本发明涉及一种用于检测具有至少一个传感器的弹性结构的特性的系统和方法，并且所述系统包括至少一个检测器。

圆柱形主体，例如由橡胶、人造或有机材料等制造的轮胎或其它结构，由于与其它表面的接触而变形。而且，随着时间的发展，不同结构的特点和功能被恶化。
除了圆柱形主体之外，例如纸、纸板、织物或例如线毡带或造纸机器材的传送装置的板材的扁平主体的特点尤其相关。
已经建议了用来检测变形的不同方法和设备，例如，WO00/02741公开了一种使用传感器计数气胎转数的方法和装置，其相应于轮胎在例如路面的承载表面上在负载下旋转时的周期机械应力。所述传感器可以由电连接到转数计数模块的压电元件构成。压电元件通过螺纹或侧壁以这样一种方式适用于附着到轮胎的内壁或嵌入在轮胎的内壁之内，所述方式能够使其在包含压电元件的轮胎圆周部分压在道路或其它车辆支持面时随轮胎弯曲。
US6,105,423公开了一种包括用来检测车辆上的气胎的旋转的压电条的传感器。所述压电条有效地在其两端固定，其端部还通过粘合剂附着到轮胎的内表面上的两个相互间隔的点上。压电条的中心被附着到基体的中心，然后在所述条的所述端点之间在胎面接触块附着到轮胎的内表面中间点。从而，当轮胎面从其正常弯曲形状变平时，所述条的中心相对于其端部的固定点迅速向内移动。电子电路部件处理所述信号以便快速产生输出脉冲以便快速向内移动接触点。
US4,862,486公开了一种包括压电聚合物传感器的装置，其使用每次旋转来检测轮胎的给定部分被压时的应力变化。所述压电聚合物包括当对轮胎加力时用来在压电聚合物传感器上施加和释放应力的成排电极。所述装置被安装在轮胎的内侧壁上。
JP04254730A公开了一种用来监视轮胎气压的设备，其允许在轮胎周围环境在相对波动而稳定的同时不断检测轮胎压力。所述设备包括压电元件，其阻抗根据轮胎的气压而变化，并且边缘线圈也根据轮胎周围环境的波动而变化。
US5,546,070公开了同时使用压电陶瓷元件作为传感器以及作为用来提供发射单元的电容器的能源。
DE197 457 34 A1显示了检测磨损和记录轮胎面的传感器。所述轮胎包括单个的元件，然而，它们并不是分离的。在FR2645799中，在轮胎的特定深度安排磁质量，从而，可以对其进行监视。
US5,559,437涉及用来例如在翻新轮胎之前检查旧轮胎的状态以非破坏性地验证旧轮胎的金属加强元件的状态的方法和装置。US6,005,388涉及用来检测轮胎中的缺陷的方法。
当扁平结构通过一个或多个圆柱体，用来检测扁平结构的特性的现有技术是在圆柱体自身内设置传感器。这种现有技术的例子包括：W002/066239,US5,562,027,US2003/0144119,EP0538 221,DE199201 33，WO03/027623，US5,821,433和US6,370,961。
概括来说，本发明和现有技术之间的主要不同在于，本发明从传感器到检测器使用信号的电容和/或电感传输，其消除了对传感器和天线元件加电的需要。

本发明的一个目的是提供一种确定扁平或基本上圆柱形主体的状态的装置，其是弹性的(可变形的)，尤其是可旋转的主体或结构。所述状态主要包括材料的变形。
优选地，所述基本上圆柱形的弹性旋转主体是轮胎或其部分，并且所述装置例如用来确定运动，例如，旋转，其有助于确定车辆的速度、刹车性能、气压等。
然而，本发明的另一个目的是提供一种在装置或相关结构以及它们的组合中确定基本上圆柱形的旋转主体的状态的装置。优选地，在该情况下，圆柱形的旋转主体可以是用来供给例如纸等片材的滚筒或圆筒。在该情况中，使用该装置例如来确定材料的移动和出现、旋转速度、滑动特性。
而且，根据本发明的一个主要方面，通过使用包括压电塑料或聚合物材料的传感器，给出了例如可以具有较大检测器元件的特定优点。而且，所述压电塑料材料比压电陶瓷材料更便宜。进一步，所述压电塑料材料还可以提供比所述压电陶瓷材料更大的张力和效果。另外，这两个主要优点是用于本发明的压电弹性塑料材料的各向异性特性和非脆性(塑性)。
根据本发明更优选的方面，其用作用来测量在挤压辊压力机中的辊的挤压力、挤压压力和/或挤压宽度的检测器，以例如用来制造例如纸等片材料。
然而，本发明还可以具有在要测量的结构中被分离和分解的磁性材料或以细薄片等形式的磁弹性材料形式的传统类型的传感器。
附图说明
下面参考在附图中所示的实施例来描述本发明，其中：图1a是使用根据本发明的设备的第一应用的示意性截面图，图1b是使用根据本发明的设备的第一应用的示意性前视图，图2是使用根据本发明第二方面的第二应用的示意性截面图，图3是使用根据本发明第三方面的第三应用的示意性截面图，图4a是包括根据本发明第四实施例的设备的装置的示意性侧视图，图4b是根据图4a的装置的前视图，图5a是使用根据本发明第五实施例的设备的装置的示意性侧视图，和图5b是根据本发明第六实施例的装置的示意性侧视图。
图6-8显示了等效电路图，图9是第七实施例的示意图，图10显示了等效电路图，图11是通过封装了根据本发明装置的传送器的截面图，图12是根据图11的部分传送器的侧面图，图13是通过封装了根据本发明另一个方面的装置的传送器的截面图，和图14是通过封装了根据本发明一个实施例的装置的传送器的截面侧视图。

为了概括本发明，在下面描述的所有传感器的典型实施例可以由不同的材料来构成，例如：压电材料，其基于变形产生电荷。所述电荷可以被转换成信号(电压和/或电流)。该信号可以由外部装置(电天线)检测，或其可以驱动低功率放大器，该放大器增强该信号。该放大器可以被放置在主体自身之内。外部设备可以检测该放大的信号。
磁性材料(永久磁性)，例如磁条或磁性粒子。
磁弹性材料，其基于变形来改变其磁化。当变形的材料返回到其非变形状态时，该磁化也返回到其初始状态。磁性天线，例如合适的线圈，可以检测磁性材料。
在第一应用中，图1a和1b中示意性显示了基本上圆柱形的旋转主体13。在该情况下，主体13包括车辆12的轮子10，其包括轮胎13。多个传感器，例如，六个，安装在轮胎13上/轮胎13内或嵌入在轮胎材料内。轮胎13是传统类型的轮胎，并由有机、有回弹力的、弹性、橡胶化材料制成。传感器111可以优选地布置在金属加强件的内部或在轮胎13的表面上。
在图1b中，每个传感器111是带形的，并且基本上布置在轮胎13的轴线方向上，但是也可以在径向上延伸(图1a)。然而，在根据图2的第二应用中，另一种类型的传感器112被布置在轮胎13的纵向、外围方向上。
传感器111和112由压电聚合物材料或磁弹性材料构成。在轮胎旋转期间，由于轮胎13和地面之间的接触，轮胎13被局部拉伸。尤其是在轮胎13和地面之间的接触区域被局部拉伸。从而，轮胎13的拉伸导致了在接触地面部分的轮胎部分附近内的传感器元件的拉伸并产生信号。在短时间之后，该元件放松回到其初始形状，并且信号变为零。接着，下一个条纹被变形等等。典型地，大约100km/h的速度、和具有大约0.5m的半径(在条纹位置)并具有六个条纹的轮子给出大约1kHzd频率。
当两侧的拉伸传感器111通过合适的电阻(没有示出)被短路时，产生该信号。
磁检测也是可以的，例如，通过在轮胎上建立作为合适线圈形成的磁路，其可以用来产生脉冲磁场，该磁场例如可以通过与车辆主体结合布置的天线来检测。信号接收机是这种天线的重要部分，其可以作为在由轮胎13中的线圈产生磁场时充电的另一线圈来配置。此外，该装置也可以安装在轮胎13内的金属加强件的内部。
另一个可能性是使用磁弹性材料，其作用几乎类似于压电材料。当变形时，其改变其磁化，并在变形放松到平衡时返回到其初始磁化。再次，在该情况下，可以使用在车辆主体上的合适的磁检测。
然而，相反，图2所示的第二实施例中的传感器112，在包含传感器的部分轮胎与地面接触期间拉伸。在该时间间隔期间，产生电信号。如果条纹的长度是已知的，那么就可以简单地通过用电压/电流脉冲的持续时间除该长度来获得旋转线速度。
通过由于车辆旋转产生的脉冲的频率可以提供附加信息。两者相互相关，并与轮胎运动的线速度相关。在根据脉冲持续时间和轮胎旋转频率(其与轮胎旋转的角速度成比例，通过假定某一轮胎直径，例如轮胎在合适的气压所具有的直径，可以根据该角速度来计算轮胎运动的线速度)，使用合适的软件计算的轮胎线速度的差值应当是常数。当该差值不是常数，而是随时间变化时，就发生信号通知刹车。
另外一种确定是否刹车的方法是相互比较从置于其它轮子上的装置获得的读数(频率或时间间隔)。当没有刹车的运动时，该传感器读数给出每个轮子的一致速度。当发生刹车时，从刹车轮子获得的读数将不同于从非刹车轮子获得的读数。
此外，由于这改变了轮胎的直径从而分别改变由每种方法确定的线速度的差值，所以小而慢改变的差值指示气压不正确。
在本发明的第三实施例中，传感器14被布置在轮胎材料的内部，参见图3。在该情况下，传感器14由磁性材料构成，其分散且分解在轮胎13的材料中，并优选地布置在轮胎13的顶层。磁性传感器14被间隔布置在轮胎13的内部(距离15)。当轮胎磨破时，结果是：(1)磁性材料量降低，和(2)轮胎13和优选检测器装置之间的距离，下面将解释检测器装置。
在所有前面提到的实施例中，用来检测传感器111、112和14(或来自传感器的信号)的一个或多个检测器装置16被布置并产生信号。优选地，检测器16被布置在传统车辆中靠近于轮胎13的车轮外壳内。有利地，在要测量的轮胎13的每侧上布置两个检测器16，并且它们相互处于指定的距离。
更优选地，由传感器产生的信号使用电容和/或电感传输被发射到检测器，如在图6-14的实施例中公开的那样。
根据本发明第一和第二实施例的装置10被用来指示运动。此外，还可以测量大气压力；由于传感器112被拉伸，所以轮胎13由于气压而变形。
然而应该注意，仅使用如图1a那样径向放置的条纹或仅使用如图2或3那样纵向放置的条纹不允许确定在正常使用期间轮胎中的慢的压力减少，这是因为压电材料对于慢变形率不敏感。
在第二实施例中，速度是通过指示在接触地面的传感器112和条纹形传感器112的长度之间的时间间隔获得的。
而且，为了获得车辆轮子的空转特性，还可以比较轮子的轴频率和地面接触的频率。如果这些频率不同，那么就可能发生空转。
在第三实施例中，指示了材料特性，例如，在轮胎13中的磁性材料的量。信号的强度随着磁性材料14量的减少和轮胎13和检测器装置16之间的距离的增加而降低，由此可以确定磨损。
清楚地，在上面提到的例子中，可以使用任意的旋转结构来替换轮子。
下面，结合示意图4-5b描述根据本发明附加实施例用来确定材料的状态和特性的装置20和30，其与例如纸等片形材料产品的应用相关。在这些实施例中，这些条件和特性主要指的是材料的存在以及运动。
装置20和30包括至少一个基本上圆柱形的旋转主体，其在下面表示为辊23和33。结构22和32被布置来与辊23和33共同工作/相互作用。在此情况下，结构22和32可以是线、带、纸片、钞票、纸币等。而且，结构22和32相邻于辊23和33布置；然而，在某些情况下，结构22和32可以部分或完全布置为至少部分与辊23和33接触。
在图4a中，带或传送器22在例如造纸机中的三个辊23之间延伸。传感器211和212被布置在带22的材料内部，如在图4b的侧面视图所示。在此情况下，传感器211和212被集成在带22中，或者在带22的径向方向中，和/或在其横向方向上。传感器211和212可以由压电聚合物材料或磁弹性材料的线构成(其可以由，也可以不用由合适的聚合物来覆盖)。而且，至少一个检测器416与传感器211和212和造纸机一起被布置。
在造纸机的运行期间，当带22通过辊23时，传感器211和212遭受额外的压缩和拉伸。如果传感器211被布置在带22的横向方向，则测量传感器211遭受额外张力时所获得脉冲的频率。该频率与速度成比例，并且可以容易地通过合适的软件计算辊21的速度。可选地，如果传感器212被布置在纵向方向中，那么可以使用与上面结合轮胎描述的基本上相同的方式来测量辊23的绝对线性旋转速度，并随后转换成频率，其然后与带22的频率进行比较。
这样，可以测量应当为常数的带22的速度以确保其在辊23上不滑动。还可以根据辊23的旋转速度测量带22的速度。在此方式中，可以检测带22在辊23上是否滑动，其依次指示带22是否可能由于其拉伸而耗尽，并且应当进行替换。
在该实施例中，还可以使用磁粒子作为压电聚合物材料的替代。这些磁粒子以上述相同的方式被织到横向或纵向线上。结果，主要信号不是电脉冲，而是磁场脉冲。磁场脉冲可以通过例如霍耳传感器或线圈来检测。而且，脉冲磁场在线圈中产生电流脉冲。还可以在线中使用基本上磁弹性材料；从而线的弹性变形将产生磁场变化。
自然地，该实施例还可以用在其它涉及拉伸例如布或织物等材料的应用中，其中该运动可以通过辊来控制。
在图5a所示的第五实施例中，两个辊33优选地布置在用来馈送纸片(或其它信息载体)的打印机应用20中。至少一个传感器331被布置在打印纸的表面，或基本上处于打印纸32的内部。在优选的实施例中，传感器331包括基本上集成在纸32内部的薄片。可以布置至少一个检测器516来检测传感器的存在。
在此情况下，该运动以例如在打印机中的中断形式来表示，如果纸张移动通过打印机辊的速度和打印机辊的速度是已知的，那么可以预测该运动。
图5b显示了处于用来馈送钞票、纸币等银行纸张应用形式的另一个优选实施例，其主要设计作为上面描述的打印应用中。不同在于至少一个传感器312被作为条纹来布置。优选地，多个传感器312构成了在银行纸张或纸币32中的条形码。
在后面的应用中，钞票和纸币在辊33之间传递，其读取由于传感器产生的脉冲的频率。然后，通过传感器312之间的距离和馈送配置，即，辊33馈送钞票的速度确定该频率。如果钞票或纸币是伪造的，那么传感器将不存在，或者在条形码312之间的距离将变化，这将引起频率的变化。从而，在该情况下，就指示存在以传感器312形式的材料，而没有移动特性。
如上提到的那样，在上面提到的所有实施例中，还可以用磁弹性材料替换压电聚合物材料。接着，传感器优选地具有如薄片的形状。薄片的拉伸或压缩引起磁化的局部变化，当材料保持其原来形状时，其逐渐减弱。
因此，在首先提到的实施例中，在例如所有类型的机器中的传统辊的其它应用中，例如，造纸机、打印机、用于钞票和纸币包括辊的银行纸张的应用，和在本发明其它实施例中的通常的橡胶材料的装置中，主体13可以完全或部分地由布置的轮胎、辊、滚筒、圆筒、输出辊筒、包橡皮的圆筒、鼓筒、孔形圆筒、及其它附加物构成。
传感器111、112、14、211、212、311和312可以包括条纹形带、薄片、线、粒子等。而且，检测器装置16优选地由线圈、应答器等构成。最后，还可以将传感器111、112、211、212、311和312相互垂直放置以获得绝对速度，即，独立于所述基本上圆柱形主体13、23、33的半径。
图5a和5b的实施例也可以实现由辊33和例如靴压、线、毡制品或带等传送器形结构32形成的挤压。传感器311被布置在结构32的内部，该结构向接收机提供有关辊之间的挤压中的压力和压力分布的信息。最优选的应用是例如在挤压辊、滚筒压力机、Yankee机、靴压、造纸机的平滑涂覆机或任何其它用来对通过其的结构应用压力的装置。
最优选地，所述传感器可以由聚合物压电材料构成，例如PVDF，聚偏二氟乙稀。这些传感器根据应用的领域可以是薄膜、缆线、线和丝等形状。
基本思想在于，当具有两个电极的压电材料经受压力时，获得电压变化作为电极之间的输出信号。图6显示了压电聚合物传感器的等效电路，其将压电聚合物传感器实现作为具有截止频率f0的高通滤波器：
f0=12πRCf----(1)]]>当负载被施加到压电传感器时，在该聚合物压电材料中获得电荷位移，其产生直接与加载到传感器上的力成比例的电压U。电容Cf是在两个电极之间的绝缘材料的结果，并且其值依赖于传感器类型(薄膜、线)，其尺寸和所使用材料的相对绝缘常数。R是包括聚合物材料电阻和测量单元的输入电阻的总电阻。
当测量时，测量输出信号Vout，但是提供在传感器上的力的U是相关的值。Vout、U是通过下面来获得的：Vout+RCfdVoutdt=RCfdUdt----(2)]]>Vout=UjωRCf1+jωRCf----(3)]]>如果整个传感器没有被加载，那么聚合物电容在相应于承载区域的电容CA中被分割，如图7的电路图所示那样。Cp相应于空载部分。
由于在PVDF材料上的绝缘损耗，如果该传感器被预料处于传感器电极之间，那么就可以获得明显的与电阻和电容无关的频率。这种效果必须认为是能够从传感器系统获得从传感器力负载到输出信号的完全转换功能。与电阻和电容无关的的频率可以通过插入平行于CA和Cp的电阻RA和Rp来实现，如在图8的电路图中所示的那样。其中：RA=1ωC0Aϵ′′,RP=1ωC0Pϵ′′,CA=ϵ′C0AandCP=ϵ′C0P]]>其中ε′和ε″是绝缘材料(例如，PVDF)的相对介电常数的实部和虚部，C0A和C0p是没有绝缘材料的传感器的电容，ω是频率。
该电路将阻断足够高频率的信号，即，带通滤波器。
例如，由于在传送器中已经集成了传感器，所以必须检测该信号并将其发射到处理单元。根据本发明的一个优选实施例，其通过无接触通信来实现。
图9显示了本发明一个用来检测Vout的实施例。传送器92在两个(挤压)辊93之间延伸。传送器包括许多压电传感器911(为简单起见只显示了一个)。两个导体913被作为连接到压电传感器的输出的天线来布置。为了从天线913接收发射，接收机天线916相邻于传送器布置。优选地，接收机天线916包括两个导电盘。然后，该导电盘被连接到接收机915，该接收机包括差分放大器和模数转换器(ADC)，其中，从天线接收的模拟信号通过以预定的速率抽样被转换成数字信号，并被发射给信号处理单元，例如，计算机95内的信号处理单元。清楚地，接收机915可以集成在计算机95内。处理信号的结果相应于压电传感器所承受的力。
无接触传输可以与电容耦合进行比较，即，耦合电容CK是在发射天线和接收机天线之间获得的。图10显示了包括压电传感器、天线、放大器和数据集的整个系统的等效电路图。R1是放大器的输入电阻，该放大器可以是电荷或电压放大器。CK的值将根据发射和接收天线的相对位置而变化。为了补偿该变化，发射机天线可以做的小于接收机天线，如此来跟踪整个挤压过程。为了获得辊之间的压力值，从压电传感器加载直到传感器通过滚筒挤压，跟踪来自传感器的信号。这需要接收机天线的范围大于发射机天线。发射机天线必须做的较小以允许包括在传送器材料内。
图11是通过根据图9的传送器92的横截面图，其显示了传感器911、发射天线913和接收天线916。传感器在图的平面内延伸。为了获得发射和接收天线之间良好的电容耦合，发射天线必须以这样一种方式间隔放置，使得最小或零电场线处于发射天线之间。目的在于电场线的主要部分在发射机和接收机天线对之间延伸。
压电传感器1211可以分布在传送器1202内，如图12所示。1213表示发射天线。箭头表示传送器的运动方向。传感器的重叠配置允许连续信号捕获。然而，信号处理单元必须在天线之间切换以获得相关信息。该实施例允许测量在传送器的宽度方向上的压力分布。
知道每个压电传感器的长度，或在不同传感器之间的距离，根据每个压电传感器产生的每个信号的开始和结束，允许计算传送器的实际速度。这样，还可以检测带或机器覆盖是否具有歪斜的运动，即，在不同部分的不同速度。
优选地，一个接收天线被用于每个发射天线，然而，如果该信号电平足够强，或如果可以在来自不同压电传感器的信号之间可以区分，那么一个在传送器的宽度上延伸的天线将是足够的。
在传感器中的变化和弯曲可能会引起不正确的信号读取；为了降低或消除该问题，可以使用在负载传感器之间的不同信号，即，通过挤压，和空载的传感器。该技术暗含产生两个相邻传感器之间的差分信号。可以使用相同的差分技术来补偿温度的变化。在此情况下，可以使用两个相邻的负载和空载传感器以便它们实质上具有相同的温度。从而可以测量温度变化。
先前所描述的电容传输可以通过电感传输来代替。在此情况下，如图13所示，线圈1313用作发射机而不是天线。接收机天线使用另一个例如具有磁芯的线圈1316代替以从发射机线圈1313获得更强的信号。接收机线圈可以用先前描述的相同方式连接到放大器1314和信号处理器1305。
在另一个实施例中，如图14所示，布置在传送器1402内的压电传感器1411可以被折叠以便压电传感器工作在弯曲模式，其提供了比厚度模式更好的信号电平。这样连接在传感器的端部的天线1413被布置在传感器的一侧，并处于与接收机天线1416相同的电平。箭头指示了传送器的移动方向。
上述实施例并不于使用压电传感器，还可以使用磁弹性材料。在此情况下，传感器和天线是相同的，并可以使用电感检测。
在另一个实施例中，充当导体中的芯的磁性材料可以包括在传送器中，同时接收机被布置作为线圈用来恢复电感变化。
在例如造纸机中，使用从传感器产生的信号来通过例如计算机实时控制辊之间的距离以及辊的出现和挤压的出现。
而且，应该理解到，术语“传送器，，考虑为用于不同类型材料的任何类型的承载装置并处于不依赖于由其构成的材料的任何应用。还可以考虑通过辊的材料自身。
本发明并不限于所示实施例，并可以例如通过组合两个或多个所示的实施例以多种方式进行变化，而不脱离所附权利要求书的范围，并可以基于应用、功能单元、需要和要求等以多种方式实施所述装置和方法。