轮胎金属缆线异常检测方法和装置 相关申请的交叉引用 本申请主张 2009 年 4 月 9 日申请的 PCT 申请 PCT/US2009/040017 的权利。技术领域
本主题涉及轮胎试验。特别地， 本主题涉及用于轮胎内的金属缆线 (metallic cable) 中存在的异常的非破坏性试验的方法和装置。背景技术
包括轮胎胎面翻新的轮胎修理是本领域公知的。同样是公知的， 通常在包括胎面 翻新的修理之前执行轮胎的某种程度的试验， 以确定是否适合执行该操作。尽管在某些情 况下， 试验可能包括简单的外观检验， 但是在胎面翻新的情况下， 确定轮胎的内部部件 ( 包 括例如侧壁胎体金属丝 ) 的状况常常是非常重要的。 通常， 基于视觉检验或错位散斑图像检验 (shearographic image inspection)， 使用 x 射线分析来进行这种确定。错位散斑图像检验之后实际上往往是 x 射线检验， 以确 定所确定的异常是否与缆线有关。 但是， 这种方法是耗时的， 并且拥有和操作所需要的设备 的成本是高昂的。因此， 有利的是研发消除对于某些这种昂贵和耗时的方法的需要的装置 和方法。
Sukhorukov 等人的美国专利 RE 40,166 涉及一种用于诸如钢丝绳的细长含铁物 体的横截面积的测量以及用于探测局部瑕疵的磁性非破坏性方法和装置。
Weischedel 的美国专利 4,659,991 涉及一种 “用于磁性检验细长物体的结构 缺陷的方法和装置 (Method and apparatus for magnetically inspecting elongated objects for structural defects)” 。
Hamelin 等人的美国专利 5,565,771 涉及 “用于提高电磁金属绳试验的线性分辨 率的装置 (Apparatus for increasing linear resolution of electromagnetic wire rope testing)” 。
Hamelin 等人的美国专利 5,804,964 涉及一种 “金属绳损伤指数监测设备 (Wire rope damage index monitoring device)” 。
Kaefer-Hoffmann 等人的美国专利 6,005,388 涉及一种 “用于探测轮胎的侧壁 区域中的胎体布帘层中的可磁化材料的增强部件的配置中的缺陷的设备和方法 (Device and process for detecting defects in the disposition of reinforcing members of magnetizable material in casing plies in the sidewall region of a tire)” 。
Stoila 等人的美国专利 7,185,535 涉及一种 “用于轮胎的帘布层金属丝传感器系 统” 。
尽管已经研发了轮胎检验装置和方法的各种实施方式， 并且已经研发了检验方法 的各种组合， 但是并没有出现大体上包含下文根据主题技术所提出的全部期望特性的设 计。
发明内容 考虑到现有技术中遇到的以及本主题所提出的公认特征， 研发了一种用于轮胎中 的异常的试验的改进装置和方法。
在一种示意性配置中， 提供一种用于检测轮胎金属缆线异常的装置， 包括 ： 多个磁 场传感器， 所述多个磁场传感器沿公用线放置， 并且被配置为产生与所感测到的磁场成比 例的单独电信号 ； 磁体， 所述磁体具有其北极和南极， 所述磁体被放置成在所述多个磁场传 感器的每一个处提供与所述公用线平行的磁场 ； 以及信号处理电路， 所述信号处理电路被 配置成产生指示所述单独电信号的对之间的差异的信号， 其中来自于所述多个磁场传感器 的每一个的电信号与来自于所述多个磁场传感器的其他每一个的电信号配对。 在特殊实施 例中， 所述多个磁场传感器包括表面安装霍尔效应传感器。
根据本主题的其他实施例， 所述信号处理电路被配置为将最强电信号与最强反 向电信号配对， 以产生损伤量值 (magnitude) 信号， 而忽略其余的电信号。根据本主题的 其他实施例， 所述信号处理电路被配置为， 基于相减信号差异、 具有均超过预定量值的斜率 (slope) 的相反斜率信号的存在以及零平均相乘波形的卷积分析的其中之一来产生信号。
根据本主题的进一步实施例， 提供并配置一种结构， 使其支撑所述多个磁场传感 器和所述磁体， 从而能够手动地将所述多个磁场传感器呈现到金属缆线前， 以检测所述金 属缆线中的异常。 在特殊的进一步实施例中， 提供并且配置一种自动控制系统， 使其自动将 所述多个磁场传感器呈现到金属缆线前， 以检测所述金属缆线中的异常。
根据本主题的某些实施例， 提供至少三个磁场传感器， 而在再进一步的实施例中， 所述磁体为永磁体。
本主题还涉及一种用于检测轮胎金属缆线中的异常的方法， 包括 ： 在公用线上放 置多个磁场传感器 ； 放置具有其北极和南极的磁体， 以在所述多个磁场传感器的每一个处 提供与所述公用线平行的磁场 ； 将所述多个磁场传感器呈现到金属缆线前 ； 以及检测与所 述多个磁场传感器的其他每一个配对的所述多个磁场传感器的每一个所产生的信号之间 的差异。
在某些实施例中， 所述方法进一步包括将来自于所述多个磁场传感器的每一个的 最强正信号与来自于磁场传感器的其他每一个的最强负信号配对， 以及分析最强正信号与 最强负信号之间的差异， 排除其余的磁场传感器信号。 在某些进一步的实施例中， 所述方法 进一步包括基于相减信号差异、 具有均超过预定量值的斜率的相反斜率信号的存在以及零 平均相乘波形的卷积分析的其中之一来产生信号。
在本主题的方法的某些实施例中， 所述磁场传感器的放置包括放置表面安装霍尔 效应传感器， 在特殊实施例中， 放置磁体包括将磁体的北极和南极全部沿与所述公用线平 行的线放置。
在本主题的某些特殊实施例中， 放置多个磁场传感器包括放置至少三个磁场传感 器， 在其他特殊实施例中， 放置磁体包括放置永磁体。
从本文的详细描述可以阐明或者向本领域普通技术人员显现本主题的其他的目 的和优点。 此外， 还应进一步了解的是， 在各个实施例和本发明的使用中可以对在此具体描 述、 提及和讨论的特征和元件进行修改和变化， 而不会脱离本主题的精神和范围。 变化可以
包括但不限于将各个部件、 特征、 步骤等等的那些所描述、 提及或讨论的以及功能、 操作或 位置替换成等效装置、 特征或步骤。
更进一步， 应理解的是， 本主题的不同的实施例以及不同的目前的优选实施例可 以包括目前公开的特征、 步骤或元件的各种组合或配置或者其等效方式 ( 包括特征、 部件 或步骤的组合或者其未在图中未清楚显示或者未在这些图的详细描述中说明的配置 )。在 发明内容部分中没有表述的本主题的另外的实施例可以包括并结合上文概述的对象中提 及的特征、 部件或步骤的方面的各种组合和 / 或该申请中另外讨论的其他特征、 部件或步 骤。当阅读说明书的其余部分时， 本领域普通技术人员将更好地了解这样的实施例的特征 和方面等等。 附图说明 针对本领域技术人员， 在参考附图的说明书中阐明了包括本发明的最佳方式在内 的本发明的完整的并且能够实现的公开， 其中 ：
图 1 显示了根据本技术的霍尔效应和永磁体传感器的示意性配置， 其包括可选的 自动控制系统 ；
图 2 显示了一对霍尔效应传感器相对于永磁体的定位以及当存在包括示意性异 常的轮胎缆线时的示意性的通量分布 ；
图 3 显示了示意性信号处理电路的方块图， 其中该信号处理电路被配置为处理来 自于一对霍尔效应器件的信号， 以提供轮胎缆线存在异常的指示 ；
图 4 是使用本技术可能探测到的轮胎缆线中的代表性异常的 x 射线图解的示意 图；
图 5 图形显示了在根据本技术的轮胎自动扫描检查期间所采集的经滤波和平均 的数据 ；
图 6 图形显示了另一种数据分析方法中可使用的示意性卷积算子 ；
图 7 显示了如下情况下所产生的通量线 ： 将传感器间隔， 使得传感器中心直接位 于单一完整轮胎缆线断裂的每一端的中间的上方 ；
图 8 显示了当将传感器的中心置于单一完整轮胎缆线断裂的每一端上方时的通 量量值标绘图以及通过读数的箭头进行的强调 ；
图 9 显示了如下情况下所产生的通量线 ： 将传感器间隔， 具有示意性的 10mm 的中 心到中心间隔， 其中一个传感器与单一完整轮胎缆线断裂的一端对齐 ；
图 10 显示了当将传感器的中心如图 9 所示来布置时磁通量值的标绘图以及通过 读数的所示箭头进行的强调 ；
图 11 显示了大于传感器间隔的损伤空隙所产生的通量线 ；
图 12 显示了当将传感器的中心如图 11 所示来布置时磁通量值的标绘图以及通过 读数的所示箭头进行的强调 ；
图 13 显示了根据本技术的示意性传感器阵列， 其相对于示意性显示的轮胎缆线 操作性地定位 ； 以及
图 14 显示了在解释本技术的优点时有用的传感器阵列的配置。
本说明书和附图通篇重复使用的附图标记代表本发明的相同或相似的特征或元
件。 具体实施方式
如发明内容部分所述， 本主题特别涉及用于轮胎中的异常、 特别是与轮胎帘线结 构相对应的金属缆线中的异常的试验的改进装置和方法。
本领域普通技术人员应了解， 尽管主要是结合与轮胎结构相关联的金属缆线中的 异常的检测来讨论本公开， 但是这并不是对于所讨论的装置或者操作方法的具体限制。例 如， 基本相同的装置和方法可以应用于与任意非磁性材料关联或者任意非磁性材料中嵌入 的磁响应细长结构中的异常的检测。一个示例可以对应于例如可用作个人和 / 或电子设备 的 EMI 或 RFI 屏蔽的布料中交织的磁响应细丝中的异常的检测。
现在将详细参考主题金属缆线异常检测方法和装置的目前的优选实施例。 现在参 考附图， 图 1 显示了根据本技术构造的霍尔效应和永磁体传感器 100 的示意性配置。
如图 1 所示， 一对霍尔效应器件 HE1、 HE2 在大体上与永磁体 102 垂直对齐的平面 中安装在支撑结构 104 的端面 106 上。通常应了解， 霍尔效应器件 HE1、 HE2 是沿公用线 110 安装的， 与霍尔传感器的该位置相关的测量方面是本公开始终要介绍的本主题的重要方 面。 还应了解， 在替代实施例中， 可以将多对霍尔效应器件或者这种传感器的阵列与单个或 多个永磁体联合使用。此外， 可以在复杂配置中使用图 1 中大体上显示的多个传感器。在 任一种情况下， 均可以提供检查较大区域和 / 或多个缆线的机会。还应了解的是， 尽管本公 开更具体而言涉及霍尔效应传感器的使用， 但是这根本不是对于本主题的限制， 因为也可 以使用其他类型的磁场响应传感器。例如， 可以使用磁阻传感器来达到基本相等的效果。 根据本技术， 对于图 1 的示意性实施例而言， 支撑结构 104 的至少端面 106 对应于 绝缘表面， 从而提供霍尔效应器件 HE1、 HE2 的电隔离。永磁体 102 可以通过任意合适的方 式固定到支撑结构 104 的上表面 108 上， 并且如图 1 所示定向， 从而使永磁体 102 的北极 N 与支撑结构 104 的前表面 106 基本对齐， 相应地与霍尔效应器件 HE1、 HE2 基本对齐。可以 提供可选的自动控制系统 120， 以使传感器 100 自动扫过要检查的区域。应了解的是， 这种 系统可以被配置为引起传感器与正在被检查的物品之间的相对运动， 从而控制系统 120 可 以移动被检查的物品和传感器其中之一或者全部两者。
在一种示意性配置中。永磁体 102 可以对应于产生 12,900 高斯的 12.7 乘 25.4mm 的镀 Ni-Cu-Ni 的 44 磅吸引力的钕磁体。 当然也可以使用具有类似特性的其他磁体。 此外， 支撑结构 104 可以对应于 75 乘 37 乘 37mm 的铝支柱， 在一个表面上固定有不导电的硬纸板， 而霍尔效应器件 HE1、 HE2 可以对应于间隔为大约 8mm 的 4 平方毫米的半导体器件， 霍尔效 应器件 HE2 的一个边缘距离表面 106 的与永磁体 102 相反的边缘的间隔为大约 4mm。霍尔 效应器件 HE1、 HE2 相对于永磁体 102 的这种定位产生穿过两个霍尔效应器件的磁通量， 更 特别地如图 2 所示。应了解的是， 在本主题的其他实施例中， 可以使用电磁体来代替和 / 或 补充永磁体 102。 还应了解的是， 还可以使用不同的磁体配置以及不同的磁体定向以及其他 配置的磁体， 其本质上包括但不限于条形磁体、 环形磁体、 圆柱形磁体、 马蹄形磁体以及其 他的配置。
在可选的实施例中， 支撑结构 104 可以对应于任意的非铁材料 (non-ferrous material)， 包括但不限于 Plexiglas 、 木头、 Cycolac 或其他塑料材料。取决于非铁支撑
结构 104 的物理特性， 霍尔效应器件 HE1、 HE2 和永磁体 102 可以至少部分嵌入到用于其支 撑的材料中。
参考图 2， 显示了一对相对紧密间隔的霍尔效应传感器 HE1、 HE2 相对于永磁体 102 的相对定位以及当存在包括示意性异常的轮胎缆线 220 时的示意性通量线 202、 204， 其中 示意性异常被代表性地显示为 230 处的断裂。
简单参考图 4， 可以看出， 图 4 提供了使用本技术可能探测到的轮胎缆线中的代 表性异常 402、 404、 406 的 x 射线图解的示意图。如图 4 所示， 异常 402 对应于缠绕金属丝 (wrapping wire)410 中的断裂， 异常 404 对应于钢绞线 412 其中之一中的断裂， 异常 406 对 应于整个缆线中的断裂。异常 402 和 404 被认为是次要的异常， 而异常 406 被认为是较重 要的异常。
现在进一步参考图 2， 如上文所述， 目前被显示为断裂 230 的轮胎缆线中的异常将 导致霍尔效应传感器 HE1、 HE2 出现磁场的变化。本领域普通技术人员将会了解， 至少在相 对紧密间隔的霍尔效应传感器 HE1、 HE2 附近的断裂 230 的区域内的通量线 202、 204 已经偏 离了先前通过未断裂的缆线的路径， 现在是沿着另外的路径通过示意性断裂轮胎缆线的部 分 220， 222。这种断裂产生局部的北磁极 252 和南磁极 254， 所述北磁极 252 和南磁极 254 改变相对紧密间隔的霍尔效应传感器 HE1、 HE2 附近的磁场， 以产生至少可检测水平的由异 常所产生的正交场分布。 应了解的是， 由于至少一些垂直于霍尔效应传感器的平面来定向的场的产生， 上 文关于图 4 的讨论所指出的各种异常将在不同程度上产生磁场的可检测的变化。在霍尔效 应传感器 HE1、 HE2 附近的区域内， 这些异常可以作为霍尔效应器件 HE1、 HE2 之间所产生的 信号之间的差异被检测到。在霍尔效应传感器 HE1、 HE2 附近区域以外， 磁场的变化也可以 被检测到， 并且表现为磁场相对于之前所探测到的基础磁场的单向变化。本主题的目的之 一在于识别并且定位异常， 但是， 本主题更直接地涉及霍尔效应传感器 HE1、 HE2 之间的可 检测的磁场差异的检测并且也是与之关联地来进行描述的。
但是， 霍尔效应信号的其他分析可以由磁场中的单向变化组成。 应了解的是， 关于 本讨论， 术语差异并不意味着只描述一个信号与另一个信号在数学上相减， 而且还更广泛 地包括各种形式的分析， 这些分析试图分析至少一对传感器所产生的信号之间的可识别的 差异， 将参考本文所提出的主题的各个实施例来对这些分析进行更充分的解释。
现在参考图 3， 其中显示了示意性信号处理电路 300 的方块图， 信号处理电路 300 被配置为处理来自于一对霍尔效应器件 HE1、 HE2 的信号并且提供存在轮胎缆线异常的指 示。可以看出， 信号处理电路 300 分别通过同相跟随器或缓冲器 U1、 U4 从霍尔效应传感器 HE1、 HE2 接收信号。
在一种示意性配置中， 跟随器 U1、 U4 以及信号处理电路 300 中的其他放大器可以 对应于 LM741CN 运算放大器。当然， 也可以使用这些运算放大器的其他合适的形式， 例如作 为包含多个等效放大器或者其他类似器件的器件。本领域普通技术人员将了解的是， 术语 跟随器和缓冲器是同义术语， 在本公开的全文中都这样使用。此外， 在该示意性配置中， 霍 尔效应器件 HE1、 HE2 可以对应于可从 Allegro Microsystems 公司购买的 A1302 比率线性 霍尔效应传感器。此外， 可以使用相似类型的器件以及不同类型的器件。
进一步参考图 3， 可以看出， 存在分别与每个霍尔效应器件的 HE1、 HE2 输入电路相
关联的缓冲放大器 U1、 U4， 缓冲放大器 U1、 U4 分别向每一个混频器 312、 314 的一个输入端提 供缓冲信号。放大器 U2、 U5 分别提供分别来自于零偏移电路 302、 304 的缓冲零偏移信号， 以分别通过到混频器 312、 314 的第二输入端与分别来自于霍尔效应器件 HE1、 HE2 的信号相 加， 以使霍尔效应器件的输出偏移。混频器 312、 314 的输出信号被分别提供作为可变增益 可调缓冲放大器 U3、 U6 的输入。放大器 U3、 U6 被配置为增益可调器件， 从而提供所需要的 总的信号增益和相应的灵敏度。必要时， 放大器 U3、 U6 还可以被配置为提供低通滤波。
在一种示意性配置中， 零偏移电路 302、 304 可以对应于可调节电位器， 所述可调 节电位器分别与合适的电压源相关联并且耦合到缓冲器 U2、 U5 的同相输入。在其他的配置 中， 零偏移信号可以被提供作为用于能够使用微处理器的实施例或者用于能够使用数模转 换器的实施例的数字输入。 本主题的其他实施例可以结合有每个霍尔效应传感器信号的自 动零平均。
当霍尔效应器件 HE1、 HE2 被引入到垂直于霍尔器件传感器平面的磁场中时， 在器 件的特定线性范围内， 器件的输出将与所施加和感测到的磁场强度成正比。放大器 U7 从每 个霍尔效应器件 HE1、 HE2 接收偏移调整和缓冲信号并且将两个信号之间的任何差异放大。 在本主题的该特殊实施例中， 基于两个信号数学相减来估计两个信号之间的差异。如上文 所述， 在下文将进一步解释的其他实施例中， 将提供替代方式的信号差异分析。在图 3 的实 施例的示意性配置中， 放大器 U7 被配置为 10X 固定增益放大器， 尽管在其他实施例中， 可以 提供不同的固定增益水平， 或者放大器 U7 可以被提供为与放大器 U3 和 U6 类似的可调增益 放大器。
来自于放大器 U7 的输出信号可以通过适当的设备 ( 例如， 作为伏特计或示波器 ( 未显示 ) 的电压测量或显示设备 ) 提供到用于监测的终端 362 处， 也可以用作比较器 U8 的一个输入。
比较器 U8 例如可以通过将运算放大器配置为开环放大器来提供， 并且可以用作 阈值检测器， 当被提供到比较器 U8 的一个输入端的放大器 U7 的输出超过异常电平阈值调 节电路 306 所施加的参考电平信号时， 该阈值检测器切换输出电平。缓冲器 / 驱动器 U9 感 测比较器 U8 的输出信号， 以使肉眼可观察的指示器 ( 例如发光二极管 (LED)364) 发光， 该 指示器用于所检测到的异常 ( 例如上文所讨论的断裂的侧壁金属丝或其他异常 ) 的视觉确 认。
本领域普通技术人员还应了解的是， 通过放大器 U3 和 U6 的增益设置的变化以及 通过异常电平阈值调节电路 306 的调节， 可以获得各种水平的检测。此外， 本领域普通技 术人员应了解的是， 从异常水平阈值调节电路 306 施加的信号可以以与来自于零偏移电路 302、 304 的信号类似的方式提供， 并且取决于所选择的装置实施方式， 从异常水平阈值调节 电路 306 施加的信号对应于来自于具有适当的输入电压的可调节电位器的电压信号或者 对应于来自于上文所述的数字输入信号。在某些实施例中， 可以手动调节异常电平阈值调 节电路 306， 该手动调节可以通过手动设置电压电平调节电位器来实现， 或者对于数字实施 方式而言， 可以通过手动输入适当的数据来实现。
可以在多个实施例中， 根据所需要的物理操作要求， 配置到目前为止参考图 1-3、 特别是在结构上参考图 1-2 来讨论的器件。例如， 图 1 大体上显示的器件可以贴在另外的 支撑结构上， 从而实施轮胎结构的自动检查。在这种配置中， 可以使用在图 1 的虚线框中整体显示的自动控制系统 120， 以使传感器自动地横扫轮胎区域， 例如要检查的轮胎区域的内 表面。 或者， 还可以实施用于提供传感器和轮胎之间的相对运动的其他方法， 包括使自动控 制系统 120 能够移动传感器和轮胎的其中之一或者全部两者。当然， 传感器也可以被配置 为紧凑便携的手持设备， 其可以手动地横扫要检查的轮胎的内侧区域或外侧区域。
根据本主题的进一步的特征， 如图 1-2 所示的传感器可以安装在机器上， 该机器 被配置为转动轮胎或传感器组件， 以将传感器组件以径向方式设置在轮胎胎体的内表面 上， 从而有效地将轮胎胎体的整个内表面呈现给用于缆线评估的传感器。传感器可以耦合 到个人计算机 (PC) 或动画系统， 以提供考虑到传感器组件关于轮胎表面的位置的精确信 息的位置反馈， 从而可以将定位、 尺寸、 包括所涉及的缆线的数量以及异常的严重程度呈现 给操作者。此外， 稍后我们将更全面地解释， 还可以使用 PC 来实施其他的评估方法。
可以提供与上文结合图 3 所描述的信号调节系统类似的信号调节系统以及相关 联的分析算法， 以便以多种形式产生关于对象轮胎的状况的诊断信息。这些形式可以包括 轮胎内的磁性结构的地形学表示 (topographical representation)。可以估计三维 (3-D) 磁响应的尺寸和形状， 以检测和测量包括但不限于下列情况的异常 ： 断裂的增强缆线 ； 具 有一个或多个断裂金属丝的增强缆线 ； 弯曲的增强缆线 ； 腐蚀的增强缆线 ； 以及穿透增强 金属丝平面的金属物体。表示形式可包括轮胎中的磁性结构的彩色表面表示以及等高线 节点 (isocontour node) 的分析， 其允许操作者如上文所述进行异常的检测和测量。这种 系统还可以被配置为提供异常的数字表格， 指示轮胎中的磁性异常的位置、 尺寸、 形状和强 度， 而数字数据的分析将允许如上文所述的异常的检测和测量。 在一种手持配置中， 根据本主题的技术可以便利地提供诸如 LED 364( 图 3) 的视 觉指示器， 以向操作者提供异常的即时指示。 此外， 为了便于操作者调节手持实施例的灵敏 度， 可以提供异常电平阈值电路 306( 图 3) 的手动调节。
由于永磁体 102 和霍尔效应传感器 HE1、 HE2 的设置， 图 1 和图 2 中所示的本主题 的实施例十分适合于用在紧凑便携的手持配置中， 尽管这不是对于本技术的限制， 因为这 种配置也可以用在如上文所述的自动配置中。 在任一种情况下， 已经发现， 对于最佳探测结 果有利的是使其上安装传感器的公用线大致平行于轮胎缆线。 这种定位为本主题提供了最 大信号检测能力， 尽管异常检测并不需要绝对的平行定向。
根据上文所述的本技术， 可以使用不同的方法来完成信号处理。如上文参考图 3 所讨论的， 某些方法不需要使用任何计算机处理。 在这样的实施例中， 可以使用如前面的图 3 示意性地显示的定制电路板来执行信号处理。该方法将来自于 HE1 和 HE2 的信号放大并 相减， 以产生差异信号， 将差异信号放大并与阈值电压进行比较， 从而如上所述， 如果异常 被定位， 则使发光二极管 (LED) 发光。当然， 本领域普通技术人员应了解的是， 尽管可以使 用如图 5 所示的电路来执行上文所述的这种方法， 但是也可以使用其他的电路， 包括但不 限于个人计算机和特定应用的可编程设备， 来执行与参考图 3 所描述的相同的信号处理或 者下文所描述的替代的信号处理。
根据本技术的其他实施例， 可以使用其他信号处理， 将参考图 5 和图 6 进行讨论。 参考图 5， 使用图 1 中代表性地显示的自动控制系统 120， 可以使根据本技术构造的传感器 横扫轮胎。 为了后续处理， 可以临时存储或者更永久性地存储所采集的数据， 这些后续处理 使用多种不同的方法， 但是每种方法均使用检查来自于一对或多对传感器或者传感器阵列
的信号的分析方法， 找出信号中的可识别的差异。
在一个示意性实施例中， 可以使用可从 MathWorks TM 获得的 Matlab 信号处理软 件来分析所采集的数据。在一种示意性的配置中， 被配置为检查轮胎的侧壁的数据采集系 统可以在侧壁的每个数据轨道 (data track) 包含大约 40,000 个点。当然， 这种每个轨道 的点是示意性的， 因为可以采集其他数目的样本。 此处应注意的是， 每个轨道的点代表轮胎 侧壁周围的单次经过 (pass) 或者轨道。本技术的显著特征在于， 可以利用其优势， 通过这 种单次经过或者少量次数的经过来定位异常的方位角， 而不是定位在轮胎上的精确径向位 置。
这里的目的是在轮胎旋转一圈或者两圈之内确定是否有任何缆线断裂。 其意在提 供断裂缆线的方位角以及可能是轮胎的哪一侧。 其原理在于所扫描的大多数轮胎将不具有 断裂的缆线。如果发现一个断裂的缆线， 则使用更加耗时的自动扫描或手动手持方法来精 确定位异常。 在本技术的更一般的实施例中， 使用多次经过， 以通过方位角和径向位置两者 准确定位异常。
评估所采集的数据的第一步骤是对从霍尔效应传感器 HE1 和 HE2 采集的数据点进 行重新采样和滤波。可以使用编码器， 以在轮胎的每一转中提供例如大约 10,800 个脉冲。 本领域普通技术人员应了解的是， 该示意性样本大小将根据轮胎尺寸和轮缘尺寸来变化。 重新采样程序 (resample routine) 将用于相同的编码器点的每个霍尔效应信号的数据点 平均到到一个编码器点。 这对于围绕轮胎的圆周的 10,800 个点的每个传感器产生波形。 在 已经对数据重新采样之后， 使用 5 阶巴特沃斯滤波器 (Butterworth filter)。在一种示意 性配置中， 滤波器的截止频率可以被设定到 .025。无论如何， 该截止频率值必须被设定在 0 和 1 之间， 并且代表原始数据频率组成的比例频率。该步骤的结果是可以进行显示的重新 采样和滤波波形 502、 504， 如图 5 所示。 如图 5 所示， 波形 502 对应于来自于传感器 HE1 的重新采样和滤波的信号， 而波形 504 对应于来自于传感器 HE2 的类似信号。 应注意的是， 当传感器对轮胎内的异常作出反应 时， 同时出现相反方向尖峰。 次要异常显示为较小振幅的信号， 而通过较大振幅的信号来识 别较重要的异常。如图 5 所示， 可以在垂直轴中在电压 (V) 方面测量波形 502、 504 所代表 的信号， 而沿水平轴显示样本数目。
重新采样和滤波之后， 使用滑动窗口同时对两个传感器信号进行处理。在该窗口 中， 计算每个传感器信号的斜率， 并将它们互相之间进行比较并与阈值进行比较。 如果斜率 是彼此相反的， 并且如果每个斜率均大于阈值， 则产生代表合成斜率量值的输出斜率量值 波形。
然后， 通过逐点搜索波形以确定后面较快地跟随有负斜率的正斜率所识别的特征 信号 (signature signal) 的存在， 可以对斜率量值波形进行处理。均超过预定阈值的正负 斜率的检测之间的时间差可以基于已知的异常尺寸。如果遇到该特征， 则从合成的传感器 HE1 和传感器 HE2 量值产生输出波形。这产生具有正尖峰的波形， 该正尖峰代表传感器 HE1 的负尖峰和传感器 HE2 的正尖峰的合成振幅。所得到的波形可以在视觉上检视， 如果需要 的话， 还可以在量值和尖峰宽度方面产生能够被检视的数值表格。
在替代分析方法中， 可以使用卷积方法。卷积涉及下面的几个步骤。首先， 选择图 6 中以示意性形式显示的卷积算子。选择该形状是因为其与小于完整的缆线异常相匹配。
在一种示意性配置中， 算子是基于所谓的 Mexican Hat 小波， 更常见地， 基于 Ricker 小波， 在一种示意性配置中为 160 点宽， 标准差为 45。在数学和数值分析中， Mexican Hat 小波 是高斯函数的负的归一化二阶导数， 是被称为 Hermitian 小波的连续小波系的一种特殊情 况。在图 6 所示的示意性的配置中， 沿垂直轴表示相对值 R， 而从 0 到 160 的样本点范围是 如前所述。根据本技术的示意性卷积算子是基于值 R 在样本范围上的和等于零的关系。
使用卷积算子之后， 来自于传感器 HE1 和 HE2 的信号被平均到零。这种到零的平 均需要取每个波形的平均值， 然后从每个传感器波形中减去该平均值。将该算子应用于每 个波形， 并将所得到的两个波形相乘。
然后使用几种启发。首先， 消去处于相同方向中的 HE1 和 HE2 传感器的算子匹配， 也就是说既有正的又有负的。 使用该启发是因为， 理论和实验经验都显示， 异常将导致传感 器信号彼此相反地偏离。
第二， 由于 Mexican Hat 算子导致在正响应周围产生 “边缘” ， 因此从考虑上来讲， 应该消除这些响应。第三， 只保持传感器 HE2 为正且 HE1 为负的响应。其使用是因为， 理论 和经验显示， 当磁极正确地定向时， 一个传感器将总是提供正的响应， 而另一个传感器总是 提供负的响应。 在应用上述卷积步骤之后， 产生结果波形。 可以在视觉上检视该结果波形， 并且还 可以在量值和尖峰宽度方面产生能够被检视的数值表格。 该结果波形代表与算子的匹配程 度， 并且与异常的振幅和形状成正比。
首先参考图 14， 其中显示了本技术所基于的传感器组件的另一实施例， 其对应于 包括沿公用线安装并被配置为产生独立的输出信号的三个传感器 HE1、 HE2、 HE3 的传感器 阵列。在一种示意性配置中， 传感器 HE1、 HE2、 HE3 是表面安装芯片型霍尔效应器件， 并且安 装在贴在电路板 1410 上的共用衬底 ( 未单独显示 ) 上。但是， 应了解的是， 也可以使用其 它类型的传感器。永磁体 1420 与印刷电路板 1410 和传感器 HE1、 HE2、 HE3 关联， 并且被放 置成使永磁体的北极和南极与上面安装传感器 HE1、 HE2、 HE3 的公用线对齐。在一种示意性 配置中， 磁体 1420 可以对应于互补极端对端放置的一对 1/4” 乘 1/4” 乘 1” 的 N50 钕磁体， 实际上产生一个 2” 长的磁体。
在图 14 所示的实施例中， 传感器 HE1 和 HE2 被认为是第一对， 而传感器 HE2 和 HE3 被认为是第二对。该配置能够使传感器组件的单次经过所覆盖的表面面积加倍， 以降低总 的试验周期时间。在这样做时， 以类似于上文参考图 3 所述的方式来进行信号处理， 其中， 在用于例如包括缆线 1432 中的断裂 1430 的损坏的轮胎缆线的扫描的同时， 保持传感器的 固定配对， 同时传感器和磁体组件通常是在被统称为缆线 1440 的多个缆线的上方沿箭头 1434 的方向进行扫描。
但是， 已经发现， 如果考虑所提供的传感器的全部组合的话， 使用多于两对传感器 会导致进一步的提高， 远远超过简单地加快试验周期时间。于是在图 12 的配置的情况下， 除了考虑作为一对的 HE1 和 HE2 以及作为一对的 HE2 和 HE3 之外， 还可以把 HE1 和 HE3 当 成一对。在这种情况下， 通过三个传感器每一个之间的基本相等的间隔， 基于与 HE1 和 HE3 对应的对之间的增大间隔， 可以得到额外的信息。
此外， 使用较小的器件可能使传感器之间的间隔减小， 这些器件例如包括但不限 于与远远超过图 14 所示的三个的更多数量的传感器的设置耦合的表面安装芯片型传感
器， 可以获得进一步的优点， 即不仅能够改善试验周期时间， 还可以改善检测轮胎缆线中的 异常的能力。
现在， 参考图 7 至图 8， 可以更好地获得对于本技术的根本原理的进一步理解。作 为初步事项， 已经了解到， 使用图 14 所示的只考虑对 HE1、 HE2 和对 HE2、 HE3 的传感器配置， 可能会出现三个问题。当一个传感器与缆线损伤的区域连成一线时， 可能会出现第一个问 题。在提供可能不容易被传感器检测的非常低的通量泄露的低水平损伤的情况下， 由于最 大泄露接近传感器， 可能会出现第二个问题。第三， 缆线空隙可能大于传感器之间的间隔。
为了能够理解如何解决上述问题， 必须确定传感器排列和缆线损伤之间的理 想关系。使用单一完全缆线断裂作为例证 ； 但是， 可以很容易地将概念扩展到子缆线 (sub-cable) 损伤。已有定论， 一对传感器将提供自参照系统， 其中通过一个传感器上的正 通量检测与另一个传感器上的负通量检测来检测损伤。 损伤的理想位置位于磁体端部之间 的中心处， 传感器直接位于损伤的端部的上方， 如下文所述。 合成的损伤量值检测最后是来 自于每个传感器的绝对值之和 ； 因此， 理想的是， 每个传感器以感测来自于损伤的最大通量 泄漏的方式布置。
参考图 7 和图 8， 图 7 中显示了将一对传感器 HE1、 HE2 分隔开来所得到的永磁体所 产生的通量线， 从而传感器中心直接位于单个完全轮胎缆线断裂 706 的每个端部 702、 704 的中间的上方。图 8 显示了通量量值的标绘图， 所显示的箭头 802、 804 强调了当传感器的 中心位于单个完全轮胎缆线断裂 706 的每个端部 702、 704 的上方时的示意性的读数。从图 8 的标绘图在箭头 802、 804 处可以看出， 最大通量泄漏直接位于损伤的每个端部 702、 704 的 中间的上方。
图 9 和图 10 显示了上文所确定的第一个问题， 即一个传感器 HE1 与缆线损伤 906 的区域连成一线的问题， 与位于缆线断裂端部 902、 904 之一的上方形成对比。在这种情况 下， 在图 10 的通量量值标绘图中可以看出， 箭头 1002 和 1004 分别表示位置如图 9 所示的 每个传感器 HE1、 HE2 的中心处的通量量值， 由于传感器的位置偏离如前面的图 7 所示的位 于损伤的端部的上方的最佳布置， 因此传感器都没有检测到可获得的全部泄漏。
上文所确定的第二个问题， 即损伤的边缘比传感器之间的间隔更加紧密的情况下 的低水平损伤检测的问题， 至少部分地涉及传感器的中心到中心的间隔。在一种示意性配 置中， 中心到中心的间隔被设定在 10mm。在这种情况下， 较小的损伤可能会偏离中心 (pass off center) 并且远离每个传感器的最佳位置。尽管损伤可能足够接近一个传感器， 以提 供适当的通量泄漏指示， 但是另一个传感器可能会远离损伤的边缘， 以至于其不具有通量 泄漏的指示。对于所指出的示意性的 10mm 间隔， 只有当损伤是 10mm 宽时， 该间隔才是最优 的。
现在参考图 11 和图 12， 显示了上文所确定的第三个问题的效应， 即异常空隙大于 传感器间隔的问题。如果损伤空隙大于传感器 HE1、 HE2 的中心到中心的距离， 则最大通量 泄漏无法被检测到， 因为传感器将不位于损伤 1106 的边缘 1102、 1104 处。如图 12 中箭头 1202 和 1204 所示， 图 11 中所显示的在每个传感器 HE1、 HE2 的中心处感测到的通量泄漏不 是最大通量泄漏， 因此这种最大通量泄漏在该配置中将不会被感测到。
为了解决这些问题， 本技术提供了上述实施例的两种变形， 其协同工作以提供改 进的异常检测。如果只想要解决第一个问题， 即传感器对错误地与最大通量泄漏连成一线的问 题， 通过减小后续的轮胎的扫描之间的间隔以增加损伤落在传感器对之间而不是偏离传感 器对的可能性， 可以解决这个问题。 但是， 这种方案将具有增加轮胎的完全扫描的周期时间 的不良作用， 当然这种方案根本不会解决第二个问题和第三个问题。
根据本技术， 通过对传感器组件的修改的组合连同用于分析传感器输出信号的方 法的修改来解决全部三个确定的问题。参考图 13 可以看出传感器的示意性的结构修改， 而 参考下文的表 1 可以更清楚地理解对信号分析方法的修改。物理修改涉及将尽量多或者尽 量适当的传感器紧密地装入前面所使用的同一个印痕 (footprint) 中。
在如图 13 所示的所要试验的轮胎缆线的位置关系的示意性配置中， 六个表面安 装芯片型磁性传感器 HE1-HE6 在印刷电路板 1310 上沿公用线布置。在一种示意性配置中， 六个表面安装芯片型磁性传感器 HE1-HE6 可以以 4mm 的中心到中心的间隔来放置， 得到大 约 20mm 的阵列总长度。传感器 HE1HE6 以类似于上文参考图 14 所描述的方式布置在公用 线上， 磁体 1320 沿着相同的公用线布置， 从而与传感器阵列关联。在一种示意性配置中， 芯 片型磁性传感器 HE1-HE6 和磁体 1320 可以对应于结合图 14 描述的磁体 1420。
应注意的是， 传感器之间的其他间隔是可能的， 有效地减小传感器之间的间隔的 其他传感器阵列配置也是可能的。例如， 物理上相同的六个传感器的第二阵列可以与第一 阵列平行地布置， 并且放置成使得第二阵列中的传感器之间的间隙落在第一阵列中的传感 器之间的间隙之间。 这种针对信号处理系统进行了适当调整的放置方式将有效地将传感器 之间的间隔减少一半。当然， 这种概念可以扩展到第三、 第四等等的平行传感器阵列。
如上文所指出的， 简单地减小磁性传感器 HE1-HE6 之间的间隔只解决了所确定的 第一个问题。根据本技术， 通过增加对信号分析方法的修改， 来解决所确定的其他问题， 其 中图 13 的示意性配置中的每个传感器 HE1-HE6 与阵列中的每个其他的传感器配对。在这 种设置中， 传感器 HE1、 HE2、 HE3、 HE4、 HE5 和 HE6 的六个传感器的阵列提供了下列十五对传 感器 ：
根据本技术， 估计每个传感器的输出信号量值， 最强正通量泄漏检测信号与最强 反向 ( 即负的 ) 通量泄漏检测信号配对， 以提供产生合成损伤量值信号的 “对” ， 排除该特殊 部分的其余信号， 即轮胎的方位角。换言之， 最高正信号与最高负信号配对， 其余的信号被 忽略。作为示例， 参考图 5， 选择与 502 处的正相信号和 504 处的负相信号类似的信号来配 对， 而较小的所示信号将被忽略。 通过使用这种装置配置和分析方法， 前面所阐述的所有问 题都将被考虑到， 传感器更有可能经过损伤缆线的最大通量泄漏附近并且允许信号处理方 法选择性地确定哪一个传感器提供了该信号。
尽管已经参考本主题的具体实施方式详细描述了本主题， 但是应了解的是， 本领 域技术人员当理解了上文时， 可以容易地得到这些实施方式的更改方式、 变化方式和等效 方式。因此， 本公开的范围是例示性的， 而不是限制性的， 主题公开不排除包含本领域普通 技术人员显而易见的对于本主题的这种修改、 变化和 / 或增加。