专利名称：轮胎金属缆线异常检测方法和装置的制作方法
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禾口装置(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。
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χ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IOmm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。
具体实施例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HEl、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M-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χ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2M 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Ul、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Ul、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、TO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、TO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IOX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 !^presentation)。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(图幻的视觉指示器，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(图幻的手动调节。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HEl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 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HEl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HEl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 HEl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HEl 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HEl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HEl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HEl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HEl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HEl和HE2以及作为一对的HE2和HE3之外，还可以把HEl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HEl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HEl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IOmm间隔，只有当损伤是IOmm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HEl、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
权利要求
1.一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。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个磁场传感器包括表面安装霍尔效应传感ο
3.根据权利要求1所述的装置，其中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，以产生损伤量值信号，而忽略其余的电信号。
4.根据权利要求1所述的装置，其中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。
5.根据权利要求1所述的装置，进一步包括被配置为支撑所述多个磁场传感器和所述磁体的结构，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。
6.根据权利要求1所述的装置，进一步包括自动控制系统，所述自动控制系统被配置为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。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个磁场传感器包括至少三个磁场传感器。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述磁体为永磁体。
9.一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。
10.根据权利要求9所述的方法，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。
11.根据权利要求9所述的方法，其中检测信号之间的差异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。
12.根据权利要求9所述的方法，其中放置磁场传感器包括放置表面安装霍尔效应传感器。
13.根据权利要求9所述的方法，其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。
14.根据权利要求9所述的方法，其中放置多个磁场传感器包括放置至少三个磁场传感器。
15.根据权利要求9所述的方法，其中放置磁体包括放置永磁体。
全文摘要
本发明公开了一种用于检测轮胎结构内的缆线中的异常的装置和方法。多个磁场传感器在磁体所提供的磁场内对齐。传感器和磁体的对齐使得来自于磁体的通量线大体上平行于磁性传感器占据的平面。磁场敏感传感器之间存在的轮胎缆线异常产生磁场敏感传感器所产生的信号中的可检测的差异，作为异常所产生的垂直通量分布的形成的结果。从传感器接收输入信号的信号处理电路通过将每个传感器的输出信号与多个传感器的其他每一个的输出信号配对来评估来自于多个传感器的每一个的信号之间的差异，并且当差异满足所选择的标准时产生输出信号。输出信号可以包括外部可测量信号和/或可以包括指示轮胎异常的存在的视觉信号。
文档编号G01M17/02GK102439411SQ201080022614
公开日2012年5月2日 申请日期2010年3月31日 优先权日2009年4月9日
发明者D·A·杰德, F·E·格拉姆林, G·E·德米希斯, L·布朗东 申请人:米其林技术公司, 米其林研究和技术股份有限公司