基于集成壓力傳感器的無源胎壓監控系統研究

1 引言

　　2002年，由于凡世通(Firestone)輪胎的質量問題，造成了超過100人死亡和400人受傷的事件，引起了汽車業和美國政府的高度重視，普利斯通／凡世通公司被迫收回650萬只輪胎。據美國汽車工程師學會最近的調查，每年75％的輪胎故障是由于輪胎滲漏或充氣不足引起的。據公安部統計，在中國高速公路上發生的交通事故有70％是由于爆胎引起的，而在美國這一比例則高達80％。如何防止爆胎已成為安全駕駛的一個重要課題。

　　據國家橡膠輪胎質量監督中心分析，保持標準的車胎氣壓和及時發現車胎漏氣是防止爆胎的關鍵，而汽車輪胎壓力監視系統將是預防爆胎的理想工具。由于輪胎壓力變化通常是一個漸變的過程，即使由于異物刺破輪胎而導致的輪胎泄氣也有一個持續過程，因此通過實時監測輪胎壓力，并在輪胎壓力出現異常后的第一時間報警，能夠為駕駛員正確處理突發情況爭取寶貴時間，從而保證行車的安全。為此，美國運輸部和美國國家高速公路安全管理局制定了相關政策，規定從2003年11月到2006年10月31日期間新出廠的輕型汽車將逐步引入輪胎壓力監視系統。

2 胎壓監控的基本原理

　　目前，輪胎壓力監測系統主要有兩種解決方案，直接系統和間接系統。直接式輪胎壓力監測系統是利用安裝在每一個輪胎里的壓力傳感器直接測量輪胎的氣壓，并對各輪胎氣壓進行顯示及監控，當輪胎氣壓太低或有滲漏時，系統會自動報警。間接式輪胎壓力監測系統是通過汽車ABS系統的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉速差別，以達到監控胎壓的目的，該類型系統的主要缺點是：①不能顯示出各條輪胎準確的瞬時氣壓值；②同一車軸或者同一側車輪或者所有輪胎氣壓同時下降時不能報警；③不能同時兼顧車速、檢測精度等因素。很明顯，直接傳感系統更有效。

　　直接式輪胎壓力監控系統又分為主動式(active)和被動式(passive)兩種。

　　主動式系統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輪圈上，通過無線射頻的方式將信號傳送出去，安裝在駕駛室里的無線接收裝置接收到該壓力敏感信號，經過一定的信號處理，顯示出當前的輪胎壓力。主動式技術的優點是，技術比較成熟，開發出來的模塊可適用于各廠牌的輪胎，但缺點同樣比較突出，其感應模塊需要電池供電，因此存在系統使用壽命的問題。

　　被動式輪胎壓力監控系統的傳感器是采用聲表面波(SAW)來設計的，這種傳感器通過射頻電場產生一個聲表面波，當這個聲表面波通過壓電襯底材料的表面時，就會產生變化，通過檢測聲表面波的這種變化，就可以知道輪胎壓力的情況。雖然此技術不用電池供電，但是它需要將轉發器整合到輪胎中，需各輪胎制造商建立共通的標準才有可能實施。

　　輪胎氣壓實時監測與報警系統目前還沒有統一的標準，各公司都在努力開發具有競爭力的產品，以期在未來的競爭中立于不敗之地。具有分辨率高、無源、體積小三個特征的胎壓監控系統將是未來的發展趨勢。

　　輪胎氣壓監測系統要檢測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。為提高系統的可靠性，傳感器最好能進行無源檢測。輪胎能否正常工作不僅與氣壓有關，還與溫度、車輪轉速及載質量等有關，未來的壓力傳感器在測量輪胎氣壓的同時，還應能測量輪胎內溫度和載質量。許多研究表明，利用輪胎氣壓傳感器收集到的信息，可對車輛懸掛系統進行故障監測并校正導航系統。因此，未來的傳感器應該是集各種功能于一身的無源智能型傳感器。

3 無源TPMS磁場電磁耦合設計方案

3.1 原理

　　電感耦合是一種變壓器模型，通過空間高頻交變磁場實現耦合。依據的是電磁感應定律，實際上是通過交變磁場在輪胎內測量發射模塊的線圈中感應出電壓和電流，給輪胎內測量發射模塊提供能量。電感耦合方式一般適合于中、低頻工作的近距離射頻識別系統。