專利名稱:用于確定車輛運行期間輪胎工作參數(shù)的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域:
本發(fā)明涉及用于確定安裝在車輛上的輪胎的至少一個工作參數(shù)的方法和系統(tǒng)。所
述至少一個工作參數(shù)可以是例如在車輛運行期間輪胎和該輪胎在其上滾動的滾動表面之
間的接觸區(qū)域(或者接觸印痕(contact patch))的長度,和/或安裝在車輛上的輪胎經(jīng)受 的載荷。
背景技術:
為了提高車輛的安全性,在充氣輪胎內包含電子器件正愈加重要。輪胎電子線路 可以包括傳感器和適于獲取有關輪胎的行為及其各種物理參數(shù)的信息的其他部件,所述信 息例如溫度、壓力、輪胎轉數(shù)、車輛速度,等等。這些信息可能在輪胎監(jiān)測和/或報警系統(tǒng)中 變得有用。此外,車輛的主動控制系統(tǒng)可以基于從輪胎中所包括的傳感器器件發(fā)送的信息。 典型地,采用無線傳輸以便把輪胎性能信息發(fā)送到輪胎外部,到達設置在車輛上的接收器, 因此,設置在輪胎內的這些電子器件通常包括和天線相連的發(fā)射器。通常也采用微處理器, 以便在傳輸之前收集和處理來自性能傳感器的信號。 為了妥當使用輪胎而要監(jiān)測的一個重要參數(shù)是輪胎安裝在車輛上時經(jīng)受的載荷。 為了正確地設置輪胎的充氣壓力,以及為了正確地調整車輛的主動控制系統(tǒng),輪胎的這個 工作參數(shù)非常重要。另一個重要參數(shù)是接觸印痕(即輪胎和路面之間的接觸區(qū)域)的長度。
W0 05/005950公開了一種通過測量當輪胎胎面區(qū)域的一部分經(jīng)過對應于輪胎和 路之間的接觸區(qū)域時該部分經(jīng)受的徑向的變形("徑向變形")的幅度,并通過把這個幅度 和輪胎的轉動速度以及充氣壓力相關來確定施加于安裝在車輛上的輪胎上的載荷的方法。 在W005/005950中公開的實施例中,利用固定于輪胎的內部襯墊的徑向加速度計檢測所述 徑向變形。 W0 05/042281公開了用于確定當車輛在滾動表面上運行期間施加于安裝在所述 車輛上的輪胎上的載荷的方法,包含提供所述輪胎載荷相對于所述輪胎和所述滾動表面之 間的接觸區(qū)域的長度(PLe)的上凹函數(shù)F, = Fz(PLe ;估計大致位于赤道平面的所述長度;并 從所述函數(shù)導出對應于所述估計長度的輪胎載荷。在W0 05/042281中公開的實施例中,通 過從切向加速度計獲取切向加速度信號,并測量所述切向加速度信號的最大值和最小值之 間的距離來估計接觸長度。 常規(guī)上,集成的輪胎電子線路系統(tǒng)由各種技術和不同的功率產(chǎn)生系統(tǒng)供電。
用于給輪胎電子線路系統(tǒng)供電的典型解決方案是使用不可再充電電池,這可能給 輪胎用戶帶來不便,因為正常的電子線路系統(tǒng)運轉取決于周期性的電池更換。實際上,當給 以復雜的功能層級為特點的電子應用供電時,電池往往迅速地將其能量存儲耗盡。此外,常 規(guī)電池通常包含不環(huán)保并帶來處置問題的重金屬。而且,常規(guī)電池的性能經(jīng)常受溫度影響 具體來說,這些電池的工作在低溫不可靠。 另一種已知的給輪胎監(jiān)測系統(tǒng)供電的方法是在安裝在車輛上的天線和鄰近的設 置在輪胎中的電子器件內所包括的另一個天線之間耦合射頻(RF)功率。這通常要求設置在車輛部分中的天線經(jīng)常暴露于來自道路險情的破壞,因此可能導致很多缺點。
也已提出了使用壓電元件來給輪胎監(jiān)測系統(tǒng)供電。壓電性是某些材料,例如石英、 羅謝爾鹽,以及某些固溶液陶瓷材料,例如鋯鈦酸鉛(PZT)在機械受力時產(chǎn)生電荷的特性。
W0 2005/067073公開了包含與能量存儲器件(例如電容)相關聯(lián)的壓電撓曲元件 的輪胎。壓電撓曲元件以懸臂方式安裝在外殼中,以便大致沿著和所述輪胎的徑向正交的 平面定位,因此,所述壓電元件的第一端固定于外殼。載荷體被耦合到壓電撓曲元件的第二 端。在外殼的內壁和載荷體(loading mass)的外表面之間形成了小的間隙,以便允許壓電 元件的有限撓曲。包括壓電元件的外殼被安裝在對應于輪胎的胎面區(qū)域的輪胎部分中,最 好在輪胎的內表面上。當輪胎轉動時,壓電元件在徑向加速度的作用下彎曲。選擇載荷體 和間隙以獲得a)當輪胎以低速轉動時,基本上在輪胎轉動一整圈期間,撓曲元件的較小 的本體(entity)振蕩;b)基本上只有在包括壓電元件的輪胎部分在接觸印痕中通過期間 撓曲元件較大的本體振蕩。 WO 2006/072539公開了如桿彈簧、扭力彈簧或片彈簧的彈簧元件的結構,其中,彈 簧元件的自由端攜帶震動體,通過輪胎的轉動向所述震動體施加沖擊。震動體和彈簧元件 的組合產(chǎn)生了彈簧體振蕩器。通過運動產(chǎn)生振蕩,藉此,在輪胎轉動期間,輪胎模塊在其通 過接觸區(qū)域時描繪出直線,并且在其移動到接觸區(qū)域外面時描繪出圓形路徑。在圓形路徑 中,離心力作用在震動體上,而在理想條件下,在接觸區(qū)域中,將沒有力作用在震動體上。離 心力將使彈簧體振蕩器位移,然后,彈簧體振蕩器將在其通過接觸區(qū)域時返回其息止位置。 根據(jù)W02006/072539,為了產(chǎn)生用于記錄輪胎狀態(tài)變量的完整模塊,用于評估來自轉換單元
的電輸出信號或者其他傳感器數(shù)據(jù)的分析單元可以被連接到所述轉換單元。于是能夠例如 根據(jù)兩個加速度脈沖之間的時間間隔來確定接觸區(qū)域的長度,即輪胎接觸表面的大小。根 據(jù)W02006/072539,也有可能確定輪子轉動的速度,或者輪子載荷。
發(fā)明內容
申請人:已經(jīng)證實,把包含壓電元件的振蕩結構耦合到輪胎可以有益地導致提供一 種適于確定輪胎的工作參數(shù)的工作良好的自供電傳感器系統(tǒng),所述工作參數(shù)例如是輪胎和 路面之間的接觸區(qū)域的長度,和/或輪胎在安裝在車輛上時經(jīng)受的載荷。
具體來說,壓電元件耦合到輪胎的胎冠區(qū)域(例如耦合到輪胎的內表面,大致對 應于輪胎的赤道平面)可以引起壓電元件的振蕩,導致產(chǎn)生電信號。所產(chǎn)生的電信號攜帶 電能,所述電能可以被存儲,以便用于激勵電子電路和/或器件(例如無線發(fā)射器和/或壓 力傳感器)。而且,所產(chǎn)生的電信號攜帶與輪胎和路面之間的交互作用相關的信息,使得分 析所產(chǎn)生的電信號可以導致確定輪胎的工作參數(shù)。 因此,可撓曲壓電元件耦合到輪胎看起來是用于提供自供電的輪胎傳感系統(tǒng)的非 常有前景的解決方案。 然而,申請人已發(fā)現(xiàn)因使用振蕩壓電元件來既提供激勵電子電路的電能也提供要 被分析的電信號(以便確定與輪胎和路面之間的交互作用相關的信息)所致的某些特性必 須被恰當?shù)乜紤]以便對所產(chǎn)生的電信號執(zhí)行正確的分析。申請人已發(fā)現(xiàn)包含壓電元件的振 蕩結構的諧振可能在輪胎的較低轉動速度時出現(xiàn)。出現(xiàn)諧振顯著地影響了在低速時由振蕩 的壓電元件產(chǎn)生的電信號,使得只與輪胎和路面之間的交互作用相關的所產(chǎn)生信號的分量可能被湮沒或者干擾。換句話說,當輪胎以低速轉動時,出現(xiàn)諧振如果不被恰當考慮,可能 導致不正確地確定期望的工作參數(shù)。 在第一方面,本發(fā)明涉及確定安裝在車輛上的輪胎的至少一個工作參數(shù)的方法。 所述方法包含-提供振蕩結構,所述振蕩結構包含外殼和耦合到所述外殼并且能夠沿振蕩方向 振蕩的壓電元件;-把所述振蕩結構耦合到所述輪胎的胎冠部分;-在滾動表面上轉動所述輪胎以便導致所述振蕩結構的振蕩,從而導致所述壓電 元件產(chǎn)生電信號;-處理所述電信號以便確定輪胎的所述至少一個工作參數(shù); 其中,所述處理所述電信號包含-確定所述輪胎的轉動速度是否大于閾值速度;-若為否,則從低通濾波的信號提取用于確定輪胎的所述至少一個工作參數(shù)的信 息,所述低通濾波的信號是通過至少去除所述電信號的具有高于或等于所述振蕩結構的諧 振峰值頻率的頻率的頻率分量來獲取的。 在第二方面,本發(fā)明涉及用于確定安裝在車輛上的輪胎的至少一個工作參數(shù)的系 統(tǒng),包含-耦合到所述輪胎的胎冠部分的振蕩結構,所述振蕩結構包含外殼和耦合到所述 外殼并且能夠沿振蕩方向振蕩的壓電元件;-適于處理由所述壓電元件產(chǎn)生的電信號以便確定輪胎的所述至少一個工作參數(shù) 的處理器件; 其中,所述處理器件包含分析電路,適于
-確定所述輪胎的轉動速度是否大于閾值速度;-若為否,則從低通濾波的信號提取用于確定輪胎的所述至少一個工作參數(shù)的信 息,所述低通濾波的信號是通過至少去除所述電信號的具有高于或等于所述振蕩結構的諧 振峰值頻率的頻率的頻率分量來獲取的。 在上述方面中的至少一個中,本發(fā)明可以示出一個或多個下文描述的優(yōu)選特性。
所述壓電元件可以耦合到所述外殼,以便使第一端實質上固定于所述外殼,并且 第二端固定于載荷體。在這種配置中,振蕩結構的質心可以被向著壓電元件的可自由振蕩 的第二端有益地移動,有效地產(chǎn)生電荷。 在所述外殼的至少一個內壁和所述載荷體的外表面之間可以形成間隙。在這種配
置中,壓電元件的振蕩可以被有益地限于最大程度,以便獲取可靠的結構。 振蕩結構耦合到的輪胎的所述胎冠部分可以是輪胎的內表面的一部分。這有益地
幫助把振蕩結構耦合到輪胎。 可以執(zhí)行把所述振蕩結構耦合到輪胎的胎冠部分,以便把所述壓電元件的長邊基 本上根據(jù)輪胎的軸向設置。這種配置使壓電元件在輪胎轉動期間可能經(jīng)受的應力最小,就 可靠性來說具有有益結果。 可以執(zhí)行把所述振蕩結構耦合到輪胎的胎冠部分,以便使所述振蕩結構的振蕩方 向大體上和輪胎的縱向匹配。在這種配置中,所產(chǎn)生的電信號強烈地依賴于輪胎的轉動方
8向(versus)(順時針或逆時針),使得基于電信號的處理可以簡單地執(zhí)行包含振蕩結構的 輪胎的自動定位。 或者,可以執(zhí)行把所述振蕩結構耦合到輪胎的胎冠部分,以便使所述振蕩結構的 振蕩方向大體上和輪胎的徑向匹配。在這種配置中,所產(chǎn)生的電信號呈現(xiàn)輪廓分明的峰值, 所述峰值可以被很容易地檢測和分析。 在轉動速度高于閾值速度的情況下,可以直接在所產(chǎn)生的電信號(不需要任何濾 波)上執(zhí)行提取對確定輪胎的至少一個工作參數(shù)有用的信息。當振蕩結構的諧振影響不那 么顯著時這有益地簡化了信號的處理。 通常執(zhí)行所述低通濾波的電信號或者(未濾波)電信號的處理,以便提取和所述
低通濾波的電信號或者(未濾波)電信號的至少一個特征峰值相關的信息。所述至少一個
特征峰值和耦合到振蕩結構的所述輪胎的胎冠部分進入輪胎和滾動表面之間的接觸區(qū)域
相關,并和耦合到振蕩結構的所述輪胎的胎冠部分從所述接觸區(qū)域離開相關。 例如,和所述至少一個特征峰值相關的信息可以包含所述至少一個特征峰值的預
定點之間的距離。 例如,基于所述至少一個特征峰值的預定點之間的所提取的距離,可以確定輪胎 和滾動表面之間的接觸區(qū)域的長度。 在振蕩結構被耦合到輪胎的胎冠部分以使振蕩方向大體上和縱向匹配的情況下, 所產(chǎn)生的電信號(或低通濾波的信號)包含正特征峰值和負特征峰值,并且,可以執(zhí)行所述 電信號(或者所述低通濾波的信號)的處理,以便提取與所述正特征峰值及所述負特征峰 值相關的信息。例如,與所述正特征峰值及所述負特征峰值相關的信息可以包含所述正特 征峰值及所述負特征峰值的符號序列。 例如,基于所提取的所述正特征峰值及所述負特征峰值的符號序列,可以簡單并 且有效地確定輪胎在車輛上的安裝位置(右手側或左手側)。 又例如,通過在給定時間段期間對所述至少一個特征峰值的出現(xiàn)進行計數(shù),可以
確定由所述輪胎在給定時間段內滾動期間所完成的輪胎轉數(shù)。 在本發(fā)明的方法和/或系統(tǒng)中,也可以測量輪胎的充氣壓力。 基于所述至少一個特征峰值的預定點之間的距離和所測量的充氣壓力,還可以確 定所述輪胎經(jīng)受的載荷。 用于對電信號濾波的低通濾波器的調諧頻率可以由本領域技術人員根據(jù)需要適 當?shù)剡x擇。例如,通過去除具有高于或等于振蕩結構的諧振峰值頻率一半的頻率的頻率分 量,可以獲取所述低通濾波的信號。 在優(yōu)選實施例中,振蕩結構可以被設計成具有高于150Hz的諧振峰值頻率,更優(yōu) 選高于200Hz,高于300Hz更加優(yōu)選。 例如,利用上面提到的諧振峰值頻率的值,通過去除具有高于120Hz的頻率的頻 率分量,可以獲取低通濾波的信號。 通過檢測所述振蕩結構的最大允許振蕩的條件(因存在間隙所致),可以確定輪 胎的轉動速度是否大于閾值速度。這有益地允許包含振蕩結構和處理器件的每一個組件 "自調諧",以便減小(或者甚至避免)對每一個組件的制造過程中的差異性的相關性和每 一個組件的復雜表征。
為了避免壓電元件上過量的應力,可以選擇耦合到其第二端的載荷體小于4克。 載荷體可以是U形,以便使振蕩結構的質心向著壓電元件的第二端的移動最大化。
所述間隙可以具有400ym的總的最大寬度,以便減小壓電元件中裂縫形成的概 率。間隙的"總的最大寬度"預期是當振蕩結構處于平衡位置時載荷體側面和外殼的內壁 之間(沿振蕩方向)的所有距離的和。 壓電元件可以示范性地是雙壓電晶片元件。在優(yōu)選實施例中,壓電元件是平坦元 件。 發(fā)射器器件通常耦合到處理器件,用于把由處理器件確定的輪胎的至少一個工作 參數(shù)傳送到接收器件(輪胎外部)。 可以確定輪胎的其他工作參數(shù)。例如,包括溫度傳感器可以提供輪胎滾動期間的 溫度測量。又例如,還可以包括加速度傳感器。 在優(yōu)選實施例中,適于存儲與壓電元件產(chǎn)生的電信號相關聯(lián)的電能的電壓準備電 路被耦合到振蕩結構,并耦合到處理器件。電壓準備電路通常包含電容器。
通過下面僅通過參考附圖進行的非限制性例子的描述提供的本發(fā)明的一些示范
性實施例的詳細描述,將使本發(fā)明進一步的特征和益處清晰,在附圖中 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的包含自供電傳感器器件的示范性輪胎的剖面圖; 圖2示出了被包括在圖1的輪胎中的自供電傳感器器件的示范性方案; 圖3a和圖3b示出了根據(jù)第一結構被包括在圖2的傳感器器件中用于電源的示范
性可撓曲壓電元件; 圖4a和圖4b示出了根據(jù)替代第一結構的第二結構被包括在圖2的傳感器器件中 用于電源的示范性可撓曲壓電元件; 圖5示出了在路面上滾動期間輪胎的胎冠部分經(jīng)受的徑向加速度的示范性分布;
圖6示出了在路面上滾動期間輪胎的胎冠部分經(jīng)受的縱向加速度的示范性分布;
圖7示出了包含耦合到載荷體的可撓曲壓電元件的示范性振蕩結構的頻率響應;
圖8和圖9示出了跨過包含根據(jù)圖3a、圖3b的結構設置的可撓曲壓電元件的電源 獲取的兩個示范性電壓信號; 圖10和圖ll示出了跨過包含根據(jù)圖4a、圖4b的結構設置的可撓曲壓電元件的電 源獲取的兩個示范性電壓信號; 圖12示出了可被用于處理由包含可撓曲壓電元件和載荷體的電源獲取的信號的 示范性分析電路。
具體實施例方式
圖1示出了包含輪胎11和支撐輪緣12的輪子的剖面圖。圖1中所示的輪胎11 是通常稱為"無內胎"的類型,即其不包括內胎。可以利用安裝在所述輪緣12上的充氣閥 門13對這種輪胎充氣。 輪胎11包括骨架16,終止于兩個胎圈(bead) 14和14',每一個均沿著骨架16的 內周邊緣形成,用于把輪胎11固定于支撐輪緣12。胎圈14和14'包含稱為胎圈芯(beadcore)的相應的加強環(huán)形芯15和15'。骨架16由至少一個加強層形成,包括織物或金屬線, 沿軸向以環(huán)形輪廓從一個胎圈14延伸到另一個14',并使其末端和相應的胎圈芯15和15' 相關聯(lián)。在稱為徑向類型的輪胎中,前述的線基本上位于包含輪胎的轉動軸線的平面內。 稱為帶結構的環(huán)形結構17被置于相對于骨架16的徑向外部位置。通常,帶結構17包括 一條或更多條彈性材料,所述彈性材料包含彼此重疊的金屬和/或織物線。胎面帶(tread band)18纏繞帶結構17,用于輪胎和地面的滾動接觸。胎面帶通常印有凸紋圖案。兩個側 壁19和19',每一個均徑向地從對應胎圈14和14'的外邊緣向外延伸,也被置于骨架16 上,位于軸向相對的橫向位置。在無內胎輪胎中,骨架16的內表面通常覆蓋以襯墊111,即 覆蓋以一層或更多層氣密彈性材料。根據(jù)輪胎ll的具體設計,可以提供其他已知的元件, 例如胎圈填膠層(bead filler)。 在輪胎11內包括自供電傳感器器件3。傳感器器件3耦合到輪胎11的胎冠部分, 即輪胎11沿軸向在輪胎11的側壁之間延伸的部分。優(yōu)選地,傳感器器件3被大體上對應 于輪胎11的赤道平面設置。在圖1中所示的優(yōu)選實施例中,傳感器器件3被固定到輪胎11 的內襯墊lll。固定元件332粘附到傳感器器件3和內襯墊111這兩者。固定元件332把 傳感器器件3固定到輪胎的內襯墊lll,并適于順從輪胎結構在滾動期間經(jīng)歷的變形,以便 穩(wěn)定地保持傳感器的固定。 以本申請人名義提交的PCT專利申請no. 2006W0-EP003844中描述了適于保持傳 感器器件3穩(wěn)定固定到輪胎的固定元件332的優(yōu)選實施例,通過引用將該申請并入本文。在 這個實施例中,固定元件(在PCT專利申請no. 2006W0-EP003844中叫做"錨定體")包含至 少兩個由彈性材料制成的部分。每一個部分具有要被固定到輪胎11的內表面的緊固表面 和保持子部分(retaining sub-portion)。傳感器3被排列在兩個保持部分之間。具有環(huán) 形形狀并和傳感器(見下面)相關聯(lián)的天線可以被設置在緊固表面和每一部分的保持子部 分之間形成的凹槽中,所以天線的內周邊緣和每一個部分中形成的凹槽之間的接合在傳感 器3和固定元件332之間保持約束。 在替換的實施例中,傳感器器件3可被包含在胎面區(qū)域中的輪胎結構內,例如,在 胎面帶內,或者在外部帶條和胎面帶之間。 圖2中示出了示范性自供電傳感器器件3的方案。傳感器器件3包含電源31、微 控制器33、測量器件34、射頻發(fā)射器36、天線37。 電源31包含下面將詳細地描述的可撓曲壓電元件,所述壓電元件在輪胎在路上 滾動期間傳送給它的力下變形。由于壓電效應所致,這種變形產(chǎn)生了電信號,所述電信號可 以被適當?shù)碾姌O收集,并饋送到電壓準備電路32,所述電壓準備電路32通常包括二極管整 流器電橋(未示出),適于把交流電流變換為直流電流。電壓準備電路32也包括電容器(未 示出),適于存儲由壓電效應產(chǎn)生并由電極攜帶的電荷。電壓準備電路32也可以包含電壓 控制器(未示出),適于驗證跨過電容器的電壓高于預定的最小電壓(例如2. 7伏特)。
由電源31產(chǎn)生并存儲在電壓準備電路32中的電能被饋送到微控制器33、測量器 件34(通過開關35)和射頻發(fā)射器36。 此外,由可撓曲壓電元件的變形產(chǎn)生的電信號也被直接向微控制器33饋送,以便 允許該電信號的分析用來提取與輪胎和路面之間的交互作用以及輪胎的某些工作參數(shù)相 關的信息,所述參數(shù)例如是接觸印痕的長度和/或輪胎經(jīng)受的載荷。
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測量器件34包含至少一個適于測量要被監(jiān)測的其他工作輪胎參數(shù)(例如壓力和 /或溫度)的傳感器。測量器件34也包括適于把感測到的參數(shù)變換為電信號的控制電路。
射頻器件36適于通過天線37把包含所測量的參數(shù)的信息幀傳送到輪胎外部的接 收器(未示出),接收器通常位于安裝所述輪胎的車輛上。 微控制器33通常包含控制傳感器器件3的工作的CPU。在圖2中所示的優(yōu)選實 施例中,微控制器33通過第一定時/使能電路38使能開關35以朝向測量器件34閉合電 路,以便激勵其用于進行要被監(jiān)測的特征參數(shù)的測量。此外,微控制器33通過第二定時/ 使能電路40使能把幀傳輸?shù)酵獠拷邮掌鳌6?,微控制?3收集來自電源31和來自測量 器件34的信號,并通過分析電路39處理這些信號,以便提取要通過射頻發(fā)射器36發(fā)送到 輪胎外部的信息。為了本發(fā)明的目的,指代第一定時/使能電路38、分析電路39、第二定時 /使能電路40的術語"電路"不應以限制性方式理解為了執(zhí)行相關聯(lián)的功能,電路38、39 和40可以用硬件(通過適當?shù)碾娮泳€路)或者用軟件(通過適當?shù)某绦蚶?實現(xiàn),或者 用硬件和軟件的組合實現(xiàn)。 使能開關35的閉合,以及使能發(fā)射器36的幀傳輸,可以以預定時間間隔執(zhí)行。例 如,第一定時/使能電路38可以每兩分鐘驅動開關35的閉合,而第二定時/使能電路40 可以每七分鐘使能把收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠?,因為相對于參?shù)測量,射頻傳輸通常要求更 多的功率。 又例如,開關35的閉合和/或收集的數(shù)據(jù)的傳輸可以在跨過電壓準備電路32中 的電容器的電壓高于預定的閾值電壓時被使能。第一和/或第二定時/使能電路38、40可 以用任何常規(guī)方式實現(xiàn)為和微控制器33分離的硬件電路或者實現(xiàn)為集成在微控制器33的 存儲器內的固件對象。 圖3a和圖4a示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電源31的剖面圖。電源31包含 外殼311、可撓曲壓電元件313和聯(lián)結到壓電元件的載荷體312。圖3b和4b分別示出了電 源31的沿著在圖3a和圖4a中被指示為A_A的剖面的視圖。 參考圖3a、圖4a,壓電元件313以懸臂梁方式設置在外殼內。換句話說,壓電元件 313在其第一端315固定于外殼311,而第二端316則聯(lián)結到載荷體312。壓電元件313最 好被形成為平坦元件?;蛘?,它可以被形成為棒元件。在優(yōu)選實施例中,平坦壓電元件包含 至少兩個平坦壓電晶體,由平坦的導電(例如金屬的)板分開(雙晶結構)。電極常規(guī)地設 置在壓電元件的外表面上。 在圖3a、3b中示出的結構中,電源31耦合到輪胎,以便使可撓曲壓電元件313的 振蕩方向大體上和輪胎的徑向(在圖1、3a、3b中被指示為"E"),即和輪胎的旋轉軸正交的 方向匹配。以這種方式,壓電元件313和相關聯(lián)的載荷體312在輪胎轉動期間經(jīng)受徑向加 速度。為了均勻地分布壓電元件313承受的壓力,壓電元件313的長邊可以優(yōu)選地大體上 根據(jù)輪胎的軸向(在圖1、3a、3b中被指示為"F"),即平行于輪胎的轉動軸的方向設置。
在圖4a、4b中所示的替代結構中,電源31耦合到輪胎,以使可撓曲壓電元件313 的振蕩方向大體上和輪胎的縱向(或切向)(在圖1、4a、4b中被指示為"L")匹配。以這種 方式,壓電元件313和關聯(lián)的載荷體312在輪胎滾動期間經(jīng)受縱向加速度。為了均勻地分 布壓電元件313承受的應力,壓電元件313的長邊可以優(yōu)選地大體上根據(jù)輪胎的軸向(在 圖1、4a、4b中被指示為"F"),即平行于輪胎的轉動軸的方向設置。
選擇可撓曲壓電元件313、載荷體312和外殼311的幾何尺寸以便在載荷體312的 外表面和外殼311的至少一個內壁之間留下空隙314,在本說明書的剩余部分中也叫做"間 隙"。間隙定義了可撓曲壓電元件313被允許的最大撓曲。為了限制電源31的尺寸并移動 包含壓電元件313和大體上位于壓電元件313的自由端的載荷體312的結構的質心,載荷 體312最好可以是U形,如圖3a、4a中所示。 在工作中,電源31經(jīng)受因輪胎轉動而出現(xiàn)的力/加速度。離心加速度尤其高,但 是其也與來自轉動期間輪胎和路面之間的交互作用的其他加速度貢獻混和,所述其他加速 度貢獻相對于離心加速度貢獻一般具有較低的強度(特別是在高速時)。具體來說,因為 在任何輪胎轉動下與電源31相關聯(lián)的輪胎部分進入和離開接觸印痕,在輪胎縱向中(即切 向)的加速度貢獻也被傳遞到電源31。 圖5示出了與電源31相關聯(lián)的輪胎部分在一整圈輪胎轉動期間可能經(jīng)受的作為 結果的徑向加速度隨著時間變化的示例性分布。 在一整圈輪胎轉動的第一部分期間(在此期間,與電源31相關聯(lián)的胎冠部分不和 地面接觸),加速度除了圖5中可見的波紋以外大體上恒定(下文將說明波紋的存在),并 取依賴于輪胎轉動速度的平方的值。 在一整圈輪胎轉動的第二部分期間(在此期間,與電源31相關聯(lián)的胎冠部分和地 面接觸),在輪胎和地面之間的接觸區(qū)域的最開始處因輪胎在從切向向平坦結構通過期間 經(jīng)受的變形所致的初始增加之后,加速度水平下降到大致為O,這可以在圖5的中央部分看 出。在離開接觸區(qū)域處,胎面區(qū)域遭遇加速度水平的進一步增加。 在上面提到的輪胎轉動的第一部分期間,電源31經(jīng)受巨大的徑向加速度,在高速
時該加速度可以達到數(shù)百g的值(例如在120km/h時360個g, g是重力加速度)。 在圖3a、3b的結構中,經(jīng)受大致沿方向E取向的這個加速度的載荷體312被向著
外殼311的內壁推離第一平衡位置,在所述第一平衡位置,壓電元件313實際上和輪胎的徑
向正交。具體來說,載荷體312被推離到某一程度,該程度取決于可撓曲壓電元件313的柔
順特性并取決于載荷體312的尺寸。無論如何,最大程度由間隙314的尺寸限定。 載荷體312的運動導致壓電元件313的對應撓曲,即因壓電效應產(chǎn)生電荷。但是,
在這個"靜態(tài)"加速度下,只要載荷體到達第二平衡位置,電荷的產(chǎn)生就被突然中斷,所述第
二平衡位置可以在間隙314內,或者靠著外殼311的內壁,取決于加速度值,即取決于輪胎
轉動速度。轉動速度越大,第二平衡位置離第一平衡位置越遠,直到由間隙314限定的最大值。 另一方面,在上面提到的一整圈輪胎轉動的第二部分期間,即在與電源31相關聯(lián) 的胎冠部分和地面接觸期間,因為徑向加速度下降到大致為0的事實所致,載荷體312可自 由振蕩,所以不再有力作用以保持載荷體312處于第二平衡位置中。載荷體312的振蕩導 致可撓曲壓電元件313的對應撓曲,即因壓電效應產(chǎn)生電荷。這些振蕩可以供給大量的電 荷,取決于振蕩和由可撓曲壓電元件313的阻尼特性施加的阻尼效應的程度。但是,只要在 輪胎和地面之間的接觸區(qū)域中的通過終止,徑向加速度就突然增加,則導致振蕩的強迫停 止和電荷產(chǎn)生的對應停止,而載荷體定位于第二平衡位置。 上面針對圖3a、3b的結構說明的與載荷體312相關聯(lián)的壓電元件313的行為涉及 電源31經(jīng)受的徑向加速度的所謂"一次諧波"貢獻,即每圈輪胎轉動出現(xiàn)一次的貢獻。與這
13種貢獻相關聯(lián)的頻率可以在從OHz到幾十Hz的低頻范圍中變化,取決于輪胎轉動速度(例 如對于處于大約150km/h速度的轎車輪胎大約20-25Hz),對應于與電源31相關聯(lián)的輪胎部 分每秒鐘在接觸印痕下通過的次數(shù)。由于這種低頻貢獻所致,作為可撓曲壓電元件313的 "脈沖式"振蕩行為的結果可以獲取"脈沖式"的電荷產(chǎn)生,"脈沖頻率"取決于輪胎轉動速度。 但是,電源31在徑向經(jīng)受的實際加速度也具有在高于上面提到那些頻率的頻率 范圍內的分量,這從圖5中所示的徑向加速度分布所表現(xiàn)出來的波紋的存在可以看出。這 些高頻分量是因高階的諧波貢獻所致,即因每圈輪胎轉動出現(xiàn)多于一次的事件所致。例如, 高階諧波貢獻可以是因形成輪胎胎面的塊和地面交互作用所致。其他的高階諧波貢獻可以 來自由于在接觸印痕下輪胎經(jīng)受的變形傳輸?shù)浇佑|印痕外部的輪胎部分所致的整個輪胎 結構的各種振動模式。進一步的高頻貢獻可以由較小的胎面部分和地面的交互作用導致, 其可取決于輪胎在其上滾動的表面(例如瀝青)的粒度。 在圖3a、圖3b的結構中,壓電元件313由具有高于一次諧波分量的頻率的頻率的 徑向加速度的這種分量激發(fā)。申請人已經(jīng)證實當輪胎以低速滾動時,與可撓曲壓電元件313 相關聯(lián)的載荷體312在上面提到的第二平衡位置(即載荷體被離心加速度推動時到達的位 置)附近振蕩。因高頻分量(即因高階諧波所致的分量和/或因輪胎胎面和路之間的交互 作用所致的分量)所致的這種振蕩對于通過壓電效應產(chǎn)生電荷非常有益。實際上,因這種 振蕩所致,在上面提到的一整圈輪胎轉動的第一部分期間(即接觸印痕外面的部分)產(chǎn)生 了連續(xù)的電荷流動,這些電荷被加到在上面提到的一整圈輪胎轉動的第二部分(即接觸印 痕)期間產(chǎn)生的電荷,對在整圈輪胎轉動期間形成"連續(xù)"的電荷產(chǎn)生有貢獻。
如所述那樣,這些行為在低速出現(xiàn)。在更高的速度,所產(chǎn)生的離心加速度變得如此 之強(相對于形成徑向加速度的其他分量),以至于載荷體312被推靠著外殼313的內壁, 并且載荷體312的任何運動幾乎都被抑制。在這種情況下,總之,電荷在一整圈輪胎轉動的 第二部分中產(chǎn)生。 在另一方面,圖6示出了描述與電源31相關聯(lián)的輪胎部分在輪胎轉動期間可能經(jīng) 受的縱向加速度的信號的示范性分布。 參考圖6,在一整圈輪胎轉動的第一部分中(在此部分期間與電源31相關聯(lián)的輪 胎胎冠部分不和地面接觸),除了在圖6中可見的高頻振蕩以外,縱向加速度基本上為零 (如果考慮的是恒定的輪胎轉動速度),高頻振蕩的存在是因輪胎和地面的交互作用所致 的傳遞到輪胎結構的高階諧波貢獻和/或振動引起,和參考圖5已經(jīng)說明過的那些類似。
在一整圈輪胎轉動的第二部分中(在此部分期間與電源31相關聯(lián)的輪胎胎冠部 分和地面接觸)縱向加速度水平顯示出兩個輪廓分明的具有相反符號的峰值,大體上對應 于與電源31相關聯(lián)的輪胎胎冠部分進入/離開接觸印痕。兩個峰值的精確排列(正峰值 在先并且負峰值在后,或者相反)取決于輪胎的轉動方向。 在圖4a、圖4b的結構中,包含可撓曲壓電元件313和載荷體312的結構經(jīng)受圖6 中所示的"沖擊"縱向加速度的作用。在實踐中,每當與電源31相關聯(lián)的輪胎胎冠部分進 入和離開接觸印痕,包含可撓曲壓電元件313和載荷體312的結構均接收加速度沖擊(對 應于圖6中所示的正和負峰值),導致載荷體312的振蕩。在直線性的驅動條件下以及在恒 定速度下,基本上沒有具有和圖6中所示的峰值可比擬的強度的其他縱向加速度貢獻將干擾或者停止包含可撓曲壓電元件313和載荷體312的結構的振蕩,所以在接觸印痕外面的 輪胎轉動的剩余部分中,該結構基本上可以自由振蕩。換句話說,包含壓電元件313和載荷 體312的結構表現(xiàn)得像受迫振蕩器一樣,使得能夠沿輪胎的縱向振蕩,并接收與電源31相 關聯(lián)的輪胎胎冠部分在接觸印痕下的任何通過的沖擊力。 由于圖6中所示的縱向加速度峰值相對于沿徑向可達到的值具有較低強度(在相 同的轉速),載荷體312被縱向加速度從其平衡位置推離到相對于以離心加速度可獲得的 較小位移,所以包含可撓曲壓電元件313和載荷體312的結構的振蕩的總體偏移相應地較 小(在相同的轉速)。但是,由于當與電源31相關聯(lián)的輪胎胎冠部分在接觸印痕外時包含 可撓曲壓電元件313和載荷體312的結構基本上表現(xiàn)得像自由振蕩器一樣,所以可撓曲壓 電元件313的變形在整個輪胎轉動期間可以繼續(xù),連續(xù)地產(chǎn)生電荷。載荷體312從平衡位 置可達到的位移的程度隨著輪胎的轉動速度增長,直到間隙314所允許的最大值。
在某些速度范圍中和/或因縱向加速度的高階諧波分量的貢獻所致,也可能出現(xiàn) 諧振現(xiàn)象在這種情況下,受迫振蕩的偏移可能出現(xiàn)增長到間隙314所允許的最大值,即使 在低速,也具有最大的電荷產(chǎn)生。 圖7示出了包含與載荷體312相關聯(lián)的可撓曲壓電元件313的示范性振蕩結構的 頻率響應,所述結構適于獲取足以向適于在輪胎內使用的電子電路供電的產(chǎn)生的電能量。 選擇壓電元件313的尺寸和材料以獲取其剛度k大約4800N/m。取載荷體312m的大小為大 約0.6克。為了獲取頻率響應,包含與載荷體相關聯(lián)的壓電元件的外殼被設置在由控制電 子線路驅動的振動器設備上,所述控制電子線路向振動器施加在OHz到2000Hz的頻率范圍 中的脈沖激振力。振動器的運動導致載荷體和壓電元件的振蕩,隨后產(chǎn)生電荷。圖7報告了 振蕩結構的傳輸函數(shù),相對于頻率的激振力。從圖5可以看出,由壓電元件和載荷體形成的 振蕩結構的諧振峰值是大約450Hz。申請人已經(jīng)證實,由可撓曲壓電元件和載荷體形成的、 具有150Hz和600Hz之間的頻率范圍內的諧振峰值,并耦合到輪胎的胎冠部分的振蕩結構, 允許獲取最優(yōu)的電能產(chǎn)生以及振蕩結構良好的強度和可靠性,這對于其在耦合到輪胎的傳 感器器件內采用來說是期望的特征。 圖8和圖9示出了跨過耦合到如圖3a、圖3b中公開的輪胎的內襯墊(即經(jīng)受徑向 加速度)的電源測量的電壓信號相對時間變化的兩個例子,而圖10和圖11示出了跨過耦 合到如圖4a、圖4b中公開的輪胎的內襯墊(即經(jīng)受縱向加速度)的電源產(chǎn)生的電壓信號 相對時間變化。具體來說,圖8和圖10指示在15rad/s的輪胎轉動速度執(zhí)行的測量,而圖 9和圖11指示在60rad/s的輪胎轉動速度執(zhí)行的測量。 在圖8到圖11的測量中使用的示范性電源通過包括壓電材料(PZT)的雙晶板形 成,具有4. 5mm寬度、llmm長度和0. 46mm的總厚度,在具有7mm寬度、12mm長度、6. 2mm高度 和lmm厚度的塑料外殼中。0.6克的載荷體被固定到壓電板的自由端。在外殼的內壁和載 荷體的外表面之間留出了 200iim的總間隙(100iim+100iim)。 從圖8到圖11可以看出,使用包含與載荷體312相關聯(lián)的壓電元件313的振蕩結 構獲取的相對時間變化的信號的較高的峰值(術語"較高"要按絕對值理解)基本上再現(xiàn) 了圖5和圖6的加速度分布中的峰值,它們對應于和地面(或接觸印痕)接觸的輪胎部分 經(jīng)歷的變形。必須注意,在圖8和圖9中,對應于在與振蕩結構相關聯(lián)的胎冠部分的接觸印 痕下通過的峰值被相對于圖5中的峰值倒置。
因此,跨過包含上面的振蕩結構的電源可獲取的信號可以被用于提取(通過適當 的處理)和輪胎與路面之間的交互作用相關的數(shù)據(jù)。 所提取的數(shù)據(jù)可以包含例如輪胎和路面之間的接觸區(qū)域的長度,可以基于較高峰 值的位置估計所述長度。通過估計輪胎和地面之間的接觸區(qū)域的長度,輪胎經(jīng)受的載荷也 可以被評估,例如通過考慮使輪胎的充氣壓力、載荷和接觸區(qū)域的長度相關的已知關系。以 申請人:名義提交的專利申請no.W005/042281(其內容通過引用包含于此)描述了一旦輪胎 和路面之間的接觸區(qū)域的長度已被估計,也可以使用的用于確定載荷的更準確的方法。
通過簡單處理由上面的振蕩結構獲取的信號,也可以導出其他的數(shù)據(jù)。例如,輪胎 轉數(shù)可以被計數(shù),每一次信號到達其最大值(絕對值)增加一轉。此外,通過每單位時間的 轉數(shù),和/或轉動速度(輪胎半徑已知),也可以導出輪胎的角速度。又例如,如圖4a、4b中 那樣,在振蕩結構耦合到輪胎的胎冠部分(即經(jīng)受縱向加速度)的情況下,檢測較高峰值的 序列負-正或者正-負可以提供簡單并且有效的對包括所述振蕩結構的電源在車輛中的位 置的指示(即電源被包括在左側輪胎還是右側輪胎),因為如上面參考圖6說明的那樣,上 面的序列取決于輪胎的轉動方向。 換句話說,包含可撓曲壓電元件和載荷體的振蕩結構可以被有益地用于不僅提供 電源,而且也用于提供輪胎和路面之間的交互作用以及輪胎動力學的有效的傳感器。為此 目的,如圖2中所示,由包括如在圖3a、圖3b或者圖4a、圖4b中那樣排列的振蕩結構的電 源31獲取的信號被饋送到微控制器33,并被分析電路39處理。信號處理通常致力于檢測 與耦合到電源/傳感器器件的胎冠部分進入和離開接觸印痕相關的主峰值。
如在圖8和圖10分別與圖9和圖ll相比時可見的那樣,主峰值的強度(絕對值) 隨著輪胎的轉動速度增加。在高轉動速度,因一次諧波貢獻所致的這些峰值可以與高階諧 波貢獻(振動,因路面粒度所致的交互作用等)導致的"噪聲"很好地區(qū)分,例如圖9和圖 ll清晰地所示。 另一方面,在低轉動速度,因一次諧波貢獻所致的峰值具有較低的強度(絕對 值),所以高階諧波貢獻的存在可能妨礙其檢測。這些高階諧波實際上可能導致在振蕩結構 中激發(fā)諧振模式,即激發(fā)耦合到載荷體的可撓曲壓電元件的振蕩的程度可能變得和在輪胎 低速轉動時由耦合到振蕩結構的胎冠部分在接觸印痕下通過所導致的振蕩可比擬。
為了去除高階諧波的貢獻,以便增加因一次諧波貢獻所致的峰值的信號部分中的 信噪比,當輪胎低速轉動時,對該信號施加低通濾波。低通濾波應該至少去除因諧振模式所 致的貢獻,所以低通濾波器的調諧頻率可以被設置成等于振蕩結構的諧振峰值(見圖7)的 頻率,或者,最好等于更低的頻率,例如等于對應于諧振峰值的一半處的寬度的較低頻率, 或者,作為進一步的例子,等于諧振峰值頻率的一半。在實踐中,至少對于在轎車輪胎中采 用,可以施加固定的濾波用于去除120到150Hz以上的所有頻率貢獻在轎車輪胎低速轉動 期間,一次諧波貢獻達不到這些頻率。在需要非常準確的測量的情況下,也可以應用具有根 據(jù)輪胎的轉動速度可變的調諧頻率的低通濾波器。 在另一方面,在更高速度,即當較高階諧波貢獻實際上不能激發(fā)導致振蕩結構的 與由一次諧波貢獻導致的振蕩可比擬程度的振蕩的諧振模式時,低通濾波不再是必要的, 或者甚至是不期望的。實際上,在高轉動速度,由所有諧波貢獻形成的頻率包絡的峰值可能 至少部分地疊加到振蕩結構的諧振峰值,所以低通濾波可能導致被濾波信號的失真,導致不正確的確定主峰值的位置。 可以通過反復試驗適當?shù)卦O置轉動速度的閾值,以便當達到閾值速度時切換低通 濾波。在實踐中,申請人已經(jīng)證實,對于載荷體和內壁之間的間隙尺寸處于和獲取用于供電 的高電能產(chǎn)生以及振蕩結構的高可靠性的需要兼容的范圍內,適當?shù)拈撝邓俣瓤梢员辉O置 為在振蕩期間載荷體開始觸及容納振蕩結構的外殼的內壁的速度。 圖12用對本發(fā)明的目的足夠的功能塊示出了示范性分析電路39,該電路可被用 于處理由包含可撓曲壓電元件和載荷體的電源獲取的信號。分析電路39包含調節(jié)塊391 和處理塊392。處理塊392包含模數(shù)轉換器393、存儲器394、處理器395。
在工作中,在輪胎轉動期間由電源31產(chǎn)生的信號(見圖2)被饋送到分析電路39。 具體來說,所產(chǎn)生的信號進入分析電路的調節(jié)塊391,該電路把信號分配到在圖12中被標 識為Chl、 Ch2、 Ch3的三個輸出通道上。 在第一通道Chl上,信號被低通濾波,而在第二通道Ch2上,信號未被更改。在第 三通道Ch3上,信號被整流,例如使其通過整流器二極管電橋。如果整流操作在處理塊392 中通過軟件執(zhí)行,則第三通道可以被省略。 Chl的低通濾波的信號、Ch2的未被更改的信號和Ch3上被整流的信號(如果存 在)在處理塊392中被處理。更具體地說,這三個信號在模數(shù)轉換器393中被采樣并轉換 為數(shù)字格式。然后,被采樣的數(shù)字信號部分被存儲在存儲器394中,要根據(jù)由處理器395執(zhí) 行的過程分析和處理,用于提取和耦合到電源31的輪胎胎冠部分進入/離開接觸印痕對應 的特征峰值的位置相關的數(shù)據(jù)。 在低速(即低于閾值速度的轉動速度),在低通濾波的信號樣本上執(zhí)行讀取,而在 高速(即高于閾值速度的轉動速度),在未被更改的信號樣本上執(zhí)行讀取。
更具體地,當包含電源的輪胎開始轉動時,只要由電源產(chǎn)生的電能足以給傳感器 器件上電,則缺省地對在第一通道Chl處獲取的低通濾波的信號樣本執(zhí)行讀取。這是因為 合理地假設了輪胎在自供電傳感器器件上電時正低速轉動。 對存儲在存儲器394中的低通濾波的信號樣本施加的第一個處理是同步操作。利 用同步,處理器395能夠識別每一圈輪胎轉動。通常,這可以通過連續(xù)地找到被采樣的低通 濾波信號的最大值來執(zhí)行,所述最大值缺省地標識了與電源相關聯(lián)的輪胎部分在接觸印痕 下的通過。為此目的,可以使用自適應閾值方案。具體來說,在開始使用第一固定閾值。第 一固定閾值應該被設置得高于在特別低的速度下由高階諧波貢獻導致的正常"噪聲"水平。 每一個樣本和第一固定閾值比較當給定樣本V1達到第一固定閾值時,用于比較的新的閾 值被設置為VI的預先定義的百分比a% (例如80% )(或者第一固定閾值和3%乘以VI之 間的最大值)。這些步驟被針對每一個樣本重復,每一次存儲所獲取的最大值,以及在分析 的信號部分中相關的位置,直到到達靜態(tài)條件,在所述靜態(tài)條件中找到良好"隔離"(即非連 續(xù),可能具有預先定義的最小時間間隔)的最大值,對應于識別每一圈輪胎轉動。這個簡單 的處理允許以良好的精度對輪胎轉動計數(shù),并且也能夠被用于后續(xù)的處理。在最小值也應 該被標識的情況下(特別是在可撓曲壓電元件在縱向加速度的作用下?lián)锨那闆r下,如圖 4a、圖4b中所示,也參見圖IO和圖ll,所以"負"峰值也應被檢測),可以從相對于第一固 定閾值具有相反符號的第二固定閾值開始執(zhí)行類似的操作。 —旦執(zhí)行同步和峰值檢測,則通過把兩個連續(xù)的最大(或最小)位置之間的以時間為單位的距離取倒數(shù),所存儲的最大和/或最小值位置可以被用于估計輪胎的角速度和 /或轉動速度(在后一情況中,輪胎半徑已知)。輪胎和路面之間的接觸區(qū)域的長度也可以 獲取。具體來說,在可撓曲壓電元件在徑向加速度的作用下彎曲的情況下,接觸區(qū)域的長度 可以和對應于最大值(見圖5)的峰值的寬度相關,而在可撓曲壓電元件在縱向加速度的作 用下彎曲的情況下,接觸區(qū)域的長度可以與最大和最小信號值的位置之間以時間為單位的 距離(見圖6)相關。 一旦輪胎和路面之間的接觸區(qū)域的長度已經(jīng)被估計,則如上面說明的 那樣,施加在輪胎上的載荷也可以被評估。 在可撓曲壓電元件在縱向加速度作用下彎曲的情況下,對所存儲的用于估計輪胎 和路面之間的接觸區(qū)域的長度的連續(xù)最大和最小值的出現(xiàn)順序(首先最大,并且后面是最 小,或者相反)的進一步的簡單分析可以允許識別自供電傳感器器件是被包含在安裝在車 輛左側還是右側的輪胎內。 換句話說,通過簡單分析由電源31產(chǎn)生的電信號,傳感器3能夠"自動定位"其自 身在車輛中被安裝在右手側還是左手側。為了提取這個信息,檢測上面提到的特征峰值的 符號序列。實際上,如前面參考圖6所述,代表進入或者離開接觸印痕的縱向加速度峰值的 正-負或者負-正序列取決于(因而可以被用來指示)輪胎的轉動方向。以車輛的外部作 為參考,右手側輪胎順時針轉動,而左手側輪胎逆時針轉動。當電源31對縱向加速度敏感 時,可以基于代表進入或者離開接觸印痕的正和負特征峰值的符號序列的檢測(假設電源 31以相同的預定方式被應用于右手側和左手側輪胎中,例如使可撓曲壓電元件的振蕩端指 向輪胎的內部側壁),找出包含該電源31的輪胎的順時針或者逆時針轉動(即其在車輛上 的安裝位置)。例如,檢測到正峰值(可通過提取最大信號值的符號導出)在負峰值(可通 過提取最小信號值的符號導出)之前的事實可以對應于順時針轉動。 回到圖12,當轉動速度變高(在某個閾值速度以上)時,由處理器395對從第二通 道Ch2獲取并被存儲在存儲器394中的未被更改的信號樣本執(zhí)行上面公開的相同的處理步 驟。 在達到閾值速度與耦合到可撓曲壓電元件的載荷體在振蕩期間開始觸及外殼的 內壁的條件相關聯(lián)的情況下,對被整流的信號樣本(要么通過圖12的配置中的第三通道 Ch3獲得,要么通過軟件獲得)的讀取可以被處理器395有益地使用,以便了解當前的輪胎 轉動速度是低于還是高于閾值速度。在這種條件下,所產(chǎn)生的信號的最大值所達到的電壓 值基本上保持不變,因為達到了最大振蕩程度。因此,例如,可以通過分析被整流信號的最 大值的變化來識別達到閾值速度,在使用和上面公開的類似的自適應閾值的最大識別過程 之后存儲(或者對應于在已經(jīng)執(zhí)行的第一或第二通道上讀取的低通濾波信號或未更改信 號樣本的最大值的位置)所述被整流信號。在另一個方法中,可以使用對和每一圈輪胎轉 動所產(chǎn)生的電能相關的函數(shù)的監(jiān)測。當達到間隙所允許的振蕩結構的最大振蕩時,每圈輪 胎轉動所產(chǎn)生的電能實際上不再增長。對于"動態(tài)"確定(不需要具有固定的速度閾值)達 到最大振蕩條件有用的與每圈輪胎轉動的歸一化電能相關的適當函數(shù)可以是以下這些
18
£剛
l;剛
,=i
max(n) 其中,n代表被分析的輪胎轉動,V(i)代表在被分析的輪胎轉動中被整流信號的 每一個樣本的電壓,m代表在被分析的輪胎轉動的開始和結束之間包含的樣本數(shù)量,max(n)
代表在被分析的輪胎轉動中被整流信號所達到的最大值。和振蕩結構的確切幾何形狀無
關,所有上面的函數(shù)在相對輪胎角速度變化被畫出時,達到某種穩(wěn)定水平,對應于達到最大
被允許振蕩條件。因此,這種穩(wěn)定水平的檢測可以被處理器395有益地用于識別任何振蕩
結構幾何形狀的最大被允許振蕩條件(即用于從第一通道Chl上讀取切換到第二通道Ch2
的閾值速度,反之亦然),而無需每一個傳感器器件的復雜的表征以找到正確的閾值速度。 使用雙晶PZT可撓曲壓電板用于獲取上面說明的性能的自供電傳感器器件的示
范性優(yōu)選范圍可以如下 -PZT板長度從7到20mm ; -PZT板寬度從3到18mm ;-雙晶板的總厚度從0. 15到1. 20mm ;-載荷體從0. 05gr到4gr-間隙:從50到400 ii m。 具體參考載荷體尺寸,必須注意小的載荷體尺寸允許增大壓電元件+載荷體結構 的諧振頻率。此外,小的載荷體尺寸允許減小因存在電源所致的輪胎轉動的不平衡。而且, 小的載荷體尺寸允許減小在振蕩期間對內壁的撞擊引起的電源供應器外殼中出現(xiàn)的裂縫 和破碎。在另一方面,太小的載荷體尺寸不允許可撓曲壓電元件的充分彎曲,隨之發(fā)生不充 分的電荷產(chǎn)生。用于設定電源供應器尺寸的指導方針可以是選擇足以基本避免轉動期間輪 胎的不平衡的載荷體尺寸m(例如低于4克的載荷體),選擇壓電元件+載荷體結構的諧振 頻率fr(例如高于150Hz),然后從通過轉化下列公知的關系式計算的其剛度k導出壓電元 件的尺寸 /r= 1 "
2 r
19
權利要求
一種用于確定安裝在車輛上的輪胎的至少一個工作參數(shù)的方法,所述方法包含-提供振蕩結構,所述振蕩結構包含外殼和耦合到所述外殼并且能夠沿振蕩方向振蕩的壓電元件;-把所述振蕩結構耦合到所述輪胎的胎冠部分;-在滾動表面上轉動所述輪胎以便導致所述振蕩結構的振蕩,從而導致所述壓電元件產(chǎn)生電信號;-處理所述電信號以便確定輪胎的所述至少一個工作參數(shù);其中,所述電信號的所述處理包含-確定所述輪胎的轉動速度是否大于閾值速度;-若為否,則從低通濾波的信號提取用于確定輪胎的所述至少一個工作參數(shù)的信息,所述低通濾波的信號是通過至少去除所述電信號的具有高于或等于所述振蕩結構的諧振峰值頻率的頻率的頻率分量而獲取的。
2. 如權利要求1所述的方法,其中,所述壓電元件耦合到所述外殼,以便使第一端實質 上固定于所述外殼,并且第二端固定于載荷體。
3. 如權利要求2所述的方法,其中,在所述外殼的至少一個內壁和所述載荷體的外表 面之間形成了間隙。
4. 如前面權利要求中的任何一項所述的方法,其中,所述輪胎的所述胎冠部分是輪胎 的內表面的一部分。
5. 如前面權利要求中的任何一項所述的方法,其中,執(zhí)行所述的把所述振蕩結構耦合 到輪胎的所述胎冠部分,以便把所述壓電元件的長邊基本上根據(jù)輪胎的軸向設置。
6. 如前面權利要求中的任何一項所述的方法,其中,執(zhí)行所述的把所述振蕩結構耦合 到輪胎的所述胎冠部分,以便使所述振蕩方向基本上和輪胎的縱向匹配。
7. 如權利要求1到5中的任何一項所述的方法,其中,執(zhí)行所述的把所述振蕩結構耦合 到輪胎的所述胎冠部分,以便使所述振蕩方向基本上和輪胎的徑向匹配。
8. 如前面權利要求中的任何一項所述的方法,還包含在所述轉動速度高于所述閾值速 度的情況下從所述電信號提取用于確定輪胎的所述至少一個工作參數(shù)的信息。
9. 如前面權利要求中的任何一項所述的方法,其中,執(zhí)行所述低通濾波的電信號或者 所述電信號的所述處理,以便提取與所述低通濾波的電信號或者所述電信號的至少一個特 征峰值相關的信息,所述至少一個特征峰值與耦合到振蕩結構的所述輪胎的胎冠部分進入 輪胎和滾動表面之間的接觸區(qū)域相關,并與耦合到振蕩結構的所述輪胎的胎冠部分從所述 接觸區(qū)域離開相關。
10. 如權利要求9所述的方法,其中,與所述至少一個特征峰值相關的所述信息包含所 述至少一個特征峰值的預定點之間的距離。
11. 如權利要求10所述的方法,其中,輪胎的所述至少一個工作參數(shù)包含輪胎和滾動 表面之間的所述接觸區(qū)域的長度,并且其中,基于所述至少一個特征峰值的預定點之間的 所提取的距離確定所述接觸區(qū)域的所述長度。
12. 如權利要求9到11中的任何一項從屬于權利要求6時的方法,其中,所述至少一個 特征峰值包含正特征峰值和負特征峰值,其中,執(zhí)行所述低通濾波的電信號或者所述電信 號的所述處理,以便提取和所述正特征峰值及所述負特征峰值相關的信息,并且其中,和所述正特征峰值及所述負特征峰值相關的所述信息包含所述正特征峰值及所述負特征峰值 的符號序列。
13. 如權利要求12所述的方法,其中,輪胎的所述至少一個工作參數(shù)包含輪胎在車輛 上的安裝位置,并且其中,基于所提取的符號序列確定輪胎的所述安裝位置。
14. 如權利要求9到13中的任何一項所述的方法,其中,輪胎的所述至少一個工作參數(shù) 包含由所述輪胎在給定時間段內滾動期間所完成的輪胎轉數(shù),并且其中,通過在所述給定 時間段期間對所述至少一個特征峰值的出現(xiàn)進行計數(shù)來確定所述輪胎轉數(shù)。
15. 如前面權利要求中的任何一項所述的方法,還包含測量所述輪胎的充氣壓力。
16. 如根據(jù)權利要求15從屬于權利要求10時的方法,其中,輪胎的所述至少一個工作 參數(shù)包含所述輪胎經(jīng)受的載荷,并且其中,基于所述至少一個特征峰值的預定點之間的所 述距離和所測量的充氣壓力來確定所述載荷。
17. 如前面權利要求中的任何一項所述的方法,其中,通過去除具有高于或等于所述振 蕩結構的諧振峰值頻率一半的頻率的頻率分量來獲取所述低通濾波的信號。
18. 如前面權利要求中的任何一項所述的方法,其中,所述振蕩結構的諧振峰值頻率高 于150Hz。
19. 如權利要求18所述的方法,其中,通過去除具有高于120Hz的頻率的頻率分量來獲 取所述低通濾波的信號。
20. 如前面權利要求中的任何一項所述的方法,其中,所述確定所述輪胎的轉動速度是 否大于閾值速度包含檢測所述振蕩結構的最大允許振蕩的條件。
21. —種用于確定安裝在車輛上的輪胎的至少一個工作參數(shù)的系統(tǒng),包含-耦合到所述輪胎的胎冠部分的振蕩結構,所述振蕩結構包含外殼和耦合到所述外殼 并且能夠沿振蕩方向振蕩的壓電元件;-適于處理由所述壓電元件產(chǎn)生的電信號以便確定輪胎的所述至少一個工作參數(shù)的處 理器件;其中,所述處理器件包含分析電路,適于-確定所述輪胎的轉動速度是否大于閾值速度;_若為否,則從低通濾波的信號提取用于確定輪胎的所述至少一個工作參數(shù)的信息,所述低通濾波的信號是通過至少去除所述電信號的具有高于或等于所述振蕩結構的諧振峰值頻率的頻率的頻率分量來獲取的。
22. 如權利要求21所述的系統(tǒng),其中,所述可撓曲壓電元件耦合到所述外殼,以便使第 一端實質上固定于所述外殼,并且第二端固定于載荷體。
23. 如權利要求22所述的系統(tǒng),其中,在所述外殼的至少一個內壁和所述載荷體的外 表面之間形成了間隙。
24. 如權利要求21到23中的任何一項所述的系統(tǒng),其中,所述輪胎的所述胎冠部分是 輪胎的內表面的一部分。
25. 如權利要求21到24中的任何一項所述的系統(tǒng),其中,所述振蕩結構耦合到輪胎的 所述胎冠部分,以便把所述壓電元件的長邊基本上根據(jù)輪胎的軸向設置。
26. 如權利要求21到25中的任何一項所述的系統(tǒng),其中,所述振蕩結構耦合到輪胎的所述胎冠部分,以便使所述振蕩方向基本上和輪胎的縱向匹配。
27. 如權利要求21到25中的任何一項所述的系統(tǒng),其中,所述振蕩結構耦合到輪胎的 所述胎冠部分,以便使所述振蕩方向基本上和輪胎的徑向匹配。
28. 如權利要求21到27中的任何一項所述的系統(tǒng),其中,所述分析電路還適于在所述 轉動速度高于所述閾值速度的情況下從所述電信號提取用于確定輪胎的所述至少一個工 作參數(shù)的信息。
29. 如權利要求21到28中的任何一項所述的系統(tǒng),其中,所述分析電路還適于提取與 所述低通濾波的信號或者所述電信號的至少一個特征峰值相關的信息,所述至少一個特征 峰值與耦合到振蕩結構的所述輪胎的胎冠部分進入輪胎和滾動表面之間的接觸區(qū)域相關, 并與耦合到振蕩結構的所述輪胎的胎冠部分從所述接觸區(qū)域離開相關。
30. 如權利要求29所述的系統(tǒng),其中,與所述至少一個特征峰值相關的所述信息包含 所述至少一個特征峰值的預定點之間的距離。
31. 如權利要求30所述的系統(tǒng),其中,輪胎的所述至少一個工作參數(shù)包含輪胎和滾動 表面之間的所述接觸區(qū)域的長度,并且其中,所述處理器件適于基于所述至少一個特征峰 值的預定點之間的所提取的距離確定所述接觸區(qū)域的所述長度。
32. 如權利要求29到31中的任何一項從屬于權利要求26時的系統(tǒng),其中,所述至少一 個特征峰值包含正特征峰值和負特征峰值,其中,所述分析電路適于提取與所述正特征峰 值及所述負特征峰值相關的信息,并且其中,與所述正特征峰值及所述負特征峰值相關的 所述信息包含所述正特征峰值及所述負特征峰值的符號序列。
33. 如權利要求32所述的系統(tǒng),其中,輪胎的所述至少一個工作參數(shù)包含輪胎在車輛 上的安裝位置,并且其中,所述處理器件適于基于所提取的符號序列確定輪胎的所述安裝 位置。
34. 如權利要求29到33中的任何一項所述的系統(tǒng),其中,輪胎的所述至少一個工作參 數(shù)包含由所述輪胎在給定時間段內滾動期間所完成的輪胎轉數(shù),并且其中所述處理器件適 于通過在所述給定時間段期間對所述至少一個特征峰值的出現(xiàn)進行計數(shù)來確定所述輪胎 轉數(shù)。
35. 如權利要求21到34中的任何一項所述的系統(tǒng),還包含耦合到所述處理器件的測量 器件,其中,所述測量器件包含至少一個壓力傳感器。
36. 如權利要求35從屬于權利要求30時的系統(tǒng),其中,輪胎的所述至少一個工作參數(shù) 包含所述輪胎經(jīng)受的載荷,并且其中,所述處理器件適于基于所述至少一個特征峰值的預 定點之間的所述距離和由所述壓力傳感器測量的充氣壓力來確定所述載荷。
37. 如權利要求21到36中的任何一項所述的系統(tǒng),其中,通過去除具有高于或等于所 述振蕩結構的諧振峰值頻率一半的頻率的頻率分量來獲取所述低通濾波的信號。
38. 如權利要求21到37中的任何一項所述的系統(tǒng),其中,所述振蕩結構的諧振峰值頻 率高于150Hz。
39. 如權利要求38所述的系統(tǒng),其中,所述諧振峰值頻率高于200Hz。
40. 如權利要求39所述的系統(tǒng),其中,所述諧振峰值頻率高于300Hz。
41. 如權利要求38到40中的任何一項所述的系統(tǒng),其中,通過去除具有高于120Hz的 頻率的頻率分量來獲取所述低通濾波的信號。
42. 如權利要求21到41中的任何一項所述的系統(tǒng),其中,所述分析電路適于基于檢測 所述振蕩結構的最大允許振蕩的條件來確定所述輪胎的轉動速度是否大于閾值速度。
43. 如權利要求22到42中的任何一項從屬于權利要求22時的系統(tǒng),其中,所述載荷體 小于4克。
44. 如權利要求22到43中的任何一項從屬于權利要求22時的系統(tǒng),其中,所述載荷體 是U形。
45. 如權利要求23到44中的任何一項從屬于權利要求23時的系統(tǒng),其中,所述間隙具 有400iim的最大寬度。
46. 如權利要求21到45中的任何一項所述的系統(tǒng),其中,所述壓電元件是雙晶元件。
47. 如權利要求21到46中的任何一項所述的系統(tǒng),其中,所述壓電元件是平坦元件。
48. 如權利要求21到47中的任何一項所述的系統(tǒng),還包含-耦合到所述處理器件的發(fā)射器件,適于傳送由所述處理器件確定的輪胎的至少一個 工作參數(shù);_接收器件,適于接收被傳送的輪胎的至少一個工作參數(shù)。
49. 如權利要求35所述的系統(tǒng),其中,所述測量器件包括溫度傳感器。
50. 如權利要求35或49所述的系統(tǒng),其中,所述測量器件包括加速度傳感器。
51. 如權利要求21到50中的任何一項所述的系統(tǒng),還包含電壓準備電路,耦合到所述 振蕩結構并耦合到所述處理器件,適于存儲與所述電信號相關聯(lián)的電能。
52. 如權利要求51所述的系統(tǒng),其中,所述電壓準備電路包含電容器。
全文摘要
一種振蕩結構,被耦合到輪胎的胎冠部分。所述振蕩結構包含外殼和耦合到所述外殼的壓電元件。所述壓電元件能夠沿振蕩方向振蕩,所述振蕩方向可以和輪胎的縱向或者徑向匹配。由所述壓電元件產(chǎn)生的電信號被處理,以便確定輪胎的至少一個工作參數(shù)。所述處理包含確定所述輪胎的轉動速度是否大于閾值速度,若為否,則從低通濾波的信號提取用于確定輪胎的所述至少一個工作參數(shù)的信息。通過至少去除具有高于或等于所述振蕩結構的諧振峰值頻率的頻率的所述電信號的頻率分量來獲取這種低通濾波的信號。
文檔編號B60C23/04GK101754874SQ200780053822
公開日2010年6月23日 申請日期2007年7月18日 優(yōu)先權日2007年7月18日
發(fā)明者F·曼科蘇, M·布魯薩羅斯科 申請人:倍耐力輪胎股份公司