CN100507462C - 一种用于汽车轮胎压力和温度测量的装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种数字化测量仪器及测量方法。一种用于汽车轮胎压力和温度测量的装置，其特征在于：它包括基座(0)、第一SAW谐振器(1)、第二SAW谐振器(2)、第一移相放大器(3)、第二移相放大器(4)、第一缓冲放大器(5)、第二缓冲放大器(6)、第一计数器(7)、第二计数器(8)、单片机(9)、无线发送模块(10)；第一SAW谐振器(1)和第二SAW谐振器(2)分别固定在基座(0)两边，基座(0)通过连接机构固定在气门芯上；单片机(9)的控制线分别与第一计数器(7)、第二计数器(8)的对应端口相连接，单片机(9)的数据线与无线发送模块(10)的对应端口相连接。本发明的装置体积小、重量轻、安装方便、抗干扰能力强。
Description
技术领域
本发明涉及一种数字化测量仪器及测量方法，具体涉及一种用差动结构的声表面波传感器测量轮胎压力和温度的装置及测量方法。
背景技术
根据美国汽车工程师协会的调查，美国每年有26万起交通事故是由于轮胎故障引起的，而75％的轮胎故障是由于轮胎气压不足或渗漏造成的。为此，美国国会在2000年通过了TREAD法案，该法案的要求之一是到2007年，所有在美国销售的汽车都必须安装轮胎压力监视系统。因此，世界发达国家都在大力研发轮胎压力监测系统(TPMS)，国外已有较成熟的TPMS产品，国内目前还是空白。现有TPMS系统大都采用一个硅压力传感器和一个温度传感器，安装在轮胎内部测量轮胎压力和温度，硅压力传感器输出的是模拟信号，还需经过放大、滤波和A/D转换，增加了硬件的复杂性和成本，且测量装置体积较大，安装不方便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种装置体积小、重量轻、安装方便、抗干扰能力强的用于汽车轮胎压力和温度测量的装置。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种用于汽车轮胎压力和温度测量的装置，它包括基座0、第一SAW谐振器1、第二SAW谐振器2，两个结构、压力-频率特性和温度-频率特性相同的第一SAW谐振器1和第二SAW谐振器2分别固定在基座0两边，基座0通过连接机构固定在气门芯上；其特征在于第一SAW谐振器1的输出端与第一移相放大器3的输入端相连接，第一移相放大器3的输出端与第一SAW谐振器1的输入端相连接，第一SAW谐振器1和第一移相放大器3组成第一振荡器，第一移相放大器3的输出端与第一缓冲放大器5的输入端相连接；第二SAW谐振器2的输出端与第二移相放大器4的输入端相连接，第二移相放大器4的输出端与第二SAW谐振器2的输入端相连接，第二SAW谐振器2和第二移相放大器4组成第二振荡器，第二移相放大器4的输出端与第二缓冲放大器6的输入端相连接；第一缓冲放大器5的输出端与第一计数器7的输入端相连接，第二缓冲放大器6的输出端与第二计数器8的输入端相连接，第一计数器7、第二计数器8的输出端分别与单片机9的两个计数器端口相连接；单片机9的控制线分别与第一计数器7、第二计数器8的对应端口相连接，单片机9的数据线与无线发送模块10的对应端口相连接，单片机9通过无线发送模块10将压力测量值和温度测量值发送到接收显示设备。
所述的第一移相放大器3、第二移相放大器4、第一缓冲放大器5、第二缓冲放大器6、第一计数器7、第二计数器8、单片机9、无线发送模块10构成测量电路模块12，基座0通过第一支撑杆11-1和第二支撑杆11-2与封装好的测量电路模块12(包括电池)固定在一起，第三支撑杆13的一端位于测量电路模块12的中部并与测量电路模块12固定，第三支撑杆13上开有进气孔15，第三支撑杆13的另一端部和气门芯14采用螺纹连接。
所述的第一移相放大器3、第二移相放大器4、第一缓冲放大器5、第二缓冲放大器6、第一计数器7、第二计数器8、单片机9、无线发送模块10构成测量电路模块12，基座0通过第一支撑杆11-1和第二支撑杆11-2与封装好的测量电路模块12(包括电池)固定在一起，第三支撑杆13的一端部位于测量电路模块12的边沿部位并与测量电路模块12固定，第三支撑杆13具有空心内螺纹孔16，空心内螺纹孔16用于进气，第三支撑杆13的另一端部与气门芯14采用螺纹连接。
一种用于汽车轮胎压力和温度测量的测量方法，其特征在于：将两个结构、压力-频率特性和温度-频率特性相同的第一SAW谐振器1和第二SAW谐振器2分别固定在基座0两边，基座0通过连接机构固定在气门芯上；单片机先同时测量第一SAW谐振器、第二SAW谐振器的输出频率，并分别计算第一SAW谐振器、第二SAW谐振器的当前频率测量值相对于上次频率测量值的增量，再分别计算第一SAW谐振器、第二SAW谐振器的频率增量之差及频率增量之和，然后根据测量的频率值和计算的频率增量值进行压力频率和温度频率计算、温度补偿计算和查压力-频率对照表、温度-频率对照表，获得被测的压力值和温度值，然后保存所有需要保存的数据，然后将压力测量值和温度测量值发送到接收显示设备。
本发明的有益效果是：本测量装置体积小、重量轻，可以直接安装在汽车轮胎的气门芯上，安装方便；并可以同时测量轮胎内的压力和温度，省去了温度传感器及其测量电路(减小了测量装置体积，降低测量装置成本)，并能进行压力的温度补偿；由于采用了差动结构的声表面波传感器，功耗低，灵敏度高，且输出的是频率信号，抗干扰能力强，便于数字化和无源化。
本发明用差动声表面波传感器直接测量汽车轮胎压力和温度的变化，也可用于其它需要测量压力和温度的场合。
附图说明
图1是本发明的结构方框图。
图2是本发明的SAW(声表面波)谐振器受力示意图。
图3-1、图3-2是本发明的两种安装结构示意图。
图4是本发明的测量方法框图。
图中：0-基座，1-第一SAW(声表面波)谐振器，2-第二SAW(声表面波)谐振器，3-第一移相放大器，4-第二移相放大器，5-第一缓冲放大器，6-第二缓冲放大器，7-第一计数器，8-第二计数器，9-单片机，10-无线发送模块，11-1-第一支撑杆，11-2-第二支撑杆，12-测量电路模块，13-第三支撑杆，14-气门芯，15-进气孔，16-空心内螺纹孔。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例、附图进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
如图1所示，一种用于汽车轮胎压力和温度测量的装置，它包括基座0、第一SAW谐振器1、第二SAW谐振器2、第一移相放大器3、第二移相放大器4、第一缓冲放大器5、第二缓冲放大器6、第一计数器7、第二计数器8、单片机9、无线发送模块10；两个结构、压力-频率特性和温度-频率特性相同的第一SAW谐振器1和第二SAW谐振器2分别固定在基座0两边，组成差动工作方式；基座0通过连接机构固定在气门芯上，当受到压力作用时，一个SAW谐振器受压力谐振频率增加，另一个SAW谐振器受拉力谐振频率减小；第一SAW谐振器1的输出端与第一移相放大器3的输入端相连接，第一移相放大器3的输出端与第一SAW谐振器1的输入端相连接，第一SAW谐振器1和第一移相放大器3组成第一振荡器，振荡频率就是第一SAW谐振器1的谐振频率，第一移相放大器3的输出端就是振荡器的输出端，第一移相放大器3的输出端与第一缓冲放大器5的输入端相连接；第二SAW谐振器2的输出端与第二移相放大器4的输入端相连接，第二移相放大器4的输出端与第二SAW谐振器2的输入端相连接，第二SAW谐振器2和第二移相放大器4组成第二振荡器，振荡频率就是第二SAW谐振器2的谐振频率，第二移相放大器4的输出端就是振荡器的输出端，第二移相放大器4的输出端与第二缓冲放大器6的输入端相连接；第一缓冲放大器5的输出端与第一计数器7的输入端相连接，第二缓冲放大器6的输出端与第二计数器8的输入端相连接，第一计数器7、第二计数器8的输出端分别与单片机9的两个计数器端口相连接；单片机9的控制线分别与第一计数器7、第二计数器8的对应端口相连接，单片机9的数据线与无线发送模块10的对应端口相连接，单片机9通过无线发送模块10将压力测量值和温度测量值发送到接收显示设备。
移相放大器选用高速运算放大器0PA2677U，其带宽达1800MHz。缓冲放大器具有很高的输入阻抗，其作用是避免振荡器的工作状态受到第一计数器7、第二计数器8的影响，缓冲放大器也选用高速运算放大器OPA2677U。计数器选用8位高速芯片MC10E137，其最低计数频率达1800MHz。单片机9选用美国SILICON LABS公司的C8051F300芯片，该芯片具有2个16位的定时/计数器，无线发送模块10选用美国飞思卡尔公司的发射芯片MC33493。
第一SAW谐振器1、第二SAW谐振器2采用公知技术，SAW谐振器具有功耗低，直接输出频率信号，而且对压力和温度都敏感，便于数字化和无源化。基座0选用弹性系数高、质量轻的金属或非金属材料制作。
在实施例中，第一计数器7、第二计数器8的作用相当于分频器，这是因为SAW谐振器的工作频率较高，一般在几百MHz到1千MHz，普通单片机达不到这么高的计数频率，所以需要经过分频；MC10E137是8位计数器，相当于256分频器，设SAW谐振器的工作频率为1000MHz，经过256分频后，MC10E137的输出频率不到4MHz，而C8051F300单片机的工作频率为24MHz，片内计数器的最高计数频率为12MHz，可以对分频后的信号计数。为了提高测量频率的精度，单片机9的控制线和数据线分别与第一计数器7、第二计数器8的对应端口相连接，以便从第一计数器7、第二计数器8中读取小于256的计数值。
如图2所示，第一SAW谐振器1、第二SAW谐振器2分别固定在基座0两边，组成差动结构，当基座0受到图2所示垂直于基座0固定面的压力P作用时，基座0会产生弯曲，第一SAW谐振器1受压力谐振频率增加，第二SAW谐振器2受拉力谐振频率减小。当温度升高或降低时，第一SAW谐振器1、第二SAW谐振器2的谐振频率同时降低或升高。
在图3-1中，第一移相放大器3、第二移相放大器4、第一缓冲放大器5、第二缓冲放大器6、第一计数器7、第二计数器8、单片机9、无线发送模块10构成测量电路模块12，基座0通过第一支撑杆11-1和第二支撑杆11-2与封装好的测量电路模块12(包括电池)固定在一起，第三支撑杆13的一端位于测量电路模块12的中部并与测量电路模块12固定，第三支撑杆13上开有进气孔15，第三支撑杆13的另一端部和气门芯14采用螺纹连接。
在图3-2中，第一移相放大器3、第二移相放大器4、第一缓冲放大器5、第二缓冲放大器6、第一计数器7、第二计数器8、单片机9、无线发送模块10构成测量电路模块12，基座0通过第一支撑杆11-1和第二支撑杆11-2与封装好的测量电路模块12(包括电池)固定在一起，第三支撑杆13的一端部位于测量电路模块12的边沿部位并与测量电路模块12固定，第三支撑杆13具有空心内螺纹孔16，空心内螺纹孔16用于进气，第三支撑杆13的另一端部与气门芯14采用螺纹连接。图3-1、图3-2的两种安装方式可任选。
如图4所示，一种用于汽车轮胎压力和温度测量的测量方法：将两个结构、压力-频率特性和温度-频率特性相同的第一SAW谐振器1和第二SAW谐振器2分别固定在基座0两边，基座0通过连接机构固定在气门芯上；单片机完成初始化后，启动两个计数器测量频率，单片机先同时测量第一SAW谐振器、第二SAW谐振器的输出频率，单片机获得第一SAW谐振器、第二SAW谐振器的频率后，先判断是否首次测量，如果是则再次测量第一SAW谐振器、第二SAW谐振器的输出频率；并分别计算第一SAW谐振器、第二SAW谐振器的当前频率测量值相对于上次频率测量值的增量，再分别计算第一SAW谐振器、第二SAW谐振器的频率增量之差及频率增量之和，然后根据测量的频率值和计算的频率增量值进行压力频率和温度频率计算、温度补偿计算和查压力-频率对照表、温度-频率对照表，获得被测的压力值和温度值，然后保存所有需要保存的数据，然后将压力测量值和温度测量值发送到接收显示设备。
当基座0受到图2所示垂直于基座0固定面的压力P作用时，基座0会产生弯曲，第一SAW谐振器1受压力谐振频率增加，第二SAW谐振器2受拉力谐振频率减小；当温度升高或降低时，第一SAW谐振器1、第二SAW谐振器2的谐振频率同时降低或升高；设单片机两次测得第一SAW谐振器1的输出频率分别为f11和f12，测得第二SAW谐振器2的输出频率分别为f21和f22，单片机分别计算SAW谐振器1和第二SAW谐振器2的频率增量△f1(△f1＝f12—f11)和△f2(△f2＝f22—f21)，计算第一SAW谐振器1和SAW谐振器2的频率增量之差△f-(△f-＝△f1—△f2)及频率增量之和△f+(△f+＝△f1+△f2)，然后根据测量的频率值和计算的频率增量值进行压力频率和温度频率计算、温度补偿计算和查表(指预先存放在单片机内存中的第一SAW谐振器1和第二SAW谐振器2的压力-频率对照表和温度-频率对照表)，得到当前的压力和温度测量值，然后通过无线发送模块10将压力值和温度值发送到接收装置。
压力-频率对照表的制作：在常温下(例如25℃)和量程范围内，从小到大加载压力，获得压力-频率对照表。
温度-频率对照表的制作：在不加载和工作温度范围内，从低到高改变温度，获得温度-频率对照表。
温度补偿原理：在加压情况下测得的频率值包括温度产生的频率值，所以每次测量都要将测量的频率值减去温度产生的频率值，才能得到真正的压力对应的频率值。
温度补偿方法：设温度为T时测得频率为f1，空载频率为f0，温度频率值为fT，则实际压力对应的频率为fP＝f1—(fT—f0)。
压力和温度的获得：在压力-频率对照表中，fP对应的压力；在温度-频率对照表中，fT对应的温度。
下面介绍压力测量和温度测量的原理：
一、理想情况
假定未加压时，第一SAW谐振器1和第二SAW谐振器2的输出频率相等，压力变化时，第一SAW谐振器1和第二SAW谐振器2的输出频率增量相等，符号相反；温度变化时，第一SAW谐振器1和第二SAW谐振器2的输出频率增量相等，符号相同。下面分3种情况进行讨论：
1.压力P变化，温度T不变
设压力P增加△P时，第一SAW谐振器1输出频率f11增加为f12＝f11+△fP，第二SAW谐振器2输出频率f21减小为f22＝f21—△fP，第一SAW谐振器1输出频率的增量为△f1＝△fP，第二SAW谐振器2输出频率的增量为△f2＝—△fP，两个SAW谐振器输出频率的增量之和为△f+＝0，说明温度没有变化，两个SAW谐振器输出频率的增量之差为△f-＝2△fP，说明压力增加了△P。
对于压力减小的情况，f12＝f11—△fP，f22＝f21+△fP，可得增量之差为△f-＝—2△fP，说明压力减小了△P。
根据测量的频率值和计算的频率增量值进行压力频率和温度频率计算、温度补偿计算和查表，得到当前的压力和温度测量值。
2.压力P不变，温度T变化
设温度T增加△T时，第一SAW谐振器1输出频率f11变为f12＝f11—△fT，第二SAW谐振器2输出频率f21变为f22＝f21—△fT，第一SAW谐振器1输出频率的增量为△f1＝—△fT，第二SAW谐振器2输出频率的增量为△f2＝—△fT，两个SAW谐振器输出频率的增量之差为△f-＝0，说明压力没有变化，两个SAW谐振器输出频率的增量之和为△f+＝—2△fT，说明温度增加了△T。
对于温度减小的情况，f12＝f11+△fT，f22＝f21+△fT，可得到增量之和为△f+＝2△fT，说明温度减小了△T。
根据测量的频率值和计算的频率增量值进行压力频率和温度频率计算、温度补偿计算和查表，得到当前的压力和温度测量值。
3.压力P和温度T同时变化
①设压力P增加△P，温度T增加△T，第一SAW谐振器1输出频率f11变为f12＝f11+△fP—△fT，第二SAW谐振器2输出频率f21变为f22＝f21—△fP—△fT，第—SAW谐振器1输出频率的增量为△f1＝△fP—△fT，第二SAW谐振器2输出频率的增量为△f2＝—△fP—△fT，两个SAW谐振器输出频率的增量之差为△f-＝2△fP，两个SAW谐振器输出频率的增量之和为△f+＝—2△fT，说明压力和温度都增加了。
对于压力P增加△fP，温度T减小△T的情况，可以得到两个SAW谐振器输出频率的增量之差为△f-＝2△fP，说明压力增加了△P，两个SAW谐振器输出频率的增量之和为△f+＝2△fT，说明温度减小了△T。
根据测量的频率值和计算的频率增量值进行压力频率和温度频率计算、温度补偿计算和查表，得到当前的压力和温度测量值。
②设压力P减小△P，温度T减小△T，第一SAW谐振器1输出频率f11变为f12＝f11—△fP+△fT，第二SAW谐振器2输出频率f21变为f22＝f21+△fP+△fT，第一SAW谐振器1输出频率的增量为△f1＝—△fP+△fT，第二SAW谐振器2输出频率的增量为△f2＝△fP+△fT，两个SAW谐振器输出频率的增量之差为△f-＝—2△fP，说明压力减小了△P，两个SAW谐振器输出频率的增量之和为△f+＝2△fT，说明温度减小了△T。
对于压力P减小△fP，温度T增加△T的情况，可以得到两个SAW谐振器输出频率的增量之差为—2△fP，说明压力减小了△P。两个SAW谐振器输出频率的增量之和为—2△fT，说明温度增加了△T。
根据测量的频率值和计算的频率增量值进行压力频率和温度频率计算、温度补偿计算和查表，得到当前的压力和温度测量值。
二、非理想情况
上面讨论的是理想情况，实际上，在未加压和相同温度情况下，第一SAW谐振器1和第二SAW谐振器2的输出频率并不相等，会有偏差，补偿方法如下：在制作压力-频率对照表和温度-频率对照表时，记录第一SAW谐振器1和第二SAW谐振器2的输出频率的偏差值，并输入单片机中，每次测量都将偏差值去掉。
另外，当压力和温度变化时，第一SAW谐振器1和第二SAW谐振器2的输出频率增量也不相等，也会有偏差，但由于第一SAW谐振器1和第二SAW谐振器2的结构完全相同，其压力-频率特性和温度-频率特性也基本相同，所以这种偏差很小，当精度要求不高时，一般可以忽略。
Claims (3)
1.一种用于汽车轮胎压力和温度测量的装置，它包括基座(0)、第一SAW谐振器(1)、第二SAW谐振器(2)，第一SAW谐振器(1)和第二SAW谐振器(2)分别固定在基座(0)两边，基座(0)通过连接机构固定在气门芯上；其特征在于：第一SAW谐振器(1)的输出端与第一移相放大器(3)的输入端相连接，第一移相放大器(3)的输出端与第一SAW谐振器(1)的输入端相连接，第一SAW谐振器(1)和第一移相放大器(3)组成第一振荡器，第一移相放大器(3)的输出端与第一缓冲放大器(5)的输入端相连接；第二SAW谐振器(2)的输出端与第二移相放大器(4)的输入端相连接，第二移相放大器(4)的输出端与第二SAW谐振器(2)的输入端相连接，第二SAW谐振器(2)和第二移相放大器(4)组成第二振荡器，第二移相放大器(4)的输出端与第二缓冲放大器(6)的输入端相连接；第一缓冲放大器(5)的输出端与第一计数器(7)的输入端相连接，第二缓冲放大器(6)的输出端与第二计数器(8)的输入端相连接，第一计数器(7)、第二计数器(8)的输出端分别与单片机(9)的两个计数器端口相连接；单片机(9)的控制线分别与第一计数器(7)、第二计数器(8)的对应端口相连接，单片机(9)的数据线与无线发送模块(10)的对应端口相连接，单片机(9)通过无线发送模块(10)将压力测量值和温度测量值发送到接收显示设备。
2.根据权利要求1所述一种用于汽车轮胎压力和温度测量的装置，其特征在于：所述的第一移相放大器(3)、第二移相放大器(4)、第一缓冲放大器(5)、第二缓冲放大器(6)、第一计数器(7)、第二计数器(8)、单片机(9)、无线发送模块(10)构成测量电路模块(12)，基座(0)通过第一支撑杆(11-1)和第二支撑杆(11-2)与封装好的测量电路模块(12)固定在一起，第三支撑杆(13)的一端位于测量电路模块(12)的中部并与测量电路模块(12)固定，第三支撑杆(13)上开有进气孔(15)，第三支撑杆(13)的另一端部和气门芯(14)采用螺纹连接。
3.根据权利要求1所述一种用于汽车轮胎压力和温度测量的装置，其特征在于：所述的第一移相放大器(3)、第二移相放大器(4)、第一缓冲放大器(5)、第二缓冲放大器(6)、第一计数器(7)、第二计数器(8)、单片机(9)、无线发送模块(10)构成测量电路模块(12)，基座(0)通过第一支撑杆(11-1)和第二支撑杆(11-2)与封装好的测量电路模块(12)固定在一起，第三支撑杆(13)的一端部位于测量电路模块(12)的边沿部位并与测量电路模块(12)固定，第三支撑杆(13)具有空心内螺纹孔(16)，第三支撑杆(13)的另一端部与气门芯(14)采用螺纹连接。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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