专利名称：一种新型汽车轮胎健康状况监测系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种汽车轮胎健康状况监测系统及方法，特别是在轮胎使用中对胎体的压力、温度和应力的监测系统及其监测方法， 包括车载的在线监测和汽车下线时的合格监测。
背景技术：
保持标准的车胎气压行驶和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。现有解决问题的方法有两种当前盛行的低成本的手执式数字胎压计的方法不能保证即时发现车胎漏气；目前用于200多万辆通用和福特公司汽车上的间接测量技术——用防抢死刹车轮胎速度传感器来测量比较每一个轮胎转速，从而推断出轮胎的压力是否不足的方法实在是既麻烦又不准确。
另外，在每一个车胎中安装上胎压监测传感器和射频发射器的智能轮胎正在引起极大的关注，智能轮胎与汽车仪表盘上一个接受器及显示器配合，即构成一个轮胎压力监测系统，即TPMS(Tire Pressure Monitoring System)，它也可以直称为胎压监测传感器(Tire Pressure Monitoring Sensor)。该系统的传感器一般是基于MEMS技术的，即硅压阻式压力传感器或硅集成电容式压力传感器。
现有技术中压力传感器是基于MEMS技术的，该技术生产的元件较精密不适合轮胎监测这种恶劣的环境，长期使用容易失效，而且制作成本较高。另外这种传感器毕竟是电类传感器，容易受干扰。原有的轮胎压力监测系统只能测压力，这种单一物理量的测量容易产生误判断，可靠性差。
发明内容
本发明旨在解决以下几个问题选用体积小、重量轻和可靠性高的传感器；系统除可测压力外，还可以测量胎体的应力和温度，综合评估轮胎的健康状况。
本发明是一种新型汽车轮胎健康状况监测系统，主要包括解调器、数据处理单元、微处理器、分析系统、报警装置和双光栅传感器。双光栅传感器通过光纤连接到解调器，解调器输出的电信号连接到数据处理单元，微处理器连接数据处理单元和分析系统，分析系统连接汽车的其它性能参数和报警装置。
本发明是一种新型汽车轮胎健康状况监测方法，其特征在于双光栅传感器输出两个不同的波长光，该光的波长值随被测量变化；解调器测量这两个波长的大小并将其变成对应的电信号输出到数据处理单元；数据处理单元将该电信号进行模数转换并根据预设的方程系数计算被测物理量的值；微处理器读入被测物理量的值，放入其内部寄存器并送显示单元和分析系统；分析系统接受被测物理量的值和来自其它汽车传感器的性能参数进行综合分析和比较，根据需要输出报警信号；报警装置接收到报警信号输出声音信号和光信号，提醒驾驶者停车检修。
如前所述的一种新型汽车轮胎健康状况监测系统，其特征在于解调器是双边缘波长解调器，分析系统是专家分析系统，报警装置是声光报警装置。
如前所述的一种新型汽车轮胎健康状况监测系统，其特征在于还包括三个LED显示单元，和微处理器连接分别显示轮胎的三个测量物理量。
本发明传感器的体积小，容易粘贴在胎体或直接植入胎体内部而不会轮胎的正常使用。另外光纤光栅传感器是光类传感器不易受干扰。本发明除可测压力外，还可以测量胎体的应力和温度，综合评估轮胎的健康状况。
图1轮胎健康状况检测系统结构图具体实施方式
实施例一对轮胎温度、应力和压力的测量双光栅传感器输出两个不同的波长光，该光的波长值随被测量变化，保偏光纤上的光纤光栅的中心波长是由两个快慢轴上的固有折射率来决定的。均匀光纤布拉格光栅具有严格均匀的周期性折射率调制，它的布拉格共振波长λB＝2Λneff(1)其中，Λ为光栅的周期，neff为光纤中传播模式的有效折射率。因此对于在保偏光纤上不同轴上写入的两个光栅，其中心波长分别为λBx＝2Λnx(2)λBy＝2Λny(3)不同轴上的两个光纤光栅的中心波长差为Δλ＝2ΛΔn (4)其中Δn＝nx-ny。
尽管因为快轴与慢轴折射率的不同，刻在保偏光纤上的光纤光栅有两个靠得很近的峰，但我们却不可能以此同时测量温度和纵向应力，原因在于它们随着温度和纵向应力的变化几乎是同步的。所以我们在保偏光纤的同一位置分别刻写波长各为1300nm窗口(1280～1320nm)和1550nm窗口(1530～1570nm)的双光栅，以此双光栅作为传感探头，由于波长值相隔很大，他们对温度和纵向应力的灵敏系数是不同的，以此来测量温度和纵向应力。解调器测量这两个波长的大小并将其变成对应的电信号输出到数据处理单元，对于1300nm和1550nm波长的各两个峰，既然它们的变化是各自同步的，从中各选一个峰即可。
数据处理单元将该电信号进行模数转换并根据预设的方程系数计算被测物理量的值。假定波长变化量分别与应变ε和温度的改变量ΔT呈线性关系，且忽略应变、温度的交叉感应，布拉格光栅波长λB对应变和温度的敏感性可用下式表示ΔλB1＝Kε1ε+KT1ΔT (5)ΔλB2＝Kε2ε+KT2ΔT (6)式中，Kε1，Kε2；KT1，KT2分别为波长不同的两个光纤光栅应变系数和温度系数，其大小主要由光纤材料、布拉格光栅周期决定。由于两个光栅周期相差较大，两个光纤光栅应变系数和温度系数是不同的，通过解(5)和(6)组成的二元一次方程组，即可求得应变和温度值。
如果光栅所在处的温度和轴向应变发生变化，同一个光栅的两个峰将会向长波或者短波方向移动，但两个峰之间的间距，即波长差不会变化。而在压力即横向应力的作用下，两个峰之间的间距就会增大或者减小，以此来测量轮胎所受压力的大小。
微处理器读入被测物理量的值，放入其内部寄存器并送显示单元和分析系统；分析系统接受被测物理量的值和来自其它汽车传感器的性能参数进行综合分析和比较，根据需要输出报警信号；报警装置接收到报警信号输出声音信号和光信号，提醒驾驶者停车检修。
实施例二对车轮速度的测量如果我们在轮胎上粘贴一个刻在保偏光纤上的光纤光栅，在汽车行驶的过程中，轮胎上的光纤光栅受到周期性的冲击压力的作用。在此压力的作用下，保偏光纤上的同一个光纤光栅的两个峰周期性的张开和复原。两个峰每张开一次，即给出一个脉冲信号，以一个计时器记录两个脉冲之间的时间间隔τ，轮胎的周长是固定不变的，假定为2πR，则车轮速度为v＝2πR/τ (7)以光纤传感器检测汽车车轮速度，成本低，能耗小，赖久性好，精确度高，信号稳定性好，而且光纤尺寸小，重量轻，对车轮的影响几乎可忽略不计，因而是替代现有汽车车轮速度传感器的理想产品。
权利要求
1.一种新型汽车轮胎健康状况监测系统，主要包括解调器、数据处理单元、微处理器，分析系统和报警装置，其特征在于还包括双光栅传感器，双光栅传感器通过光纤连接到解调器，解调器输出的电信号连接到数据处理单元，微处理器连接数据处理单元和分析系统，分析系统连接汽车的其它性能参数和报警装置。
2.如权利要求1所述的一种新型汽车轮胎健康状况监测方法，其特征在于双光栅传感器输出两个不同的波长光，该光的波长值随被测量变化；解调器测量这两个波长的大小并将其变成对应的电信号输出到数据处理单元；数据处理单元将该电信号进行模数转换并根据预设的方程系数计算被测物理量的值；微处理器读入被测物理量的值，放入其内部寄存器并送显示单元和分析系统；分析系统接受被测物理量的值和来自其它汽车传感器的性能参数进行综合分析和比较，根据需要输出报警信号；报警装置接收到报警信号输出声音信号和光信号，提醒驾驶者停车检修。
3.如权利要求1所述的一种新型汽车轮胎健康状况监测系统，其特征在于解调器是双边缘波长解调器。
4.如权利要求1所述的一种新型汽车轮胎健康状况监测系统，其特征在于分析系统是专家分析系统。
5.如权利要求1所述的一种新型汽车轮胎健康状况监测系统，其特征在于报警装置是声光报警装置。
6.如权利要求1所述的一种新型汽车轮胎健康状况监测系统，其特征在于还包括三个LED显示单元，分别输出轮胎的三个测量物理量。
全文摘要
本发明涉及一种汽车轮胎健康状况监测系统及方法，特别是在轮胎使用中对胎体的压力、温度和应力的监测系统及其监测方法。本发明是一种新型汽车轮胎健康状况监测系统，主要包括解调器、数据处理单元、微处理器、分析系统、报警装置和双光栅传感器。双光栅传感器输出两个不同的波长光，该光的波长值随被测量变化。本发明传感器的体积小，容易粘贴在胎体或直接植入胎体内部而不会轮胎的正常使用。另外光纤光栅传感器是光类传感器不易受干扰。本发明除可测压力外，还可以测量胎体的应力和温度，综合评估轮胎的健康状况。
文档编号B60C23/00GK1631688SQ200410061379
公开日2005年6月29日 申请日期2004年12月17日 优先权日2004年12月17日
发明者姜德生, 梅加纯, 范典 申请人:武汉理工大学