在轮胎高速动态测试中，如何实现非接触亚毫米级变形与应变的实时精准测量？【品质提升】

1. 轮胎的基本结构与动态测试技术要求

轮胎，作为车辆唯一与地面接触的部件，其性能直接关系到驾驶安全、舒适性、燃油经济性和操控稳定性。从结构上看，轮胎并非单一材料构成，而是一个复杂的复合体，主要包括胎冠（与地面接触部分）、胎肩、胎侧、胎圈（固定在轮辋上的部分）、帘布层（提供强度和形状）以及内衬层。这些层由橡胶、钢丝和纤维等多种材料精密结合而成。

在车辆行驶过程中，轮胎会持续承受复杂的载荷，包括垂直载荷、纵向制动/驱动力、侧向力以及路面不平带来的冲击。在这些力的作用下，轮胎会发生周期性的变形，比如滚动时，接地部分被压缩，非接地部分回弹。这种动态变形是轮胎工作的基础，但过大或异常的变形则可能导致性能下降、磨损加剧甚至安全隐患。

因此，在动态测试中，对轮胎变形的测量至关重要。这就像我们观察一个弹簧在反复压缩和拉伸时，如何精确记录它每一次长度的变化。对于轮胎来说，我们需要捕捉的不仅仅是一个点的位移，而是整个表面甚至内部的形貌变化，尤其是那些肉眼难以察觉的微小变形。核心技术要求在于：测量必须在轮胎高速运转时进行，不能干扰其正常运动；测量结果需要具备高精度和高分辨率，以捕捉细微的几何变化；同时，还需要具备足够的效率，以便快速获取大量数据进行分析。

2. 针对轮胎变形测量的相关技术参数简介

在轮胎动态变形测量中，我们关注的参数有很多，它们共同构成了评估轮胎性能的重要依据。理解这些参数的定义和评价方法，是选择合适测量技术的前提。

• 径向跳动与侧向跳动： 想象一个车轮在转动，如果它不是一个完美的圆形，那么它的半径在不同角度就会有微小的变化，这就是径向跳动。同理，如果车轮在转动时有左右的晃动，就是侧向跳动。这些参数通常通过测量轮胎在旋转过程中，胎冠或胎侧距离旋转中心或固定参考面的最大和最小距离来评估，越小越好。

• 胎侧鼓包/凹陷： 轮胎胎侧是相对薄弱的区域，在制造或使用中可能出现局部凸起（鼓包）或凹陷。这通常是内部结构损伤的信号。通过扫描胎侧表面轮廓，识别出与整体曲面不一致的局部异常形变来评价。

• 胎冠半径与轮廓： 胎冠的横截面形状直接影响轮胎的接地特性和排水性能。胎冠半径描述了胎冠表面的曲率，而轮廓则包含了更详细的形状信息。通过测量胎冠横截面上的多个点，然后拟合出其几何曲线和曲率来评价。

• 沟槽深度： 轮胎胎冠上的花纹沟槽深度是衡量轮胎磨损程度和湿地抓地力的关键指标。随着磨损，沟槽深度会逐渐减小。评价方法通常是测量沟槽底部到胎冠顶部的垂直距离。

• 三维位移与应变分布： 这是更深入的分析，旨在了解轮胎在受力状态下，表面任意一点的三维空间位置变化（位移）以及材料内部的变形程度（应变）。这需要高密度的数据点来构建轮胎表面的三维模型，并通过前后对比来计算位移矢量和应变张量。

3. 实时监测/检测技术方法

在轮胎动态测试中，为确保变形测量的精度和效率，非接触式测量方案通常比接触式方案更具优势。接触式传感器在高速旋转的轮胎表面施加接触力，可能导致测量误差、传感器磨损甚至影响轮胎的动态特性。而非接触式技术则避免了这些问题，能够更真实地反映轮胎在实际工况下的变形行为。

本部分将深入探讨市面上几种主流的实时监测/检测技术方案，并进行对比分析。

3.1 市面上各种相关技术方案

3.1.1 激光三角测量法（单点）

想象一下，你拿着一个激光笔照向一面墙，当你前后移动时，墙上的光点位置不会变，但如果你斜着拿着一个尺子去量光点到尺子的距离，光点在尺子上的位置就会随着你与墙的远近而变化。激光三角测量法就是利用这个原理。

工作原理和物理基础： 传感器内部包含一个激光发射器和一个位置敏感探测器（PSD）或CMOS相机。激光器发射一束细小的光束（点激光）照射到被测轮胎表面。当轮胎表面位置发生变化时，反射回来的激光点在探测器上的位置也会随之移动。由于激光发射器、反射点和探测器之间形成一个直角三角形，通过几何三角关系，就可以根据探测器上光点位置的变化，精确计算出传感器与被测物体表面之间的距离。

其核心测量公式可以简化为：

d = L * sin(θ) / sin(φ)

其中：* d 是传感器到被测物体表面的距离。* L 是激光发射器和探测器之间的固定基线距离。* θ 是激光束相对于基线的发射角度。* φ 是反射光束相对于基线的接收角度，这个角度会随距离变化而改变。

通过测量φ的变化，就可以推导出d。

核心性能参数的典型范围：* 测量范围： 通常从几毫米到数百毫米不等，比如10mm到500mm。* 精度： 一般可达到满量程的±0.05%至±0.1%左右。* 分辨率： 高达满量程的0.01%甚至更高，可以检测到微米级的位移。* 测量频率（响应时间）： 极高，可达数千赫兹甚至上万赫兹，非常适合高速动态监测。

技术方案的优缺点：* 优点： 测量速度快，能够实现高频率的实时数据采集；精度高，可捕捉微小位移；非接触式，不会对轮胎表面造成磨损或干扰；传感器体积可以做得非常小巧，方便安装在空间受限的测试环境中；对被测物体的材质和颜色适应性较好，尤其是有蓝光或UV激光选项时。* 局限性： 每次只能测量一个点，如果需要获取整个轮廓或区域的变形数据，需要通过扫描机构（如机械臂或旋转台）来移动传感器，或者配合多个传感器才能实现。对于高反光或镜面物体，测量可能会受到影响，但现代传感器已通过算法和光学设计大大改善。* 成本考量： 单点激光位移传感器价格相对适中，但如果需要构建多点或扫描系统，则需要增加传感器数量或配合机械扫描装置，整体成本会相应提高。

3.1.2 激光线轮廓测量法

这项技术可以看作是单点激光三角测量法的“升级版”。如果说单点激光是在轮胎上投射一个“点”，那么激光线轮廓测量就是投射一条“线”。想象你不是用激光笔，而是用一个激光线灯去照轮胎，你就能一次性看到一条线上的所有凹凸。

工作原理和物理基础： 传感器内部同样有激光发射器和CMOS相机。不同之处在于，它发射的是一条扇形的激光线（而不是一个点），这条线投射到被测轮胎表面，形成一条明亮的激光轮廓线。当轮胎表面有起伏变化时，这条激光线在不同位置的反射光线会以不同的角度返回，并被CMOS相机捕捉。CMOS相机能同时识别激光线上所有点的反射位置。通过对这些点的图像进行三角测量计算，就可以实时重建出这条激光线所扫描到的二维表面轮廓。

其原理与单点三角测量相似，但将单点扩展为线：Z = L * sin(θ) / sin(φ)其中，Z是垂直高度，L是基线，θ是发射角度，φ是接收角度。这里φ不再是一个单一值，而是激光线上每个点的对应值。

核心性能参数的典型范围：* 测量范围： Z轴（高度）通常为几毫米到几十毫米，例如20mm；X轴（轮廓宽度）从几十毫米到几百毫米。* 重复精度： 可以达到微米级，例如0.25 µm。* 采样速度： 非常高，最高可达64kHz，可以快速获取动态变化中的轮廓数据。* 检测点数： 每条轮廓线可以包含数百到上千个测量点，提供详细的轮廓信息。

技术方案的优缺点：* 优点： 能够快速获取被测物体某一切面的完整轮廓数据，比单点扫描效率更高；非接触式，不损伤被测物；精度高，适用于轮胎的径向/侧向跳动、沟槽深度、胎冠半径等在线检测。* 局限性： 依然只能测量一个二维切面，要获取整个三维表面数据，需要将传感器或轮胎进行相对移动扫描，这会增加系统的复杂性。* 成本考量： 比单点激光传感器成本更高，但其提供的数据量和效率也显著提升。

3.1.3 数字图像相关法 (DIC)

想象一下，你在一块弹性布料上随机画满了小点点，然后拉伸这块布料，这些点点之间的相对位置就会发生变化。数字图像相关法（DIC）就是通过高速相机捕捉这些“点点”的变化，来计算物体表面的变形。

工作原理和物理基础： 首先，需要在轮胎表面喷涂一层随机分布的散斑图案，就像给轮胎穿上了一件“花衣服”。然后，使用两个或更多个高分辨率、同步的高速相机，在轮胎进行动态测试（如滚动、受压）时，从不同角度连续捕捉轮胎表面带有散斑图案的图像序列。

通过先进的数字图像处理算法，系统会识别并追踪散斑图案中每个微小区域（子区）在不同时刻、不同相机图像中的像素位移。基于这些像素位移，并结合立体视觉的原理（类似于人眼看东西有深度感），就可以精确计算出轮胎表面上所有被追踪点的三维位移矢量。进一步，通过对这些位移数据进行微分处理，就能得到物体表面的全场应变分布。

核心测量原理：假设在图像中一个子区的灰度强度分布为f(x, y)，经过变形后变为g(x', y')。DIC算法的目标是找到位移场u(x,y)和v(x,y)，使得：Sum[f(x, y) - g(x + u, y + v)]^2 最小化通过这种优化过程，可以计算出每个子区的位移。

核心性能参数的典型范围：* 测量精度： 亚像素级，应变精度可达微应变量级（例如，0.005%应变精度），这意味着能捕捉到非常微小的变形。* 测量速度： 取决于所选高速相机的帧率，目前高端相机可达数千至数十万帧/秒，非常适合捕捉高速动态过程。* 测量范围： 从微米级到数米级，灵活性强，取决于相机分辨率和光学配置。* 全场测量： 能够一次性获取物体整个可见表面的三维位移和应变数据，而非单一的线或点。

技术方案的优缺点：* 优点： 提供非接触、全场的三维位移和应变数据，能够全面分析轮胎在动态加载下的复杂变形行为，包括应力集中区域；测量数据直观，可视化效果好，易于理解；适用于各种材料和几何形状。* 局限性： 需要对轮胎表面进行预处理，喷涂散斑图案，这在某些生产线上可能不太方便；对环境光照有一定要求，需要避免反光或阴影；系统成本相对较高，涉及到高速相机和强大的图像处理软件。* 成本考量： 高速相机和专业的DIC软件系统价格不菲，通常用于研发、验证和高端质量控制场景。

3.1.4 接触式触针轮廓测量法

这项技术原理非常直接，就像你用手指去摸一个东西的表面，通过手指的上下移动来感受它的高低起伏。只不过，这里用的是一根非常精细的触针。

工作原理和物理基础： 传感器带有一根非常细小的触针（通常由金刚石制成），以预设的速度和接触力在被测轮胎表面（或模具）上缓缓移动。当触针沿着表面移动时，它会随着表面轮廓的起伏而上下运动。触针的垂直位移通过内置的高精度位移传感器（如激光干涉仪、电感传感器或压电传感器）精确捕捉和记录下来。这些垂直位移数据被转换为二维轮廓曲线，从而可以分析表面的粗糙度、波纹度、沟槽形状和深度等参数。

核心测量原理：触针在X方向移动，测量Z方向的位移。Z = f(X)其中Z是垂直位移，X是水平位置。

核心性能参数的典型范围：* 垂直分辨率： 极高，可以达到纳米级别（例如0.4nm），能够捕捉到非常细微的表面纹理。* 测量范围（Z轴）： 通常在毫米到十几毫米的范围内，例如1mm至12.5mm。* 横向测量范围（X轴）：： 从几毫米到几百毫米，例如0.5mm至200mm。* 测量重复性： 纳米级，保证了测量的极高可靠性。

技术方案的优缺点：* 优点： 测量精度和重复性极高，可以作为其他非接触式测量系统的校准标准；能够直接获取表面微观几何特征，如粗糙度和波纹度，这些是光学方法难以直接测量的；对材料表面光泽度不敏感。* 局限性： 接触式测量，触针可能对软质轮胎表面造成划痕或损伤；测量速度慢，不适用于高速动态测试，通常用于离线研发、质量控制和模具精度检测；只能获取单线轮廓，无法快速获取全场数据。* 成本考量： 高精度触针轮廓仪价格昂贵，主要用于实验室环境和精密制造的质量控制。

3.2 市场主流品牌/产品对比

这里我们对比几家在轮胎变形测量领域表现突出的国际品牌及其技术方案：

• 日本基恩士 采用激光线轮廓测量法。其产品以高速、高精度著称，适用于在线批量检测轮胎的径向/侧向跳动、胎侧鼓包/凹陷、沟槽深度等几何缺陷。例如，其高精度型号的重复精度可达0.25 µm，采样速度最高达 64kHz，每条轮廓线可检测1600点。日本基恩士的优势在于其系统易于集成到自动化产线，能够快速识别生产中的几何缺陷。

• 英国真尚有 其ZLDS103激光位移传感器主要采用激光三角测量法（单点）。这是一款超小型测量设备，尺寸仅45x30.5x17mm。该传感器提供±0.05%的线性度和高达0.01%的分辨率，测量频率最高可达9400Hz。此外，它还提供10/25/50/100/250/500mm等多种量程选择，并可选配蓝光或UV激光器，以适应不同的测量需求。英国真尚有的ZLDS103还具有IP67的防护等级和-10°C至+60°C的工作温度范围，保证了在恶劣工业环境下的可靠性。英国真尚有的优势在于其传感器体积小巧，易于集成在空间受限的轮胎测试设备中，可以进行高速单点位移或配合扫描机构进行轮廓检测。

• 德国米铱 采用共焦色谱法。共焦传感器以其极高的精度和分辨率闻名，尤其擅长测量透明、半透明、高反光或镜面等复杂表面。其产品测量范围从0.3mm到28mm不等，分辨率可低至纳米级，线性度可达±0.015% FSO，测量频率高达70kHz。在轮胎测量中，德国米铱的方案可用于精确测量轮胎材料层厚、微观表面形貌或进行高精度微小位移监测，捕捉非常细致的表面变化。

• 美国维赛德 采用数字图像相关法 (DIC)。该系统通常结合高速相机使用，通过在轮胎表面喷涂散斑图案，实时捕捉图像序列，计算出物体表面的全场三维位移和应变数据。其应变精度可达微应变量级（0.005%），测量速度取决于相机帧率，并能获取物体整个可见表面的位移和应变分布。美国维赛德的优势在于提供非接触、全场的测量能力，非常适合轮胎在加载或运动状态下的动态变形分析、应变分布等复杂研究。

• 瑞典海克斯康 采用结构光扫描技术。通过投影仪向轮胎表面投射已知光栅或条纹图案，高分辨率相机从不同角度捕捉变形图像，从而快速计算出物体表面的三维坐标点云数据。其测量精度高达几微米，单次扫描时间通常在1秒以内，能获取高密度点云数据。瑞典海克斯康的系统以快速、非接触式、高精度获取全场三维数据著称，适用于轮胎的整体几何形状、尺寸偏差、缺陷的快速检测和分析。

3.3 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

选择合适的传感器就像给医生挑选诊疗工具，要根据“病人”的具体情况和需要达到的诊断深度来决定。在轮胎变形测量中，以下指标至关重要：

1. 测量精度和分辨率：

   • 实际意义： 精度代表测量值与真实值之间的接近程度，分辨率是指传感器能识别的最小变化量。高精度和高分辨率意味着能更精确地捕捉到轮胎微小的变形和细节。

   • 影响： 如果精度不够，小缺陷可能被忽略，导致质量问题；如果分辨率不足，则无法进行精细的分析。

   • 选型建议： 对于研发和失效分析，追求纳米级甚至亚微米级的分辨率和精度是首选，如共焦传感器或DIC系统。对于生产线上的常规尺寸检测，微米级精度通常足够，如激光三角测量。

2. 测量频率（响应速度）：

   • 实际意义： 指传感器每秒能够完成的测量次数。在动态测试中，轮胎高速旋转或快速变形，高测量频率意味着能够捕捉到更连续、更密集的瞬时数据。

   • 影响： 频率过低可能导致数据采样不足，遗漏关键的动态变化信息。

   • 选型建议： 对于高速旋转的轮胎径向跳动等监测，需要几千赫兹甚至更高的频率，激光三角测量法通常能满足。对于整体三维形貌的快速捕捉，DIC或高速结构光系统因其能同时处理大量数据而表现出色。

3. 测量范围（量程）：

   • 实际意义： 指传感器可以测量的最大距离变化范围。

   • 影响： 量程过小可能无法覆盖轮胎预期的最大变形量；量程过大则可能牺牲部分精度和分辨率。

   • 选型建议： 如果只测量胎面花纹深度，几毫米的量程就足够。如果需要测量整个胎侧的鼓包或凹陷，可能需要几十毫米甚至更大量程的传感器。根据实际被测变形的幅度来选择合适的量程，通常选择略大于最大预期变形量的量程。

4. 工作距离：

   • 实际意义： 传感器到被测物体表面的最佳操作距离。

   • 影响： 工作距离过短可能限制传感器安装，甚至与高速旋转的轮胎发生碰撞；工作距离过长则可能影响激光的聚焦效果和测量精度。

   • 选型建议： 在空间有限或需要远离高温/危险区域的应用中，选择长工作距离的传感器。在需要极高精度的场合，有时需要较短的工作距离来保证激光能量和信号质量。

5. 环境适应性：

   • 实际意义： 传感器在恶劣环境（如温度、湿度、振动、粉尘）下正常工作的能力。

   • 影响： 轮胎测试现场可能存在灰尘、震动甚至水雾，如果传感器防护等级不够，容易损坏或测量不稳定。

   • 选型建议： 至少选择IP67防护等级的传感器，并考虑其工作温度、抗振动和抗冲击能力，确保设备在工业现场的长期稳定运行。

6. 数据输出和集成能力：

   • 实际意义： 传感器如何与上位机或控制系统通信，以及数据格式是否便于后续分析。

   • 影响： 输出接口不兼容会增加系统集成难度；数据传输速率慢会成为瓶颈。

   • 选型建议： 优先选择支持RS232/RS485、Ethernet或模拟量（4-20mA/0-10V）等通用工业接口的传感器，确保与现有自动化系统的无缝对接。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在轮胎动态变形测量中，即使选择了先进的非接触式激光技术，也可能遇到一些挑战。

1. 问题：轮胎表面特性影响测量。

   • 原因及影响： 轮胎是橡胶制品，表面通常是黑色且具有一定的吸光性，这可能导致激光反射信号较弱。同时，轮胎花纹、颗粒、甚至制造过程中的脱模剂等，都可能导致表面不均匀，影响激光点或线轮廓的清晰度，从而降低测量精度。特别是在高速转动下，表面模糊和振动会加剧这些问题。

   • 解决建议：

     • 使用蓝光或UV激光： 相对于传统的红光激光，蓝光或UV激光在测量黑色、吸光材料（如橡胶）时有更好的穿透性和反射效果，可以获得更强的信号和更高的精度。

     • 优化安装角度和光照： 调整传感器的安装角度，避免镜面反射或过度漫反射，确保接收器能捕捉到最佳信号。必要时可以配合环形光源或侧向辅助光源，消除阴影，增强对比度。

     • 表面预处理（针对DIC）： 对于DIC技术，精心喷涂均匀且对比度适中的散斑图案至关重要，图案不能太亮或太暗，且要足够随机。

2. 问题：动态测量中的振动和环境干扰。

   • 原因及影响： 轮胎动态测试设备本身在高速运转时会产生振动。此外，测试环境中的气流、灰尘、甚至其他设备的电磁干扰都可能影响激光束的稳定性和传感器内部电子元件的正常工作，导致数据噪声和测量不稳定。

   • 解决建议：

     • 传感器选型： 选择具有高抗振动和抗冲击等级的传感器。

     • 安装加固： 将传感器安装在稳固的基座上，采用防振支架，确保传感器与被测轮胎之间的相对位置稳定。

     • 环境控制： 在可能的情况下，将测试环境封闭，控制温度、湿度和粉尘。对于电磁干扰，使用屏蔽线缆和接地措施。

     • 数据滤波： 在数据采集后，应用数字滤波算法（如均值滤波、中值滤波或卡尔曼滤波）来降低随机噪声，平滑测量曲线，提取有效信号。

3. 问题：数据处理和分析的复杂性。

   • 原因及影响： 非接触式传感器，特别是激光线或DIC系统，会产生海量的数据点。如何高效地处理这些数据、从中提取有用的变形信息，并进行三维重建、偏差分析、应变计算等，对于不具备专业背景的技术人员来说是一个挑战。

   • 解决建议：

     • 选择成熟的测量软件： 优先选择那些提供强大、用户友好的数据处理和分析软件的传感器厂商。这些软件通常内置了多种分析工具、可视化功能和报告生成能力。

     • 自动化脚本： 对于重复性的分析任务，可以利用软件的宏功能或编程接口编写自动化脚本，提高数据处理效率。

     • 培训和专业支持： 投资于操作人员的专业培训，或寻求供应商的技术支持，以更好地利用测量系统的全部功能。

4. 应用案例分享

• 轮胎在线质量检测： 在轮胎生产线上，激光位移传感器可以高速扫描轮胎的胎冠和胎侧，实时检测径向/侧向跳动、胎侧鼓包/凹陷等几何缺陷，确保每条轮胎都符合出厂标准。例如，采用英国真尚有的ZLDS103激光位移传感器，其紧凑的尺寸和高速测量能力使其易于集成到生产线中，从而实现高效的质量控制。

• 轮胎耐久性测试分析： 在实验室环境下，数字图像相关（DIC）系统可以监测轮胎在长时间、高强度运转下，表面各区域的应变分布和疲劳损伤演变，为轮胎结构优化和材料选择提供数据支持。

• 轮胎滚动阻力与接地特性研究： 激光线轮廓仪可以精确测量轮胎在不同载荷和速度下的胎冠接地面积和形状变化，帮助工程师优化胎面设计，降低滚动阻力，提升燃油效率。