[发明专利]具有无线微米和纳米传感器系统的弹性体

说明书

相关申请的交叉引用

本申请请求享有2006年4月25日提交的美国临时专利申请No.60/794,605的优先权；其中公开的内容结合在此作为参考。

技术背景

1.技术领域

本申请的示例性实施方式涉及具有一体式传感器系统的弹性体。尤其涉及一种兼具可检测其物理和机械性能的具有嵌入式传感器的弹性体，并在下文中将具体结合车辆轮胎进行描述。然而，可以理解本申请的示例性实施方式还适用于其它类似应用，包括监测其他弹性体(例如能承受作用力的弹性体)的参数。

2.背景技术

弹性体(例如空气弹簧和车辆轮胎)在使用期间经常受到各种各样的内外作用力。被粘弹性物质承受作用力后的结果可以通过温度、热量显示出来，可以通过热量损失的有用功来测量。轮胎被设计成能反复承受内外作用力以及在各种负载和内压的操作范围内产生的温度。当弹性体经受的条件超出这一操作范围时，弹性体的性能就会降低。例如，在一些情形下，被不适当使用的车辆轮胎可以包含能够在使用期间(例如反复周期性变形)使其承受过度剪切力的组件。这些内力产生热量，这些热量将使轮胎内部温度上升。过热轮胎的组件可以最终毁坏和改变轮胎的性能。没有充气到工作条件所需压力的轮胎也可能产生过热现象，并可能最终遭受与热量相关的磨损，这些磨损可以降低它们的运行寿命。在车辆致力于执行工作任务，例如在采矿作业中的拉煤或在公路上运送货物的某些情况下，降低轮胎寿命的冲击力能够对其工作任务产生不利影响，造成生产能力的损失和营运成本的增高。

当今车辆还包括主动控制式悬架和制动系统。这些系统能推算或设定出有关轮胎和路面之间关系的数据。车辆制造商期望一种能够从轮胎中获得可测实时技术数据的系统，从而使这些数据可以用于主动控制车辆的运行。

因此期望感测轮胎和轮胎组件经受到的参数，例如作用力(包括应力和应变)、温度、振动，以及其它可提供与轮胎状态及其组件相关的有用信息的条件。

发明内容

本发明提供一种传感器系统，其借助于设置于弹性体内部或连接到弹性体上的传感器从弹性体获得数据。这种传感器系统通过无线通讯获得数据。所述传感器为微米级或纳米级的传感器，它们足够小以便能够嵌入弹性体内部。这种传感器可以与弹性体材料结合配置以使其足够小，从而能够避免成为弹性体材料的阻塞物。

在一种结构中，本发明提供了一种弹性体，其具有至少一个或者多个嵌入弹性体内部的传感器。这个传感器或这些传感器在尺寸上为微米级或者纳米级的传感器。至少多个传感器被配置成能够向读取器提供无线信号，从而提供所述弹性体的物理性能数据或者技术条件数据。在一种结构中，在所述弹性体组件的整个材料中都嵌入多个传感器。另一种结构中，在构成弹性体的传感器层中提供传感器。在一种进一步的结构中，采用嵌入弹性体的材料内部的多个传感器串列。

在另一种结构中，本发明提供了一种轮胎，其具有多个嵌入轮胎内部的传感器。轮胎可以是实心轮胎、充气轮胎，或者免充气轮胎。这些传感器在尺寸上为微米级和纳米级传感器。至少多个传感器被配置成能够向读取器提供无线信号，从而提供所述轮胎的物理性能数据或者技术条件数据。在一种结构中，在所述轮胎组件的整个材料中都嵌入多个传感器。另一种结构中，在构成轮胎的传感器层中提供传感器。在一种进一步的结构中，采用嵌入轮胎组件内部或者作为轮胎组件一部分的多个传感器串列。

在一种进一步的结构中，本发明提供一种具有多个传感器的弹性体，所述多个传感器配置成根据所达到的阈值改变它们的结构。在一种实施方式中，所述阈值是基于温度的。其它阈值包括应力、应变和振动。读取器被编程以寻找在改变传感器结构方面的改变。对传感器结构的示例性改变包括传感器激励、去激励、改变传输频率，或者改变在两次传输之间的时间。一种所述弹性体的示例性实施方式是轮胎，尤其是充气轮胎。

本发明的另一种结构提供了一种电路，该电路从弹性体自身产生的能量中为传感器提供电能。

附图说明

图1为示例出根据本发明的监测系统的框图。

图1A为具有主动悬架系统的车辆的视图，该主动悬架系统包括本发明的监测系统以向悬架系统提供数据。

图2为轮胎的部分放大断面图，该轮胎具有多个设置在带束层端部上的传感器。

图3为轮胎的一部分的放大断面图，该轮胎具有多个嵌入示例性轮胎组件材料中的传感器。

图4为轮胎的一部分的放大断面图，该轮胎具有设置在内衬和胎体帘布层之间的传感器层。

图5为轮胎的一部分的放大断面图，该轮胎具有设置在胎体帘布层和带束层组件之间的传感器层。