Jak działa czujnik ciśnienia w oponach? Zrozumienie bezpośredniego i pośredniego TPMS

Kierowca jedzie z prędkością 70 mil na godzinę, gdy na desce rozdzielczej pojawia się żółta ikona ciśnienia w oponach. Opona nie jest widocznie przebita, a pojazd nadal prowadzi się normalnie. Stało się tak, że czujnik ciśnienia MEMS zamontowany wewnątrz koła wykrył, że ciśnienie bezwzględne spadło z wartości bazowej 2,2 bara do około 1,9 bara. Czujnik ten przekształcił ciśnienie fizyczne w napięcie, zdigitalizował je i przesłał z częstotliwością 433,92 MHz do modułu sterującego nadwozia, co następnie wyzwoliło ostrzeżenie. Ten scenariusz powtarza się codziennie miliony razy na drogach całego świata. Wiedza o tym, jak działa czujnik ciśnienia w oponach, to nie tylko ciekawostki inżynieryjne; stanowi podstawę do wyboru odpowiedniego komponentu i zaprojektowania niezawodnego samochodowego systemu monitorowania ciśnienia.

Co właściwie mierzy czujnik ciśnienia w oponach

Czujnik ciśnienia w oponach mierzy bezwzględne ciśnienie powietrza we wnęce opony, zwykle w zakresie od 100 do 400 kPa (1,0 do 4,0 barów) i przesyła ten odczyt bezprzewodowo do ECU pojazdu z rozdzielczością około 1 kPa.

Elementem czujnikowym jest chip czujnika ciśnienia MEMS: mała krzemowa matryca z cienką, czułą membraną. Gdy ciśnienie powietrza w oponie naciska na tę membranę, membrana ugina się o kilka dziesiątych mikrometra. To mechaniczne odchylenie jest zdarzeniem fizycznym, które ostatecznie staje się numerem na desce rozdzielczej. Czujnik jest skonstruowany jako urządzenie służące do pomiaru ciśnienia bezwzględnego, ponieważ musi porównać ciśnienie wewnętrzne w oponie z ciśnieniem odniesienia w zamkniętej próżni. Ciśnienie atmosferyczne zmienia się wraz z wysokością i pogodą, więc odniesienie do manometru spowodowałoby błędy do 30 kPa podczas jednego przejazdu.

Jak układ MEMS przekształca ciśnienie w dane

Konwersja odchylenia mechanicznego na dane cyfrowe przebiega w czteroetapowym łańcuchu: przemieszczenie membrany, zmiana rezystancji na mostku Wheatstone'a, kondycjonowanie sygnału analogowego i transmisja na częstotliwości radiowej.

• Odchylenie membrany: jeden bar ciśnienia przesuwa typową membranę krzemową o 0,5 do 1 mikrometra.
• Mostek Wheatstone'a: ​​elementy piezorezystancyjne naniesione na membranę zmieniają rezystancję w zakresie od 1 do 3 procent w pełnej skali ciśnienia.
• Kondycjonowanie sygnału: układ ASIC wzmacnia napięcie mostka, stosuje kompensację temperatury i przetwarza wynik na 10–12-bitowe dane cyfrowe.
• Transmisja RF: przetworzona ramka jest modulowana na częstotliwości nośnej 433,92 MHz lub 315 MHz i transmitowana do odbiornika.

Temperatura jest największą zmienną, która zaburza odczyt ciśnienia. Czujnik skalibrowany w temperaturze 20°C zaobserwuje wzrost ciśnienia powietrza o 50 kPa w powyższym zakresie. Bez kompensacji jednostka nieskompensowana zgłosiłaby w zimowy poranek wartość za niską o około 20 kPa, co byłoby wystarczające do wywołania fałszywego ostrzeżenia.

Aby uzyskać szersze spojrzenie na technologię stojącą za tymi urządzeniami, zobacz ten przewodnik Czujniki ciśnienia MEMS .

Bezpośredni i pośredni TPMS: czym różnią się te dwa podejścia

Direct TPMS wykorzystuje fizyczny czujnik ciśnienia w każdym kole. Pośredni TPMS wykorzystuje istniejące w pojeździe czujniki prędkości kół ABS do oszacowania ciśnienia. Tylko bezpośredni system TPMS zwraca rzeczywistą wartość ciśnienia.

Większość nowoczesnych pojazdów korzysta z bezpośredniego układu TPMS, ponieważ zapewnia on dokładny odczyt każdej opony, co ma kluczowe znaczenie dla wykrywania powolnych wycieków i zapobiegania nierównomiernemu zużyciu bieżnika. Ta sama technologia czujników ciśnienia MEMS pojawia się również w czujniki ciśnienia w nowoczesnych pojazdach poza TPMS, w tym monitorowanie ciśnienia oleju i układy hamulcowe.

Cztery specyfikacje decydujące o wyborze czujnika ciśnienia w oponach

Zakres ciśnienia, dokładność, sygnał wyjściowy i opakowanie to cztery parametry określające, czy czujnik ciśnienia w oponach będzie działał niezawodnie w terenie.

W przypadku samochodu osobowego pracującego przy ciśnieniu od 2,2 do 2,5 bara próg ostrzegawczy jest zwykle ustawiony na 25 procent poniżej ciśnienia zalecanego przez producenta. Zakres od 0 do 4 barów pokrywa to zastosowanie, ale nie jest tak szeroki, że wpływa to na rozdzielczość czujnika.

Dokładność jest kolejnym ograniczeniem. Odchylenie o 0,3 bara może ukryć powolny wyciek lub wywołać fałszywy alarm, dlatego najlepsze czujniki ciśnienia MEMS klasy samochodowej osiągają -0,2 procent pełnej skali. W przypadku czujnika 4 barowego oznacza to w przybliżeniu 8 kPa dopuszczalnego błędu.

Sygnał wyjściowy jest trzecim punktem decyzyjnym. Analogowe wyjście napięciowe w zakresie od 0,5 do 4,5 V jest proste i szeroko stosowane, natomiast wyjścia cyfrowe takie jak I2C i SPI zmniejszają podatność na szum elektromagnetyczny w wiązce pojazdu. W przypadku bezpośredniego systemu TPMS na trasie charakteryzującej się wysokimi wibracjami coraz bardziej preferowane są sygnały cyfrowe.

Opakowanie określa, jak łatwo czujnik można zintegrować z zaworem opony lub felgą. Pakiety DIP i SIP obsługują montaż na płytce drukowanej, natomiast pakiety SOP są powszechne, gdy czujnik znajduje się w zespole trzpienia zaworu. Urządzenie musi także wytrzymać wibracje o wartości około 50 g przy częstotliwościach do 1 kHz.

Czujniki ciśnienia bezwzględnego MCP-J10, MCP-J11 i MCP-J12 do zastosowań motoryzacyjnych Te skalibrowane czujniki ciśnienia bezwzględnego oferują sygnał analogowy lub cyfrowy, mierzą ciśnienie do 4 barów i są kompensowane temperaturowo w całym zakresie pojazdu, dzięki czemu nadają się do stosowania w systemach monitorowania ciśnienia w oponach. Zobacz produkt →

MemsTech, z siedzibą w Narodowej Strefie Rozwoju Przemysłu Zaawansowanych Technologii w Wuxi, buduje samochodowe czujniki ciśnienia w oparciu o te wymagania. Seria MCPJ10, MCPJ11 i MCPJ12 to czujniki ciśnienia bezwzględnego o zakresie pomiarowym od 0 do 4 barów, dostępne zarówno w wersjach z wyjściem analogowym, jak i cyfrowym, a ich proces kalibracji obejmuje pełny zakres temperatur pojazdu.

Dlaczego kompensacja temperatury ma kluczowe znaczenie w czujniku ciśnienia w oponach

Temperatura wewnątrz opony może wahać się od -40°C na parkingu zimowym do 80°C przy prędkości autostradowej. Jeśli czujnik nie jest kompensowany, sam ten dryft może spowodować błąd w wysokości 15–20 kPa, który jest wystarczająco duży, aby wywołać fałszywe ostrzeżenie o niskim ciśnieniu.

Każde urządzenie jest fabrycznie kalibrowane w kilku punktach temperaturowych. Współczynniki kompensacji są przechowywane w wewnętrznym układzie ASIC czujnika podczas produkcji, więc ostateczna moc wyjściowa jest automatycznie korygowana w miarę nagrzewania się i ochładzania opony. MemsTech śledzi ten proces w swoim zakładzie o powierzchni 2000 metrów kwadratowych, dysponującym wewnętrznymi możliwościami obejmującymi pakowanie, spawanie, kompensację temperatury i kalibrację wydajności. Każde urządzenie jest testowane w skali zerowej i pełnej przed wysyłką, aby zapewnić spójność partii.

Czujnik ciśnienia serii MCP-J20 do zastosowań w kolektorach samochodowych i motocyklowych Zaprojektowana do pomiaru ciśnienia w kolektorze dolotowym w samochodach i motocyklach, seria ta zapewnia wyjście analogowe z opcjonalnymi zakresami do 1000 kPa i jest kalibrowana pod kątem dokładności bez kalibracji po stronie klienta. Zobacz produkt →

Seria MCPJ20 rozszerza tę samą architekturę wykrywania absolutnego na szerszy zestaw zastosowań motoryzacyjnych, w tym większe platformy SUV i lekkich ciężarówek o wyższych ciśnieniach napompowania na zimno.

Często zadawane pytania

Jak długo wytrzymuje bateria czujnika ciśnienia w oponach?

Bezpośrednie czujniki TPMS to uszczelnione jednostki o żywotności baterii od 5 do 10 lat. Kiedy bateria się wyczerpie, należy wymienić cały zespół czujnika, ponieważ bateria nie nadaje się do użytku wewnątrz uszczelnionego zespołu zaworowego.

Czy mogę wymienić czujnik ciśnienia w oponach bez zmiany trzonka zaworu?

W większości bezpośrednich systemów TPMS czujnik jest zintegrowany z trzpieniem zaworu. Niektóre zestawy na rynku wtórnym umożliwiają wymianę samego czujnika, ale wymiana całego zespołu jest standardową procedurą serwisową i jest bardziej niezawodna.

Jakie ciśnienie w oponach powinien odczytać czujnik TPMS?

W przypadku większości samochodów osobowych zalecane ciśnienie w zimnych oponach wynosi od 2,2 do 2,4 bara (32 do 35 psi). Próg ostrzegawczy TPMS jest zwykle ustawiony na około 25 procent poniżej tego zalecenia.

Dlaczego lampka TPMS świeci się, gdy jest zimno?

Kontrakty na zimne powietrze. Przy spadku temperatury otoczenia o 10 C ciśnienie w oponach może spaść o 7 do 10 kPa. Jeśli opona była już blisko progu ostrzegawczego, ten spadek wystarczy, aby włączyć alarm.