CN101348059A - 基于轮胎阻抗的汽车轮胎压力监测方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于轮胎阻抗的汽车轮胎压力监测方法及其装置，通过在轮胎内部嵌入声表面波谐振器，并将轮胎橡胶和钢丝所组成轮胎的电容与电阻作为声表面波谐振器的外接阻抗负载。轮胎状态变化引起轮胎阻抗的变化，轮胎阻抗的变化引起声表面波谐振器谐振频率的变化，声表面波谐振器通过外部的激励脉冲发生谐振将谐振频率信号无源无线的发送出来，从而实现轮胎状态的无线无源检测。在轮胎状态检测过程中，将不同的钢丝与多个不同的声表面波谐振器相连组成多个具有不同外接阻抗负载的声表面波谐振器，利用多个声表面波谐振器的谐振频率的组合实现轮胎压力、温度、磨损和老化等状态的检测。

Description

基于轮胎阻抗的汽车轮胎压力监测方法及其装置

(一)技术领域：

本发明涉及一种汽车安全行驶监测方法及其装置，特别涉及一种基于轮胎阻抗的汽车轮胎压力监测方法及其装置。

(二)背景技术：

在汽车行驶中，轮胎爆破是所有驾驶者最为担心和最难预防的，它会引起或诱发严重的交通事故。特别是在高速行驶时，轮胎爆破将更加危险，安全专家指出，当汽车时速超过160公里以上时，轮胎爆破而造成的死亡率几乎接近100％。根据理论分析，轮胎爆破前，轮胎的压力会出现异常，因此通过对轮胎压力的监测和异常情况的报警可以从根本上避免轮胎爆破造成的危险。另外，如果轮胎的充气压力不足，则轮胎滚动阻力增大，汽车油耗增加，同时胎面异常磨耗加剧，导致轮胎早期报废，因此，对轮胎压力的实时监测和异常情况的报警对提高汽车的安全性、经济性和稳定性具有非常重要的意义。

现有的轮胎压力测量方法，如CN209245公告号的名称为“汽车轮胎低气压报警器”的专利，该专利是将传感器固定在轮毂上实现轮胎压力和温度的直接接触和测量，但是，这种安装过程比较复杂，需要将轮胎从钢圈上去掉进行传感器的固定，固定的传感器在轮胎的长时间旋转和振动过程中容易发生松动或脱落，轮胎在恶劣天气和高速运动时，轮胎内部形成的高温、潮湿环境极易降低传感器的性能甚至损坏传感器。另外，这种测量方法由于将传感器安装在轮胎的内部，需要能够长时间供电的电源，一般使用高性能的锂电池供电，但是锂电池的寿命是有限的，更换电池很不方便，并且锂电池体积和重量比较大，增加了轮胎旋转的动态负载，易破坏轮胎的动态平衡，废弃的电池还会造成环境的污染。

为了避免上述传感器在安装方面的问题，2005年，R.Matsuzakia和A.Todoroki在2005年第119期《Sensors and Actuators》第323-331页上发表文章“利用电容和振荡电路进行轮胎变形的无线测量(Wireless Strain Monitoring of Tires Using ElectricalCapacitance Changes with an Oscillating Circuit)”，首次将轮胎压力变化引起的胎面电容阻抗变化转化为频率变化无线发射出来，即将轮胎的胎面橡胶和钢丝看作电容元件，橡胶为介电材料，钢丝为导电材料，相邻钢丝之间的橡胶和钢丝一起可以组成一个轮胎电容元件。在轮胎模块中，轮胎压力的变化引起轮胎胎面的变形，胎面钢丝之间的距离发生变化，由胎面钢丝和橡胶组成的电容器的电容发生变化，电容的变化经过CR振荡器转化为频率的变化，通过发射器的天线发射出去。在外部模块接收器接收发射器发射的频率信号，并经过频率计数器计算送给电脑进行处理，将获得的测量频率信号的变化转化为轮胎压力的变化，从而实现轮胎压力的无线测量。这样虽然可以省去常规的轮胎压力传感器，避免了安装常规传感器时出现的各种麻烦，但是在利用轮胎电容阻抗和CR振荡器进行轮胎压力的无线测量时，测量信号在发射时需要供电电源，一般使用高性能的锂电池供电，因此这种轮胎状态测量方法仍然存在使用电池供电存在的各种问题，另外，CR振荡器和发射器由电阻和放大器等电子元件组成，进行胎面嵌入安装的难度很大，并且安装后会影响轮胎的胎面弹性和刚度。

(三)发明内容：

本发明所要解决的技术问题是提供一种无需使用电池供电、安装容易的基于轮胎阻抗的汽车轮胎压力监测方法及其装置。

本发明的基本构思为：通过在轮胎内部嵌入声表面波谐振器，并将轮胎橡胶和钢丝所组成轮胎的电容与电阻作为声表面波谐振器的外接阻抗负载。轮胎状态变化引起轮胎阻抗的变化，轮胎阻抗的变化引起声表面波谐振器谐振频率的变化，声表面波谐振器通过外部的激励脉冲发生谐振将谐振频率信号无源无线的发送出来，从而实现轮胎状态的无线无源检测。在轮胎状态检测过程中，将不同的钢丝与多个不同的声表面波谐振器相连组成多个具有不同外接阻抗负载的声表面波谐振器，利用多个声表面波谐振器的谐振频率的组合实现轮胎压力、温度、磨损和老化等状态的检测。

本发明所设计的基于轮胎阻抗的汽车轮胎压力监测方法，包括如下步骤：

1)在轮胎胎面橡胶内嵌入声表面波谐振器组成轮胎模块，声表面波谐振器两端分别与轮胎胎面的不同钢丝相连，轮胎胎面钢丝和橡胶所构成的轮胎自身电容和电阻作为声表面波谐振器的外接轮胎阻抗；

2)通过外部模块向声表面波谐振器发射频率与声表面波谐振器的中心谐振频率相同的射频脉冲信号；

3)声表面波谐振器在射频脉冲的激励下发生谐振，该谐振频率受声表面波谐振器外接的轮胎阻抗的影响，轮胎的阻抗受轮胎压力等变化的影响，该谐振频率信号返回至外部模块；

4)外部模块通过测量外接轮胎阻抗的变化所引起的声表面波谐振器谐振频率的变化，并利用谐振频率的变化和轮胎压力的变化的对应关系实现轮胎压力的测量。

在轮胎压力测量过程中，季节或天气的变化会引起外界环境气温的变化，气温的变化或轮胎旋转发热都会引起轮胎内的温度变化。轮胎温度的变化会引起声表面波谐振器的中心谐振频率的偏移，为了消除这些因素的影响，需要进行测量误差的补偿。本发明最好在轮胎胎面橡胶内嵌入两个具有相同结构和相同中心谐振频率的声表面波谐振器构成一个声表面波谐振器组，两个声表面波谐振器的一端相互连接，余下的另外两端，其中一个外接轮胎阻抗，另一个不外接轮胎阻抗。由于温度变化对两个声表面波谐振器中心谐振频率的影响一样，因此，利用这两个声表面波谐振器的谐振频率就可以消除温度对声表面波谐振器中心谐振频率的影响，得到正确的轮胎压力测量值。

在进行轮胎压力安全状态的判断时，轮胎内的其它状态(如温度、和/或磨损和老化程度等)会影响轮胎压力的安全范围，轮胎在不同温度、不同磨损和不同老化程度下，压力的安全范围不同。本发明利用n(n≥3)个不同中心谐振频率的声表面波谐振器组获取轮胎的状态(如压力、和/或温度、和/或磨损和老化程度等)信息，n与所需求解的轮胎参数的个数相当。每个声表面波谐振器组的两个引出端，一个连接不同的轮胎阻抗，一个不连接轮胎阻抗。当轮胎的状态(如压力、和/或温度、和/或磨损和老化程度等)变化时，胎面钢丝和橡胶组成的阻抗元件的电容和电阻都发生变化，连接轮胎阻抗的声表面波谐振器的外接轮胎阻抗发生变化，该声表面波谐振器的谐振频率发生变化，利用该声表面波谐振器的谐振频率可以反映轮胎的状态(如压力、和/或温度、和/或磨损和老化程度等)信息。利用n(n≥3)个声表面波谐振器组的2n个声表面波谐振器的谐振频率，根据轮胎状态(如压力、和/或温度、和/或磨损和老化程度等)与轮胎阻抗的关系以及轮胎阻抗与声表面波谐振器谐振频率的关系，通过数据融合的方法可以同时获得轮胎的多种状态(如压力、和/或温度、和/或磨损和老化程度等)信息。

外部模块根据得到的具体轮胎状态(如压力、和/或温度、和/或磨损和老化程度等)信息，利用轮胎在不同状态(如温度、和/或磨损和老化程度等)的压力安全范围，通过智能算法可以对轮胎在当前状态(如温度、和/或磨损与老化程度等)下轮胎的压力安全状态做出判断。利用这种方法测量轮胎的状态(如压力、和/或温度、和/或磨损和老化程度等)信息时，标定的方法是采用标准的轮胎状态(如压力和/或温度等)传感器和LCR测试仪对轮胎在不同状态(如压力、和/或温度、和/或磨损和老化程度等)的阻抗进行测量，然后将测量的结果与利用本发明的测量方法测量的频率进行对比，获得轮胎状态(如压力、和/或温度、和/或磨损和老化程度等)-频率的对应关系，外部模块利用这些对应关系，根据得到的频率信号可以求解出具体的轮胎状态(如压力、和/或温度、和/或磨损和老化程度等)。

外部模块用于控制发射射频脉冲信号的时间、频率大小和接收谐振频率信号的时间，每一次仅给一个轮胎模块发射射频脉冲信号，每一次仅接收一个轮胎模块的谐振频率信号。当外部模块接收到所有轮胎模块返回的压力测量数据后，外部模块根据所得轮胎的压力情况确定下一次测量的开始时间，当轮胎的压力异常时，应该缩短两次测量之间的时间，否则，可以增加两次测量之间的时间。

本发明为实现上述方法所设计的基于轮胎阻抗的汽车轮胎压力监测装置，包括将轮胎压力所引起的胎面电容和电阻阻抗的变化转化为频率变化无线发射出来的轮胎模块，以及根据接收到的频率变化求解轮胎压力变化的外部模块。所述外部模块沿用现有技术所常用的外部模块构成，所述每个轮胎模块包括嵌入在轮胎橡胶内的至少一个声表面波谐振器、近端天线和匹配阻抗；声表面波谐振器的一端通过匹配阻抗与轮胎胎面橡胶内的公共钢丝G相连，另一端通过导线与不同于公共钢丝G的轮胎钢丝S_n相连，声表面波谐振器与匹配阻抗间还接有近端天线。轮胎模块的声表面波谐振器在受到外部模块发送来的射频脉冲信号的激励，在轮胎压力的影响下发生谐振，并通过近端天线将谐振频率返回外部模块进行频率计算，进而求解出轮胎的压力。

由于轮胎温度的变化会引起声表面波谐振器的中心谐振频率的偏移，因此为了消除这些因素的影响，使得轮胎压力的测量结果更为准确，需要进行测量误差的补偿。作为改进，所述轮胎模块的轮胎橡胶内还可以嵌入通过两个具有相同结构和相同中心谐振频率的声表面波谐振器相连而成的声表面波谐振器组。两个声表面波谐振器相接的一端通过匹配阻抗与公共钢丝G相连，声表面波谐振器组的另外两端一个通过导线与公共钢丝G相连，一个通过导线与不同于公共钢丝G的轮胎钢丝S_n相连，声表面波谐振器与匹配阻抗间还接有近端天线。由于温度变化对两个声表面波谐振器中心谐振频率的影响一样，因此，利用这两个声表面波谐振器的谐振频率就可以消除温度对声表面波谐振器中心谐振频率的影响，得到正确的轮胎压力测量值。

位于同一个轮胎模块内的多个声表面波谐振器和/或声表面波谐振器组均共用一个匹配阻抗和近端天线。

位于同一个轮胎模块内的不同声表面波谐振器和/或声表面波谐振器组所接的轮胎钢丝S_n各不相同，即外接轮胎阻抗不同，以此求解那些能够影响轮胎压力测量结果的其它轮胎参数，如轮胎的温度、磨损和老化程度等。根据所需求解的参数的个数选定声表面波谐振器和/或声表面波谐振器组的个数，并使得每个声表面波谐振器和/或声表面波谐振器组具有不同的中心谐振频率。利用n(n≥3)个声表面波谐振器组的2n个声表面波谐振器的谐振频率，根据轮胎参数(如压力、和/或温度、和/或磨损和老化程度等)与轮胎阻抗的关系以及轮胎阻抗与声表面波谐振器谐振频率的关系，通过数据融合的方法可以同时获得轮胎的多种参数(如压力、和/或温度、和/或磨损和老化程度等)信息。

所述外部模块包括相互连接的远端天线和射频收发器、频率计数器、微控制器、以及电源；

远端天线和射频收发器：用于向声表面波谐振器和/或声表面波谐振器组发射射频脉冲信号，以及接收声表面波谐振器和/或声表面波谐振器组返回的谐振频率脉冲信号；

频率计数器：用于对接收到的谐振频率进行计算，并将计算结果送入微控制器；

微控制器：用于控制远端天线和射频收发器的工作状态、和/或发射射频脉冲信号的时间和频率大小、和/或接收谐振频率信号的时间、并根据轮胎状态(如压力、和/或温度、和/或磨损和老化程度等)与声表面波谐振器谐振频率之间的关系求解轮胎的具体状态(如压力、和/或温度、和/或磨损和老化状态等)信息。

所述射频收发器和远端天线的套数与轮胎模块的个数相同，每一套射频收发器和远端天线对应一个轮胎模块。

所述微控制器还与存储器、和/或报警装置、和/或显示装置相连，存储器用于存储轮胎的安全压力范围、轮胎的压力-频率、和/或温度-频率、和/或磨损和老化-频率关系以及每次测量的轮胎压力值、和/或温度、和/或磨损和老化程度；报警装置用于在轮胎的压力过高或过低时，发出报警信号；显示装置用于显示轮胎的压力值、和/或轮胎的状态、和/或故障类型。

外部模块根据轮胎的具体状态(如温度、和/或磨损和老化程度等)，利用存储器存储的轮胎在不同状态(如温度、和/或磨损和老化程度等)下的压力安全范围，通过智能推理，对当前状态下轮胎的压力安全状态做出正确的判断，如果轮胎的压力过高或过低，微控制器给报警装置发信号和显示装置发信号，如果轮胎的压力状态正常，微控制器仅给显示装置发信号。

本发明根据轮胎压力和轮胎胎面的电容和电阻阻抗的关系以及轮胎胎面阻抗与声表面波谐振器的谐振频率之间的关系实现轮胎压力的无源无线检测，节省了常规的传感器，降低了成本；监测系统的轮胎模块体积很小，轮胎模块的声表面波谐振器的抗电磁干扰和耐热性能都很好，可以在轮胎生产过程中直接嵌入安装在轮胎的胎面钢丝层的橡胶内，避免了目前轮胎压力监测系统的轮胎模块安装在气门嘴部位或轮毂部位存在的安装、固定和性能影响等问题；轮胎模块采用无源工作方式，避免了目前轮胎压力监测系统中使用有源传感器需要使用电池供电而限制监测系统使用寿命的问题和电池污染问题，也避免了目前轮胎压力监测系统中采用有源传感器时轮胎模块体积和重量较大而增加轮胎旋转的动态负载和影响轮胎的动态平衡的问题。

(四)附图说明：

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步详细说明。

图1为本发明的一种实施例的结构示意图。

图2为对应图1的外部模块的工作流程图。

图3为本发明的另一种实施例的声表面波谐振器组Mn的结构示意图。

图4为在同一个轮胎内嵌入多个如图3的声表面波谐振器组Mn连接的示意图。

图5为对应图4的外部模块的工作流程图。

附图说明：

1、外部模块；2、轮胎模块；3、基片；4、声表面波谐振器；  5、声表面波谐振器组。

(五)具体实施方式：

实施例1：

基于轮胎阻抗的汽车轮胎压力监测装置的实施方式可以由如图1所示的至少一个轮胎模块2和外部模块1组成。位于不同轮胎内的轮胎模块2包括嵌入在轮胎胎面钢丝层橡胶内的声表面波谐振器4和与之相连的钢丝、近端天线与匹配阻抗。声表面波谐振器4由基片3和基片3表面的叉指换能器与两个完全一样的反射器组成，反射器完全对称的布置在叉指换能器的两侧。声表面波谐振器4的叉指换能器的一端与匹配阻抗相连，另外该端还与近端天线相连，声表面波谐振器4的叉指换能器的另一端与胎面钢丝S_n相连。匹配阻抗的一端与近端天线连接在一起，另一端连接公共钢丝G。公共钢丝G是不同于声表面波谐振器4的叉指换能器直接连接的胎面钢丝S_n的另一根钢丝。钢丝为导电材料，橡胶为介电材料，另外，橡胶内含有的碳黑为导电材料，这样由胎面钢丝S_n、公共钢丝G、以及它们之间的橡胶可以组成轮胎的电容和电阻阻抗，该轮胎电容和电阻阻抗可以看作声表面波谐振器4的外接轮胎阻抗负载。当轮胎的压力变化时，轮胎钢丝S_n与公共钢丝G间的距离发生变化，轮胎钢丝S_n、公共钢丝G和橡胶组成的阻抗元件的电容和电阻发生变化，声表面波谐振器4的阻抗负载发生变化，声表面波谐振器4的谐振频率发生变化。

外部模块1由远端天线、射频收发器、频率计数器、微控制器、存储器、报警显示装置和电源组成，电源一般为汽车的供电电源。由于存在多个轮胎模块2，为了进行轮胎模块2的区分，外部模块1可以设置多套射频收发器和远端天线，其套数与轮胎模块2的个数相同，每一套收发器和远端天线对应一个轮胎模块2，并将射频收发器和天线安装在轮胎上部的遮灰板上。频率计数器、微控制器、存储器和显示报警装置安装在驾驶室内，每一套远端天线和收发器都通过导线连接到外部模块1的频率计数器和微控制器，微控制器与频率计数器、收发器和显示报警装置相连，存储器可以存储轮胎的安全压力范围以及前几次测量的轮胎压力值。

当外部模块1的微控制器向某一个射频收发器发送发射脉冲的命令后，该射频收发器通过远端天线向轮胎模块2发送与声表面波谐振器4的中心谐振频率相同的射频脉冲信号。轮胎模块2的近端天线直接连接声表面波谐振器4的叉指换能器，声表面波谐振器4利用叉指换能器将接收到的射频信号转化为声表面波谐振器4基片3表面的声表面波，声表面波在声表面波谐振器4的叉指换能器和反射器之间传播发生谐振。与声表面波谐振器4相连的外接轮胎阻抗为轮胎的电容和电阻阻抗，轮胎的电容和电阻阻抗受轮胎的压力等因素的影响，声表面波谐振器4的谐振频率受外接的轮胎阻抗的影响，因此，轮胎的压力等状态可以通过声表面波谐振器4的谐振频率反映出来。声表面波谐振器4的谐振频率信号通过声表面波谐振器4的叉指换能器转化为相同频率的电磁脉冲信号，该电磁脉冲信号通过轮胎模块2的近端天线发射出去。

外部模块1的收发器在发射完脉冲信号后，当收到外部模块1的微控制器发送的接收脉冲命令后进入接收状态，一旦接收到对应轮胎模块2发送的脉冲信号后，将接收脉冲信号传送给频率计数器进行脉冲频率的计算。计算的脉冲频率送给微控制器，微控制器根据轮胎压力变化与声表面波谐振器4的谐振频率的变化之间的关系进行轮胎压力的计算，然后将计算得到的轮胎压力与存储器存储的该轮胎模块2前几次轮胎压力信号以及轮胎压力变化的安全范围进行比较，利用智能算法判断轮胎的压力状态是过高、过低或正常。如果轮胎压力状态为过高或过低，微控制器给报警装置发信号，报警装置发出报警信号；同时，微控制器给显示装置发信号，显示轮胎的状态和故障类型，否则微控制器仅给显示装置发信号，显示出轮胎的压力值。

外部模块1的微控制器控制射频收发器和远端天线的工作状态以及发射脉冲信号的时间、频率和接收脉冲信号的时间。每一个发射或接收命令只能发送给一个收发器，即每一次只能有一个收发器工作。当所有的轮胎模块2的压力测量数据都收到后，微控制器根据轮胎的压力情况确定下一次测量的开始时间。当轮胎的压力异常时，应该缩短两次测量之间的时间，否则，可以增加两次测量之间的时间。

当存在m(m＞1)个轮胎模块2时，如图2，本实施例外部模块1的工作流程如下：

a)初始化发射脉冲的时间T1和接收脉冲的时间T2，定义收发器的编号为i(i＝1～m，m为轮胎模块2的个数)，并初始化i＝1，转入步骤b)；

b)判断i是否超过m+1，即是否检测完所有的轮胎模块2，如果没有，转入步骤c)，否则转入步骤d)；

c)外部模块1的微控制器向第i个收发器发送发射脉冲命令，第i个收发器收到发射脉冲命令后通过远端天线发送射频脉冲信号，发射时间为T1，然后，外部模块1的微控制器向第i个收发器发送接收脉冲命令，第i个收发器收到接收脉冲命令后，第i个收发器的远端天线处于接收脉冲信号状态，等待接收轮胎模块2返回的谐振频率信号脉冲，接收时间为T2，最后，第i个收发器将收到的脉冲信号送入频率计数器进行频率计算，计算结果送入微控制器，微控制器根据轮胎的压力变化与声表面波谐振器4的频率变化之间的关系求解轮胎的压力，i＝i+1，转入步骤b)；

d)外部模块1的微控制器根据接收到的m个轮胎模块2的压力变化信号和存储器存储的各个轮胎模块2前几次轮胎压力信号以及轮胎压力变化的安全范围，利用智能算法进行m个轮胎压力状态的智能判断，如果某一个轮胎的压力状态异常压力过高或压力过低，转入步骤e)，如果所有的轮胎的压力状态都正常，转入步骤f)；

e)外部模块1的微控制器向报警装置发出报警命令，报警装置发出报警信号，微控制器向显示装置发送轮胎压力状态信息和压力值，显示装置显示每一个轮胎的压力状态，如果压力异常，显示异常的具体状态，如果压力正常，仅显示压力值，等待测量间隔时间T3，转入步骤a)；

f)外部模块1的微控制器向显示装置发送每一个轮胎的具体压力值，显示装置显示每一个轮胎的压力值，然后等待测量间隔时间T4，T4可以大于T3，转入步骤a)。

实施例2：

本实施例通过在轮胎内部嵌入多个声表面波谐振器组5，不仅可以同时获取轮胎的压力、温度、磨损和老化信息，还可以根据获得的轮胎压力、温度、磨损和老化信息进行轮胎压力安全状态的正确判断。

本实施例的外部模块1的结构与实施例1相同，其轮胎模块2的结构比实施例1复杂，即每个轮胎模块2主要由声表面波谐振器组5、近端天线和匹配阻抗组成。该声表面波谐振器组5为两个具有完全相同结构的声表面波谐振器4相互连接而成，两个声表面波谐振器4相接的一端通过匹配阻抗与公共钢丝G相连，在声表面波谐振器4与匹配阻抗间还接有近端天线。声表面波谐振器组5的另外两端一个通过导线与公共钢丝G相连，即不连接外接轮胎阻抗；一个通过导线与不同于公共钢丝G的轮胎钢丝S_n相连，即连接外接轮胎阻抗，如图3所示。

当轮胎内部的温度变化时，温度的变化会引起声表面波谐振器4中心谐振频率的变化，从而引起测量误差。本发明还可以利用不连接外接轮胎阻抗的声表面波谐振器4进行测量误差的补偿，由于温度的变化同样会影响连接外接轮胎阻抗的声表面波谐振器4的中心谐振频率。另外，这两个声表面波谐振器4的结构与中心谐振频率完全相同，所处环境也完全相同，因此，温度变化在这两个声表面波谐振器4上引起的频率变化应该是一样的。于是，利用这两个声表面波谐振器4的频率变化就可以消除温度变化引起的测量误差，从而得到正确的轮胎压力状态信息。

另外，在利用声表面波谐振器组5进行轮胎压力测量时，由于轮胎在不同温度下的安全压力范围不同，轮胎在不同磨损和老化程度下的安全压力范围也不同，因此，外部模块1为了能够进行轮胎压力安全状态的正确判断，还需要获得轮胎内部的温度信息以及轮胎的磨损和老化状态信息。此时，为了同时得到轮胎的压力、温度、磨损和老化状态信息并补偿温度变化对声表面波谐振器4中心谐振频率的影响，本实施例在同一个轮胎内嵌入n(n≥3)个具有不同中心谐振频率的声表面波谐振器组5来实现。如图4所示，为了同时获得更多的轮胎信息，本实施可以在同一个轮胎内嵌入多个声表面波谐振器组5，这些声表面波谐振器组5相连的一端均通过同一个匹配阻抗与公共钢丝G相连，且在公共钢丝G和匹配阻抗间接同一个近端天线。每一个声表面波谐振器组5的两个剩余端，外接阻抗的一端与不同的轮胎钢丝S_n相连，不接轮胎阻抗的一端均与公共钢丝G相连。各个声表面波谐振器组5连接的外接轮胎阻抗端所连接的轮胎钢丝S_n不同，其中心谐振频率也不同，但它们不连接外接轮胎阻抗端始终与公共钢丝G相连。分别测量各个声表面波谐振器组5的两个声表面波谐振器4的谐振频率的变化，然后将测量的信息进行数据融合可以得到需要的轮胎压力、温度、磨损和老化状态信息。外部模块1可以根据轮胎的具体磨损和老化状态，以及轮胎内的温度状况，利用存储器存储的轮胎在不同温度、不同磨损和老化程度的压力安全范围，通过智能推理，对当前温度和当前的磨损与老化程度下轮胎的压力安全状态做出正确的判断。如果轮胎的压力过高或过低，微控制器给报警装置发信号，报警装置发出报警信号；同时，微控制器给显示装置发信号，显示轮胎的状态和故障类型，如果轮胎的压力状态正常，微控制器仅给显示装置发信号，显示出轮胎的压力值。

假定嵌入在汽车轮胎内的每个声表面波谐振器组5外接轮胎阻抗端分别连接轮胎钢丝S_j(j＝1，2，3……n)，各个声表面波谐振器组5具有不同的中心谐振频率f_j0(j＝1，2，3……n)，且各个声表面波谐振器组5的中心谐振频率之间要具有一定的差异，即各声表面波谐振器组5中心谐振频率之间的差都要大于外接轮胎阻抗的最大变化引起的声表面波谐振器4谐振频率变化。根据声表面波谐振器组5的中心谐振频率，设计各频率下的声表面波谐振器组5、匹配阻抗和近端天线，与声表面波谐振器组5相连的匹配阻抗与近端天线都是经过优化设计的，在满足声表面波谐振器4、匹配阻抗和近端天线胎面嵌入安装的条件下，声表面波谐振器组5的能量利用率、频率稳定性、插入损耗和品质因数综合性能最好，近端天线的发射和接收性能最佳。

当外部模块1的微控制器向某一个收发器发送发射脉冲的命令后，该收发器首先通过远端天线发送频率为f₁₀的射频脉冲信号，f₁₀为轮胎模块2的第一个声表面波谐振器组5M₁的中心谐振频率，即M₁的两个声表面波谐振器4的中心谐振频率。与此收发器和远端天线对应的轮胎模块2的近端天线接收发射的射频脉冲信号，轮胎模块2的近端天线直接连接各声表面波谐振器组5的两个声表面波谐振器4，声表面波谐振器4的叉指换能器将接收到的射频脉冲信号转化为声表面波并在声表面波谐振器4的基片3表面传播，由于轮胎模块2的第一个声表面波谐振器组5M₁的两个声表面波谐振器4的中心谐振频率与接收脉冲信号的频率一致，因此，在该声表面波谐振器组5的两个声表面波谐振器4发生谐振。假定由同一个声表面波谐振器组5的一个不与轮胎阻抗相连的声表面波谐振器4a的谐振频率为f₁₁，另一个与轮胎阻抗相连的声表面波谐振器4b的谐振频率为f₁₂。其中表面波谐振器a会受f₁₂到轮胎内部温度的影响，温度会引起该声表面波谐振器4a中心谐振频率的偏移，假定引起的偏移为Δf_T1，因此它的谐振频率为：

f₁₁＝f₀₁+Δf_T1    1

与轮胎的阻抗相连的声表面波谐振器4b，轮胎的压力、温度、磨损和老化都会引起外接轮胎阻抗的变化，外接轮胎阻抗的变化又引起该声表面波谐振器4b谐振频率的变化，假定为f₁(P，T，W)。另外轮胎温度同样引起声表面波谐振器4b的中心谐振频率的偏移Δf_T1，因此，该声表面波谐振器4b的谐振频率为：

f₁₂＝f₀₁+f₁(P，T，W)+Δf_T1    2

声表面波谐振器4a和声表面波谐振器4b分别将自身的谐振频率信号转化为相同频率的电磁脉冲信号，该电磁脉冲信号通过轮胎模块2的天线发射出去。外部模块1的收发器在发射完脉冲信号后，当收到外部模块1的微控制器发出的接收脉冲命令后进入接收状态，当接收到对应轮胎模块2发送的脉冲信号后，将接收脉冲信号发送给频率计数器进行脉冲频率的计算，利用频率计数器分别得到频率f₁₁和f₁₂，然后将得到的频率送给微控制器。

接下来，外部模块1的微控制器再次向同一个收发器发送发射脉冲的命令，该收发器通过远端天线发送频率为f₂₀的射频脉冲信号，f₂₀为轮胎模块2的第二个声表面波谐振器组5的中心谐振频率。按照相同的原理外部模块1可以得到声表面波谐振器组5M₂的两个声表面波谐振器4的谐振频率f₂₁和f₂₂。

然后，按照同样的方法可以得到其它声表面波谐振器组5的两个声表面波谐振器4的谐振频率信号，外部模块1的微控制器在得到的频率信号的基础上求解下式：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{11}=f_{01}+{\mathrm{\Δf}}_{T1}\\ f_{12}=f_{01}+f_1(P,T,W)+{\mathrm{\Δf}}_{T1}\\ f_{21}=f_{02}+{\mathrm{\Δf}}_{T2}\\ f_{22}=f_{02}+f_2(P,T,W)+f_{T2},n\≥3\\ .\\ .\\ .\\ f_{n1}=f_{0n}+{\mathrm{\Δf}}_{\mathrm{Tn}}\\ f_{n2}=f_{0n}+f_n(P,T,W)+{\mathrm{\Δf}}_{\mathrm{Tn}}\end{array}\right.---3$

求解的方法可以采用数据融合和智能算法，因此，外部模块1可以得到轮胎的压力、温度、磨损和老化状态信息。利用这种方法测量轮胎的压力、温度、磨损和老化信息时，标定的方法是采用标准的轮胎压力、温度传感器和LCR测试仪对轮胎在不同压力、不同温度、不同磨损和老化程度的阻抗进行测量，然后将测量的结果与利用本发明的测量方法测量的频率进行对比，获得压力-频率、温度-频率、磨损和老化-频率的对应关系，然后将该对应关系存入外部模块1的存储器，根据这些对应关系，外部模块1的微控制器可以根据得到的频率信号求解出具体的轮胎压力、温度、磨损和老化程度。

外部模块1的微控制器根据求解得到的轮胎压力、温度、磨损和老化状态信息，利用存储器存储的轮胎在不同温度、不同磨损和老化程度的压力安全范围，通过智能算法对轮胎在当前温度和当前的磨损与老化程度下轮胎的压力安全状态做出判断，如果轮胎的压力过高或过低，微控制器给报警装置发信号，报警装置发出报警信号；同时，微控制器给显示装置发信号，显示轮胎的状态和故障类型，如果轮胎的压力状态正常，微控制器仅给显示装置发信号，显示出轮胎的压力值。

外部模块1的微控制器控制射频收发器和远端天线的工作状态以及发射脉冲信号的时间、频率和接收脉冲信号的时间。每一个发射或接收命令只能发送给一个收发器，即每一次只能有一个收发器工作。当所有的轮胎模块2的测量信号都收到后，微控制器根据轮胎的压力状态确定下一次测量的开始时间。当轮胎的压力异常时，应该缩短两次测量之间的时间，否则，可以增加两次测量之间的时间。

当存在m(m＞1)个轮胎模块2并且每个轮胎模块2有n(n≥3)个声表面波谐振器组5时，如图5，本实施例外部模块1的工作流程如下：

a)初始化发射脉冲的时间T1和接收脉冲的时间T2，定义收发器的编号为i(i＝1～m，m为轮胎模块2的个数)，并初始化i＝1，转入步骤b)；

b)判断i是否超过m+1，即是否检测完所有的轮胎模块2，如果没有，转入步骤c)，否则转入步骤g)；

c)定义声表面波谐振器组5的编号为j(j＝1～n，n为声表面波谐振器组5的个数)，并初始化j＝1，转入步骤d)；

d)判断j是否超过n+1，即是否获得了该轮胎模块2的所有声表面波谐振器组5的测量信息，如果没有，转入步骤e)，否则转入步骤f)；

e)外部模块1的微控制器向第i个收发器发出发射脉冲命令，第i个收发器收到发射脉冲命令后通过远端天线发送射频脉冲信号，发射时间为T1，发射频率为轮胎模块2的第j个声表面波谐振器组5的中心谐振频率f_0j，然后，外部模块1的微控制器向第i个收发器发接收脉冲命令，第i个收发器收到接收脉冲命令后，第i个收发器的远端天线处于接收脉冲信号状态，等待接收轮胎模块2返回的谐振频率信号脉冲，接收时间为T2，最后，第i个收发器将收到的脉冲信号送入频率计数器进行频率计算，计算结果送入微控制器，j＝j+1，转入步骤d)；

f)利用存储器存储的压力-频率、温度-频率、磨损和老化-频率的对应关系，根据轮胎模块2的n个声表面波谐振器组5的测量频率与轮胎的压力、温度、磨损和老化程度之间的关系，通过数据融合的方法求解轮胎的具体压力、温度、磨损和老化程度，i＝i+1，转入步骤b)  ；

g)外部模块1的微控制器根据接收到的m个轮胎模块2的压力、温度、磨损和老化状态信息，利用存储器存储的轮胎在不同温度、不同磨损和老化程度的压力安全范围，通过智能算法对m个轮胎在当前温度和当前的磨损与老化程度下轮胎的压力安全状态做出判断，如果某一个轮胎的压力状态异常压力过高或压力过低，转入步骤h)，如果所有的轮胎的压力状态都正常，转入步骤i)；

h)外部模块1的微控制器向报警装置发出报警命令，报警装置发出报警信号，微控制器向显示装置发送轮胎压力状态信息和压力值，显示装置显示每一个轮胎的压力状态，如果压力异常，显示异常的具体状态，如果压力正常，仅显示压力值，等待测量间隔时间T3，转入步骤a)；

i)外部模块1的微控制器向显示装置发送每一个轮胎的具体压力值，显示装置显示每一个轮胎的压力值，然后等待测量间隔时间T4，T4可以大于T3，转入步骤a)。

本发明不仅限于上述实施例，只要在轮胎橡胶内嵌入声表面波谐振器4或声表面波谐振器组5，并将轮胎钢丝和橡胶构成的轮胎自身电容和电阻作为其外接阻抗就属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于轮胎阻抗的汽车轮胎压力监测方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)在轮胎胎面橡胶内嵌入声表面波谐振器(4)，声表面波谐振器(4)两端分别与轮胎胎面的不同钢丝相连，轮胎胎面钢丝和橡胶所构成的轮胎自身电容和电阻作为声表面波谐振器(4)的外接轮胎阻抗；

2)通过外部模块(1)向声表面波谐振器(4)发射频率与声表面波谐振器(4)的中心谐振频率相同的射频脉冲信号；

3)声表面波谐振器(4)在射频脉冲的激励下发生谐振，该谐振频率受声表面波谐振器(4)外接的轮胎阻抗的影响，轮胎的阻抗受轮胎压力等变化的影响，该谐振频率信号返回至外部模块(1)；

4)外部模块(1)通过测量外接轮胎阻抗的变化所引起的声表面波谐振器(4)谐振频率的变化，并利用谐振频率的变化和轮胎压力的变化的对应关系实现轮胎压力的测量。

2.根据权利要求1所述的基于轮胎阻抗的汽车轮胎压力监测方法，其特征在于：所述还包括对轮胎压力测量进行温度误差的补偿步骤，即在轮胎橡胶内嵌入声表面波谐振器组(5)，该声表面波谐振器组(5)主要通过两个具有相同结构和相同中心谐振频率的声表面波谐振器(4)的一端相连而成，两个声表面波谐振器(4)余下的另外两个引出端，一个连接轮胎阻抗，一个不连接轮胎阻抗，通过测量这两个声表面波谐振器(4)的谐振频率，计算出温度对声表面波谐振器(4)的谐振频率的测量结果所产生的影响，进而得到正确的轮胎压力测量值。

3.根据权利要求2所述的基于轮胎阻抗的汽车轮胎压力监测方法，其特征在于：所述还包括一个步骤，即根据所需求解的能够影响轮胎压力测量的轮胎参数的个数，在轮胎的橡胶内嵌入与需求解的参数的个数相当的中心谐振频率各不相同的声表面波谐振器组(5)，每个声表面波谐振器组(5)的两个引出端，一个连接不同的轮胎阻抗，一个不连接轮胎阻抗。通过测量每个声表面波谐振器(4)返回的谐振频率，利用各个轮胎参数与轮胎阻抗的关系以及轮胎阻抗与声表面波谐振器(4)谐振频率的关系，通过数据融合的方法同时获得这些轮胎参数信息。

4.根据权利要求3所述的基于轮胎阻抗的汽车轮胎压力监测方法，其特征在于：所述外部模块(1)根据得到的具体轮胎状态参数信息，利用轮胎在不同状态的压力安全范围，通过智能算法对轮胎在当前状态下轮胎的压力安全状态做出判断。

5.基于轮胎阻抗的汽车轮胎压力监测装置，包括外部模块(1)和至少一个轮胎模块(2)，其特征在于：所述每个轮胎模块(2)包括嵌入在轮胎橡胶内的至少一个声表面波谐振器(4)、近端天线和匹配阻抗；声表面波谐振器(4)的一端通过匹配阻抗与轮胎胎面橡胶内的公共钢丝G相连，另一端通过导线与不同于公共钢丝G的轮胎钢丝Sn相连，声表面波谐振器(4)与匹配阻抗间还接有近端天线。

6.根据权利要求5所述的基于轮胎阻抗的汽车轮胎压力监测装置，其特征在于：所述轮胎模块(2)还包括至少一个声表面波谐振器组(5)，该声表面波谐振器组(5)通过两个具有相同结构和相同中心谐振频率的声表面波谐振器(4)相互连接而成，两个声表面波谐振器(4)相接的一端通过匹配阻抗与公共钢丝G相连，声表面波谐振器(4)与匹配阻抗间还接有近端天线，声表面波谐振器组(5)的另外两端一个通过导线与公共钢丝G相连，一个通过导线与不同于公共钢丝G的轮胎钢丝Sn相连。

7.根据权利要求5或6所述的基于轮胎阻抗的汽车轮胎压力监测装置，其特征在于：所述位于同一轮胎模块(2)内的不同声表面波谐振器(4)和/或声表面波谐振器组(5)共用一个匹配阻抗和近端天线。

8.根据权利要求5或6所述的基于轮胎阻抗的汽车轮胎压力监测装置，其特征在于：所述位于同一轮胎模块(2)内的不同声表面波谐振器(4)和/或声表面波谐振器组(5)所接的轮胎钢丝Sn各不相同，即每一个声表面波谐振器(4)和/或声表面波谐振器组(5)具有不同的外接轮胎阻抗。

9.根据权利要求5或6所述的基于轮胎阻抗的汽车轮胎压力监测装置，其特征在于：所述外部模块(1)包括至少一个相互连接的远端天线和射频收发器、频率计数器、微控制器、以及电源；

远端天线和射频收发器：用于向声表面波谐振器(4)和/或声表面波谐振器组(5)发射射频脉冲信号，以及接收声表面波谐振器(4)和/或声表面波谐振器组(5)返回的谐振频率脉冲信号；

频率计数器：用于对接收到的谐振频率进行计算，并将计算结果送入微控制器；

微控制器：用于控制远端天线和射频收发器的工作状态、和/或发射射频脉冲信号的时间和频率大小、和/或接收谐振频率信号的时间、并根据测量频率变化求解轮胎的压力。

10.根据权利要求9所述的基于轮胎阻抗的汽车轮胎压力监测装置，其特征在于：所述射频收发器和远端天线的套数与轮胎模块(2)的个数相同，每一套射频收发器和远端天线对应一个轮胎模块(2)。

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