3.7 电磁传感器
电磁传感器是利用轮胎应力的变化与轮胎外部磁场或内部磁场的变化之间的关系进行轮胎应力不接触测量的一类传感器，它根据磁场产生方式的不同，可以分为霍尔磁场传感器[27][28]和磁化轮胎传感器[1][2]。霍尔磁场传感器是利用嵌入在轮胎胎面内的霍尔元件和永磁体组合构成的传感器，当轮胎在应力作用下发生变形时，永磁体与霍尔元件之间的距离发生变化，引起霍尔元件产生的霍尔电压变化，根据霍尔电压的变化就可以进行轮胎应力的测量。磁化轮胎传感器是利用轮胎应力的变化引起的轮胎变形与轮胎磁场变化之间的关系进行轮胎应力测量的一种传感器，轮胎内嵌入磁性颗粒，在外部磁场作用下磁化形成新的内部磁场，应力的变化引起轮胎的变形，轮胎的变形引起内部磁场的变化，通过检测这种磁场的变化就可以实现轮胎应力的测量。下面分别对这两种传感器进行具体的分析和研究。
3.7.1 霍尔磁场传感器
霍尔磁场传感器是利用InAs/GaSb或AIGaAs/GaAs等材料制作的霍尔元件与永磁体结合构成的一种传感器，这种传感器体积小、重量轻、能耗低、灵敏度高，可以进行轮胎应力和载荷的测量。文献[28] 设计的霍尔磁场传感器的基本结构如图3.45所示，在胎面橡胶内嵌入永磁体，在距离永磁体1mm的地方嵌入4个独立阵列的霍尔元件和一个温度传感器。
图3.45 霍尔磁场传感器的基本结构[28]
霍尔磁场传感器的工作原理如下：轮胎在压力和载荷作用下发生变形引起永磁体的位置发生变化，从而永磁体与霍尔元件之间的距离发生变化，霍尔元件受到的磁场作用发生变化，因此，霍尔元件产生的霍尔电压变化，4个独立的霍尔元件产生的霍尔电压的变化可以反映永磁体三维位置的变化，其中在X方向的两个相对的霍尔元件的霍尔电压的差可以反映永磁体在X方向的位置变化，在Y方向的两个相对的霍尔元件的霍尔电压的差可以反映永磁体在Y方向的位置变化，4个霍尔元件的霍尔电压的和可以反映永磁体在Z方向的位置变化，根据永磁体的位置变化就可以得到轮胎的应力或载荷变化。
文献[27]分别用AlGaAs/GaAs和InAs/GaSb制作了霍尔磁场传感器，传感器的尺寸为7.6mm×7.6mm×1.8mm，永磁体的直径为2mm，位于霍尔元件上部1mm处，永磁体上部1mm处的最大磁通密度为100mT。利用制作的传感器，测量得到永磁体在X方向位置变化引起的霍尔电压变化曲线，如图3.46所示。由图可以看出，由InAs/GaSb材料制作的霍尔磁场传感器的灵敏度比由AlGaAs/GaAs材料制作的霍尔磁场传感器的灵敏度大2～3倍，由InAs/GaSb材料制作的霍尔磁场传感器在X方向的霍尔电压应变灵敏度为0.42V/mm，在-0.6～0.6mm范围内具有很好的线性特性。由AlGaAs/GaAs材料制作的霍尔磁场传感器在X方向的霍尔电压应变灵敏度为0.14V/mm，在-0.7～0.7mm范围内具有很好的线性特性。
图3.46 由AlGaAs/GaAs和InAs/GaSb制作的霍尔磁场传感器在X方向的位置变化引起的霍尔电压变化[27]
测量得到永磁体在Z方向的位置变化引起的霍尔电压变化曲线，如图3.47所示。由图可以看出，由InAs/GaSb材料制作的霍尔磁场传感器在Z方向的霍尔电压应变灵敏度为SZ=0.25V/mm，由GaAs/AlGaAs材料制作的霍尔磁场传感器在Z方向的霍尔电压应变灵敏度为SZ=0.11V/mm。
图3.47 由AlGaAs/GaAs和InAs/GaSb制作的霍尔磁场传感器在Z方向的位置变化引起的霍尔电压变化[27]
另外，实验测试了这种霍尔磁场传感器的温度特性，结果如图3.48所示，由图可以看出，由InAs/GaSb材料制作的霍尔磁场传感器的灵敏度温度系数较低。
文献[28]利用由AlGaAs/GaAs材料制作的霍尔磁场传感器进行轮胎滚动过程胎面变形的三维测量实验，测量结果如图3.49所示，其中（i）为轮胎胎面接触地面前的情况，（ii）为轮胎胎面接触地面时的情况（a为制动，b为驱动），（iii）为轮胎胎面离开地面时的情况。
图3.48 由AlGaAs/GaAs和InAs/GaSb制作的霍尔磁场传感器的磁场相对灵敏度随温度的变化[27]
图3.49 轮胎滚动过程测试的三维信号[28]
由图3.49可以看出，霍尔磁场传感器可以测量轮胎在三维方向的变化，根据传感器的测量结果可以反映轮胎压力（Z，X）、轮胎载荷（Z）、纵向力（X）和侧向力（Y）的变化，因此，霍尔磁场传感器具有测量这些状态变化的潜能，但是，如何建立它们之间的联系还比较困难。
文献[28]测试了轮胎在不同压力下的纵向方向（X）的信号变化，结果如图3.50所示。纵向方向的信号可以用来反映轮胎载荷的变化，因为轮胎载荷变化时，轮胎接触地面的长度变化，轮胎载荷为轮胎接触地面的面积与轮胎充气压力的乘积。该传感器还可以估计轮胎在地面的摩擦，根据摩擦与滑移率之间的关系，摩擦可以用轮胎在接地区的滑移率变化来反映。如图3.50所示，X方向的信号的变化梯度代表变形速度的变化，可以认为滑移率的变化引起变形速度的变化，从而引起信号梯度的变化。根据梯度的变化可以估计滑移率的变化，根据滑移率与摩擦的关系可以进行摩擦的估计。
通过前面的分析可以看出，霍尔磁场传感器的灵敏度高、体积小、重量轻，可以直接嵌入在轮胎的胎体内，但是，传感器的测量精度依赖于霍尔元件的磁场灵敏度，不同材料组成的霍尔元件的灵敏度不同，需要寻找灵敏度高、温度系数低的霍尔元件材料。另外，传感器获得的磁场强度依赖于永磁体的尺寸和距离霍尔元件的距离，这些都需要优化设计。目前这种传感器的最大问题是电源和远程测量问题，如何为霍尔元件供电，如何实现霍尔元件产生的霍尔电压的无线测量和信号传输，都存在困难，因此，目前这种传感器仅限于实验室的测试研究。
图3.50 不同压力下的纵向方向（X）的信号变化（圆圈标示了不同压力下的信号梯度变化）[28]
3.7.2 磁化轮胎传感器
磁化轮胎传感器是德国大陆公司开发的一种智能轮胎传感器，如图3.51所示，包括磁化轮胎和两个磁场传感器。磁化轮胎是一种新型轮胎，它在轮胎生产过程中，在轮胎胎侧不同位置的橡胶中掺入强磁性橡胶胶料，在轮胎侧壁的圆周方向上形成彼此相隔一定距离的南北极交替的磁性带。在轮胎旋转时，沿整个侧壁圆周形成正负极交替的综合磁场，当轮胎受力变形时，磁化轮胎的磁场发生变化，磁场的变化可以通过轮胎上部悬架位置的两个磁场传感器进行测量，这样利用磁化轮胎的磁场变化就可以实现轮胎多种状态参数的测量。
图3.51 磁化轮胎传感器结构（大陆公司的Thomas Becherer提供了图片）
传感器具体测量原理如下：传感器利用固定在悬架上的两个灵敏的磁场传感器进行磁化轮胎磁场变化的测量。两个磁场传感器，分别安装在悬架系统的不同位置上，一个靠近轮胎胎冠，另一个靠近轮辋。当汽车行驶、制动或转向时，轮胎在纵向力和侧向力作用下将产生纵向和侧向的变形，轮胎的纵向变形将使磁化轮胎侧壁的磁性带通过两个磁场传感器的时间间隔发生变化，两个磁场传感器测量信号的相位差将发生变化，因此，两个磁场传感器测量信号的相位差可以反映轮胎的纵向变形，从而可以根据纵向变形求解纵向力和纵向滑移率的变化。轮胎的侧向变形将使磁化轮胎侧壁磁性带与磁场传感器的距离发生变化，两个磁场传感器测量信号的幅值发生变化，因此，两个磁场传感器测量信号的幅值可以反映轮胎的侧向变形，从而可以根据侧向变形求解侧向力和侧向滑移率的变化。
在目前的磁化轮胎传感器样品中，原始的传感器信号经过滤波和放大处理后被送往一个车载电子控制系统。在这个电子控制系统中，根据两个磁场传感器测量信号的相位差和幅值变化，通过复杂的变换关系得到轮胎的纵向力和侧向力变化，估计轮胎的纵向滑移率、侧偏角和汽车横摆角速度等信息，然后将测量和估计的信息传输到其他汽车主动安全控制系统，用于改善汽车主动安全控制系统的控制效果，提高汽车的安全性和稳定性。
通过前面的分析可以看出，磁化轮胎传感器利用轮胎本身的磁场变化作为传感器进行轮胎多种状态参数的测量，不需要在轮胎内部安装传感器并进行供电，避免了胎内安装电池的问题，因此，传感器的安装和测量都比较方便，并且，在传感器测量过程中，不存在电磁波干扰，抗电磁干扰能力比较强。但是，这种传感器需要在轮胎生产过程中在胎侧进行磁性胶料的填充，需要改变轮胎的生产过程，涉及轮胎的生产工艺和流程改造，因此，实现和推广应用的难度较大。另外，这种传感器在测量轮胎纵向力和侧向力变化时，需要根据轮胎的纵向和侧向变形进行求解，涉及复杂的模型计算和校正过程，难度较大。