3.6 光学传感器

光学传感器是利用激光测距原理或光敏感原理进行轮胎旋转过程的轮胎变形量测量的一类传感器，根据轮胎的变形量，可以获得轮胎的压力、载荷和摩擦力等状态的信息。利用激光测距原理的激光传感器安装在轮胎内轮辋上测量轮辋与轮胎内壁之间的距离变化，从而实现轮胎变形量的测量^[24][25]。利用光敏感原理的光敏传感器安装在轮胎内的轮辋上，发光器件位于轮胎密封层内侧，在轮胎旋转过程中，发光器件和光敏传感器之间的相对位置发生变化，光敏传感器接收到的光强发生变化，引起光敏传感器的光敏电阻发生变化，因此，光敏传感器的光敏电阻的变化可以反映轮胎滚动过程的轮胎变形量的变化^[26]。文献[24][25]利用激光传感器进行轮胎变形和滚动阻力的测量研究，文献[26]利用光敏传感器进行轮胎纵向变形和滑水现象的研究，下面首先对激光传感器测量轮胎变形的原理及测试结果进行介绍，然后对光敏传感器的测量原理进行介绍。

3.6.1 激光传感器

激光传感器是利用激光对距离进行非接触式测量的传感器，这种传感器测量速度快、精度高、量程大、抗电磁干扰能力强，在长度、距离、振动、速度和方位测量方面得到广泛的应用。激光传感器在进行距离测量时，首先利用激光发射二极管对准目标发射激光脉冲，该激光脉冲被目标反射后，部分反射光返回到传感器接收器，然后，接收器将接收到的光信号转化为电信号，根据光脉冲从发射到返回接收所经历的时间，实现对距离的测量。由于光速太快，时间的测量精度需要非常精确，因此，激光传感器的成本较高。文献[24]研究的基于激光传感器的轮胎变形测量系统如图3.39所示，该系统包括安装在轮辋的激光传感器1和轮轴上的激光传感器2与光编码器。激光传感器1是一个二维激光轮廓仪，具有超高速采样率和大测量范围，用于测量轮辋与轮胎内壁之间的距离，激光传感器2用来测量轮胎的有效滚动半径，即轮胎旋转轴与地面之间的距离，光编码器测量轮胎旋转过程的角度变化。

在图中，L₁为激光传感器1测量的轮胎胎侧高度，即轮辋与轮胎内壁之间的距离；L₂为激光传感器2测量的轮胎有效滚动半径；θ为光编码器测量的轮胎旋转角度，即激光传感器1偏离轮胎垂直中心线的角度；轮辋的半径为L_offset，根据这些测量信息可以得到轮胎胎面的厚度变化如下^[24]：

文献[24]利用激光传感器1测量不同载荷下轮胎胎侧高度L₁随轮胎旋转角度的变化结果，如图3.40所示，由图可以看出，随着轮胎旋转角度的变化，轮胎胎侧高度不断变化，胎侧高度的变化可以反映轮胎接地区和非接地区的变化，另外，轮胎载荷影响接地区的胎侧高度变化，载荷越大，接地区的胎侧高度越小，因此，接地区胎侧高度的变化可以反映轮胎载荷的变化。

图3.39 基于激光传感器的轮胎变形量测量系统^[24]

图3.40 在充气压力为7.0bar时不同载荷下轮胎胎侧高度随轮胎旋转角度的变化^[24]

文献[25]利用相同的测量系统测量轮胎胎面的变形随轮胎载荷、速度和压力变化的结果，分别如图3.41～图3.43所示。由图可以看出，轮胎载荷和充气压力对轮胎胎面变形的影响比较明显，轮胎旋转速度对轮胎变形的影响较小，因此，通过激光传感器测量轮胎的胎面变形与轮胎充气压力和载荷的关系，可以根据轮胎胎面变形量获得轮胎充气压力和载荷变化信息。

通过对激光传感器的研究可以发现，激光传感器的测量精度高、测量速度快、抗干扰能力强，可以实现非接触的测量，不会对轮胎的运动过程和轮胎状态造成影响，但是这种传感器的成本比较高，安装和校准过程比较麻烦，需要将传感器固定在轮辋上，并且当传感器安装在轮胎内时，需要考虑信号的无线传输和供电问题，另外，激光传感器容易被灰尘遮挡，影响测量结果的准确性和可靠性。

图3.41 在充气压力为2.5bar速度为5km/h时不同轮胎载荷下的轮胎胎面变形^[25]

图3.42 在充气压力为2.5bar载荷为4kN时不同速度下的轮胎胎面变形^[25]

图3.43 在速度为5km/h载荷为4kN时不同充气压力下的轮胎胎面变形^[25]

3.6.2 光敏传感器

光敏传感器是利用光敏检测器检测发光器件发射光强的变化来进行距离和方位变化测量的一种传感器，这种传感器的体积小、重量轻、抗干扰能力强，在光控开关方面得到广泛的应用。文献[26]研究了一种基于光敏传感器的轮胎变形测量系统，如图3.44所示，发射器件采用宽角度的LED（Light-Emitting Diode），LED嵌入在轮胎密封层内侧，接收器件为二维光敏检测器PSD（Photosensitive Detector），PSD安装在轮辋上。PSD接收LED发射的光线，在轮胎滚动过程中，随着轮胎胎面的变形，LED与PSD之间的相对位置发生变化，PSD接收的光强也发生变化。由于光敏电阻与光强的变化成比例，因此，PSD的光敏电阻随着发生变化，利用PSD光敏电阻的变化可以反映轮胎胎面的变形。PSD测量的光敏电阻变化经过AD转换和信号处理后，通过无线发射器和天线发射出去，外部的接收单元可以接收发射器发射的信号，进行处理后可以对轮胎的变形情况进行分析和研究。为了实现测量信号与轮胎旋转过程的同步，PSD检测器和一个电磁感应传感器配套使用。电磁感应传感器可以测量安装在汽车悬架位置的永磁体的相对位置变化，随着轮胎的旋转，电磁感应传感器与永磁体之间的相对位置发生周期性变化，电磁感应传感器和PSD检测器安装在相同的位置，因此，电磁感应传感器检测的位置信号可以为PSD检测器提供同步信号，从而实现PSD检测过程与轮胎旋转过程的同步，提高检测的准确性和可靠性。文献[26]利用该测量系统测量轮胎在纵向和垂直方向的变形，根据测量的变形情况对轮胎的滑水程度进行估计，具有一定的可行性。

图3.44 基于光敏传感器的轮胎胎面变形测量系统的结构图^[26]

通过对光敏传感器的分析可以看出，光敏传感器的检测原理比较简单，检测速度快、检测精度高、成本低、抗干扰能力强，可以实现非接触的测量，不会对轮胎运动状态造成影响，但是这种传感器的安装和校准过程比较麻烦，需要将PSD检测器、发射器和天线固定在轮辋上，将LED嵌入在轮胎密封层内侧，并且当传感器安装在轮胎内时，需要进行信号的处理和无线传输，需要电池供电，电池的寿命有限，限制了这种传感器的使用寿命，另外，传感器容易被灰尘遮挡，影响传感器的测量精度和有效性。