基于集成壓力傳感器的無(wú)源胎壓監控系統研究

1 引言

　　2002年，由于凡世通(Firestone)輪胎的質(zhì)量問(wèn)題，造成了超過(guò)100人死亡和400人受傷的事件，引起了汽車(chē)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(wàn)只輪胎。據美國汽車(chē)工程師學(xué)會(huì )最近的調查，每年75％的輪胎故障是由于輪胎滲漏或充氣不足引起的。據公安部統計，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(gè)重要課題。

　　據國家橡膠輪胎質(zhì)量監督中心分析，保持標準的車(chē)胎氣壓和及時(shí)發(fā)現車(chē)胎漏氣是防止爆胎的關(guān)鍵，而汽車(chē)輪胎壓力監視系統將是預防爆胎的理想工具。由于輪胎壓力變化通常是一個(gè)漸變的過(guò)程，即使由于異物刺破輪胎而導致的輪胎泄氣也有一個(gè)持續過(guò)程，因此通過(guò)實(shí)時(shí)監測輪胎壓力，并在輪胎壓力出現異常后的第一時(shí)間報警，能夠為駕駛員正確處理突發(fā)情況爭取寶貴時(shí)間，從而保證行車(chē)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，規定從2003年11月到2006年10月31日期間新出廠(chǎng)的輕型汽車(chē)將逐步引入輪胎壓力監視系統。

2 胎壓監控的基本原理

　　目前，輪胎壓力監測系統主要有兩種解決方案，直接系統和間接系統。直接式輪胎壓力監測系統是利用安裝在每一個(gè)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(jìn)行顯示及監控，當輪胎氣壓太低或有滲漏時(shí)，系統會(huì )自動(dòng)報警。間接式輪胎壓力監測系統是通過(guò)汽車(chē)ABS系統的輪速傳感器來(lái)比較輪胎之間的轉速差別，以達到監控胎壓的目的，該類(lèi)型系統的主要缺點(diǎn)是：①不能顯示出各條輪胎準確的瞬時(shí)氣壓值；②同一車(chē)軸或者同一側車(chē)輪或者所有輪胎氣壓同時(shí)下降時(shí)不能報警；③不能同時(shí)兼顧車(chē)速、檢測精度等因素。很明顯，直接傳感系統更有效。

　　直接式輪胎壓力監控系統又分為主動(dòng)式(active)和被動(dòng)式(passive)兩種。

　　主動(dòng)式系統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(gè)輪圈上，通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻的方式將信號傳送出去，安裝在駕駛室里的無(wú)線(xiàn)接收裝置接收到該壓力敏感信號，經(jīng)過(guò)一定的信號處理，顯示出當前的輪胎壓力。主動(dòng)式技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，技術(shù)比較成熟，開(kāi)發(fā)出來(lái)的模塊可適用于各廠(chǎng)牌的輪胎，但缺點(diǎn)同樣比較突出，其感應模塊需要電池供電，因此存在系統使用壽命的問(wèn)題。

　　被動(dòng)式輪胎壓力監控系統的傳感器是采用聲表面波(SAW)來(lái)設計的，這種傳感器通過(guò)射頻電場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)聲表面波，當這個(gè)聲表面波通過(guò)壓電襯底材料的表面時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生變化，通過(guò)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(shí)施。

　　輪胎氣壓實(shí)時(shí)監測與報警系統目前還沒(méi)有統一的標準，各公司都在努力開(kāi)發(fā)具有競爭力的產(chǎn)品，以期在未來(lái)的競爭中立于不敗之地。具有分辨率高、無(wú)源、體積小三個(gè)特征的胎壓監控系統將是未來(lái)的發(fā)展趨勢。

　　輪胎氣壓監測系統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。為提高系統的可靠性，傳感器最好能進(jìn)行無(wú)源檢測。輪胎能否正常工作不僅與氣壓有關(guān)，還與溫度、車(chē)輪轉速及載質(zhì)量等有關(guān)，未來(lái)的壓力傳感器在測量輪胎氣壓的同時(shí)，還應能測量輪胎內溫度和載質(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(chē)輛懸掛系統進(jìn)行故障監測并校正導航系統。因此，未來(lái)的傳感器應該是集各種功能于一身的無(wú)源智能型傳感器。

3 無(wú)源TPMS磁場(chǎng)電磁耦合設計方案

3.1 原理

　　電感耦合是一種變壓器模型，通過(guò)空間高頻交變磁場(chǎng)實(shí)現耦合。依據的是電磁感應定律，實(shí)際上是通過(guò)交變磁場(chǎng)在輪胎內測量發(fā)射模塊的線(xiàn)圈中感應出電壓和電流，給輪胎內測量發(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。