1、TPMS 无源化发展方向研究 发布时间： 2006-6-20 16:14:46 被阅览数： 1 次 来源：本网资讯 汽车轮胎压力监视系统(TPMS ，Tire Pressure Monitoring System)，主要用于在汽车行驶时，适时对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气造成低胎压和高温高胎压防爆胎进行预警，确保行车安全。汽车轮胎压力监视系统由发射检测模块(每只轮胎一个) 和接收显示模块(一个)组成。不同类型的轮胎压力监测系统具体组成不同。 目前，TPMS 主要分为直接式和间接式两种类型。间接式 TPMS 是通过汽车 ABS 系统的轮速传感器来比较车轮之间的转速差别，以达到监视胎压的目的。
2、当某一只轮胎的气压太高或不足时，轮胎的直径就会变大或变小，车轮的转速也相应产生变化。监视系统将车轮转速的变化情况同预先储存的标准值比较，得出轮胎气压太高或不足结论，从而报警。 直接式 TPMS 是利用安装在每一只轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并对各轮胎气压进行显示与监视，直接式 TPMS 又可分为带电池 TPMS 和无电池 TPMS。 1 TPMS 技术的现状和演变 间接式 TPMS 没有直接式 TPMS 准确率高且系统校准复杂，在有些情况下此系统无法正常工作，如无法对两个以上的轮胎同时缺气的状况和速度超过 100km/h 的情况进行判断，所以不能成为技术发展的主流。带电池 TPMS
3、 技术的日趋成熟，开发出来的模块可适用于各厂牌的轮胎，是当前的主流技术，现在各种车辆上均安装这种 TPMS。带电池 TPMS 传感器/发射器需要电池提供动力，因此不可避免地带来一些弊端：如电池的寿命有限，当气温严重降低时，电池的容量会受到影响而减少，不够稳定。此外，电池的化学物质也会导致环境问题，同时由于电池的存在很难降低发射器的重量。 无电池 TPMS，用一个中央收发器代替一般直接式 TPMS 中的中央接收器。这个收发器不但要接收信号而且要发射信号，安装在轮胎中的转发器(代替了发射器) 接收来自中央收发器的信号，同时使用这个信号的能量来发射一个反馈信号到中央收发器上。这就使得安装在轮胎内部的
4、气压监测器发送数据不需要电池，解决了上述因电池所带来的问题。德国 IQMOBIL 率先在此技术上取得突破，目前已制造出样品，此外澳大利亚的 VISITYRE 也已经开发出了类似产品。 如果说 TPMS 的使用是汽车电子技术发展的一次革新的话，那 TPMS 的无源化就是 TPMS 自身完善的一个重要变化。 TPMS 发射检测模块一般安装在轮胎里面，轮胎里面是一个复杂的环境，轮胎高速旋转，胎内空气温度高达 120，胎内气压一般在 507810kPa。 影响 TPMS 的环境与因素主要有如下几点： (1)离心加速度。轮胎在高速运动上产生高离心加速度，假设一普通轮胎，胎的半径是 0.5m，轮辋半径是
5、0.3m，由于 TPMS 是装在轮辋上，所以半径以 0.3m 计。假设汽车以时速 200km/h 行驶时，离心加速度可达 368g，对内部电子元件焊接、封装都有极高要求。而轮胎在高速行驶时要求动平衡，这对胎内模块的重量又提出了要求。TPMS 胎内模块是越轻越好，而电子部分一般而言 5g 左右，带电池 TPMS的电池一般是 810g。 (2)重量与轮胎的动平衡。TPMS 胎内模块安装在轮辋上，本身是轮胎的一部分，也同时影响轮胎的质量分布，如果 TPMS 过重，在轮胎相对位置放置的平衡块也会很重，甚至可能找不到合适的平衡块，所以 TPMS 是越轻越好。目前市场上的 TPMS 产品一般都在 30-5
6、0g 之间。 (3)高温。汽车在持续刹车时，比如下山，刹车片温度可达 400左右。在不断的加温过程中，轮辋面可达 17左右，而胎内空气温度也在 120左右。一般电池在高温下由于内部液体气化，会使电池变形或爆裂。所以目前 TPMS 选用高能锂亚硫酰氯电池，可耐 125高温。 (4)电池寿命与容量。带电池 TPMS 模块在目前成本条件下，除要求电池使用 57 年外，还要求体积小，重量轻，即在保证容量的条件下尽量选择体积小、重量轻的电池。目前趋势是选用 2450 锂电池，重约 8g 但是必须限制检测和发射的次数，以保证模块可以使用 57 年。但这样就无法做到实时监控。 2 TPMS 发展方向 TPM
7、S 系统的主要技术难点集中在胎内的发射监测模块上。目前带电池 TPMS 模块已经可以使轮胎基本适应恶劣条件了，但是由于要使用电池，主动 TPMS 仍然无法彻底解决以下几个问题：体积过大、重量过大、监测密度无法做到实时监控、无法保证稳定性与可靠性。 如果胎内模块可以实现无源(即无电池 )，则上述问题都可以迎刃而解。为达到以上目的，下面主要阐述 TPMS 无线无源化发展的几个实现方案： (1)轮胎内模块有发电装置，将轮胎运动的机械能转化为电能，此为压电发电方案。 (2)从轮胎外通过电磁场传人能量，驱动轮胎内模块工作，发射压力信息，此为磁场电磁耦合。 (3)轮胎外发射电磁波，碰到轮胎内模块内置器件后
8、反射，同时携带回压力信息，此为声表面波无源无线传感器方案。 3 压电发电方案设 4t 3.1 原理 压电陶瓷产生电能的工作原理是正反压电效应，压电陶瓷在应力作用下通过压电效应可产生数量可观的电荷，在工作物质上建立起很高的电势，可输出不小的静电能，构成了一个压电电源。 3.2 发电方案设计 TPMS 之所以可以采用发电方案，是因为轮胎在不断的转动和直线运动中有存在动能的可能。但是，车轮在转动时产生离心力，虽然十分大，但是并不能用来发电。由于离心力的方向是沿半径向外，在这个方向上，TPMS 模块是固定的，处于力的平衡状态，而动能产生的条件是 W=FL，所以要形成发电方案必须有两个条件：存在力，在力
9、的方向上有位移。在汽车轮胎的转动过程中，和地面接触的部分由于汽车的重量而产生形变，脱离接触后轮胎又恢复到形变前的状态，可以形成这样一个方案：压电陶瓷片固定在轮胎上，当轮胎和地面接触时，压电陶瓷片发生形变，产生电能，然后电存储在超电容器内，供给发射模块使用。 目前日本开发出了该类压电发电产品，如日新电机日前成功开发出不使用电池就能够让 LED 发光的团扇电机和由压电转换元件和 LED 组成的发光模块“ 发光棒”。 3.3 优缺点 压电陶瓷在现有主动式 TPMS 基础上改进，解决了电池的问题，而且发电模块应用面十分广。但压电陶瓷可以形变的次数有限，目前一般是几十万次。假设汽车一天行驶 100km，
10、车轮半径为 0.3m，周长为 1.88m，则轮胎每天转动 5.32 万圈，也就是压电陶瓷形变 5.32 万次。按目前压电陶瓷的技术水平，压电电源可以使用 10 天左右，行驶 1000km。就目前的技术而言，离实用还有距离，但是随着技术的进步，相信在将来会有可以使用的 TPMS 压电电源面世。 4 磁场电磁耦合设计方案 4.1 亚原理 电感耦合是一种变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据电磁感应定律，通过交变磁场在轮胎内测量发射模块的线圈中感应出电压和电流，给轮胎内测量发射模块提供能量。电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。典型的工作频率有：125kHz、225kHz
11、和 13.56MHz。识别作用距离小于 1m，典型作用距离为 1020cm。 4.2 方案设计 该系统至少包含轮胎内测量模块和阅读器两部分。 一般情况下，胎内测量模块由低频耦合天线(大面积的线圈) ，专用微型芯片和高频发射天线组成，低频耦合天线从交变磁场中获得工作所需的能量，专用芯片负责测量压力和将压力信息转化为 RF 信号，高频发射天线将 IF 信号发射到空间。阅读器包含有接收器、控制器以及低频驱动电路、低频天线、高频接收天线。工作流程如下： 控制器通过低频天线向空间发射供胎内测量电路使用的电磁波，发射磁场的一小部分磁力线穿过距阅读器天线线圈一定距离的轮胎内测量模块低频耦合天线线圈。通过感应
12、，在低频耦合天线线圈上产生电压，整流后作为胎内测量接收模块的电源。 将一个电容与阅读器的天线线圈并联，电容器电容的选择依据是：它与天线线圈的电感一起，形成谐振频率与阅读器发射频率相符的并联振荡回路。该回路的谐振使得阅读器的天线线圈产生非常大的电流，这种方法也可用于产生供远距离应答器工作所需要的场强。胎内测量模块的低频耦合天线线圈和电容器构成振荡回路，调谐到阅读器的发射频率。通过该回路的谐振，应答器线圈上的电压达到最大值。 这两个线圈上的结构也可以解释作变压器(变压器的耦合) ，变压器的两个线圈之间只存在很弱的耦合，阅读器的天线线圈与胎内测量模块的低频耦合天线线圈之间的功率传输效率与工作频率、应
13、答器线圈的匝数，被应答器线圈包围的面积、两个线圈的相对角度以及它们之间的距离成比例。 胎内测量模块获得能量工作后，将压力信息调制到 RF 信号发射出来，阅读器的高频接收天线接收到 RF 信号后，接收器将 RF 信号解调后将压力信号传给控制器，控制器将压力信号通过人机界面告知车主。 4.3 优缺点 电感耦合系统的效率不高，只适用于低电流电路，作用距离短，一般只有 15cm 左右。提供能量有限，使模块中传感器电路的设计变得很重要，关键是：(1)芯片设计必须高效率，能在低电流的情况下完成测量和发射任务。(2)微型芯片工作所需要的全部能量必须由阅读器供应。高频的强电磁场由阅读器的天线线圈产生，所以阅读
14、器的设计必须提供足够的磁场强度。 5 声表面波无源无线方案 5.1 原理 声表面波(SAW)技术是声学和电子学相结合而形成的一门新兴边缘学科。在雷达、通信等领域的研究得到了广泛的应用。把声表面波技术应用于传感器技术领域在近十几年得到了很大的发展，目前，采用 SAW 技术来研制力、加速度、温度、湿度、气体及电压等一系列新型传感器的工作逐渐成为传感器研究的一个热点。 声表面波传感器的工作模式基础上可分为延迟线型和谐振型两类，属于电磁反向散射耦合。声表面波传感器的工作频率通常为数十 MHz，甚至高达 12GHz，o 典型的工作频率有：433MHz、915MHz 、2.45GHz、5.8GHz。由于其
15、本身具有高频率信号输出和低功耗等特点，非常适合于遥测信号的传感和传感器无源化的实现，且作用距离大于 1m，典型作用距离为 310m。 5.2 延迟线式声表面波无源无线方案 延迟型声表面波传感器结构上有许多形式，主要有编码延迟线(或扫频延迟线) 和带反射栅的延迟线结构，前者的激励信号主要采用编码脉冲或扫频信号方式，而后者则多采用冲激脉冲或间歇脉冲激励。 延迟型主要是利用激励信号与接收信号在时间上的时延或相位上的变化进行测量。当外界被检测量发生变化时，将影响时延或相位。检测出该时延，就可感知被测量的大小。编码延迟线利用激励信号到达各个延迟抽头的相位是否同相或反相实现编码；而常用的带反射栅的延迟线则
16、利用反射栅位置的不同，将延时信号构成不同的编码，便于对多个传感器或标识器进行识别。 该系统由声表面波器件、压力传感器和阅读器组成。压力传感器设计成为电阻式，使压力的变化反应到传感器的阻抗发生变化，将声表面波器件指间转换器作反射器，与外部压力传感器相连接。压力测量值的变化使附加的指间转换器的终端阻抗发生变化，因而使转换器的声反射和反射系数发生变化，转换器端接了这个负载，因此也使反射的高频脉冲的大小和相位发生了变化。阅读器发出高频脉冲，声表面波器件反射回脉冲，通过反射回的高频脉冲的大小和相位的变化获知压力值。 5.3 谐振式声表面波无源无线的方案 谐振型声表面波传感器在一个或多个叉指换能器(IDT
17、)的左右两边对称分布等间距的反射栅阵，形成谐振腔，典型的结构为单端口和双端口。由于谐振的特点，该传感器仅仅响应与谐振器固有频率相同或接近的激励信号，因此，可利用声表面波谐振器良好的频率选择性直接测量反映器件固有频率的谐振频率，从而感知被测量的大小。 延迟型能利用延迟时间进行编码，构成较大规模的阵列传感器，但传感距离较短；而谐振型传感器的品质因素较延迟型器件高许多，损耗极小，更适应于远距离的无源无线遥感。采用多个无源的声表面波传感器可构成分布式无源无线阵列传感器，只要阵列传感器中各个声表面波器件的叉指换能器具有不同的频率选择特性，或者不同的编码(解码) 功能，就可以通过发射信号的频率或者编码选择
18、激励阵列中各传感元，达到识别(寻址)阵列中各个传感单元的目的。 使用声表面波器件作为应答器放在轮胎中或气门嘴中，并使器件设计成对压力敏感。在轮胎附近布线装上阅读器用于周期地发送高频扫频信号。当压力变化时，声表面波器件的谐振频率发生变化，反射回的信息中对应谐振频率能量高于扫频信号的其余频率信号，接收机通过分析返回信号的频谱，获知压力值的大小。 5.4 优缺点 声表面波无源无线传感器具有非接触、快速、无电源、成本低等优点。缺点是不管是延迟线式或者是谐振式，测量的精度都不高，而且反射回信号的强度很小，抗干扰能力不强。但是 TPMS 定义在一个警告系统，而不是测量系统，在轮胎压力不够的情况下给出报警信号，精度只要达到要求即可，声表面波器件是适合的。而抗干扰的能力可以通过减小收发之间距离，提高接收机灵敏度，提高系统信噪比来解决。
