3.5 超声波传感器

声波是物体的机械振动状态和能量在介质中的传播形式，超声波是振动频率超过20kHz的声波，它的波长很短，因此方向性好、能量高、传播距离远，可以用来进行距离的测量。利用超声波的测距原理可以设计超声波距离传感器进行轮胎的载荷、压力和温度等状态的测量，这种传感器的可靠性高、精度高、安装方便，具有一定的实用价值^[23]。下面分别对超声波传感器进行轮胎载荷、压力和温度测量的原理进行分析和研究。

3.5.1 轮胎垂直载荷测量原理及结果

轮胎在载荷作用下会发生垂直变形，利用轮胎的垂直变形和轮胎载荷之间的关系可以进行轮胎载荷的测量，其中关键是进行轮胎垂直变形的测量。

文献[23]设计了一种轮胎超声波传感器，如图3.33所示，超声波传感器布置在与轮辋相切的方向上，超声波传感器发射的超声波经过参考反射器反射后，到达轮胎胎面内表面一点再返回。根据超声波的传输时间，可以进行轮辋与轮胎内壁之间距离d的连续测量，根据距离d在轮胎旋转过程中的变化可以得到轮胎的垂直变形。

距离d可以利用传感器前部距离为d₀的参考反射器和轮胎内壁返回的回波的传播时间进行确定。超声波传感器发送多个周期的脉冲，从参考反射器返回传感器的回波的传播时间t₀为：

式中，v为超声波的传播速度。

从轮胎内壁返回传感器的回波的传播时间t_d为：

根据式（3.19）和式（3.20）可以得到轮胎内壁与轮辋的距离d为：

在轮胎旋转时，传感器的位置也随着旋转，因此测量的距离d会随着变化，利用不同时间测量的距离d的变化，可以进行轮胎垂直变形的测量。如图3.34所示，轮胎在加载后，轮胎接地区与传感器的距离发生变化，它的变化量为轮胎加载引起的垂直变形Δr。

假设轮胎的旋转角Φ的定义如图3.34所示，轮胎加载引起的垂直变形Δr随旋转角的变化情况如图3.35所示，由图3.34和图3.35可以看出，轮胎在加载时引起的垂直变形为传感器与胎面上部（Φ=0°）和下部（Φ=180°）距离的差。

根据前面的分析，利用400kHz的超声波距离传感器进行轮胎垂直变形的测量，轮胎充气压力为1.5bar，载荷分别为0.5kN、1.0kN、1.5kN、2.0kN、2.5kN、3.0kN和3.5kN时的垂直变形随旋转角的变化情况如图3.36所示。利用同样的方法，可以得到充气压力为2.0bar时的情况，结果与图3.36类似。根据测量结果，可以得到轮胎的垂直变形与载荷的关系如图3.37所示，由图可以看出，轮胎的载荷与垂直变形之间近似为线性关系，因此，根据超声波距离传感器测量得到的轮胎垂直变形，可以得到轮胎载荷的变化。

3.5.2 轮胎压力测量原理及结果

在得到轮胎的载荷情况后，假定轮胎的载荷固定不变，测量参考反射器和轮胎内壁的回波幅值随轮胎压力的变化情况，如图3.38所示，由图可以看出，随着轮胎压力的增加，传感器测量的参考反射器和轮胎内壁的回波幅值都近似成线性增加，根据该线性关系，可以得到轮胎的压力变化情况。

3.5.3 轮胎温度测量原理

超声波的速度在不同温度下会发生变化，根据超声波的速度与温度的关系可以进行轮胎温度的测量。

超声波的速度与温度之间的依赖关系可以用下式表示^[23]：

式中，T为绝对温度。另外，超声波的速度还可以通过参考反射器返回的回波的传播时间t₀和参考反射器与轮辋的固定距离d₀得到：

根据式（3.22）和式（3.23），可以得到轮胎内壁的温度为：

3.5.4 超声波传感器优缺点分析

通过对超声波传感器的测量原理和实验测试结果的分析，可以看出，这种传感器具有下面的优点。

（1）传感器的成本比较低

超声波传感器采用超声波距离传感器进行轮胎内距离变化的测量，传感器测量原理非常简单，超声波距离传感器的制造技术已经很成熟，成本比较低，因此，很容易制作用于轮胎状态检测的超声波传感器。

（2）传感器对轮胎状态影响很小

传感器安装在轮辋切线位置，不影响轮胎内的压力、温度和受力变化，因此，超声波传感器可以比较准确地测量轮胎的状态变化。

但是，超声波传感器用于轮胎状态的测量，还存在下面的局限性。

（1）传感器需要电源供电

超声波距离传感器发射超声波和接收超声波都需要电源供电，另外，传感器测量信号需要通过无线方式从轮胎内传输出来，也需要电源供电，目前的电源主要采用电池供电，电池的体积比较大，容量有限，不能长时间供电，因此，超声波传感器在轮胎状态连续监测的实际应用方面存在困难。

（2）传感器安装过程复杂

超声波距离传感器固定在轮胎内部的轮辋上，安装过程需要进行轮胎的拆卸，过程比较复杂，另外，传感器固定比较麻烦，在轮胎长时间高速旋转过程中容易松动或脱落。