智能轮胎传感器技术研究现状

1、智能轮胎传感器技术研究现状1 前言     智能轮胎是能实时自动提供汽车行驶状态中轮胎动态信息的一种轮胎。智能轮胎的基本必备功能是监测轮胎的压力和温度,此外还能够监测行驶状态下轮胎受力状况、形变及轮胎/路面摩擦力等,并及时向汽车电子控制系统提供这些动态信息。智能轮胎系统的核心是安装在轮胎上的传感器,系统通过传感器测量轮胎的相关参数,并将测出的信号反馈给收发装置,实现自动预告轮胎状况的功能 。    美国、欧洲和日本近几年投入了大量人力和物力从事智能轮胎的研究,研究各种可用作轮胎嵌入式传感器技术的可行性,试图在实现轮胎压力监测的同时,完

2、成轮胎道路摩擦、动态平衡和轮胎温度监控等功能。    轮胎成型温度为140 160和压力为215 3MPa,车辆行驶时轮胎的温度也在20100范围波动 。因此所用传感器不仅要能顺利在轮胎制造过程中植入轮胎中,还需要有足够的强度来承受嵌入位置橡胶变形带来的冲击并能提供平稳输出,还要有足够的灵敏度以测量轮胎的应力变化。传感器所获得的信息必须能在车体中远程传输(车体金属结构及车胎内的钢丝圈对无线频率传输信号都会带来干扰) 。此类传感器使用寿命受到锂电池的限制。传感器系统的质量也大都在20g左右,但它在最关键的高速区段容易引起较大的动态负载,反而成为安全隐患。 

3、   由于胎内传感器技术实用性的不足,至今还没有真正方便、实用、有效、可靠的智能轮胎。    2 Darmstadt轮胎传感器    Darmstadt轮胎传感器系统由德国Darmstadt大学研究人员提出并开发。该传感器系统是在轮胎胎面中嵌入1个永磁铁,永磁铁的移动由位置传感器监测。位置传感器包括4个独立阵列的霍尔元件和1个温度传感器。永磁铁置入轮胎橡胶中离霍尔元件1mm的距离(图1)  。小型化的传感器植入一个单独的胎面凸起单元,可以减小钢带对其的影响。通过改进材料及结构,降低能耗,提高使用寿命 。其

4、测试精度主要依靠霍尔元件的磁场灵敏度、磁铁的尺寸和霍尔元件的距离等。        用于转译传感器数据得到摩擦力信息的模型是基于刷子模型理论建立的。它可以用来描述在轮胎/路面接触部位胎面凸起单元的运动。该模型还不能明确表明获得的信息与轮胎应力场之间的关系,所以该传感器系统也仅能够用于实验。    3 轮胎侧壁转矩传感器    德国Continent公司开发了一种轮胎侧壁转矩传感器,并推出CGT智能轮胎系统。CGT智能轮胎系统由3 部分组成: 磁化轮胎、胎侧转矩传感器图2 Co

5、ntinent公司智能轮胎(SWT) 、车载电子控制系统( TEVES系统) 。该轮胎橡胶内壁嵌有2条磁性镶条,由规则形状的磁性材料构成。镶条沿胎侧2个不同直径位置布置。轮胎侧壁磁化后,沿整个侧壁圆周形成南北极交替的综合磁场。通过传感器监测磁场磁极的交替变化来估计接触部位的侧向力和纵向力。两个传感器装附在底盘上,分别用于测量轮胎侧壁和垂直方向的直径,如图2所示。        安装在底盘上的两个传感器测量轮胎侧壁磁场单个磁极比例的信号。如果无纵向力作用,两传感器测量到磁极之间交替同时出现的信号,时间差为零。然而,如果存在纵向力,例如制

6、动或加速时,分布在内侧直径和外侧直径上的磁极最大值通过传感器时存在一个时间差,这样在这两个传感器信号之间形成一个相位变化的结果。这个现象,加速和减速是一致的,只是磁极标志的识读是相反的。作用在每个轮胎上纵向力的大小与两磁化镶条的传感器信号之间的相位变化近似线性。这种SWT传感器提供的信息可以用于滑移控制系统改进如ABS和TCS,另外传感器信号还能够用来测量轮速 。    在转弯时,作用在车辆上的离心力对轮胎产生侧向力。在该力作用下侧壁产生侧向变形引起传感器和轮胎磁化侧壁之间距离变化,被测磁场强度也因此发生改变。所测得幅值可以得到作用侧向力。从这些关于轮胎行驶状态的

7、精确信息所得出的结果能够更进一步使车辆电子稳定系统最佳化。给驾驶员带来的直接好处是更短的制动距离,及对车辆更强的控制能力 。该轮胎将作为虚拟传感器,替代原来成本高昂的汽车侧滑传感器,成为Continent公司开发的新一代汽车电子稳定控制系统( ESP)的一个组成部分。目前Continent公司已经获智能轮胎技术许可证。但是该智能轮胎系统不能测量垂直作用力和摩擦力,也不能完全适应车辆行驶中的恶劣环境。    4 声表面波技术    声表面波( SAW )是沿基片和低密度介质之间传播的机械振荡。沉积在压电材料基片之上的电极构成声-电换能器

8、。射频信号通过电极引起基片表面伸展与收缩,产生表面波。声表面波以低速(光速的10-5 )传播,波长也非常短。100MHz信号在自由空间中波长为3m左右,响应声波波长大约10m。由于仅需电极沉积,声表面波传感器尺寸可以非常小。工作频率范围在10MHz 3GHz 之间 ,该频率范围对发展无芯片技术非常有潜力。    作用在换能器上的应变改变电极的空间频率及换能器的工作频率,通过输出分析器对输出频率进行分析得出应变大小。该装置的分辨率在很大程度上依靠输出分析器的频率分辨率。    基于声表面波技术的滤波器已经广泛应用于移动电话和电视中 。声

9、表面波技术也能够用于设计传感器。在许多应用中,声表面波装置是完全被动组件,所需能量由接收组件或识读系统的输出信号产生的输入信号提供。带沉积电极的压电材料可以安置在弹性橡胶材料中,这非常适宜用于测量轮胎径向应变。然而该系统获得的信号对压缩、剪切、转矩、串扰等效应耦合问题的处理存在困难。    基于声表面波技术的轮胎传感器现仍处于试验阶段。德国Clausthal大学与澳大利亚Vienna大学合作目前已经开发出试验传感器,结构如图3所示。其主要优点是胎内传感器部分不需电池支持,而且质量较轻 。        英

10、国Transense公司宣布与美国TPMS制造商Smartire、法国轮胎制造商Michelin合作开发声表面波传感器,整个元件所需能源通过信号接受组件提供。德国Siemens公司研究从靠近声表面波装置的物理现象中产生声表面波滤波器所需能量的可能性。Siemens公司宣布与Continent公司和Darmstadt大学合作。其目的就是要把传感器嵌入轮胎胎面,该传感器以声表面波装置为基础, 能够提供与Darmstadt轮胎传感器相似的数据。    5 磁致伸缩材料技术    与声表面波传感器中压电材料相似的还有磁致伸缩材料,已经用于开发

11、传感器的材料如超磁致伸缩材料Terfenol-D 或Metglas国外都有介绍 。磁致伸缩材料的性能表明它们具有的良好线性可以用于位移传感器。其典型测量范围为500 1 500m,灵敏度可以达到大于0.1%;通过施加载荷效应,产生磁极化,磁力可以比较容易远程测量,这非常适于用作嵌入式传感器。该材料在应变0.1%时内部磁通密度改变大约0.1T。在一定条件下,可以通过直接测量结构组件磁场的变化来测量磁致伸缩效应。通过精心选材可以避免磁滞现象带来的问题,同时,磁致伸缩材料与压电材料一样都很脆 。磁致伸缩最大的优势同样是它们不需外部电源且能为其他嵌入系统提供能源。磁致伸缩材料可以用来设计成轮胎嵌入式传

12、感器。英国Warwick大学正在开展这方面的研究,其最近的研究目的就是组合磁致伸缩非定型金属丝到动态结构中,作为高定向(低串扰)的应力传感器元件。然而,在动态环境下,应力周期改变引起金属丝的磁特性改变,那么金属丝的疲劳寿命就是一个大问题。    现在许多应用技术,包括场理论的运用,探讨扫除该类型传感器应用的障碍。这类传感器材料对开发潜在胎内应力传感器有相当吸引力。    6 微电子机械技术    微电子机械系统(MEMS)是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通信接口和电源等部件组成的一体化的微型器

13、件系统。MEMS器件体积小、质量轻、能耗低、惯性小、谐振频率高、响应时间短;通过高度集成化可以把不同功能的多个传感器或执行器集成于一体,形成微传感器阵列或微执行器阵列。根据原理,MEMS传感器能够设计几乎所有量的传感器(温度、压力、加速度、变形等等) ,也可以实现其他电子组件。    微电子机械系统传感器具有极大的潜力用于开发智能轮胎传感器 。主要优势是鲁棒性强、尺寸小、成本低、能耗低和集成电子总系统的可能性大。因此,微电子机械系统传感器技术开辟了智能轮胎系统研究的一个新前景。    摩托罗拉公司已经成功开发轮胎用MEMS压力传感器,

14、可以承受轮胎内的恶劣环境。该传感器是电容型MEMS压力传感器,是一个单体压力和温度传感器,并具备电源管理和数字输出功能。法国米其林公司推出MEMS技术智能轮胎。MEMS传感器被植入轮胎内壁,它在轮胎内的寿命可达17年;通过接收器拾取传感器传导过来的实时信息,连接装置将接收器传送过来的信息输入便携式贮存装置;便携式贮存装置贮存被监测轮胎的所有数据并加以显示。MEMS技术在开发成功后最早被应用于大型货车轮胎和工程机械轮胎。    7 超宽带技术    超宽带(UWB)是一项使用从几Hz几GHz的宽带收发电波信号的技术,通过发射极短暂的脉冲

15、信号,并接收和分析反射回来的脉冲位置,就可以得到检测对象的信息。由于所使用的宽带高达几GHz,因此最大数据传输速度可以达到几十Mbit/ s几百Mbit/ s, 而耗电量只有原系统的1 /100 1/1 000,具有低功耗、低成本、低截获率等特点。超宽带技术具有对信号衰落不敏感,发射信号功率谱密度低,安全性高,系统复杂度低,能提供数厘米的定位精度等优点。UWB能够用于高分辨率雷达和精确无线定位系统。UWB装置也能够用于无线电通信,特别是短范围,高速数据传输。当前UWB技术在美国之外的国家还没有法规批准使用。    美国McEwan技术公司(MET)采用新24GHz

16、脉冲开普勒雷达开发了一个系统,该系统可以在实际轮胎失效前警告驾驶员存在潜在轮胎爆裂的趋势。还能够立刻监测出轮胎异常如胎面分层、裸露、侧壁膨胀和扎入钉子。MET的传感器也可监测轮胎和车轮形状错误如非圆和严重磨损。微雷达系统根据非接触原理测量轮速,可以用于传感和控制车辆在紧急制动时车轮抱死,特别是重型货车; 还可用于SUV或其他四轮驱动车辆上的牵引控制系统传感和控制车轮的滑移 。    8 其他传感器技术    英国Tekgenuity公司宣布开发了一项技术,就是通过麦克风采集轮胎的声音信号和使用特别的信号处理技术对信号进行后处理。该产品

17、的名字为Chromasonics。Tekgenuity的研究人员称测得的声音信号的变化可以转译出轮胎压力、温度、磨损状态甚至路面的作用摩擦力等的变化。警告驾驶员或将信息实时提供给车辆电子控制系统。    德国Op timess公司正在开发用于轮胎制造和测试的激光传感器。该传感器是非接触测量探测器。两个激光传感器在轮胎的横切位置相对布置,一个在测试部位橡胶材料的上部,另一个在下部,这样运动带的整个轮廓可以被监测,结构如图4所示。该传感器同时用于监测轮胎运动胎面,激光传感器也被用来观测行驶中的路况。现在该研究主要是在测试台上仿真, 要能达到与实际测试道路路面条件相同的精确信息还须开展车辆试验场仿真 。Optim-ess传感器还没有系列的车辆产品。        德国Hella 公司设计了一个直接照射路面的红外线传感器模型。该传感器装在车辆前部。分析反射光的光谱强度,运用算法,来监测路面状况如干燥、湿漉、冰水、雪地,目的是估计作用的摩擦力并在摩擦力小时警告驾驶员 。现在该系统的可靠性还不能用于车辆动态控制系统中。    9 结论与展望    许多传感技术可以