Как работает датчик давления в шинах? Понимание прямой и косвенной TPMS

Водитель ехал со скоростью 70 миль в час, когда на приборной панели появился желтый значок давления в шинах. Шина не выглядит спущенной, автомобиль по-прежнему управляется нормально. Произошло следующее: датчик давления MEMS, установленный внутри колеса, обнаружил, что абсолютное давление упало с базового уровня 2,2 бара примерно до 1,9 бар. Этот датчик преобразовывал физическое давление в напряжение, оцифровывал его и передавал на частоте 433,92 МГц в модуль управления кузовом, который затем вызывал предупреждение. Этот сценарий повторяется миллионы раз каждый день на дорогах по всему миру. Знать, как работает датчик давления в шинах, — это не просто инженерная мелочь; это основа для выбора правильного компонента и разработки надежной автомобильной системы контроля давления.

Что на самом деле измеряет датчик давления в шинах

Датчик давления в шинах измеряет абсолютное давление воздуха внутри полости шины, обычно в диапазоне от 100 до 400 кПа (от 1,0 до 4,0 бар), и передает эти показания по беспроводной сети в ЭБУ автомобиля с разрешением около 1 кПа.

Чувствительным элементом является микросхема датчика давления MEMS: небольшой кремниевый кристалл с тонкой чувствительной диафрагмой. Когда давление воздуха в шинах давит на эту диафрагму, мембрана прогибается на несколько десятых микрометра. Это механическое отклонение — физическое событие, которое в конечном итоге становится числом на вашей приборной панели. Датчик сконструирован как устройство абсолютного давления, поскольку ему необходимо сравнивать внутреннее давление в шине с эталонным герметичным вакуумом. Атмосферное давление меняется в зависимости от высоты и погоды, поэтому эталонный манометр может привести к погрешности до 30 кПа за один проезд.

Как чип MEMS преобразует давление в данные

Преобразование механического отклонения в цифровые данные происходит по четырехэтапной цепочке: смещение диафрагмы, изменение сопротивления моста Уитстона, преобразование аналогового сигнала и передача радиочастоты.

• Отклонение диафрагмы: давление в один бар перемещает обычную кремниевую диафрагму на 0,5–1 микрометр.
• Мост Уитстона: пьезорезистивные элементы, нанесенные на диафрагму, изменяют сопротивление на 1–3 процента по шкале полного давления.
• Формирование сигнала: ASIC усиливает напряжение моста, применяет температурную компенсацию и обрабатывает результат в цифровые данные размером от 10 до 12 бит.
• Радиочастотная передача: обработанный кадр модулируется на несущую 433,92 МГц или 315 МГц и передается на приемное устройство.

Температура является самой большой переменной, которая искажает показания давления. Датчик, откалиброванный при температуре 20°С, увидит повышение давления воздуха на 50 кПа в диапазоне, показанном выше. Без компенсации некомпенсированное устройство сообщит о значении, которое занижено примерно на 20 кПа зимним утром, что достаточно для срабатывания ложного предупреждения.

Более широкий взгляд на технологию, лежащую в основе этих устройств, можно найти в этом руководстве по МЭМС датчики давления .

Прямая и непрямая TPMS: чем отличаются два подхода

Direct TPMS использует датчик физического давления в каждом колесе. Косвенная система TPMS использует имеющиеся в автомобиле датчики скорости колес ABS для оценки давления. Только прямая система TPMS возвращает реальное значение давления.

В большинстве современных автомобилей используется прямая система TPMS, поскольку она обеспечивает точные показания для каждой шины, что имеет решающее значение для обнаружения медленных утечек и предотвращения неравномерного износа протектора. Та же самая технология датчика давления MEMS также используется в датчики давления в современных автомобилях помимо TPMS, включая контроль давления масла и тормозной системы.

Четыре характеристики, определяющие выбор датчика давления в шинах

Диапазон давления, точность, выходной сигнал и упаковка — это четыре параметра, которые определяют, будет ли датчик давления в шинах надежно работать в полевых условиях.

Для легкового автомобиля, работающего при давлении от 2,2 до 2,5 бар, порог предупреждения обычно устанавливается на 25 процентов ниже рекомендованного производителем давления. Диапазон от 0 до 4 бар охватывает это применение, но не становится настолько широким, что при этом приходится жертвовать разрешением датчика.

Следующим ограничением является точность. Смещение на 0,3 бар может скрыть медленную утечку или вызвать ложный сигнал тревоги, поэтому лучшие датчики давления MEMS автомобильного класса достигают /-0,2 процента от полной шкалы. Для датчика с давлением 4 бар это составляет примерно 8 кПа погрешности.

Выходной сигнал является третьей точкой принятия решения. Аналоговый выход напряжения в диапазоне от 0,5 до 4,5 В прост и широко используется, а цифровые выходы, такие как I2C и SPI, снижают восприимчивость к электромагнитным шумам в проводке автомобиля. Для прямой TPMS на маршруте с высокой вибрацией все более предпочтительными становятся цифровые сигналы.

От упаковки зависит, насколько легко датчик можно встроить в вентиль шины или обод колеса. Пакеты DIP и SIP поддерживают монтаж на печатной плате, тогда как пакеты SOP обычно используются, когда датчик устанавливается в узел штока клапана. Устройство также должно выдерживать уровень вибрации около 50 g на частотах до 1 кГц.

Датчики абсолютного давления MCP-J10, MCP-J11 и MCP-J12 для автомобильного применения Эти калиброванные датчики абсолютного давления имеют аналоговый или цифровой выход, измеряют давление до 4 бар и имеют температурную компенсацию на всем протяжении транспортного средства, что делает их пригодными для систем контроля давления в шинах. Просмотреть продукт →

Компания MemsTech, расположенная в Национальной зоне высокотехнологичного промышленного развития города Уси, производит автомобильные датчики давления с учетом этих требований. Серии MCPJ10, MCPJ11 и MCPJ12 представляют собой датчики абсолютного давления с диапазоном измерения от 0 до 4 бар, доступные как с аналоговым, так и с цифровым выходом, а процесс их калибровки охватывает весь температурный диапазон автомобиля.

Почему температурная компенсация важна в датчике давления в шинах

Температура внутри шины может колебаться от -40 C на зимней парковке до 80 C на скорости по шоссе. Если датчик не компенсирован, один только этот дрейф может привести к ошибке от 15 до 20 кПа, что достаточно велико, чтобы вызвать ложное предупреждение о низком давлении.

Каждое устройство калибруется на заводе в нескольких температурных точках. Коэффициенты компенсации сохраняются во внутренней ASIC датчика во время производства, поэтому конечный результат автоматически корректируется по мере нагревания и охлаждения шины. MemsTech следует этому процессу на своем предприятии площадью 2000 квадратных метров, внутренние возможности которого включают упаковку, сварку, температурную компенсацию и калибровку производительности. Перед отправкой каждое устройство тестируется при нулевом и полном масштабе, чтобы гарантировать согласованность партии.

Датчик давления серии MCP-J20 для применения в коллекторах автомобилей и мотоциклов Эта серия, предназначенная для измерения давления во впускном коллекторе автомобилей и мотоциклов, обеспечивает аналоговый выходной сигнал с дополнительным диапазоном до 1000 кПа и калибруется на точность без калибровки на стороне клиента. Просмотреть продукт →

Серия MCPJ20 расширяет ту же архитектуру абсолютного измерения для более широкого спектра автомобильных применений, включая более крупные платформы внедорожников и легких грузовиков с более высоким давлением в холодном состоянии.

Часто задаваемые вопросы

Как долго работает аккумулятор датчика давления в шинах?

Датчики Direct TPMS представляют собой герметичные устройства со сроком службы батареи от 5 до 10 лет. Когда батарея разряжена, необходимо заменить весь узел датчика, поскольку батарея непригодна для обслуживания внутри герметичного блока клапанов.

Можно ли заменить датчик давления в шинах, не меняя стержень клапана?

В большинстве систем прямого управления TPMS датчик встроен в шток клапана. Некоторые комплекты послепродажного обслуживания допускают замену только датчика, но замена всего узла является стандартной процедурой обслуживания и более надежна.

Какое давление в шинах должен показывать датчик TPMS?

Для большинства легковых автомобилей рекомендуемое давление в холодных шинах составляет от 2,2 до 2,4 бар (от 32 до 35 фунтов на квадратный дюйм). Порог предупреждения TPMS обычно устанавливается примерно на 25 процентов ниже этой рекомендации.

Почему у меня загорается индикатор TPMS в холодную погоду?

Контракты на холодный воздух. При падении температуры окружающей среды на 10°C давление в шинах может упасть на 7–10 кПа. Если шина уже приблизилась к порогу предупреждения, этого падения достаточно, чтобы активировать предупреждение.