CN111497528A - 变容式轮胎厚度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种变容式轮胎厚度传感器，包括一电容感测单元、以及一控制器。该电容感测单元包括二导电电极、及设置于二该导电电极之间的绝缘介质，该电容感测单元是设置或一体成形于轮胎表面。该控制器是电气连接至该电容感测单元的二该导电电极，并检测二该导电电极之间的电容值，以获取二该导电电极的电容值，并由该电容值计算并获得轮胎厚度。

Description

变容式轮胎厚度传感器

技术领域

本发明系有关于一种轮胎厚度传感器，尤指一种依据电容变化量检测轮胎厚度的轮胎厚度传感器。

背景技术

依据中国台湾道路交通安全调查，2016年高速道路有高达370件的爆胎事件，200件是汽车与轮胎分离，而胎皮剥落更高达7,585件；此外，调查更指出，2009年到2015年，在高速道路爆胎的事件就高达2,786 件，其中的2,033件则造成车辆损坏，而伤亡事故则有753件，伤亡率高达27％；这类的状况除了影响到驾驶人本身的安全外，更甚者有可能进一步引发连环车祸，造成严重的伤亡。

爆胎状况的发生，除了异物入侵、以及胎压不足造成爆胎的情况外，主要的肇因在于胎皮厚度的不足。胎皮厚度的不足不仅仅影响车辆的轮胎抓地力，当胎皮厚度低于安全底限时，轮胎也会容易由胎面上强度不足的区域引发爆裂，造成爆胎的情况。

针对上述的问题，目前主流的胎皮厚度检测是直接通过目测的方式判断，判断基准为轮胎的胎纹必须高于安全线以上1.6mm才符合安全标准；除目测的方式外，最为主流的方式则是通过工具(胎纹深度测量器)直接测量胎纹的深度，判断是否符合安全标准，上述的两种方式仰赖车主或保养厂人员的自主判断。在自动检测的技术中，部分技术系以埋入式的方式在轮胎内侧设置导线，藉由判断导线是否断裂确认轮胎是否已用到警戒位置，确认轮胎的状态；在非侵入式的方式中，例如CN106827974A号专利则是通过超音波主动发送讯号，通过超音波发送与接收之间的时间差计算胎皮的厚度。

发明内容

上述侵入式及非侵入式的胎皮检测装置，于使用上均有其局限性，难以配合现有的轮胎实施，也难以应付现今消费者的实际需求。

为达到上述目的，本发明提供一种变容式轮胎厚度传感器，包括一电容感测单元、以及一控制器。该电容感测单元包括二导电电极、及设置于二该导电电极之间的绝缘介质，该电容感测单元系设置或一体成形于轮胎表面。该控制器是电气连接至该电容感测单元的二该导电电极，并检测二该导电电极之间的电容值，以获取二该导电电极的电容值，并由该电容值计算并获得轮胎厚度。

进一步地，该电容感测单元的二该导电电极及该绝缘介质的一侧是作为消磨侧朝向该轮胎表面。

进一步地，该电容感测单元是露出或埋入于该轮胎表面。

进一步地，该控制器是预存有一阈值，于该轮胎厚度或该电容值低于该预值时输出一警示讯号。

进一步地，该变容式轮胎厚度传感器包括一连接至该控制器的通讯模块，该控制器于计算并获得该轮胎厚度后，将该轮胎厚度经由该通讯模块通过无线传输方式传送至一读取器。

进一步地，该变容式轮胎厚度传感器包括一连接至该控制器的电源供应器，该电源供应器是连接至该通讯模块并由该通讯模块获取耦合于该读取器所产生的共振电流。

进一步地，该通讯模块所采用的通讯协议系为无线射频识别、无线WiFi、 Zigbee、蓝牙、全球行动通讯系统、第三代通讯系统或第四代通讯系统。

进一步地，该控制器是储存或加载储存单元后而获得一查找表，该查找表是包括以电容值作为该轮胎厚度索引的数据库。

进一步地，该控制器于所获得的电容值未出现于该查找表内时，是以内插算法计算并获得该轮胎厚度。

可见，本发明可以在相对低功率的状态下有效的检测轮胎厚度，减少传感器运作时所需消耗的功率，另一方面其较佳的通用性可配合多数现有的轮胎实施，同时具有更高的可靠度。

附图说明

图1，本发明变容式轮胎厚度传感器的方块示意图。

图2，本发明变容式轮胎厚度传感器的结构示意图。

图3，本发明变容式轮胎厚度传感器的工作示意图。

图4(A)，轮胎耗损的示意图。

图4(B)，轮胎减损厚度与电容减少的相关示意图。

图5，查找表的示意图。

附图标记

100 变容式轮胎厚度传感器

10 电容感测单元

11 导电电极

12 绝缘介质

13 消磨侧

20 通讯模块

30 电源供应器

40 控制器

T 厚度

200 读取器

具体实施方式

有关本发明之详细说明及技术内容，现就配合图式说明如下。本发明中的图式只是实施例范例及其比例未必按照实际比例绘制，该等图式例及比例并非用以限制本案的专利范围，在此先行叙明。

本发明可以配合行车计算机(ECU)或是车辆头组件(Head Unit)使用，于车辆出厂时即配合厂商的客制化需求而设置，与原厂车辆部件或副厂车辆部件配合，凭借中央控制系统检测并协同各部件的运作；本发明也可以经由附载于车辆上的第三方装置实施，以第三方的控制系统与原厂车辆部件或副厂车辆部件进行配合，藉此获取车辆上各部件的行车数据。

中央控制系统或第三方控制系统可处理的行车数据包括车辆的引擎工作指数(例如注油量、空燃比控制、引擎转速等)、轮胎状况(例如胎压指数、轮胎异常状态、胎皮厚度指数等)、或是用户体验设备(例如空调控制、行车纪录器、音响、导航、显示器等)；通过该中央控制系统或第三方控制系统，用户可以通过人机接口实时确认车辆的状态，或是可以直接由人机接口检测到异常状态时，经由系统主动反馈异常提示给驾驶或使用者，让使用者实时察觉车辆的状况并进行必要的措施。除上述的架构外，中央控制系统或第三方控制系统也可以通过无线手段(例如Wi-Fi局域网络、蓝牙装置、射频识别等)链接用户的行动装置，通过行动装置检测车辆的状态。

本发明可应用于上述的架构中，针对车辆的胎皮厚度进行检测，并通过中央控制系统或第三方控制系统实时检测车辆胎皮的厚度参数。以下请参阅图1及图2，为本发明变容式轮胎厚度传感器的方块示意图、及结构示意图，如图所示：

本发明揭示一种变容式轮胎厚度传感器100，设置于轮胎上或轮胎的内侧位置，通过电容或电容的变化量，检测胎皮的厚度。所述轮胎上或轮胎的内侧位置包括直接设置于轮胎上、埋入轮胎的内侧、贴附于轮胎内侧的壁面、贴附于轮胎内侧轮圈的壁面上、或是设置于靠近轮胎的位置上，上述的位置并非本发明所欲限制的范围。

以下针对本发明变容式轮胎厚度传感器100的详细构造进行说明，本发明的传感器100主要包括一电容感测单元10、一通讯模块20、一电源供应器30、以及一连接至该电容感测单元10、该通讯模块20、该电源供应器30的控制器40。

所述的电容感测单元10包括二导电电极11、及设置于二该导电电极 11之间的绝缘介质12，该电容感测单元10是设置或一体成形于轮胎表面。于一较佳实施例中，如图2所示，该电容感测单元10的二该导电电极11 及该绝缘介质12的一侧作为消磨侧13朝向该轮胎表面，该消磨侧13是可以露出或埋入于该轮胎表面，此部分于本发明中不予以限制。控制器40可以直接结合于该电容感测单元10上电性连接至该导电电极11或是通过埋入于轮胎内的导线电性连接至该导电电极11，于本发明中不予以限制。

所述的通讯模块20连接至该控制器40，该通讯模块20是以无线传输方式耦接至读取器200(中央控制系统或第三方控制系统)，借此该读取器 200可以访问控制器40的数据以搜集轮胎的数据。读取器200利用高频电磁波传输讯号给通讯模块20，通讯模块20的天线收到此高频电磁波后，在天线内部形成共振，产生电流以启动该控制器40，该控制器40接收传來的讯号后，将响应讯号反向回传给读取器200。该通讯模块20可以通过分频的方式与该读取器200连接，将供应电源的信道与传输数据的信道分离，以便该通讯模块20通过例如射频识别(RFID)、无线保真(Wi-Fi)、蓝牙 (Bluetooth)、紫蜂(Zigbee)、全球行动通讯系统(GSM)、第三代通讯统(3G)、第四代通讯系统(4G)等或其他类此的通讯协议收发讯息。上述的通讯协议非属本发明所欲限制的范围。

所述的电源供应器30连接至该通讯模块20，该电源供应器30是用以经由该通讯模块20获取共振电流，并将该共振电流进行预处理后馈入以启动并使能该控制器40。该电源供应器30于较佳实施例中，例如可以为滤波器、交流对直流转换器、变压器、或其他类此的预处理电路，于本发明中不予以限制。

所述的控制器40是连接至该电容感测单元10、该通讯模块20、该电源供应器30，用以协同该等装置的运作。于一较佳实施例中，该控制器40 是可以为一微处理器(MicroProcessor)，经由电源供应器30使能后启动，并执行对应的算法。

该控制器40电性连接至该电容感测单元10的二该导电电极11，并检测二该导电电极11之间的电容值，以获取二该导电电极的电容值，并由该电容值计算并获得轮胎厚度。该控制器40于计算并获得该轮胎厚度后，将该轮胎厚度经由该通讯模块20通过无线传输方式传送至读取器200。有关于轮胎厚度的计算方式，后面会以例示的方式进行详细的说明。于一较佳实施例中，为了警示使用者，该控制器40可以预存有一阈值，于该轮胎厚度或该电容值低于该阈值时输出一警示讯号至蜂鸣器、扬声器、或显示器，以提示使用者车辆的轮胎厚度异常。

以下请一并参阅图3，是为本发明变容式轮胎厚度传感器的工作示意图，如图所示：

所述的读取器200可以直接作为车辆的头单元实施，或是通过将装置以第三方装置的形式附载于车辆上；该读取器200为了连接于复数个轮胎内的传感器100，于较佳实施例中可以采用全向性的天线输出电磁波讯号，以连接数个传感器100；轮胎的位置虽然是固定的，但传感器100安装于轮胎内时很有可能会随着轮胎转动而变更位置，为了避免传感器100在部分位置上发生屏蔽现象，以全向性天线的方式设置似乎是较为合理手段，然而轮胎虽然会因滚动而变更传感器100的位置，但在车体上却是落在相对固定的位置上，以指向性天线实施时，基本上也可以适当的扩张指向性天线波瓣的瓣角藉以耦接至该复数个传感器100。若是该传感器100设置的位置是在车辆上的相对稳定处(例如轮胎的附近、但非设置于轮胎上)，则该读取器200可以经由高指向性的天线耦接至复数个该传感器100。又于另一较佳实施例中，所述的读取器200也可以通过波束赋形(Beamforming) 的技术使用传感器数组定向发送及接收信号通过调整相位数组的基本单元的参数，使得某些角度的信号获得相长干涉，而另一些角度的信号获得相消干涉，借以同时输出数个波束。

以下针对本发明中控制器40计算胎皮厚度的演算方式进行说明，请一并参阅图4(A)、图4(B)及图5，是为轮胎耗损的示意图、轮胎减损厚度与电容减少的相关示意图、及查找表的示意图，如图所示：

该控制器40是储存或加载储存单元后而获得一查找表，该查找表包括以电容值作为该轮胎厚度索引的数据库。该控制器40于所获得的电容值未出现于该查找表内时，是以内插算法计算并获得该轮胎厚度。

请先参阅图4(A)，当电容感测单元10与地面间磨擦时，导电电极11 及其间的绝缘介质12会随着摩擦而减损，在不考虑环境因素变更的状况下，导电电极11及其间的绝缘介质12减损的厚度T与电容减少的数值应呈线性相关(如图4(B)所示)。在线性相关的条件下，可以经由电容减少的数值计算并获得导电电极及其间的绝缘介质减损的厚度(意即轮胎厚度，埋入式的例尚须加上电容感测单元与胎皮表面之间的厚度)，并经由减损的厚度计算得到轮胎厚度。针对环境因素的影响，例如温度、轮胎材质，可以通过代入修正参数获得准确的轮胎厚度，修正参数视一般使用环境调整，于本发明中不予以限制。

于另一较佳实施例中，为了减少运算的复杂度，增加演算执行的速度，控制器40是可以储存有一查找表、或加载储存单元后而获得该查找表，该查找表包括以电容数值作为厚度参数索引的数据库，藉由检测到的电容代入该查找表后找到相应的轮胎厚度。

举例而言，如图5所示，所获得的电容落在125μF的数值，于查找表中对应的胎皮厚度为10mm，则可以判定轮胎的厚度为10mm。同前面所述的状况，考虑环境不同，基本上可以直接依据各种不同的环境状况预先储存数个查找表(例如依据温度区分)，直接由环境状况确认对应的查找表，再由对应的查找表找到对应的轮胎厚度。

于一较佳实施例中，当该控制器40所获得的电容数值未出现于该查找表内时，可以通过内插算法计算并获得该厚度参数。内插的计算方式可以通过线性内插来计算、也可通过二次多项式或三次多项式的方式计算，于本发明中不予以限制。

上述的算法也可应用于爆胎预警检测，控制器40于检测到胎皮厚度到达临界值时，可同时评估复数种轮胎状况提供爆胎预警，例如将轮胎厚度、胎压减少速率、及/或异音振幅作为参数带入公式计算以获得爆胎剩余时间并提供爆胎预警。

综上所述，本发明可以在相对低功率的状态下有效的检测轮胎厚度，减少传感器运作时所需消耗的功率，另一方面其较佳的通用性可配合多数现有的轮胎实施，同时具有更高的可靠度。

以上已将本发明做一详细说明，惟以上所述者，仅为本发明之一较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应仍属本发明的专利涵盖范围内。

Claims (9)

1.一种变容式轮胎厚度传感器，其特征在于，包括：

一电容感测单元，包括二导电电极、及设置于二该导电电极之间的绝缘介质，该电容感测单元是设置或一体成形于轮胎表面；以及

一控制器，是电气连接至该电容感测单元的二该导电电极，并检测二该导电电极之间的电容值，以获取二该导电电极的电容值，并由该电容值计算并获得轮胎厚度。

2.如权利要求1所述的变容式轮胎厚度传感器，其特征在于，该电容感测单元的二该导电电极及该绝缘介质的一侧作为消磨侧朝向该轮胎表面。

3.如权利要求2所述的变容式轮胎厚度传感器，其特征在于，该消磨侧是露出或埋入于该轮胎表面。

4.如权利要求1所述的变容式轮胎厚度传感器，其特征在于，该控制器是预存有一阈值，在该轮胎厚度或该电容值低于该预值时输出一警示讯号。

5.如权利要求1所述的变容式轮胎厚度传感器，其特征在于，还包括一连接至该控制器的通讯模块，该控制器于计算并获得该轮胎厚度后，将该轮胎厚度经由该通讯模块通过无线传输方式传送至一读取器。

6.如权利要求5所述的变容式轮胎厚度传感器，其特征在于，还包括一连接至该控制器的电源供应器，该电源供应器是连接至该通讯模块并由该通讯模块获取耦合于该读取器所产生的共振电流。

7.如权利要求6所述的变容式轮胎厚度传感器，其特征在于，该通讯模块所采用的通讯协议为无线射频识别、无线WiFi、Zigbee、蓝牙、全球行动通讯系统、第三代通讯系统或第四代通讯系统。

8.如权利要求1所述的变容式轮胎厚度传感器，其特征在于，该控制器是储存或加载储存单元后而获得一查找表，该查找表是包括以电容值作为该轮胎厚度索引的数据库。

9.如权利要求8所述的变容式轮胎厚度传感器，其特征在于，该控制器于所获得的电容值未出现于该查找表内时，是以内插算法计算并获得该轮胎厚度。

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