基于集成壓力傳感器的無源胎壓監(jiān)控系統(tǒng)

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2002年，由于凡世通(Firestone)輪胎的質(zhì)量問題，造成了超過100人死亡和400人受傷的事件，引起了汽車業(yè)和美國政府的高度重視，普利斯通/凡世通公司被迫收回650萬只輪胎。據(jù)美國汽車工程師學會最近的調(diào)查，每年75%的輪胎故障是由于輪胎滲漏或充氣不足引起的。據(jù)公安部統(tǒng)計，在中國高速公路上發(fā)生的交通事故有70%是由于爆胎引起的，而在美國這一比例則高達80%。如何防止爆胎已成為安全駕駛的一個重要課題。

據(jù)國家橡膠輪胎質(zhì)量監(jiān)督中心分析，保持標準的車胎氣壓和及時發(fā)現(xiàn)車胎漏氣是防止爆胎的關(guān)鍵，而汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)將是預防爆胎的理想工具。由于輪胎壓力變化通常是一個漸變的過程，即使由于異物刺破輪胎而導致的輪胎泄氣也有一個持續(xù)過程，因此通過實時監(jiān)測輪胎壓力，并在輪胎壓力出現(xiàn)異常后的第一時間報警，能夠為駕駛員正確處理突發(fā)情況爭取寶貴時間，從而保證行車的安全。為此，美國運輸部和美國國家高速公路安全管理局制定了相關(guān)政策，規(guī)定從2003年11月到2006年10月31日期間新出廠的輕型汽車將逐步引入輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)。

胎壓監(jiān)控的基本原理

目前，輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)主要有兩種解決方案，直接系統(tǒng)和間接系統(tǒng)。直接式輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)是利用安裝在每一個輪胎里的壓力傳感器直接測量輪胎的氣壓，并對各輪胎氣壓進行顯示及監(jiān)控，當輪胎氣壓太低或有滲漏時，系統(tǒng)會自動報警。間接式輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)是通過汽車ABS系統(tǒng)的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，以達到監(jiān)控胎壓的目的，該類型系統(tǒng)的主要缺點是：①不能顯示出各條輪胎準確的瞬時氣壓值;②同一車軸或者同一側(cè)車輪或者所有輪胎氣壓同時下降時不能報警;③不能同時兼顧車速、檢測精度等因素。很明顯，直接傳感系統(tǒng)更有效。

直接式輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)又分為主動式(active)和被動式(passive)兩種。

主動式系統(tǒng)是采用在硅基上利用MEMS工藝制作電容式或者壓阻式壓力傳感器，將壓力傳感器安裝在每個輪圈上，通過無線射頻的方式將信號傳送出去，安裝在駕駛室里的無線接收裝置接收到該壓力敏感信號，經(jīng)過一定的信號處理，顯示出當前的輪胎壓力。主動式技術(shù)的優(yōu)點是，技術(shù)比較成熟，開發(fā)出來的模塊可適用于各廠牌的輪胎，但缺點同樣比較突出，其感應模塊需要電池供電，因此存在系統(tǒng)使用壽命的問題。

被動式輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器是采用聲表面波(SAW)來設(shè)計的，這種傳感器通過射頻電場產(chǎn)生一個聲表面波，當這個聲表面波通過壓電襯底材料的表面時，就會產(chǎn)生變化，通過檢測聲表面波的這種變化，就可以知道輪胎壓力的情況。雖然此技術(shù)不用電池供電，但是它需要將轉(zhuǎn)發(fā)器整合到輪胎中，需各輪胎制造商建立共通的標準才有可能實施。

輪胎氣壓實時監(jiān)測與報警系統(tǒng)目前還沒有統(tǒng)一的標準，各公司都在努力開發(fā)具有競爭力的產(chǎn)品，以期在未來的競爭中立于不敗之地。具有分辨率高、無源、體積小三個特征的胎壓監(jiān)控系統(tǒng)將是未來的發(fā)展趨勢。

輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)要檢測出輪胎氣壓的異常狀況，只有具有高分辨率才能有高的精度。電池壽命是有限的，且容量也受溫度影響。為提高系統(tǒng)的可靠性，傳感器最好能進行無源檢測。輪胎能否正常工作不僅與氣壓有關(guān)，還與溫度、車輪轉(zhuǎn)速及載質(zhì)量等有關(guān)，未來的壓力傳感器在測量輪胎氣壓的同時，還應能測量輪胎內(nèi)溫度和載質(zhì)量。許多研究表明，利用輪胎氣壓傳感器收集到的信息，可對車輛懸掛系統(tǒng)進行故障監(jiān)測并校正導航系統(tǒng)。因此，未來的傳感器應該是集各種功能于一身的無源智能型傳感器。

無源TPMS磁場電磁耦合設(shè)計方案

a.原理

電感耦合是一種變壓器模型，通過空間高頻交變磁場實現(xiàn)耦合。依據(jù)的是電磁感應定律，實際上是通過交變磁場在輪胎內(nèi)測量發(fā)射模塊的線圈中感應出電壓和電流，給輪胎內(nèi)測量發(fā)射模塊提供能量。電感耦合方式一般適合于中、低頻工作的近距離射頻識別系統(tǒng)。

b.方案設(shè)計

該系統(tǒng)至少包含輪胎內(nèi)測量模塊和閱讀器兩部分。

一般情況下，胎內(nèi)測量模塊由低頻耦合天線(大面積的線圈)、專用微型芯片和高頻發(fā)射天線組成。低頻耦合天線從交變磁場中獲得工作所需的能量，專用芯片負責測量壓力和將壓力信息轉(zhuǎn)化為RF信號，高頻發(fā)射天線將RF信號發(fā)射到空間。

閱讀器包含有接收器、控制器以及低頻驅(qū)動電路、低頻天線、高頻接收天線?？刂破魍ㄟ^低頻天線向空間發(fā)射出供胎內(nèi)測量電路使用的電磁波，發(fā)射磁場的一小部分磁力線穿過距閱讀器天線線圈一定距離的輪胎內(nèi)測量模塊低頻耦合天線線圈，通過感應，在低頻耦合天線線圈上產(chǎn)生一個電壓Ui，將其整流后作為胎內(nèi)測量接收模塊的電源。