專利名稱：具有狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的輪子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的非金屬輪子。此狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)包括用于測量物理參數(shù)的輪內(nèi)部件，并可具有包含了例如制造數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器件。所需部件及相關(guān)電路可在制造時(shí)模制于輪中，或者在制造后嵌入輪中，或者在制造時(shí)部分地模制于輪中且在制造后部分地嵌入輪中或連接在輪子上。優(yōu)選的輪子特別適用于小汽車(汽車)或貨車或載重汽車(卡車)，或用在土木工程設(shè)備(正鏟挖土機(jī)、鏟土機(jī)、壓路機(jī)等)中，然而本發(fā)明并不限于這些應(yīng)用，而是實(shí)際上可用于任何需要本發(fā)明所提供的監(jiān)測的輪子。
根據(jù)本發(fā)明，輪子具有由非金屬材料形成的結(jié)構(gòu)部分，此結(jié)構(gòu)部分包括了作為其一個(gè)整體部分的無源傳感器，可在輪子/安裝于輪子上的輪胎的使用期間監(jiān)測輪子和/或輪胎和/或包含于輪子和輪胎之間的流體的特征。
這里所用的用語“結(jié)構(gòu)部分”指輪子的一部分，其至少在輪子的一定操作狀態(tài)下是輪子的承載部分。結(jié)構(gòu)部分例如可以是輪緣的一部分，或者是輪轂的一部分，或者是輪輻。
這里所用的用語“非金屬材料”指主要是非金屬的材料，并且覆蓋了可能包括有金屬元素如增強(qiáng)元素的材料。本發(fā)明的優(yōu)選非金屬材料為合成塑料，其可選擇性地用例如玻璃纖維或其它增強(qiáng)材料來加強(qiáng)。
這里所用的用語“無源傳感器”指能夠不采用安裝于輪子上的電化學(xué)原電池或蓄電池而提供表示了檢測狀態(tài)的輸出的傳感器。此傳感器例如可以是表面聲波(SAW)器件(例如SAW諧振器)以及相關(guān)的天線和射頻(RF)耦合。
可通過用無線電信號(hào)來激勵(lì)諧振器以產(chǎn)生諧振頻率響應(yīng)，從而操作SAW諧振器傳感器。SAW諧振器的輸出信號(hào)是響應(yīng)于它們所接收到的輸入信號(hào)而產(chǎn)生的，不需要任何單獨(dú)的電源，因此在這種意義上SAW諧振器可被視為完全地“無源”?；赟AW器件的傳感器可包括在輪子中，并可長期用于監(jiān)測輪子的適當(dāng)物理狀態(tài)。同樣也可采用基于SAW延遲線的傳感器或其它無源傳感器。
輪子最好包括用于參數(shù)計(jì)算和/或存儲(chǔ)預(yù)設(shè)值的硅器件。此外，如果需要專用集成電路(ASIC)以用于無源傳感器的查詢，那么它可也包括在輪子中。如果這樣做需要在輪子內(nèi)存在有電能，那么可由包括有機(jī)械或機(jī)電裝置的適當(dāng)裝置來就地產(chǎn)生所需的電能，此裝置可在輪子旋轉(zhuǎn)時(shí)在輪子內(nèi)產(chǎn)生電能，而且此電能可由用于儲(chǔ)存電能的適當(dāng)裝置來存儲(chǔ)。作為附加或另選，電能供應(yīng)可以是外部式的，例如通過發(fā)送給輪子并在輪子內(nèi)進(jìn)行整流的RF能量，或通過電感耦合發(fā)送給輪子的能量。
任何所需的計(jì)算或存儲(chǔ)功能單元(所謂的“智能部件”)可設(shè)置在車輛的固定部分內(nèi)，并從固定的ASIC中與包括于輪子內(nèi)的無源傳感器形成RF能量耦合。還存在著設(shè)置了輪內(nèi)智能部件和外部智能部件的組合的實(shí)施例。
所提出的輪子具有三種主要類型和許多子實(shí)施例。這些主要類型可描述為完全無源的輪子、半無源的輪子和有源的輪子。
完全無源的輪子可嵌入基于SAW的傳感器或其它無源傳感器，例如無源阻抗到頻率變換器(PIFC)或無源阻抗到振幅變換器(PIAC)的傳感器(這在本領(lǐng)域內(nèi)已公知)。它們可通過RF耦合或天線對(duì)以非接觸的方式尋址。在車輛的固定部分上設(shè)有必要的電子部件，其形式例如為ASIC。它可以產(chǎn)生查詢信號(hào)和解釋返回信號(hào)，從而得到關(guān)于輪子的物理參數(shù)的數(shù)據(jù)。然后此數(shù)據(jù)例如可用于牽引控制、有源制動(dòng)等。也可例如通過無線遙測技術(shù)、例如采用藍(lán)牙協(xié)議或衛(wèi)星通信協(xié)議而將此信息從各個(gè)輪子拱罩發(fā)送到中央處理和顯示單元中。
半無源的輪子具有如上所述地嵌入的傳感器，然而可通過識(shí)別標(biāo)記而攜帶一些電子部件。這種類型可能需要從內(nèi)部以非接觸的方式提供能量，或者從耦合的外部源通過如旋轉(zhuǎn)變壓器或RF功率源來提供能量。傳感器的電子部件仍可位于車輛的固定部分上，并且仍需要適當(dāng)?shù)鸟詈稀?br> 有源的輪子采用了這樣的概念，即將查詢傳感器所需的所有部件均包括在輪子中。輪子和固定部分之間的接口包括通過例如由天線或旋轉(zhuǎn)變壓器或光學(xué)旋轉(zhuǎn)接頭發(fā)送的RF信號(hào)并以且最好以數(shù)字格式來進(jìn)行雙向通信的裝置。也可例如通過無線遙測技術(shù)、例如采用藍(lán)牙協(xié)議或衛(wèi)星通信協(xié)議而將此信息從各個(gè)輪子拱罩發(fā)送到中央處理和顯示單元中。
在需要在輪子和車輛之間進(jìn)行無線通信的實(shí)施例中，天線可在模制過程中結(jié)合于輪子結(jié)構(gòu)中，或者在后面的階段嵌入輪中。
在本發(fā)明的一個(gè)特定實(shí)施例中，用于產(chǎn)生電能的裝置可產(chǎn)生電能脈沖，例如輪子每旋轉(zhuǎn)一次產(chǎn)生一個(gè)電能脈沖。在這種情況下，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的裝置最好還包括計(jì)數(shù)器，其可存儲(chǔ)輪子旋轉(zhuǎn)次數(shù)的計(jì)數(shù)。查詢裝置最好能夠查詢所存儲(chǔ)的計(jì)數(shù)，以確定輪子已經(jīng)進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)次數(shù)。這項(xiàng)功能在大型輪子如用于重型土木工程機(jī)械中的輪子中特別有用。這種輪子的輪胎被頻繁地使用，并且經(jīng)常被返回工廠以進(jìn)行胎面翻新。尤其重要的是，胎面翻新工藝應(yīng)在輪胎過量磨損之前進(jìn)行。通過提供關(guān)于輪子已經(jīng)完成的旋轉(zhuǎn)總數(shù)的遠(yuǎn)程指示，就可以采用旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)作為確定何時(shí)應(yīng)檢查輪胎和/或?qū)⑵渫Ｖ故褂靡赃M(jìn)行胎面翻新的基礎(chǔ)。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，用于產(chǎn)生電能脈沖的裝置為壓電器件，例如嵌入在輪子結(jié)構(gòu)中的聚偏二氟乙烯(PVDF)器件。通過這種器件，當(dāng)輪子的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了電能脈沖時(shí)，就會(huì)在輪子上的某點(diǎn)處產(chǎn)生由此點(diǎn)處的可變負(fù)載所引發(fā)的變化的壓力。此脈沖用于使計(jì)數(shù)器增加，并且對(duì)電儲(chǔ)存器進(jìn)行充電。
電儲(chǔ)存器最好采用電容器作為儲(chǔ)存電能的裝置。此系統(tǒng)所需的功率很低，通過使用電容器而不是原電池或蓄電池，此裝置就具有非常長的預(yù)期使用壽命，并且不會(huì)受到此裝置所必須于其中進(jìn)行操作的惡劣環(huán)境的不利影響。
輪子最好包括用于存儲(chǔ)與傳感器相關(guān)的識(shí)別碼的存儲(chǔ)裝置；用于接收來自遠(yuǎn)程查詢裝置的信號(hào)的接收裝置；用于將表示了傳感器所檢測到的狀態(tài)的信號(hào)發(fā)送給查詢裝置的裝置；用于將表示了識(shí)別碼的信號(hào)發(fā)送給查詢裝置的裝置；用于為裝置提供電能的電源；以及用于儲(chǔ)存所產(chǎn)生的電能的包括于輪子中的裝置。
在這種實(shí)施例中，裝置可設(shè)置成使得各輪子只響應(yīng)于具有與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的識(shí)別碼相對(duì)應(yīng)的部分的查詢信號(hào)而提供傳感器所檢測到的狀態(tài)的指示。輪子還可發(fā)布其自身的識(shí)別碼作為查詢序列的一部分。通常來說，可通過發(fā)送包括有與帶有裝置的輪子的識(shí)別碼相對(duì)應(yīng)的部分的信號(hào)來觸發(fā)裝在輪上的裝置。然后裝置將發(fā)送表示了所檢測的狀態(tài)的所需信號(hào)，并將隨后發(fā)送表示了輪子識(shí)別碼的信號(hào)。只響應(yīng)于包括有與所存儲(chǔ)的識(shí)別碼相對(duì)應(yīng)的部分的接收信號(hào)而發(fā)送傳感器信息以及在傳感器信息發(fā)送序列的末端發(fā)送所存儲(chǔ)的識(shí)別碼的組合為查詢裝置提供了高度的確定性，表明傳感器信息與正確的識(shí)別碼相關(guān)。
從只作為示例給出的優(yōu)選實(shí)施例的下述介紹中并參考附圖，可以更好地理解本發(fā)明，在附圖中

圖1示意性地顯示了本發(fā)明的第一實(shí)施例；圖2a和2b顯示了圖1所示實(shí)施例的改進(jìn)；圖3顯示了本發(fā)明的另一實(shí)施例；圖4示意性地顯示了本發(fā)明的另一實(shí)施例的部件。
首先參考圖1，圖中示意性地顯示了具有狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的輪子1。
系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)傳感器2；在圖1顯示了三個(gè)用于測量三個(gè)正交軸x，y，z上的應(yīng)變的SAW傳感器。傳感器可以是任何無源類型的，例如SAW器件或納米相線或帶，或無源阻抗到頻率變換器件，并且可以提供任何輪子狀態(tài)、如輪子壓力和輪子溫度以及輪子上的多軸應(yīng)變的指示。然而應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不限于這種傳感器，而是可與能夠產(chǎn)生溫度或壓力以外的信號(hào)的SAW器件傳感器和/或其它類型的無源傳感器一起操作。
如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解的那樣，SAW器件傳感器能夠響應(yīng)于由遠(yuǎn)程RF源發(fā)出的查詢信號(hào)而提供傳感器特征的表示。完全無源的系統(tǒng)通過RF耦合5或天線3，4進(jìn)行通信，這取決于系統(tǒng)的查詢策略和硬件限制；這兩種通信方法均有顯示。然后傳感器信息通過形式最好為ASIC的電子部件6來處理，之后通過數(shù)據(jù)線或無線地發(fā)送給車輛監(jiān)測或穩(wěn)定性控制系統(tǒng)7。
圖2a顯示了圖1所示系統(tǒng)的一種改進(jìn)，在這里它包含有識(shí)別標(biāo)記8。識(shí)別標(biāo)記8具有多種用途，尤其是用于卡車或車隊(duì)的應(yīng)用中，如本申請(qǐng)人的共同未決英國專利申請(qǐng)0024416.0中所介紹的那樣。它可以是無線式地讀取或經(jīng)RF耦合來讀取。如果是無線式地讀取，它可處于與上述SAW傳感器不同的頻率。同樣，傳感器信息然后通過形式最好為ASIC的電子部件來處理，之后通過數(shù)據(jù)線或無線地發(fā)送給車輛穩(wěn)定性/控制系統(tǒng)。
圖2b中包括了用于在輪子內(nèi)產(chǎn)生電壓的裝置9，這樣，包括有識(shí)別標(biāo)記8和基于SAW的傳感器1的系統(tǒng)可以自供電，并可采用如英國專利申請(qǐng)0024416.0中所介紹的技術(shù)來進(jìn)行無線式的查詢。
現(xiàn)在參考圖3，圖中顯示了本發(fā)明的第二實(shí)施例。在此實(shí)施例中，包括于或固定在輪子1上的部件包括如圖2b所示實(shí)施例中的適當(dāng)?shù)膫鞲衅?、識(shí)別標(biāo)記8和內(nèi)部電源9。然而在這種情況下，所需的ASIC和信號(hào)處理裝置6結(jié)合于輪子內(nèi)，并與傳感器1、識(shí)別標(biāo)記8和電源9硬件式地相連。另外在輪子中包括有通信裝置10，其用于與安裝在車輛的非旋轉(zhuǎn)部分上的對(duì)應(yīng)通信裝置11進(jìn)行通信。裝置10和11之間的通信可以通過任何適當(dāng)?shù)姆绞絹磉M(jìn)行，例如通過尤其包括有藍(lán)牙技術(shù)的RF技術(shù)的方式。收發(fā)器11所接收到的信息傳送給適當(dāng)?shù)能囕v監(jiān)測或穩(wěn)定性控制管理系統(tǒng)。
現(xiàn)在參考圖4，圖中示意性地顯示了本發(fā)明的另一擴(kuò)展。在這種情況下，安裝在輪上的部件包括輪子扭矩傳感器12、輪子速度傳感器13、旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器14、識(shí)別標(biāo)記15、輪胎壓力傳感器16、輪胎溫度傳感器17，以及輪子振動(dòng)傳感器18。安裝于輪子上的輪胎包括胎面磨損傳感器19、輪胎識(shí)別器件20和輪胎應(yīng)變測量器件21。另外，輪胎包括防燒蝕的天線22，用于在胎內(nèi)部件和輪上部件之間提供信號(hào)采集。還設(shè)置了適當(dāng)?shù)目刂齐娐?3，用于控制各個(gè)傳感器并提供計(jì)數(shù)器、時(shí)鐘和存儲(chǔ)器的功能。系統(tǒng)由輪內(nèi)電壓產(chǎn)生器24來提供能源，電壓產(chǎn)生器的輸出提供了脈沖，其可用于旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)的目的和用于對(duì)形成為電子封裝23的一部分的虛擬電池25進(jìn)行充電。設(shè)置了輪內(nèi)天線26，以通過安裝在輪子拱罩上的天線27而與安裝在車輛的非旋轉(zhuǎn)部分上的收發(fā)機(jī)電路28進(jìn)行通信。電路28所處理的信號(hào)通過適當(dāng)?shù)陌l(fā)送機(jī)電路29再次發(fā)送給駕駛員的信息面板和/或車輛監(jiān)測或控制系統(tǒng)30。
在上述各器件中，至少一些部件在制造時(shí)被結(jié)合在輪子的非金屬部分內(nèi)，并成為輪子的一個(gè)整體部分。例如，可在制造時(shí)將適當(dāng)?shù)膫鞲衅鹘Y(jié)合于輪子內(nèi)，和/或可在制造時(shí)將天線結(jié)合于輪子內(nèi)。在本發(fā)明的一個(gè)較簡單的實(shí)施例中，將基于SAW器件的應(yīng)變儀結(jié)合于非金屬輪子的輪幅內(nèi)，并在制造時(shí)將其連接在作為預(yù)成型天線的結(jié)合的結(jié)果而成為輪子的一個(gè)整體部分的天線上，或者將天線應(yīng)用到制造好的輪子的表面上。通過對(duì)輪幅內(nèi)的應(yīng)變儀進(jìn)行查詢，就可以監(jiān)測通過輪子所傳送的扭矩。如果對(duì)車輛的所有輪子的扭矩值進(jìn)行監(jiān)測，就可采用這些值作為牽引控制或有源制動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入。雖然本發(fā)明可設(shè)計(jì)成在制造后將一些部件固定在輪子上，然而本發(fā)明的關(guān)鍵特征在于，至少一些部件在制造時(shí)結(jié)合于輪子內(nèi)，從而提供一種成本較低的整體結(jié)構(gòu)，其只需最少的后續(xù)裝配工序和附加的部件就可實(shí)現(xiàn)所需的功能。
權(quán)利要求
1.一種具有由非金屬材料形成的結(jié)構(gòu)部分的輪子，所述結(jié)構(gòu)部分包括有作為其一個(gè)整體部分的無源傳感器，可在所述輪子/安裝于所述輪子上的輪胎的使用期間監(jiān)測所述輪子和/或所述輪胎和/或包含于所述輪子和輪胎之間的流體的特征。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪子，其特征在于，在所述輪子中嵌入或固定了用于參數(shù)計(jì)算和/或用于存儲(chǔ)預(yù)設(shè)值的硅器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的輪子，其特征在于，所述輪子包括用于對(duì)所述無源傳感器進(jìn)行查詢的查詢裝置，所述查詢裝置包括嵌入或固定在所述輪子上的專用集成電路。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的輪子，其特征在于，所述輪子包括嵌入或固定在所述輪子上的用于產(chǎn)生電能以對(duì)嵌入或固定在所述輪子上的部件提供能源的裝置。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的輪子，其特征在于，所述輪子還結(jié)合了位于所述輪子外部的用于經(jīng)無線連接對(duì)所述輪子提供能量的裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的輪子，其特征在于，所述用于產(chǎn)生電能的裝置對(duì)于所述輪子的每一次旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生固定數(shù)量的電能脈沖。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的輪子，其特征在于，所述輪子包括可存儲(chǔ)脈沖數(shù)量的計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器，以便提供用于所述輪子轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)的值。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的輪子，其特征在于，所述用于產(chǎn)生電能脈沖的裝置為壓電器件，例如嵌入在所述輪子的結(jié)構(gòu)內(nèi)的聚偏二氟乙烯器件。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的輪子，其特征在于，所述輪子包括用于存儲(chǔ)與所述傳感器相關(guān)的識(shí)別碼的存儲(chǔ)裝置；用于接收來自遠(yuǎn)程查詢裝置的信號(hào)的接收裝置；用于將表示了所述傳感器所檢測到的狀態(tài)的信號(hào)發(fā)送給所述查詢裝置的裝置；以及用于將表示了所述識(shí)別碼的信號(hào)發(fā)送給所述查詢裝置的裝置。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的輪子，其特征在于，所述無源傳感器為表面聲波器件。
全文摘要
一種尤其是適用于車輛的輪子，包括至少一個(gè)由非金屬材料形成的部分，其結(jié)合有可表示所檢測到的狀態(tài)的至少一個(gè)傳感器。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，輪子(1)由纖維增強(qiáng)的塑料模制而成，并包括能夠表示輪子或與之相關(guān)的輪胎的狀態(tài)(例如輪胎壓力或所傳送的扭矩)的無源傳感器(2)。傳感器的輸出由ASIC裝置(6)進(jìn)行處理，以提供用于同樣安裝在輪子上的通信裝置(10)的輸出信號(hào)。ASIC(6)和通信裝置(10)通過由適當(dāng)方式來充電的虛擬電池(9)提供能量，例如采用由車輛自身的應(yīng)變所產(chǎn)生的電脈沖。還設(shè)置了識(shí)別標(biāo)記(8)以識(shí)別所查詢的輪子。
文檔編號(hào)G08C17/02GK1479677SQ0182050
公開日2004年3月3日 申請(qǐng)日期2001年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月13日
發(fā)明者G·M·弗雷克斯, D·D·G·維勒, V·A·卡利寧, J·P·貝克利, A·隆斯達(dá)勒, G M 弗雷克斯, G 維勒, 勾錮, 卡利寧, 貝克利 申請(qǐng)人:傳感技術(shù)有限公司