1、 闫利文：博士研究生 基金项目:江苏省高校自然科学研究项目,编号:(04KJD460005) 胎压监测系统的研究 Research of Tire Pressure Monitoring System (1.上海大学 CIMS2.常熟理工学院机电工程系 )闫利文1,2俞涛1潘毅2王建平2易风2Yan,li wen Yu,taoPan,yiWang,jianpingYi,feng 摘 要： 本文给出了 TPMS 系统结构的定义，并依据传感器类型、监测方法，监测原理提出新的分类方法。同时，对不同类型 TPMS 的工作原理进行了描述，给出了相应的数学模型。采用本文给出的分类依据和数学模型，可以更全面
2、细致地刻画 TPMS 结构的特征，从而清晰地界定各类结构，这将有助于 TPMS 的分析与设计。 关 键 词： MEMS；胎压监测系统；SAW；智能传感器 中图分类号: TP212 文献标识码: A Abstract: A system structure of TPMS is defined in this paper. Meanwhile, A new classification method based on sensor type, monitor method and monitor principle is put forward. Then the paper describes
3、 the work principle of various TPMS and gives homologous mathematics model. Through the classification and mathematics model of the paper, a delicate structure of TPMS is displayed and the clear boundary of various structure is marked, thus contribute to the analysis and design of TPMS. Key word: ME
4、MS; TPMS; SAW; smart sensor 1. 前言 轮胎是汽车的一个重要部件,它直接影响到汽车的行驶安全及车内的人生安全。每年由爆胎引起的交通事故占有很大的比重。同时，轮胎欠压也是交通安全的重大隐患。经验表明若轮胎的额定充气内压为700kPa（10psi），欠压将导致滚动阻力增加2% 。对典型的驱动轴轮胎而言，相当于油耗增加了0 . 5 % ，磨耗加快了5 % 1。由此可见，胎压监测系统（TPMS）的研究与开发势在必行。 然而， 目前的TPMS纷繁杂乱， 国内外没有对之进行较为详细的论述。本文从总体上将TPMS划分为两大类型，一种是WSB TPMS(Wheel- Speed B
5、ased TPMS )又称间接式 TPMS。另一种是PSB TP MS(Pressure-Sensor Based TPMS)，又称直接式 TPMS。 2. 间接式胎压监测系统 所谓间接式胎压监测系统（WSB TPMS）是利用非压力传感器测得相关数据,再利用轮胎的力学模型间接计算出轮胎气压,或者通过轮胎之间的气压差别来达到监测胎压的目的。目前，共有三种监测方法。 2.1 转速监测法 这种系统是通过汽车ABS 系统的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别， 以达到监视胎压的目的。该类型的主要缺点是无法对两个以上轮胎同时缺气的状况和速度超过100公里/小时的情况进行判断。工作原理是：当某轮胎的气压降低
6、时，则该轮的滚动半径变小，导致该轮的转速比其他车轮快， 通过比较轮胎之间的转速差别， 以达到监视胎压的目的。 所以，间接式轮胎报警系统实际上依靠计算轮胎半径对气压进行监测。 ()()LfRr RfLrT +=Lf-为左前轮转速 Rr-为右后轮转速 Rf-为右前轮转速 Lr-为左后轮转速 -为平均车速 系统设置一个判别门限值T0,当TT0时，ABS系统的轮速传感器测得的转速信号，通过智能算法,来判别轮胎气压，系统报警。由于只需在原有的ABS系统上增加报警程序和报警提示装置，该监测系统的价格比较便宜，但系统的精度不高。 22 频率监测法 在汽车行驶过程中，轮胎的弹簧常数随轮胎气压的变化而发生变化。
7、利用四个车轮上安装的ABS车轮传感器产生的波形并经过VSC(Vehicl e Stability Control System)处理，求出轮胎的共振频率，由此可得轮胎的弹簧常数，在根据轮胎和弹簧常数成正比关系，最后求出轮胎气压。关系式为：2f mk=。轮胎气压低时，控制单元检测出并传出信号到报警灯。 23 磁敏检测法 其中轮胎气压传感器安装在车轮轮辋上, 而霍尔装置安装在与悬架支柱固接的托架或车轮制动底板上。工作原理：,当汽车行驶时, 轮胎气压变化引起压力传感器中磁性元件磁场方向变化, 从而间接通过霍尔装置磁敏元件的磁感应强度（B）变化, 霍尔装置的输出信号 VH随之变化, 由此实现充气压力信
8、号由轮胎至车体的非接触传递。 电子控制单元由单片机和外围接口组成, 单片机对经过调理的霍尔装置的输出信号进行采样, 并将数据送入存储器中, 经运算分析和比较判断, 得到轮胎气压值及其状态, 通过接口芯片和驱动器, 驱动显示报警装置在面板显示轮胎气压, 或在压力异常时进行声光报警。关系式为： VH=K*B，K为霍尔装置灵敏度。 3 直接式胎压监测系统 所谓直接式胎压监测系统（PSB TPMS）是是利用安装在每一个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及监视，当轮胎气压太低或有渗漏时，系统会自动报警。从功能和性能上均优于WSB TPMS。PSB TPMS分两种形式：机电式和
9、MEMS式、MEMS式成本高，技术含量高；机电式成本低，技术含量低，制造简单，服务对象主要是载货汽车、客车。许多欧洲的汽车厂商已将 PSB TPMS 配装于自己的车型之中，国内多数汽车厂家目前大多使用机电式， MEMS式PSB TPMS正在进行研究和推广，但随着国际化的要求，和国产汽车的出口，MEMS式TPMS将会引起国内厂商的关注。 3.1 机电式2机电式传感器，结构如图1 所示。把传感器的A部位旋入到轮胎的气门嘴上，空心螺柱顶开气门心的心轴， 气体外溢， 通过空心螺柱中心孔传到密封垫上部的气室中， 再通过密封垫，导柱作用到弹簧上，弹簧受压收缩，铜垫片随着导柱的向下移动和铜外壳在其接触处产生
10、一定的距离，导线B、C断开。当轮胎的气压低于标准气压的某个值时，此时弹簧依靠自身的弹力推动导柱向上移动，直至铜垫片和铜外壳接触，导线B、C接通，无线发射模块得电，发射信号，接收模块得到信号，发出声光报警。 3.2 MEMS式 MEMS式TPMS系统，它主要由安装在汽车轮胎内的压力、温度传感器和信号处理单元、RF发射器组成的TPMS 发射模块， 和安装在汽车驾驶台上的包括数字信号处理单元的RF 接收器以及LCD 组成。 其内部典型架构包括整合了采用硅显微机械加工的压力传感器、 温度传感器、加速度计、电池电压检测、内部时钟和一个包含ADC、取样/保持、SPI口、校准、数据管理以及ID码的数字信号处
11、理单元，所以我们把它们称为MEMS式TPMS系统。市场开发的有非MEMS式TPMS系统，如上海交通大学仪器工程系精密工程与智能微系统研究所开发的TPMS系统，采用南京高华科技生产的BQ10压力和AD590温度传感器，没有采用MEMS传感器技术，安装在轮胎上体积较大，适用性差3。所以，目前及今后应用的TPMS全都是MEMS式TPMS系统。该MEMS模块可以利用客户专用软件进行配置，其测量精度能达0.010.03% FS。此外，为了便于TPMS 接收器的识别，每个压力传感器都具有68位独特的ID码。 MEMS式TPMS系统按有无电源可分为：有源MEMS式TPMS和无源MEMS式TPMS两种系统。
12、321 有源MEMS式TPMS系统 所谓有源 MEMS式 TPMS系统是指发射器中含有电源模块， 原理如图2和图3 所示,由两部分组成，一部分是TPMS发射器，另一部分是TPMS接收器。该系统目前应用较广泛，性能稳定，监测效果显著。其中，我们研制了这类监测系统。 此类监测系统的主要缺点是: 由于锂电池的限制,使用寿命较短,使用不便; 传感器系统的质量大都在20g左右,从而引起较大的动态负载,特别是在最关键的高速区段。 3.2.1.1 TPMS发射器功能框图 图2 TPMS发射器由五个部分组成(SP12) TPMS发射模块将随着MEMS技术的突破，会将压力、温度、加速度、电压检测和后信号处理AS
13、IC 芯片组合成智能传感器SOC，SOC 也将和4-8位单片机（MCU）、RF射频发射芯片、锂亚电池集成在一起。形成单一化、无线无源发射模块。目前已经有了如InfineonSP 12/SP30将所需测试各物理量的传感器与MCU合二为一的智能传感器模块，在未来胎压监测发射器只有一个模块和一个天线组成，二次开发会更简单。高度集成化，微型化的发射器质量和体积很小，可以置入轮胎的任何部位，不会影响轮胎的正常工作。 3.2.1.2 TPMS接收器功能框图 图3 TPMS接收器由六个部分组成 322 无源MEMS式TPMS系统456基于SAW（Surface A coustic Wave）技术的无源MEM
14、S式TPMS系统是近年来新开发的,且仍处于试验阶段。其主要优点是胎内传感器部分不需电池支持,而且质量较小。目前已经开发出的试验传感器只有5g左右,同时可以在高温等恶劣环境下工作,因此,与其它类型传感器相比,具有明显的优势。SAW型传感器基本工作原理并不很复杂,主要是在轮胎的表面嵌入薄石英片,通过石英压电晶体将压力信号转化为相应的响应频率信号,并在询问频率的诱发下,返回响应频率,从而测量行驶中汽车轮胎的压力和温度等。目前开发的大多数无线型SAW 传感器主要由两部分组成,即无线轮询单元和SAW传感器。在其运行过程中,首先是车载轮询单元发出RF 脉冲,它既作为询问信号同时也是激励能源的载体。 RF
15、脉冲由天线接收后,存入表面辐射波,表面辐射波通过传感效应而改变,最后传播回到轮询单元,成为获取压力、位移、温度和湿度等信息的基本数据。如图4所示，其中轮询单元和雷达上的轮询单元原理类似。MCURF 接收器 天线 Antenna DC 电源 LCD 键盘 Key 压力传感器 温度传感器 加速度传感器 电压检测 定时器 S/H ADS SPI Calibration Data30(3):1216 2 刘风军,李海方.机电式TPMS传感器的初探及改进J.汽车电器,2004;(5):1618 3 彭锴,丁国清.轮胎智能监测系统的研究J.微计算机信息,2005;21(4):8283 4 Hareesh
16、Subramanian,et al.,”Design and fabrication of wireless remotely readable MEMS based microaccelerometers”,Smart Materials and Structures,pp.730-738,1997. 5 F.Schmidt and G.School,”Wireless SAW indetification and sensor systems”.International Journal of High Speed Electronics and Systens,Vol,10,No,4(2
17、000),pp.1143-1191 6 Oh, Jae-Geun, Choi, Bumkyoo; Lee, Seung-Yop , “A monolithically packaged cordless sensor system embedding MEMS A/D converter and saw transponder”,2004 International Conference on MEMS, NANO and Smart Systems, ICMENS 2004, 2004, p 473-479 作者简介: 闫利文,男,(1967-), 内蒙古,副教授,上海大学博士研究生,该项目
18、主持人。 主要从事测控技术、数控技术和MEMS技术的教学与研究工作。E-mail:y ;俞涛，男，1968年生，教授，工学博士，博士生导师。 Author:Yan,Liwen,Male,(1967-)Inner Mongolia,Assistant professor,doctorl student,program manager.research field:test and control technology,numeric controlYu,Tao,Male,(1968-),professor,tutor of Ph.D degree. （200072 上海大学CIMS&机器人中心）闫利文 俞涛 （215500 常熟理工学院机电工程系）闫利文 潘毅 王建平 易风 (CIMS and Robot Center, Shanghai University, 200072) Yan,li wen Yu,tao (Mechanical Engineering Department, 2Changshu Institute of Technology, 215500) Yan,li wen Pan,yi Wang ,jian pin Yi, feng 通讯地址：(200072 上海市闸北区延长路149号上海大学博士楼M8-504)闫利文
