CN101208730A - 存储声表面波校准系数的射频识别 - Google Patents

Abstract

导出对于某一传感器唯一的校准常数并存储于与该传感器关联的存储器中，然后从存储器中读取并用于为数据读数(14)提供补偿。校准常数可以在待监控的器件(14)中的传感器安装之后导出并存储于存储器内。

Description

存储声表面波校准系数的射频识别

技术领域

本技术主要涉及询问谐振器元件(例如那些存在于声表面波器件SAW中的)的系统和方法。此类SAW器件可以包含在轮胎或车轮装配体内来感应例如环境温度和压力等物理参数。本技术涉及此类声表面波(SAW)器件的相关校准常数的维护。

背景技术

电子器件与轮胎结构的结合产生了很多实用的优势。轮胎电子器件可能包括传感器和用于传输轮胎识别参数以及用于获得轮胎的各种物理参数的信息的其他部件，物理参数包括例如温度、压力、轮胎转数、车速等。此类的性能信息可能在轮胎监控和警告系统中十分有用，甚至潜在地可与反馈系统一起用于调节适当的轮胎压力等级。

与轮胎结构集成的电子系统的另一潜在的能力为用于商业车辆应用的资产跟踪和性能描述。商业卡车队、航空飞机和重型推土机/采矿车都是能受益于轮胎电子系统和相关信息传输的产业。射频识别(RFID)标签可以用于提供给定轮胎唯一的识别，激活轮胎的跟踪能力。轮胎传感器可以判断车辆中的每个轮胎的行驶里程并为此类商业系统的维护计划提供帮助。车辆地点和性能可以为例如涉及采矿设备的更昂贵的应用进行优化。

声波器件，例如声表面波(SAW)器件为一种用于判断轮胎或车轮装配体的各种参数的特殊类型的传感器或条件响应器件。此类SAW器件通常包含至少一个由沉积于压电衬底上的交叉指形电极组成的谐振器元件。当输入电信号加到SAW器件上时，所选的电极使SAW作为换能器，从而在衬底上将输入信号转换为机械波。然后这些相同的电极逆转换能器的过程并产生一个输出电信号。来自SAW器件的输出信号的改变，例如输出信号的频率、相位和/或幅度的改变对应于SAW器件中传播路径特征的改变。

在一些SAW器件实施例中，监控的谐振频率及其变化为判断SAW器件所承受的例如温度、压力和应变等参数提供了足够的信息。能够进行此类操作的SAW器件包括三个独立的谐振器元件。此种SAW器件的特殊实例对应于由Transense Technologies，PLC开发的器件，其中的一些特殊的方面公开于美国专利申请No.2002/0117005(Viles等)和No.2004/0020299(Freakers等)，两者都为所有目的以引用的方式并入本文。

轮胎工业中的SAW器件通常为被动的器件，由具有同时用于向SAW器件发射信号和用于从SAW器件接收信号的电路的远程收发机器件询问。远程收发机器件或询问器，将不同频率的激励信号由远端传输至SAW器件。SAW器件存储一些在激励过程中传输的能量然后可以传输一个对应的输出信号。询问器的发射和接收信号的比较指示了SAW器件何时在其谐振频率被激发。SAW询问技术的实例可以在美国专利No.6,765,493(Lonsdale等)和英国专利申请GB2,381,074(Kalinin等)中找到，两者在此都为所有目的以引用的方式并入本文。

因为SAW中每个谐振器部件的谐振频率不仅因给定的输入参数而不同，还取决于制造公差、轮胎安装情况和其他因素，SAW询问器通常必须考虑到此类变化因素以提供感应数据的精确反映。虽然开发了多种询问系统，还没有出现一个依照如下所述本技术的用改进的数据提取精确等级来影响SAW询问的技术。

发明内容

考虑到现有技术被认可的特点并立足本主题，开发了一种依据由基于SAW的器件读取的数据提供精确的传感器信息的改进装置和方法。应当注意虽然本公开的剩余理论部分可能提到与轮胎或车轮结构集成的基于SAW器件的使用，此类应用或此类特殊类型器件都不是本技术的限制，实际上此类器件不论其是否基于SAW都可与多种其他器件或元件组合，甚至环境传感器本身都可以仍然受益于所描述的本技术的实现。

在一示例性配置中，基于SAW的器件可以包括谐振器/放大器中作为反馈部件连接的声波器件，并可以进一步耦合至天线元件而形成一主动式发射机装置。声波器件判断由该主动式发射机产生的一个或多个载波频率，因此，所传输的射频信号的一个或多个频率代表一个或多个感应参数，而声波器件本身行使传感器的职能。同时，所传输的信号幅度可以通过连接至振荡放大器的独立电路控制。

在其中一种简单形式中，由基于SAW的器件传输来的信号可以在一时间序列中开启和关闭，但是其他的方法也是可能的。此信息传输方法的积极方面包括简化电路和节约电能。例如，感应参数信息通过传输的射频频率传播，而不是需要轮胎中的电路来测量感应参数，将其转化为数字形式并在传输的数字数据流中编码。通过传输信号的调幅，此种方法提供了任何其他所需信息的传输，无论是复杂还是简单。此种电路设置还提供了主动将信息组合从集成轮胎电子器件传输至远程接收机处的能力。信息的组合对应于由声波器件感应的物理参数以及由声波器件通过选择性地开关放大器发出的重叠于射频信号上的数字数据。

此类器件的另一积极的方面在于通过电子器件装配体传输的信息种类可以是多利种多样的。这些信息可能包括涉及与轮胎和车轮装配体相关联的例如温度和压力参数的感应信息。其他信息可能包含唯一标签识别、行驶距离、轮胎转数、车速、轮胎磨耗量、轮胎变形量以及施加于轮胎上的静和/或动力大小等选择的组合。这么多种不同类型的信息在某种程度上都是可能的，因为微控制器可以用于调制来自电子器件装配体的射频输出信号上的任何类型的所需数据，本校准方法能够确保对所传输数据的可信赖的分析(interpretation)。

认识到上文提到的与基于SAW的器件关联的积极方面后，本主题还认识和提出了与基于射频能量中继的与基于SAW的器件相关联的不利方面。这些方面中较重要的一点为由于制造公差的以及由实际制造安装过程后导致的不一致引起的个体SAW器件的校准点的不一致。

依照本主题的某些实施例的一些方面，提供了将基于物理和环境参数的个体传感器数据输出信号的固有变化考虑在内的方法。

依照本主题的其他实施例的某些方法，开发了补偿固有个体传感器变化的方法，以便能够采集均一精确、可复写的数据。

依照本主题的另外一些实施例的附加方面，开发了为基于SAW的传感器获取和存储个体校准系数的装置和其附带方法。

还根据本主题附加实施例的其他方面，开发了为存储的校准系数提供可利用接入的装置与方法以备其与基于个体SAW的传感器相关联。

本发明的其他目的和优点都在此阐明，或者基于此处的详细说明可使其对于本领域技术人员来说是显而易见的。还有，应当进一步了解的是，可以在不同的实施例和本发明的使用中在不偏离本主题意图和范围的情况下进行此处所阐述、提及和讨论的特点和元件的修改及变更。变更可能包括，但不限于等效的装置、特征、或步骤对于那些阐述、提及和讨论的多个部件、特点、步骤或类似物的功能的、操作的、或位置反转的替换。

进一步的，应当了解本主题的不同实施例和不同的当前优选的实施例可能包括当前公开的特点、步骤或元件或他们的等效物(包括没有在图中特别显示或在该图中详细描述的特点、部件、步骤的组合或它们的配置)的多种组合或配置。

不需要在此概述部分表述的本主题的其他实施例可能包含和包括参考的上述概述目标的特点、部件或步骤，和/或如在此申请中讨论的其他特点、部件或步骤的方面的多种组合。本领域技术人员将通过对说明书提示的审阅更好地理解该类实施例和其他实施例的特点和方面。

附图说明

本发明包括其最佳模式的完整和可行的公开，在说明书中结合附图为本领域技术人员进行了阐述，其中：

图1图解了依照已知惯例的询问器和安装于轮胎内的基于SAW的器件之间的操作关系；

图2图解了便携式询问器和基于SAW的器件之间的基本操作关系；

图3图解了车辆驶过询问器阵列的基本操作配置；

图4图解了包含存储器组件的基于SAW的器件的基本配置，其中的存储器组件可应用本主题的方法；

贯穿本说明书和附图重复使用的附图标记旨在代表本发明的相同或相似的特征或元件。

具体实施方式

如本发明内容部分所讨论的，本主题特别涉及根据从基于SAW的器件读取的数据提供精确传感器信息的改进装置和方法。

本公开技术的多个方面的选择性组合对应本发明的多个不同的实施例。应当注意在此介绍和讨论的每个范例性的实施例不应当成为本主题的限制。作为某个实施例一部分的图解或描述的特征或步骤可以与另一实施例的多个方面相结合以获得其他的实施例。另外，某些特征可以与并未明确提及的执行相同或相似功能的相似器件或特征相互替换。

现在将对依照本主题的轮胎电子装配体的当前优选实施例进行详细介绍。现参考附图，图1图解了已知轮胎监控系统的一些方面，其具有被动操作电子装配体，包括条件响应器件，例如声波传感器。轮胎结构10可能包含条件响应器件12以监控不同的物理参数，例如轮胎或关联的车轮装配体内的温度或压力。此类的条件响应器件可能包括至少一个谐振式传感器，例如声表面波(SAW)谐振器和体声波(BAW)谐振器。依照本技术，应当了解条件响应器件可以对应于此两种特殊类型之一或任何市场上可利用的声波传感器或在某一个或多个适合的频率振荡的其他类型传感器。图1中的具有条件响应器件12的被动操作装配体可由远距离源供电。因此，数据采集收发机14通常兼具发射机和接收机电子器件以便与条件响应器件12进行通信。由收发机14的天线20传输至轮胎10内的电子装配体的射频脉冲16激励SAW器件，然后SAW器件可能存储其中的一些能量并在每个激励射频脉冲结束时回传给收发机一个信号。

仍然参考图1，收发机14传输用于对给定的条件响应器件12在其固有振动频率(谐振频率)进行激励以便在激励射频脉冲16之后，条件响应器件12中的每个谐振器元件都发射在激励过程中存储的能量。此辐射能量的峰值出现在条件响应器件12内的谐振器元件各自的谐振频率上。然后收发机14接收此信号。通过监控由条件响应器件12传回的信号频率的变化，可以判断轮胎结构10内对应预选情况的信息。

依照本发明的一些方面，条件响应器件12还可以传送除了仅由条件响应器件本身感应的参数之外的信息。此类信息可能包括，但不限于与条件响应器件12关联的关于某个特定轮胎的数据，包括制造信息、轮胎信息和其他感兴趣的信息。依照本技术，条件响应器件12还可能传送与之相关联的特定的基于SAW的传感器的关联数据。更特别地，与之相关联的特定的基于SAW的传感器的校准系数可以与前述的其他类型的数据一起存储于与条件响应器件12相关联的存储器中，下文将更完整地描述。

条件响应器件12可与轮胎结构以多种形式相结合。例如，条件响应器件12可安置于轮胎结构的内侧或相对于车轮装配的其他位置。或者，条件响应器件12可以内嵌入轮胎结构本身。更进一步的，条件响应器件12可由具有合适介电性能的可粘附或内嵌于轮胎结构的弹性材料包裹。条件响应器件12还可以任何形式打包并连接到车轮结构、阀杆或任何其他能够实现环境状况(例如与轮胎关联的温度和压力)的基本精确测量的位置。

依照条件响应器件12的多种可能的位置，应当了解依照本主题的与轮胎结构或车轮装配“集成”的条件响应器件旨在包含所有这种可能的位置和其他在本领域技术人员理解范围内的位置。然而，依照本技术所认可的这种条件响应器件12的多种位置的可能性可能部分地导致来自条件响应器件12内的传感器的传感器响应的变化。

虽然声表面波(SAW)器件具有许多如压力和温度传感器的优点，制造公差以及晶片厚度的不一致性要求对每个器件实施校准。此外，当SAW包加工进橡胶片内或橡胶表面上时，包上的合成应力不具有充分的可重复性和再现性，因此需要片内校准(in-patch calibration)。单次校准的结果是以充分的准确性、可重复性和再现性读取器件，这些系数必须应用于由询问器读取的频率。因此，需要使每个器件与其唯一的校准系数相关联。

解决校准系数存储问题的一种方法为物理地粘贴或嵌入一个射频识别应答器(transponder)于含有SAW器件的每一片上或片内。所需的校准系数可以在校准SAW器件时写在射频识别应答器上。操作中，射频识别询问器将首先读取存储于片内射频识别应答器上的校准系数以及片唯一识别码。接下来，SAW询问器读取对应于感应的温度和压力的SAW谐振器的频率。然后校准的温度和压力参数将利用涉及这些校准系数的适合的数学公式计算。

现参考图2，图解了用于条件响应器件12的便携式询问器40的示例性实施例。询问器40包括显示面板42，用于显示由条件响应器件12读取的数据，还可以显示其他涉及询问器40本身的信息，例如电池用量或软件版本信息。显示面板42还可以设置为“触摸”面板以实现询问器40的显示和输入控制的双重目的。或者，控制元件(未显示)可以安装于询问器40的外部来提供对其各种功能的控制。天线44安装于询问器40的主壳体上，并由来自远端主壳体的支撑元件45支撑。

在正常操作中，询问器40可能用作传输一个或多个信号48至条件响应器件12。这些由条件响应器件12通过天线26a、26b接收的信号可以用于命令条件响应器件12传输将由询问器40读取的采集和/或存储的数据。传输的信号48还可由条件响应器件12内的元件校正来为器件提供操作电能。或者，根据涉及的条件响应器件12的特定类型，询问器40可以仅用于连续或间歇地读取由条件响应器件12自发传输的传输信号46。还可能存在询问器40和条件响应器件12的交互操作需要前面讨论的两种操作模式的某种结合的可能性。例如，询问器40可能不作为条件响应器件的电能供给源，而可能用于发送命令条件响应器件12“下载”或传输数据的信号。此类的操作特性的变更都视为在本主题的范围之内。

现参考图3，将描述关联本主题的询问器的另一示例性实施例。图3中图解了车辆驶过询问器阵列的示例性配置。在此示例性配置中，多个询问器50、52、54、56以四列的形式排列，每列包含8个询问器。对于本领域技术人员显而易见的是，此类阵列中询问器的精确数量取决于阵列被赋予的特定用途。在本图解的示例性配置中，询问器阵列配置为使一台多轮车辆穿过路线70，询问器以此方式排列使得该车辆的轮胎60、62、64、66在相邻询问器列间通过。以此方式并通过正常操作，询问器50处在从轮胎60读取数据的位置，而询问器52从轮胎62、询问器54从轮胎64、询问器56从轮胎66读取数据。

如前面所记录的，涉及询问器和射频识别电子装配体结合操作的一个方面为系统准确性和性能对由条件响应器件12传输至询问器40的SAW传感器信号的依赖性。因此，需要能够对任何可能对读数准确性产生负面影响的制造或安装产生的变化进行补偿。如前面所讨论的，依照本技术的该种补偿可能采取的方式为，提供在射频识别器件的存储器部件内存储的单独的校准系数，或其他含有已与轮胎或车轮并可以与唯一的可识别SAW传感器相关联的器件的存储器内存储的单独的校准系数。

现参考图4，图解了监控轮胎结构或相应的车轮装配体内的预设条件的电子装配体12。电子装配体12可以与轮胎结构以多种形式相结合。例如，电子装配体12可安置于轮胎结构的内侧或相对于车轮装配的其他位置。或者，电子装配体12可以内嵌入轮胎结构本身。更进一步的，电子装配体12可由具有合适介电性能的可粘附或内嵌于轮胎结构内的弹性材料包裹。电子装配体12还可以任何形式打包并连接到车轮装配体、阀杆或任何其他能够实现环境状况(例如与轮胎关联的温度和压力)的基本精确测量的位置。依照电子装配体12的多种可能的位置，应当了解依照本主题的与轮胎结构或车轮装配体“集成”的电子装配体旨在包含所有可能的位置和其他在本领域技术人员理解范围内的位置。

电子装配体12优选地包括条件响应器件22，例如基于声波技术的能够感应多种给定条件，例如温度和压力的传感器。依照本发明实施例的条件响应器件的特殊实例为由TRANSENSE TECHNOLOGIES，PLC开发的SAW器件。此种SAW器件的特殊方面在公开的美国专利申请No.10/057,460中公开，在此为所有目的以引用的方式并入。此种SAW器件包括至少三个谐振器元件，每个都工作在不同的谐振频率上。同时发射给定环境条件的组合的三个不同的谐振频率的特殊实例为433.28MHz、433.83MHz和434.26MHz。响应被感测的一个或多个参数，每一谐振略微偏移。三个谐振器元件的结合获得了条件响应器件，其提供了判断轮胎中温度和压力两个参数水平的充足信息。此类多谐振器元件的谐振频率的优选设计为在轮胎中任何压力和温度条件下，相邻谐振频率的间距总是大于谐振器的带宽。

条件响应器件22的示例性配置可以为一个带有两个或多个至单一端口的物理连接点48、48’的单一端口器件。振荡电路28和一对螺旋天线元件26a、26b通过这样的电连接点48、48’连接至条件响应器件的输入端口。条件响应器件22通过如前所讨论的谐振频率的改变提供轮胎相关数据，而谐振器28结合控制电路30可以用于提供下文将描述的附加数据。振荡电路28可以设计为具有多个不同的电路设置，可由单一放大器元件(例如运算放大器、场效应管(FET)、双极结晶体管(BJT)或其他类型的晶体管)或由例如包含放大器元件的集成电路选择性地与其他主动和/或被动的组件(例如但不限于电阻、电感、二极管、电容、晶体管和其他实施有效振荡所需的正反馈和适合的相位偏移的组合所需的元件)提供。振荡电路28附加的示例性设置为本领域技术人员熟知的Colpitts振荡器。

连接至条件响应器件22的输入端口的螺旋天线元件26a、26b便于条件响应器件22中条件引发的谐振频率改变的检测。螺旋天线元件26a、26b还作为振荡器28所产生的信号的传输元件。虽然把螺旋天线元件26a、26b作为螺旋状部件图解和描述，但应当记住其他作为非限制性实例的包括直的、弯曲的设置以及为所需辐射性能优化设计的长度都可以使用。应当了解依照本主题，其他天线结构的应用，例如单极天线、环形天线或其他在本领域技术人员理解范围之内的天线，都在本发明的意图和范围之内。

仍参考图4，控制器30还连接至振荡电路28，为振荡器28提供了选择性开和关的装置，因此能够将数字化数据流重叠于由天线元件26a、26b代表的天线辐射的射频信号之上。通过选择性地控制由例如电源32向振荡电路28提供的操作电能，在条件响应器件22上对数据进行了有效调制。提供此开/关调制的控制器30可能对应于功能级别随意变化的微控制器。特定信息可能存储于与控制器30关联的板上存储器(onboard memory)34中，控制器30可采用指示此类特定信息的输出信号控制振荡器28的电能供给，以在连接到条件响应器件22的天线元件26a、26b辐射的射频信号上调制此特定数据。依照本技术，SAW传感器的特定校准常数可以存储于存储器34中，以便这些常数可从其上读出并用于适合的数学计算中，从而为感应的监控参数提供适当的校正。

在本发明的其他实施例中，控制器30可能对应于射频识别(RFID)芯片。射频识别芯片通常包括可以用于选择性控制控制器30和振荡电路28间连接的自带微控制器。射频识别微控制器的特征在于限制的功能和额外控制元件的供应，此种例子是在本发明实施例的意图和范围之内的。

如上文提到的，本技术的一个方面为基于SAW的装配体可以传输信息的组合。由示例性电子装配体12辐射的数据信号可能载有两个独立的信息流。第一信息流为通过控制器30耦合至振荡电路28提供的由开/关调制影响的数字信息。第二信息流由条件响应器件22(取决于所感应的物理参数)的谐振频率决定。在一些配置中，条件响应器件22可能包括多个谐振器元件，每个都设置为在稍有不同的谐振频率上操作并且每个频率都因传感器监控的物理条件的状态而轻微不同。通过监控这些不同谐振频率的值，涉及温度、压力或其他与轮胎相关联的其他条件的信息都能够插入。例如，在一具有3个不同谐振器元件的示例性SAW传感器实施例中，可以插入一个谐振频率代表给定的压力值，温度值可由其他两个谐振频率的差(differential)来解释。

再参考图4，电子装配体12可以任意地设置为主动装配体，由此电源32可用于为装配体12的所选部件，例如振荡电路28和控制器30供电。在一些实施例中，电源32可以是电池，例如但不限于充电电池。在其他实施例中，电源32可以为内部电能产生器件，例如包括用于将轮胎转动的机械能转换为可以存储其中的电能的压电元件。本主题利用的电能产生器件的实例在待批美国专利申请No.10/143,535中公开，题目为“利用压电光纤复合材料由转动轮胎的机械能产生电能的系统与方法”，在此为所有目的以引用的方式并入。在电源32不作为电子装配体12的集成组件的其他应用中，电能可以由轮舱电感耦合至轮胎中的电子装配体，或者可以利用校正的射频电能。应当了解可以采用任何类型的特殊电源，但是仍然在本主题意图和范围之内。

虽然本主题以特定实施例的形式进行了描述，但本领域技术人员应当了解，在理解前述内容的基础上可以轻松地进行此类实施例的替换、变更及等效。因此，本公开的范围为范例性的而非限制性的，目标的公开不排除包括对于本领域技术人员来说显而易见的针对本发明的此类修改、变更和/或添加。

Claims (16)

1.一种用于补偿来自传感器的数据读数的方法，包含下列步骤：

提供用于产生数据读数的传感器；

将该传感器与待监控的器件相关联；

在关联步骤的下一步为传感器确定校准系数；

提供接近传感器的存储器；和

在存储器中存储在确定步骤中所确定的校准常数。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包含下列步骤：

提供从传感器和存储器读取数据的询问器；

从存储器读取校准常数；

从传感器读取数据；和

修改从传感器读取的数据为校准常数的函数。

3.如权利要求1所述的方法，其中提供存储器的步骤包含设置射频识别器件的存储器的一部分以存储校准常数。

4.如权利要求1所述的方法，其中提供存储器的步骤包含将存储器件与传感器关联。

5.如权利要求1所述的方法，其中提供传感器的步骤包含提供基于声表面波(SAW)的传感器。

6.一种自补偿传感器，包括：

设置为与待监控的器件关联的物理参数感应传感器；和

存储器件，其中所述存储器件设置为存储安装后产生的与所述传感器唯一关联的校准系数。

7.如权利要求6所述的自补偿传感器，其中所述的传感器为基于声表面波(SAW)的传感器。

8.如权利要求6所述的自补偿传感器，其中存储器件包含射频识别器件内的存储器的一部分。

9.如权利要求6所述的自补偿传感器，其中所述存储器件的存储器的一部分设置为包含唯一识别所述传感器的数据。

10.一种监控轮胎相关参数的方法，包含下列步骤：

提供轮胎；

提供用于产生响应至少一个与轮胎相关的参数的输出信号的传感器；

将存储器件与轮胎相关联；

将传感器与存储器件相关联；

导出对于该传感器唯一的校准常数；

在该存储器中存储校准常数；和

修改输出信号为所存储的校准常数的函数。

11.如权利要求10所述的方法，其中将传感器与存储器件相关联的步骤包含将传感器和存储器件嵌入轮胎片中。

12.如权利要求10所述的方法，其中将传感器与存储器件相关联的步骤包含将轮胎片固定在所述轮胎的一部分上。

13.如权利要求10所述的方法，其中将传感器和存储器件与轮胎相关联的步骤包含将传感器和存储器件嵌入轮胎的一部分。

14.如权利要求11所述的方法，其中导出和存储的步骤在嵌入的步骤之后进行。

15.如权利要求12所述的方法，其中导出和存储的步骤在固定的步骤之后就进行。

16.如权利要求13所述的方法，其中所述的导出和存储的步骤在嵌入的步骤之后进行。

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