基于集成壓力傳感器的無(wú)源胎壓監(jiān)控系統(tǒng)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(guó)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(jù)美國(guó)汽車(chē)工程師學(xué)會(huì)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(jì)，在中國(guó)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(guó)這一比例則高達(dá)80％。如何防止爆胎已成為安全駕駛的一個(gè)重要課題。

　　據(jù)國(guó)家橡膠輪胎質(zhì)量監(jiān)督中心分析，保持標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)胎氣壓和及時(shí)發(fā)現(xiàn)車(chē)胎漏氣是防止爆胎的關(guān)鍵，而汽車(chē)輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)將是預(yù)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(dǎo)致的輪胎泄氣也有一個(gè)持續(xù)過(guò)程，因此通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎壓力，并在輪胎壓力出現(xiàn)異常后的第一時(shí)間報(bào)警，能夠?yàn)轳{駛員正確處理突發(fā)情況爭(zhēng)取寶貴時(shí)間，從而保證行車(chē)的安全。為此，美國(guó)運(yùn)輸部和美國(guó)國(guó)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(chǎng)的輕型汽車(chē)將逐步引入輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)。

2 胎壓監(jiān)控的基本原理

　　目前，輪胎壓力監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)是利用安裝在每一個(gè)輪胎里的壓力傳感器直接測(cè)量輪胎的氣壓，并對(duì)各輪胎氣壓進(jìn)行顯示及監(jiān)控，當(dāng)輪胎氣壓太低或有滲漏時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。間接式輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)汽車(chē)ABS系統(tǒng)的輪速傳感器來(lái)比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，以達(dá)到監(jiān)控胎壓的目的，該類(lèi)型系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是：①不能顯示出各條輪胎準(zhǔn)確的瞬時(shí)氣壓值；②同一車(chē)軸或者同一側(cè)車(chē)輪或者所有輪胎氣壓同時(shí)下降時(shí)不能報(bào)警；③不能同時(shí)兼顧車(chē)速、檢測(cè)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(dòng)式(active)和被動(dòng)式(passive)兩種。

　　主動(dòng)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(gè)輪圈上，通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻的方式將信號(hào)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(hào)，經(jīng)過(guò)一定的信號(hào)處理，顯示出當(dāng)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(yīng)模塊需要電池供電，因此存在系統(tǒng)使用壽命的問(wèn)題。

　　被動(dòng)式輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器是采用聲表面波(SAW)來(lái)設(shè)計(jì)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(dāng)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(cè)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(biāo)準(zhǔn)才有可能實(shí)施。

　　輪胎氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)目前還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各公司都在努力開(kāi)發(fā)具有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品，以期在未來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)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(jiān)控系統(tǒng)將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

　　輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要檢測(cè)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(jìn)行無(wú)源檢測(cè)。輪胎能否正常工作不僅與氣壓有關(guān)，還與溫度、車(chē)輪轉(zhuǎn)速及載質(zhì)量等有關(guān)，未來(lái)的壓力傳感器在測(cè)量輪胎氣壓的同時(shí)，還應(yīng)能測(cè)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(duì)車(chē)輛懸掛系統(tǒng)進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)并校正導(dǎo)航系統(tǒng)。因此，未來(lái)的傳感器應(yīng)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(shè)計(jì)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(xiàn)耦合。依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律，實(shí)際上是通過(guò)交變磁場(chǎng)在輪胎內(nèi)測(cè)量發(fā)射模塊的線(xiàn)圈中感應(yīng)出電壓和電流，給輪胎內(nèi)測(cè)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(shí)別系統(tǒng)。