Jak funguje snímač tlaku v pneumatikách? Pochopení přímého a nepřímého TPMS

Řidič jede rychlostí 70 mil/h, když se na palubní desce zobrazí žlutá ikona tlaku v pneumatikách. Pneumatika není viditelně prázdná a vozidlo se stále chová normálně. Stalo se to, že tlakový senzor MEMS namontovaný uvnitř kola detekoval, že absolutní tlak klesl ze základní 2,2 bar na přibližně 1,9 bar. Tento senzor převedl fyzický tlak na napětí, digitalizoval ho a přenesl na frekvenci 433,92 MHz do řídicího modulu těla, který pak spustil varování. Tento scénář se na silnicích po celém světě opakuje milionkrát denně. Vědět, jak funguje snímač tlaku v pneumatikách, není jen technická drobnost; je základem pro výběr správné součásti a pro návrh spolehlivého systému monitorování tlaku v automobilech.

Co vlastně měří snímač tlaku v pneumatikách

Snímač tlaku v pneumatikách měří absolutní tlak vzduchu v dutině pneumatiky, typicky v rozsahu 100 až 400 kPa (1,0 až 4,0 bar), a přenáší tuto hodnotu bezdrátově do ECU vozidla s rozlišením asi 1 kPa.

Snímacím prvkem je snímač tlaku MEMS čip: malá silikonová matrice s tenkou citlivou membránou. Když tlak vzduchu v pneumatikách tlačí na tuto membránu, membrána se ohne o několik desetin mikrometru. Toto mechanické vychýlení je fyzická událost, která se nakonec stane číslem na vaší palubní desce. Snímač je konstruován jako zařízení pro absolutní tlak, protože potřebuje porovnat vnitřní tlak v pneumatikách s utěsněnou podtlakovou referencí. Atmosférický tlak se mění s nadmořskou výškou a počasím, takže referenční měřidlo by způsobilo chyby až 30 kPa na jeden pohon.

Jak MEMS čip převádí tlak na data

Převod z mechanického vychýlení na digitální data se řídí čtyřstupňovým řetězcem: posunutí membrány, změna odporu přes Wheatstoneův můstek, úprava analogového signálu a vysokofrekvenční přenos.

• Průhyb membrány: jeden bar tlaku posune typickou křemíkovou membránu o 0,5 až 1 mikrometr.
• Wheatstoneův můstek: piezorezistivní prvky vzorované na membráně mění odpor o 1 až 3 procenta v celém rozsahu tlaku.
• Úprava signálu: ASIC zesiluje napětí můstku, aplikuje teplotní kompenzaci a zpracovává výsledek na 10 až 12 bitová digitální data.
• RF přenos: zpracovaný rámec je modulován na nosnou 433,92 MHz nebo 315 MHz a vysílán do přijímací jednotky.

Teplota je největší proměnná, která kazí hodnotu tlaku. Senzor kalibrovaný při 20 C by zaznamenal nárůst tlaku vzduchu o 50 kPa ve výše uvedeném rozsahu. Bez kompenzace by nekompenzovaná jednotka v zimním ránu hlásila hodnotu příliš nízkou o zhruba 20 kPa, což by stačilo na spuštění falešného varování.

Širší pohled na technologii těchto zařízení naleznete v této příručce MEMS tlakové senzory .

Přímé vs nepřímé TPMS: Jak se liší dva přístupy

Přímé TPMS využívá snímač fyzického tlaku v každém kole. Nepřímý systém TPMS využívá k odhadu tlaku stávající snímače rychlosti kol vozidla s ABS. Pouze přímý TPMS vrací skutečnou hodnotu tlaku.

Většina moderních vozidel používá přímé TPMS, protože poskytuje přesné čtení pro každou pneumatiku, což je zásadní pro detekci pomalých úniků a zabránění nerovnoměrnému opotřebení běhounu. Stejná technologie tlakového senzoru MEMS se také objevuje v snímače tlaku v moderních vozidlech mimo TPMS, včetně monitorování tlaku oleje a brzdových systémů.

Čtyři specifikace, které určují výběr snímače tlaku v pneumatikách

Rozsah tlaku, přesnost, výstupní signál a balení jsou čtyři parametry, které určují, zda bude snímač tlaku v pneumatikách spolehlivě fungovat v terénu.

U osobního automobilu s tlakem 2,2 až 2,5 baru je varovný práh běžně nastaven na 25 procent pod tlakem doporučeným výrobcem. Rozsah 0 až 4 bar pokrývá tuto aplikaci, aniž by se stal tak širokým, že by obětoval rozlišení snímače.

Dalším omezením je přesnost. Posun o 0,3 baru by mohl zakrýt pomalý únik nebo způsobit falešný poplach, což je důvod, proč nejlepší tlakové senzory MEMS automobilové třídy dosahují /-0,2 procenta plného rozsahu. Na 4barovém snímači to je zhruba 8 kPa přípustné chyby.

Výstupní signál je třetím rozhodovacím bodem. Analogový napěťový výstup v rozsahu 0,5 až 4,5 V je jednoduchý a široce používaný, zatímco digitální výstupy jako I2C a SPI snižují náchylnost k elektromagnetickému šumu v kabelovém svazku vozidla. Pro přímé TPMS na trase s vysokými vibracemi jsou stále více preferovány digitální signály.

Obal určuje, jak snadno lze senzor integrovat do ventilku pneumatiky nebo ráfku kola. Pouzdra DIP a SIP podporují montáž PCB, zatímco pouzdra SOP jsou běžná, když snímač sedí v sestavě dříku ventilu. Zařízení také musí přežít úrovně vibrací kolem 50 g při frekvencích do 1 kHz.

Senzory absolutního tlaku MCP-J10, MCP-J11 a MCP-J12 pro použití v automobilech Tyto kalibrované snímače absolutního tlaku nabízejí analogový nebo digitální výstup, měří až 4 bary a jsou teplotně kompenzovány v celém rozpětí vozidla, takže jsou vhodné pro systémy monitorování tlaku v pneumatikách. Zobrazit produkt →

Společnost MemsTech se sídlem ve Wuxi National High-Tech Industrial Development Zone vyrábí senzory tlaku v automobilech podle těchto požadavků. Série MCPJ10, MCPJ11 a MCPJ12 jsou snímače absolutního tlaku s měřicím rozsahem 0 až 4 bar, dostupné v analogových i digitálních výstupních verzích a jejich proces kalibrace pokrývá celé teplotní rozpětí vozidla.

Proč je teplotní kompenzace u snímače tlaku v pneumatikách kritická

Teplota uvnitř pneumatiky může kolísat od -40 C na zimním parkovišti do 80 C při dálniční rychlosti. Pokud snímač není kompenzován, může tento drift sám o sobě způsobit chybu 15 až 20 kPa, což je dostatečně velké, aby spustilo falešné varování při nízkém tlaku.

Každá jednotka je z výroby kalibrována na několik teplotních bodů. Kompenzační koeficienty jsou během výroby uloženy v interním ASIC snímače, takže konečný výstup je automaticky korigován, když se pneumatika zahřívá a ochlazuje. MemsTech sleduje tento proces ve svém zařízení o rozloze 2 000 metrů čtverečních s interními možnostmi zahrnujícími balení, svařování, teplotní kompenzaci a kalibraci výkonu. Každé zařízení je před odesláním testováno v nulovém a plném rozsahu, aby byla zajištěna konzistence šarže.

Snímač tlaku řady MCP-J20 pro aplikace v automobilovém a motocyklovém potrubí Tato řada, navržená pro snímání tlaku v sacím potrubí u automobilů a motocyklů, poskytuje analogový výstup s volitelným rozsahem až 1000 kPa a je kalibrována pro přesnost bez kalibrace na straně zákazníka. Zobrazit produkt →

Řada MCPJ20 rozšiřuje stejnou architekturu absolutního snímání na širší sadu automobilových aplikací, včetně větších platforem SUV a lehkých nákladních vozidel s vyššími tlaky nahuštění za studena.

FAQ

Jak dlouho vydrží baterie snímače tlaku v pneumatikách?

Přímé snímače TPMS jsou uzavřené jednotky s životností baterie 5 až 10 let. Když je baterie vybitá, musí být vyměněna celá sestava senzoru, protože baterii nelze opravovat uvnitř uzavřené ventilové jednotky.

Mohu vyměnit snímač tlaku v pneumatikách bez výměny dříku ventilu?

Ve většině přímých systémů TPMS je snímač integrován s dříkem ventilu. Některé sady pro aftermarket umožňují výměnu pouze snímače, ale výměna celé sestavy je standardní servisní postup a je spolehlivější.

Jaký tlak v pneumatikách by měl číst snímač TPMS?

Pro většinu osobních automobilů je doporučený tlak v pneumatikách za studena 2,2 až 2,4 bar (32 až 35 psi). Varovný práh TPMS je obvykle nastaven na přibližně 25 procent pod tímto doporučením.

Proč se moje kontrolka TPMS rozsvítí, když je chladné počasí?

Kontrakty studeného vzduchu. Při poklesu okolní teploty o 10 C může tlak v pneumatikách klesnout o 7 až 10 kPa. Pokud byla pneumatika již blízko prahu varování, tento pokles stačí k aktivaci výstrahy.