Ako funguje snímač tlaku v pneumatikách? Pochopenie priameho a nepriameho TPMS

Vodič ide rýchlosťou 70 mph, keď sa na prístrojovej doske zobrazí žltá ikona tlaku v pneumatikách. Pneumatika nie je viditeľne prázdna a vozidlo sa stále správa normálne. Stalo sa to, že snímač tlaku MEMS namontovaný vo vnútri kolesa zistil, že absolútny tlak klesol zo základnej hodnoty 2,2 baru na približne 1,9 baru. Tento senzor premenil fyzický tlak na napätie, zdigitalizoval ho a preniesol na 433,92 MHz do riadiaceho modulu tela, ktorý potom spustil varovanie. Tento scenár sa na cestách po celom svete opakuje každý deň miliónkrát. Vedieť, ako funguje snímač tlaku v pneumatikách, nie je len technická drobnosť; je základom pre výber správneho komponentu a pre návrh spoľahlivého systému monitorovania tlaku v automobiloch.

Čo vlastne meria snímač tlaku v pneumatikách

Snímač tlaku v pneumatike meria absolútny tlak vzduchu v dutine pneumatiky, zvyčajne v rozsahu 100 až 400 kPa (1,0 až 4,0 bar), a prenáša túto hodnotu bezdrôtovo do ECU vozidla s rozlíšením približne 1 kPa.

Snímacím prvkom je snímač tlaku MEMS čip: malá kremíková matrica s tenkou citlivou membránou. Keď tlak vzduchu v pneumatike tlačí na túto membránu, membrána sa prehne o niekoľko desatín mikrometra. Toto mechanické vychýlenie je fyzická udalosť, ktorá sa nakoniec stane číslom na vašej prístrojovej doske. Snímač je konštruovaný ako zariadenie absolútneho tlaku, pretože potrebuje porovnať vnútorný tlak v pneumatike s utesnenou referenciou vákua. Atmosférický tlak sa mení s nadmorskou výškou a počasím, takže referenčný merací prístroj by spôsobil chyby až 30 kPa pri jednej jazde.

Ako MEMS čip premieňa tlak na dáta

Konverzia z mechanického vychýlenia na digitálne dáta prebieha v štvorstupňovom reťazci: posunutie membrány, zmena odporu cez Wheatstoneov most, úprava analógového signálu a rádiofrekvenčný prenos.

• Priehyb membrány: jeden bar tlaku posunie typickú kremíkovú membránu o 0,5 až 1 mikrometer.
• Wheatstoneov mostík: piezorezistívne prvky vzorované na membráne menia odpor o 1 až 3 percentá v celej škále tlaku.
• Úprava signálu: ASIC zosilňuje napätie mostíka, aplikuje teplotnú kompenzáciu a spracuje výsledok na 10 až 12 bitové digitálne dáta.
• RF prenos: spracovaný rámec je modulovaný na nosnú frekvenciu 433,92 MHz alebo 315 MHz a vysielaný do jednotky prijímača.

Teplota je najväčšia premenná, ktorá kazí hodnotu tlaku. Senzor kalibrovaný pri 20 C by zaznamenal nárast tlaku vzduchu o 50 kPa v rámci vyššie uvedeného rozsahu. Bez kompenzácie by nekompenzovaná jednotka počas zimného rána hlásila hodnotu príliš nízku o približne 20 kPa, čo by stačilo na spustenie falošného varovania.

Širší pohľad na technológiu týchto zariadení nájdete v tejto príručke MEMS snímače tlaku .

Priamy vs nepriamy TPMS: Ako sa tieto dva prístupy líšia

Direct TPMS využíva snímač fyzického tlaku v každom kolese. Nepriamy TPMS využíva na odhad tlaku existujúce snímače rýchlosti kolies vozidla s ABS. Iba priamy TPMS vráti skutočnú hodnotu tlaku.

Väčšina moderných vozidiel používa priamy TPMS, pretože poskytuje presné čítanie pre každú pneumatiku, čo je rozhodujúce pre detekciu pomalých únikov a zabránenie nerovnomernému opotrebovaniu behúňa. Rovnaká technológia tlakového senzora MEMS sa objavuje aj v snímače tlaku v moderných vozidlách nad rámec TPMS, vrátane monitorovania tlaku oleja a brzdových systémov.

Štyri špecifikácie, ktoré určujú výber snímača tlaku v pneumatikách

Rozsah tlaku, presnosť, výstupný signál a balenie sú štyri parametre, ktoré určujú, či snímač tlaku v pneumatikách bude spoľahlivo fungovať v teréne.

Pre osobné auto s tlakom 2,2 až 2,5 baru je varovný prah bežne nastavený na 25 percent pod tlakom odporúčaným výrobcom. Rozsah 0 až 4 bar pokrýva túto aplikáciu bez toho, aby bol taký široký, že by obetoval rozlíšenie snímača.

Presnosť je ďalším obmedzením. Posun 0,3 baru by mohol zakryť pomalý únik alebo spôsobiť falošný poplach, čo je dôvod, prečo najlepšie senzory tlaku MEMS v automobilovej triede dosahujú /-0,2 percenta plného rozsahu. Na 4 barovom snímači je to približne 8 kPa tolerancie chyby.

Výstupný signál je tretím rozhodovacím bodom. Analógový napäťový výstup v rozsahu 0,5 až 4,5 V je jednoduchý a široko používaný, zatiaľ čo digitálne výstupy ako I2C a SPI znižujú náchylnosť na elektromagnetický šum v káblovom zväzku vozidla. Pre priame TPMS vo vysokovibračnej trase sa čoraz viac uprednostňujú digitálne signály.

Balenie určuje, ako ľahko sa dá senzor integrovať do ventilu pneumatiky alebo ráfika kolesa. Balíky DIP a SIP podporujú montáž PCB, zatiaľ čo balíky SOP sú bežné, keď snímač sedí v zostave drieku ventilu. Zariadenie musí tiež prežiť úrovne vibrácií okolo 50 g pri frekvenciách do 1 kHz.

Senzory absolútneho tlaku MCP-J10, MCP-J11 a MCP-J12 pre automobilové použitie Tieto kalibrované snímače absolútneho tlaku ponúkajú analógový alebo digitálny výstup, merajú až 4 bary a sú teplotne kompenzované v celom rozsahu vozidla, vďaka čomu sú vhodné pre systémy monitorovania tlaku v pneumatikách. Zobraziť produkt →

Spoločnosť MemsTech so sídlom vo Wuxi National High-Tech Industrial Development Zone vyrába senzory tlaku v automobiloch podľa týchto požiadaviek. Séria MCPJ10, MCPJ11 a MCPJ12 sú snímače absolútneho tlaku s meracím rozsahom 0 až 4 bary, dostupné vo verziách s analógovým aj digitálnym výstupom a ich proces kalibrácie pokrýva celé teplotné rozpätie vozidla.

Prečo je teplotná kompenzácia pri snímači tlaku v pneumatikách kritická

Teplota vo vnútri pneumatiky sa môže pohybovať od -40 C na zimnom parkovisku až po 80 C pri diaľničnej rýchlosti. Ak snímač nie je kompenzovaný, tento samotný posun môže spôsobiť chybu 15 až 20 kPa, čo je dostatočne veľké na to, aby spustilo falošné varovanie pri nízkom tlaku.

Každá jednotka je z výroby kalibrovaná na niekoľko teplotných bodov. Kompenzačné koeficienty sa počas výroby ukladajú do interného ASIC snímača, takže konečný výstup je automaticky korigovaný, keď sa pneumatika zahrieva a ochladzuje. MemsTech sleduje tento proces vo svojom zariadení s rozlohou 2 000 metrov štvorcových s vnútornými schopnosťami pokrývajúcimi balenie, zváranie, teplotnú kompenzáciu a kalibráciu výkonu. Každé zariadenie je pred odoslaním testované v nulovom a plnom rozsahu, aby sa zabezpečila konzistentnosť šarže.

Snímač tlaku série MCP-J20 pre aplikácie v automobilovom a motocyklovom potrubí Táto séria, navrhnutá na snímanie tlaku v sacom potrubí v automobiloch a motocykloch, poskytuje analógový výstup s voliteľným rozsahom až do 1000 kPa a je kalibrovaná na presnosť bez kalibrácie na strane zákazníka. Zobraziť produkt →

Séria MCPJ20 rozširuje rovnakú architektúru absolútneho snímania na širšiu sadu automobilových aplikácií, vrátane väčších platforiem SUV a ľahkých nákladných vozidiel s vyšším hustiacim tlakom za studena.

FAQ

Ako dlho vydrží batéria snímača tlaku v pneumatikách?

Priame snímače TPMS sú uzavreté jednotky s výdržou batérie 5 až 10 rokov. Keď je batéria vybitá, musí sa vymeniť celá zostava snímača, pretože batéria nie je opraviteľná vo vnútri utesnenej ventilovej jednotky.

Môžem vymeniť snímač tlaku v pneumatike bez výmeny drieku ventilu?

Vo väčšine priamych systémov TPMS je snímač integrovaný s driekom ventilu. Niektoré súpravy pre trh s náhradnými dielmi umožňujú výmenu iba snímača, ale výmena celej zostavy je štandardným servisným postupom a je spoľahlivejšia.

Aký tlak v pneumatikách by mal čítať snímač TPMS?

Pre väčšinu osobných automobilov je odporúčaný tlak v studených pneumatikách 2,2 až 2,4 bar (32 až 35 psi). Varovný prah TPMS je zvyčajne nastavený na približne 25 percent pod týmto odporúčaním.

Prečo sa moje svetlo TPMS rozsvieti, keď je chladné počasie?

Kontrakty studeného vzduchu. Pri poklese okolitej teploty o 10 C môže tlak v pneumatikách klesnúť o 7 až 10 kPa. Ak bola pneumatika už blízko varovnej prahovej hodnoty, tento pokles stačí na aktiváciu výstrahy.