時得到輪胎的壓力、溫度、磨損和老化狀態信息並補償溫度 變化對聲表面波諧振器4中心諧振頻率的影響，本實施例在同一個輪胎內嵌入n(n》3)個具有 不同中心諧振頻率的聲表面波諧振器組5來實現。如圖4所示，為了同時獲得更多的輪胎信息 ，本實施可以在同一個輪胎內嵌入多個聲表面波諧振器組5，這些聲表面波諧振器組5相連的 一端均通過同一個匹配阻抗與公共鋼絲G相連，且在公共鋼絲G和匹配阻抗間接同一個近端天 線。每一個聲表面波諧振器組5的兩個剩餘端，外接阻抗的一端與不同的輪胎鋼絲Sn相連， 不接輪胎阻抗的一端均與公共鋼絲G相連。各個聲表面波諧振器組5連接的外接輪胎阻抗端所 連接的輪胎鋼絲Sn不同，其中心諧振頻率也不同，但它們不連接外接輪胎阻抗端始終與公共 鋼絲G相連。分別測量各個聲表面波諧振器組5的兩個聲表面波諧振器4的諧振頻率的變化， 然後將測量的信息進行數據融合可以得到需要的輪胎壓力、溫度、磨損和老化狀態信息。外 部模塊l可以根據輪胎的具體磨損和老化狀態，以及輪胎內的溫度狀況，利用存儲器存儲的 輪胎在不同溫度、不同磨損和老化程度的壓力安全範圍，通過智能推理，對當前溫度和當前 的磨損與老化程度下輪胎的壓力安全狀態做出正確的判斷。如果輪胎的壓力過高或過低，微 控制器給報警裝置發信號，報警裝置發出報警信號；同時，微控制器給顯示裝置發信號，顯 示輪胎的狀態和故障類型，如果輪胎的壓力狀態正常，微控制器僅給顯示裝置發信號，顯示 出輪胎的壓力值。
假定嵌入在汽車輪胎內的每個聲表面波諧振器組5外接輪胎阻抗端分別連接輪胎鋼絲S j (j=l， 2， 3……n)，各個聲表面波諧振器組5具有不同的中心諧振頻率fjo (j=l， 2， 3… …n)，且各個聲表面波諧振器組5的中心諧振頻率之間要具有一定的差異，即各聲表面波諧 振器組5中心諧振頻率之間的差都要大於外接輪胎阻抗的最大變化引起的聲表面波諧振器4諧 振頻率變化。根據聲表面波諧振器組5的中心諧振頻率，設計各頻率下的聲表面波諧振器組 5、匹配阻抗和近端天線，與聲表面波諧振器組5相連的匹配阻抗與近端天線都是經過優化設 計的，在滿足聲表面波諧振器4、匹配阻抗和近端天線胎面嵌入安裝的條件下，聲表面波諧 振器組5的能量利用率、頻率穩定性、插入損耗和品質因數綜合性能最好，近端天線的發射 和接收性能最佳。
當外部模塊l的微控制器向某一個收發器發送發射脈衝的命令後，該收發器首先通過遠 端天線發送頻率為fio的射頻脈衝信號，fio為輪胎模塊2的第一個聲表面波諧振器組5M^勺中 心諧振頻率，即Mi的兩個聲表面波諧振器4的中心諧振頻率。與此收發器和遠端天線對應的 輪胎模塊2的近端天線接收發射的射頻脈衝信號，輪胎模塊2的近端天線直接連接各聲表面波 諧振器組5的兩個聲表面波諧振器4，聲表面波諧振器4的叉指換能器將接收到的射頻脈衝信 號轉化為聲表面波並在聲表面波諧振器4的基片3表面傳播，由於輪胎模塊2的第一個聲表面 波諧振器組5M^勺兩個聲表面波諧振器4的中心諧振頻率與接收脈衝信號的頻率一致，因此， 在該聲表面波諧振器組5的兩個聲表面波諧振器4發生諧振。假定由同一個聲表面波諧振器組 5的一個不與輪胎阻抗相連的聲表面波諧振器4a的諧振頻率為fn，另一個與輪胎阻抗相連的 聲表面波諧振器4b的諧振頻率為f^。其中表面波諧振器a會受f^到輪胎內部溫度的影響，溫 度會引起該聲表面波諧振器4a中心諧振頻率的偏移，假定引起的偏移為AfT1，因此它的諧 振頻率為
formula see original document page 14
與輪胎的阻抗相連的聲表面波諧振器4b，輪胎的壓力、溫度、磨損和老化都會引起外接 輪胎阻抗的變化，外接輪胎阻抗的變化又引起該聲表面波諧振器4b諧振頻率的變化，假定為 fi(P，T，W)。另外輪胎溫度同樣引起聲表面波諧振器4b的中心諧振頻率的偏移Afn，因此， 該聲表面波諧振器4b的諧振頻率為
聲表面波諧振器4a和聲表面波諧振器4b分別將自身的諧振頻率信號轉化為相同頻率的電 磁脈衝信號，該電磁脈衝信號通過輪胎模塊2的天線發射出去。外部模塊l的收發器在發射完 脈衝信號後，當收到外部模塊l的微控制器發出的接收脈衝命令後進入接收狀態，當接收到 對應輪胎模塊2發送的脈衝信號後，將接收脈衝信號發送給頻率計數器進行脈衝頻率的計算 ，利用頻率計數器分別得到頻率fll和fl2，然後將得到的頻率送給微控制器。
接下來，外部模塊l的微控制器再次向同一個收發器發送發射脈衝的命令，該收發器通 過遠端天線發送頻率為f2Q的射頻脈衝信號，f2Q為輪胎模塊2的第二個聲表面波諧振器組5的 中心諧振頻率。按照相同的原理外部模塊l可以得到聲表面波諧振器組5M2的兩個聲表面波諧
振器4的諧振頻率fn和f22。
然後，按照同樣的方法可以得到其它聲表面波諧振器組5的兩個聲表面波諧振器4的諧振 頻率信號，外部模塊l的微控制器在得到的頻率信號的基礎上求解下式formula see original document page 15乂廣4 + X^工『)+ A4 3
求解的方法可以採用數據融合和智能算法，因此，外部模塊i可以得到輪胎的壓力、溫 度、磨損和老化狀態信息。利用這種方法測量輪胎的壓力、溫度、磨損和老化信息時，標定
的方法是採用標準的輪胎壓力、溫度傳感器和LCR測試儀對輪胎在不同壓力、不同溫度、不 同磨損和老化程度的阻抗進行測量，然後將測量的結果與利用本發明的測量方法測量的頻率 進行對比，獲得壓力-頻率、溫度-頻率、磨損和老化-頻率的對應關係，然後將該對應關係 存入外部模塊l的存儲器，根據這些對應關係，外部模塊l的微控制器可以根據得到的頻率信 號求解出具體的輪胎壓力、溫度、磨損和老化程度。
外部模塊l的微控制器根據求解得到的輪胎壓力、溫度、磨損和老化狀態信息，利用存 儲器存儲的輪胎在不同溫度、不同磨損和老化程度的壓力安全範圍，通過智能算法對輪胎在 當前溫度和當前的磨損與老化程度下輪胎的壓力安全狀態做出判斷，如果輪胎的壓力過高或 過低，微控制器給報警裝置發信號，報警裝置發出報警信號；同時，微控制器給顯示裝置發 信號，顯示輪胎的狀態和故障類型，如果輪胎的壓力狀態正常，微控制器僅給顯示裝置發信 號，顯示出輪胎的壓力值。
外部模塊l的微控制器控制射頻收發器和遠端天線的工作狀態以及發射脈衝信號的時間 、頻率和接收脈衝信號的時間。每一個發射或接收命令只能發送給一個收發器，即每一次只 能有一個收發器工作。當所有的輪胎模塊2的測量信號都收到後，微控制器根據輪胎的壓力 狀態確定下一次測量的開始時間。當輪胎的壓力異常時，應該縮短兩次測量之間的時間，否 則，可以增加兩次測量之間的時間。
當存在m (m>l)個輪胎模塊2並且每個輪胎模塊2有n(n》3)個聲表面波諧振器組5時，如 圖5，本實施例外部模塊l的工作流程如下
a)初始化發射脈衝的時間T1和接收脈衝的時間T2，定義收發器的編號為i (i=l m， m
為輪胎模塊2的個數)，並初始化1=1，轉入步驟b);
b) 判斷i是否超過m+l，即是否檢測完所有的輪胎模塊2，如果沒有，轉入步驟c)，否 則轉入步驟g);
c) 定義聲表面波諧振器組5的編號為j(j^ n， n為聲表面波諧振器組5的個數)，並初 始化]'=1，轉入步驟d);
d) 判斷j是否超過n+l，即是否獲得了該輪胎模塊2的所有聲表面波諧振器組5的測量信 息，如果沒有，轉入步驟e)，否則轉入步驟f);
e) 外部模塊l的微控制器向第i個收發器發出發射脈衝命令，第i個收發器收到發射脈衝 命令後通過遠端天線發送射頻脈衝信號，發射時間為T1，發射頻率為輪胎模塊2的第j個聲表 面波諧振器組5的中心諧振頻率foj，然後，外部模塊l的微控制器向第i個收發器發接收脈衝 命令，第i個收發器收到接收脈衝命令後，第i個收發器的遠端天線處於接收脈衝信號狀態， 等待接收輪胎模塊2返回的諧振頻率信號脈衝，接收時間為T2，最後，第i個收發器將收到的 脈衝信號送入頻率計數器進行頻率計算，計算結果送入微控制器，j"'+l，轉入步驟d);
f) 利用存儲器存儲的壓力-頻率、溫度-頻率、磨損和老化-頻率的對應關係，根據輪胎 模塊2的n個聲表面波諧振器組5的測量頻率與輪胎的壓力、溫度、磨損和老化程度之間的關 系，通過數據融合的方法求解輪胎的具體壓力、溫度、磨損和老化程度，i=i+l，轉入步驟
g) 外部模塊l的微控制器根據接收到的m個輪胎模塊2的壓力、溫度、磨損和老化狀態信 息，利用存儲器存儲的輪胎在不同溫度、不同磨損和老化程度的壓力安全範圍，通過智能算 法對m個輪胎在當前溫度和當前的磨損與老化程度下輪胎的壓力安全狀態做出判斷，如果某 一個輪胎的壓力狀態異常壓力過高或壓力過低，轉入步驟h)，如果所有的輪胎的壓力狀態都 正常，轉入步驟i);
h) 外部模塊l的微控制器向報警裝置發出報警命令，報警裝置發出報警信號，微控制器 向顯示裝置發送輪胎壓力狀態信息和壓力值，顯示裝置顯示每一個輪胎的壓力狀態，如果壓 力異常，顯示異常的具體狀態，如果壓力正常，僅顯示壓力值，等待測量間隔時間T3，轉入 步驟a);
i) 外部模塊l的微控制器向顯示裝置發送每一個輪胎的具體壓力值，顯示裝置顯示每一 個輪胎的壓力值，然後等待測量間隔時間T4， T4可以大於T3，轉入步驟a)。
本發明不僅限於上述實施例，只要在輪胎橡膠內嵌入聲表面波諧振器4或聲表面波諧振 器組5，並將輪胎鋼絲和橡膠構成的輪胎自身電容和電阻作為其外接阻抗就屬於本發明的保
護範圍。
權利要求
1.基於輪胎阻抗的汽車輪胎壓力監測方法，其特徵在於包括如下步驟1)在輪胎胎面橡膠內嵌入聲表面波諧振器(4)，聲表面波諧振器(4)兩端分別與輪胎胎面的不同鋼絲相連，輪胎胎面鋼絲和橡膠所構成的輪胎自身電容和電阻作為聲表面波諧振器(4)的外接輪胎阻抗；2)通過外部模塊(1)向聲表面波諧振器(4)發射頻率與聲表面波諧振器(4)的中心諧振頻率相同的射頻脈衝信號；3)聲表面波諧振器(4)在射頻脈衝的激勵下發生諧振，該諧振頻率受聲表面波諧振器(4)外接的輪胎阻抗的影響，輪胎的阻抗受輪胎壓力等變化的影響，該諧振頻率信號返回至外部模塊(1)；4)外部模塊(1)通過測量外接輪胎阻抗的變化所引起的聲表面波諧振器(4)諧振頻率的變化，並利用諧振頻率的變化和輪胎壓力的變化的對應關係實現輪胎壓力的測量。
2.根據權利要求l所述的基於輪胎阻抗的汽車輪胎壓力監測方法，其 特徵在於所述還包括對輪胎壓力測量進行溫度誤差的補償步驟，即在輪胎橡膠內嵌入聲表 面波諧振器組(5)，該聲表面波諧振器組(5)主要通過兩個具有相同結構和相同中心諧振 頻率的聲表面波諧振器(4)的一端相連而成，兩個聲表面波諧振器(4)餘下的另外兩個引 出端， 一個連接輪胎阻抗， 一個不連接輪胎阻抗，通過測量這兩個聲表面波諧振器(4)的 諧振頻率，計算出溫度對聲表面波諧振器(4)的諧振頻率的測量結果所產生的影響，進而 得到正確的輪胎壓力測量值。
3.根據權利要求2所述的基於輪胎阻抗的汽車輪胎壓力監測方法，其 特徵在於所述還包括一個步驟，即根據所需求解的能夠影響輪胎壓力測量的輪胎參數的個 數，在輪胎的橡膠內嵌入與需求解的參數的個數相當的中心諧振頻率各不相同的聲表面波諧 振器組(5)，每個聲表面波諧振器組(5)的兩個引出端， 一個連接不同的輪胎阻抗， 一個 不連接輪胎阻抗。通過測量每個聲表面波諧振器(4)返回的諧振頻率，利用各個輪胎參數與輪胎阻抗的關係以及輪胎阻抗與聲表面波諧振器(4)諧振頻率的關係，通過數據融合的 方法同時獲得這些輪胎參數信息。
4.根據權利要求3所述的基於輪胎阻抗的汽車輪胎壓力監測方法，其 特徵在於所述外部模塊(1)根據得到的具體輪胎狀態參數信息，利用輪胎在不同狀態的 壓力安全範圍，通過智能算法對輪胎在當前狀態下輪胎的壓力安全狀態做出判斷。
5.基於輪胎阻抗的汽車輪胎壓力監測裝置，包括外部模塊(1)和至 少一個輪胎模塊(2)，其特徵在於所述每個輪胎模塊(2)包括嵌入在輪胎橡膠內的至少 一個聲表面波諧振器(4)、近端天線和匹配阻抗；聲表面波諧振器(4)的一端通過匹配阻 抗與輪胎胎面橡膠內的公共鋼絲G相連，另一端通過導線與不同於公共鋼絲G的輪胎鋼絲Sn相 連，聲表面波諧振器(4)與匹配阻抗間還接有近端天線。
6.根據權利要求5所述的基於輪胎阻抗的汽車輪胎壓力監測裝置，其 特徵在於所述輪胎模塊(2)還包括至少一個聲表面波諧振器組(5)，該聲表面波諧振器 組(5)通過兩個具有相同結構和相同中心諧振頻率的聲表面波諧振器(4)相互連接而成， 兩個聲表面波諧振器(4)相接的一端通過匹配阻抗與公共鋼絲G相連，聲表面波諧振器(4 )與匹配阻抗間還接有近端天線，聲表面波諧振器組(5)的另外兩端一個通過導線與公共 鋼絲G相連， 一個通過導線與不同於公共鋼絲G的輪胎鋼絲Sn相連。
7.根據權利要求5或6所述的基於輪胎阻抗的汽車輪胎壓力監測裝置 ，其特徵在於所述位於同一輪胎模塊(2)內的不同聲表面波諧振器(4)和/或聲表面波 諧振器組(5)共用一個匹配阻抗和近端天線。
8.根據權利要求5或6所述的基於輪胎阻抗的汽車輪胎壓力監測裝置 ，其特徵在於所述位於同一輪胎模塊(2)內的不同聲表面波諧振器(4)和/或聲表面波 諧振器組(5)所接的輪胎鋼絲Sn各不相同，即每一個聲表面波諧振器(4)和/或聲表面波 諧振器組(5)具有不同的外接輪胎阻抗。
9.根據權利要求5或6所述的基於輪胎阻抗的汽車輪胎壓力監測裝置 ，其特徵在於所述外部模塊(1)包括至少一個相互連接的遠端天線和射頻收發器、頻率 計數器、微控制器、以及電源；遠端天線和射頻收發器用於向聲表面波諧振器(4)和/或聲表面波諧振器組(5)發 射射頻脈衝信號，以及接收聲表面波諧振器(4)和/或聲表面波諧振器組(5)返回的諧振 頻率脈衝信號；頻率計數器用於對接收到的諧振頻率進行計算，並將計算結果送入微控制器； 微控制器用於控制遠端天線和射頻收發器的工作狀態、和/或發射射頻脈衝信號的時 間和頻率大小、和/或接收諧振頻率信號的時間、並根據測量頻率變化求解輪胎的壓力。
10.根據權利要求9所述的基於輪胎阻抗的汽車輪胎壓力監測裝置， 其特徵在於所述射頻收發器和遠端天線的套數與輪胎模塊(2)的個數相同，每一套射頻 收發器和遠端天線對應一個輪胎模塊(2)。
全文摘要
本發明公開的基於輪胎阻抗的汽車輪胎壓力監測方法及其裝置，通過在輪胎內部嵌入聲表面波諧振器，並將輪胎橡膠和鋼絲所組成輪胎的電容與電阻作為聲表面波諧振器的外接阻抗負載。輪胎狀態變化引起輪胎阻抗的變化，輪胎阻抗的變化引起聲表面波諧振器諧振頻率的變化，聲表面波諧振器通過外部的激勵脈衝發生諧振將諧振頻率信號無源無線的發送出來，從而實現輪胎狀態的無線無源檢測。在輪胎狀態檢測過程中，將不同的鋼絲與多個不同的聲表面波諧振器相連組成多個具有不同外接阻抗負載的聲表面波諧振器，利用多個聲表面波諧振器的諧振頻率的組合實現輪胎壓力、溫度、磨損和老化等狀態的檢測。
文檔編號B60C23/00GK101348059SQ20081030215
公開日2009年1月21日 申請日期2008年6月16日 優先權日2008年6月16日
發明者張向文, 樊永顯, 明 潘, 勇 許 申請人:桂林電子科技大學