CN109606036A - 一种外置轮胎气压检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外置轮胎气压检测方法，涉及到轮胎气压检测技术领域，包括以下具体检测方法：首先对未充气的轮胎进行扫频检测，确定第一反射系数r1、第二反射系数r1′、第一透射系数t1、第二投射系数和t1′以及第三反射系数r2，然后通过超声波发生器向轮胎内发射能够依次透射环境空气、轮胎壁和胎内空气的第一超声波，然后通过超声波接收器接收轮胎壁反射的第二超声波。本发明通过超声波的发射以及接收，无需在密闭区域上安装部件，利用轮胎的壁部反射超声波，通过对超声波的声压的计算实现非接触式的胎压检测，使得轮胎内部的气压检测更为简便、快捷，避免了电磁干扰对检测结果的影响，且有效降低了检测成本。

Description

一种外置轮胎气压检测方法

技术领域

本发明涉及轮胎气压检测技术领域，特别涉及一种外置轮胎气压检测方法。

背景技术

轮胎的气压值是否正常，关系到汽车行驶的安全，因此需要时刻保证轮胎的气压正常。胎压检测系统(Tire Pressure Monitoring System，TPMS)，是一种采用无线传输技术，利用固定于汽车轮胎内的高灵敏度微型无线传感装置在行车或静止的状态下采集汽车轮胎压力等数据，并将数据传送到驾驶室内的主机中，以数字化的形式实时显示汽车轮胎压力和温度等相关数据，并在轮胎出现异常时(预防爆胎)以蜂鸣或语音等形式提醒驾驶者进行预警的汽车主动安全系统，对安全驾驶和节能减排有着很大作用，高端车型都装有胎压检测设备。

随着技术的进步，胎压检测技术正由高端车型向中低端车型推广。目前，主流的胎压检测系统需要在轮胎上安装压力传感器、微控制器、射频收发模块，通过射频信号实现与汽车主控端的通信，进而实时检测胎压。这种胎压检测系统安装、更换和维护较为复杂，信号传输过程中容易产生电磁干扰，且成本较高。因此，发明一种外置轮胎气压检测方法来解决上述问题很有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种外置轮胎气压检测方法，以解决背景技术提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种外置轮胎气压检测方法，包括以下具体检测方法：

步骤一：对未充气的轮胎进行扫频检测，确定第一反射系数r1、第二反射系数r1′、第一透射系数t1、第二投射系数和t1′以及第三反射系数r2；

步骤二：通过超声波发生器向轮胎内发射能够依次透射环境空气、轮胎壁和胎内空气的第一超声波，然后通过超声波接收器接收轮胎壁反射的第二超声波；

步骤三：获取第一超声波的声压Pi和第二超声波的声压Pr，入射超声波从环境空气发射至轮胎壁，被轮胎壁的外壁所反射，当超声波在轮胎壁内多次反射，并依次沿着入射超声波的方向的反向折返；

步骤四：向轮胎内充入惰性气体，然后通过扫频检测将获得多个Pi和Pr max，因此可根据已知的r1 ,t1 ,r1′,t1′和α来求解r2；

步骤五：超声波在环境空气、轮胎壁和胎内空气这三种介质中的声阻(即环境空气声阻、轮胎壁声阻和胎内空气声阻)分别为：

；

；

；

其中：Z1 (i＝1 ,2 ,3)--为环境空气声阻、轮胎壁声阻和胎内空气声阻；

ρi和ci (i＝1 ,2 ,3)--分别为这三种介质的密度和超声波在该介质中的声速；

通过第一反射系数和第二反射系数计算获得轮胎壁声阻，而通过轮胎壁声阻和第三反射系数即可计算出胎内空气声阻，对空气声阻起主要作用的是空气密度，而空气密度与压强直接相关，这样，通过环境空气压强、环境空气密度和胎内空气密度求解获得胎内空气压强。

优选的，所述步骤三中反射超声波的声压幅度与入射超声波的声压幅度关系为：

。

优选的，所述步骤三中多个叠加后的第二超声波的声压与第一超声波的声压的关系为：

。

优选的，所述步骤三中多个反射的超声波的声压幅度与入射超声波的声压幅度关系为：

；

其中：n=2，3，4，......；

--为超声波在轮胎壁内一次折返的复振幅增益；

α--为幅度衰减因子；

--为相位延迟，由于一次反射的振幅衰减增益小于1；即：

。

优选的，根据材料的声阻得到超声波在不同材料界面上的反射和透射特性，即声阻与反射系数和透射系数的关系为：

超声波由环境空气入射到轮胎壁，在环境空气与轮胎壁的外壁的界面上的反射系数和透射系数为：

，；

超声波由轮胎壁入射到环境空气，在轮胎壁的外壁与环境空气的界面上的反射系数和透射系数为：

，；

超声波由轮胎壁入射到胎内空气，在轮胎壁的内壁与胎内空气的界面上的反射系数和透射系数为：

，。

优选的，所述胎内空气的密度与胎内空气压强(即待测量)成正比，即：

；

其中：--为胎内空气的压强；

--为常压，即环境空气的压强；

--为常压下的空气密度，即环境空气的密度。

本发明的技术效果和优点：

1、本发明通过超声波的发射以及接收，无需在密闭区域上安装部件，利用轮胎的壁部反射超声波，通过对超声波的声压的计算实现非接触式的胎压检测，使得轮胎内部的气压检测更为简便、快捷，避免了电磁干扰对检测结果的影响，且有效降低了检测成本；

2、本发明无需在车辆的每个轮胎上设置压力传感器/气压传感器、无线模块、电源，可以避免硬件成本、安装和维护成本；

3、本发明通过可以避免因为轮胎新旧程度不同、磨损程度不同等造成的轮胎内部压力检测不精准的缺陷，提高了胎压检测的准确率。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

一种外置轮胎气压检测方法，包括以下具体检测方法：

步骤一：对未充气的轮胎进行扫频检测，确定第一反射系数r1、第二反射系数r1′、第一透射系数t1、第二投射系数和t1′以及第三反射系数r2；

步骤二：通过超声波发生器向轮胎内发射能够依次透射环境空气、轮胎壁和胎内空气的第一超声波，然后通过超声波接收器接收轮胎壁反射的第二超声波；

步骤三：获取第一超声波的声压Pi和第二超声波的声压Pr，入射超声波从环境空气发射至轮胎壁，被轮胎壁的外壁所反射，当超声波在轮胎壁内多次反射，并依次沿着入射超声波的方向的反向折返；

步骤四：向轮胎内充入惰性气体，然后通过扫频检测将获得多个Pi和Pr max，因此可根据已知的r1 ,t1 ,r1′,t1′和α来求解r2；

步骤五：超声波在环境空气、轮胎壁和胎内空气这三种介质中的声阻(即环境空气声阻、轮胎壁声阻和胎内空气声阻)分别为：

；

；

；

其中：Z1 (i＝1 ,2 ,3)--为环境空气声阻、轮胎壁声阻和胎内空气声阻；

ρi和ci (i＝1 ,2 ,3)--分别为这三种介质的密度和超声波在该介质中的声速；

通过第一反射系数和第二反射系数计算获得轮胎壁声阻，而通过轮胎壁声阻和第三反射系数即可计算出胎内空气声阻，对空气声阻起主要作用的是空气密度，而空气密度与压强直接相关，这样，通过环境空气压强、环境空气密度和胎内空气密度求解获得胎内空气压强。

实施例2

与实施例1不同的是：

进一步的，在上述方案中，所述步骤三中反射超声波的声压幅度与入射超声波的声压幅度关系为：

。

进一步的，在上述方案中，所述步骤三中多个叠加后的第二超声波的声压与第一超声波的声压的关系为：

。

进一步的，所述步骤三中多个反射的超声波的声压幅度与入射超声波的声压幅度关系为：

；

其中：n=2，3，4，......；

--为超声波在轮胎壁内一次折返的复振幅增益；

α--为幅度衰减因子；

--为相位延迟，由于一次反射的振幅衰减增益小于1；即：

。

进一步的，在上述方案中，根据材料的声阻得到超声波在不同材料界面上的反射和透射特性，即声阻与反射系数和透射系数的关系为：

超声波由环境空气入射到轮胎壁，在环境空气与轮胎壁的外壁的界面上的反射系数和透射系数为：

，；

超声波由轮胎壁入射到环境空气，在轮胎壁的外壁与环境空气的界面上的反射系数和透射系数为：

，；

超声波由轮胎壁入射到胎内空气，在轮胎壁的内壁与胎内空气的界面上的反射系数和透射系数为：

，。

进一步的，在上述方案中，所述胎内空气的密度与胎内空气压强(即待测量)成正比，即：

；

其中：--为胎内空气的压强；

--为常压，即环境空气的压强；

--为常压下的空气密度，即环境空气的密度。

超声波从一种介质传播到另一种介质，在两个介质的界面上将产生反射和透射，当超声波沿着环境空气、轮胎壁和胎内空气的方向入射时，其在轮胎壁的内壁和外壁均会产生反射和透射，轮胎壁的内壁为轮胎壁与胎内空气接触的一面，轮胎壁的外壁为轮胎壁与环境空气接触的一面，具体地，超声波入射时，部分能量首先在轮胎壁的外壁形成反射，剩余的部分能量将穿透轮胎壁的外壁形成透射，并在轮胎壁内传播，超声波在轮胎壁的内壁再次形成反射，剩余的部分能量形成透射，在胎内空气传播，经轮胎壁的内壁反射的超声波将在轮胎壁内传播，并反向传播至轮胎壁的外壁，此时，该反射的超声波在该轮胎壁的外壁形成再次的反射与透射。

反射系数和透射系数与传播中相邻的两种介质的密度有关，由于轮胎壁两面的介质不同，因此，轮胎壁的内壁和外壁在不同方向上的反射与透射具有不同的反射系数和透射系数，由于环境空气的密度可看为恒定的，因此，在轮胎充气前或充气后，其轮胎壁的外壁的反射系数和透射系数为恒定的。

在常压下(未考虑温度影响)，空气声速为cair＝340m/s，密度为ρair＝1 .29kg/m3，声阻为Zair＝438 .6kg/(m2s)。常见轮胎材料为丁基橡胶(Butyl rubber)，其声速为crubber＝1800m/s，密度为ρrubber＝1 .11×103kg/m3，声阻为Zrubber≈2×106kg/(m2·s)，厚度约1cm的丁基橡胶对350KHz超声的幅度衰减系数约为0 .51。在这种条件下，轮胎壁的外壁的反射系数和透射系数分别为：r1＝-r1′＝0 .9996，t1＝1 .9996，t1′＝0 .0004。当胎压变化范围为1～2 .5Bar时，轮胎内壁的反射系数变化范围为r2＝-0 .9996～-0.9989。可以得到最终反射超声波信号幅度峰值变化范围为Pr max＝0 .99876854～0.99876973Pi，反射超声波信号的相对变化量约为1×10-6级，误差非常小，以现有的信号处理技术可以实现该超声波信号的实时检测，进而计算出轮胎的胎压。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种外置轮胎气压检测方法，其特征在于，包括以下具体检测方法：

步骤一：对未充气的轮胎进行扫频检测，确定第一反射系数r1、第二反射系数r1′、第一透射系数t1、第二投射系数和t1′以及第三反射系数r2；

步骤二：通过超声波发生器向轮胎内发射能够依次透射环境空气、轮胎壁和胎内空气的第一超声波，然后通过超声波接收器接收轮胎壁反射的第二超声波；

步骤三：获取第一超声波的声压Pi和第二超声波的声压Pr，入射超声波从环境空气发射至轮胎壁，被轮胎壁的外壁所反射，当超声波在轮胎壁内多次反射，并依次沿着入射超声波的方向的反向折返；

步骤四：向轮胎内充入惰性气体，然后通过扫频检测将获得多个Pi和Pr max，因此可根据已知的r1 ,t1 ,r1′,t1′和α来求解r2；

步骤五：超声波在环境空气、轮胎壁和胎内空气这三种介质中的声阻(即环境空气声阻、轮胎壁声阻和胎内空气声阻)分别为：

；

；

；

其中：Z1 (i＝1 ,2 ,3)--为环境空气声阻、轮胎壁声阻和胎内空气声阻；

ρi和ci (i＝1 ,2 ,3)--分别为这三种介质的密度和超声波在该介质中的声速；

通过第一反射系数和第二反射系数计算获得轮胎壁声阻，而通过轮胎壁声阻和第三反射系数即可计算出胎内空气声阻，对空气声阻起主要作用的是空气密度，而空气密度与压强直接相关，这样，通过环境空气压强、环境空气密度和胎内空气密度求解获得胎内空气压强。

2.根据权利要求1所述的一种外置轮胎气压检测方法，其特征在于：所述步骤三中反射超声波的声压幅度与入射超声波的声压幅度关系为：

。

3.根据权利要求1所述的一种外置轮胎气压检测方法，其特征在于：所述步骤三中多个叠加后的第二超声波的声压与第一超声波的声压的关系为：

。

4.根据权利要求1所述的一种外置轮胎气压检测方法，其特征在于：所述步骤三中多个反射的超声波的声压幅度与入射超声波的声压幅度关系为：

；

其中：n=2，3，4，......；

--为超声波在轮胎壁内一次折返的复振幅增益；

α--为幅度衰减因子；

--为相位延迟，由于一次反射的振幅衰减增益小于1；即：

。

5.根据权利要求1所述的一种外置轮胎气压检测方法，其特征在于：根据材料的声阻得到超声波在不同材料界面上的反射和透射特性，即声阻与反射系数和透射系数的关系为：

超声波由环境空气入射到轮胎壁，在环境空气与轮胎壁的外壁的界面上的反射系数和透射系数为：

，；

超声波由轮胎壁入射到环境空气，在轮胎壁的外壁与环境空气的界面上的反射系数和透射系数为：

，；

超声波由轮胎壁入射到胎内空气，在轮胎壁的内壁与胎内空气的界面上的反射系数和透射系数为：

，。

6.根据权利要求1所述的一种外置轮胎气压检测方法，其特征在于：所述胎内空气的密度与胎内空气压强(即待测量)成正比，即：

；

其中：--为胎内空气的压强；

--为常压，即环境空气的压强；

--为常压下的空气密度，即环境空气的密度。