基于集成压力传感器的无源胎压监控系统研究

1 引言

　　2002年，由于凡世通(Firestone)轮胎的质量问题，造成了超过100人死亡和400人受伤的事件，引起了汽车业和美国政府的高度重视，普利斯通／凡世通公司被迫收回650万只轮胎。据美国汽车工程师学会最近的调查，每年75％的轮胎故障是由于轮胎渗漏或充气不足引起的。据公安部统计，在中国高速公路上发生的交通事故有70％是由于爆胎引起的，而在美国这一比例则高达80％。如何防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题。

　　据国家橡胶轮胎质量监督中心分析，保持标准的车胎气压和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键，而汽车轮胎压力监视系统将是预防爆胎的理想工具。由于轮胎压力变化通常是一个渐变的过程，即使由于异物刺破轮胎而导致的轮胎泄气也有一个持续过程，因此通过实时监测轮胎压力，并在轮胎压力出现异常后的第一时间报警，能够为驾驶员正确处理突发情况争取宝贵时间，从而保证行车的安全。为此，美国运输部和美国国家高速公路安全管理局制定了相关政策，规定从2003年11月到2006年10月31日期间新出厂的轻型汽车将逐步引入轮胎压力监视系统。

2 胎压监控的基本原理

　　目前，轮胎压力监测系统主要有两种解决方案，直接系统和间接系统。直接式轮胎压力监测系统是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器直接测量轮胎的气压，并对各轮胎气压进行显示及监控，当轮胎气压太低或有渗漏时，系统会自动报警。间接式轮胎压力监测系统是通过汽车ABS系统的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，以达到监控胎压的目的，该类型系统的主要缺点是：①不能显示出各条轮胎准确的瞬时气压值；②同一车轴或者同一侧车轮或者所有轮胎气压同时下降时不能报警；③不能同时兼顾车速、检测精度等因素。很明显，直接传感系统更有效。

　　直接式轮胎压力监控系统又分为主动式(active)和被动式(passive)两种。

　　主动式系统是采用在硅基上利用MEMS工艺制作电容式或者压阻式压力传感器，将压力传感器安装在每个轮圈上，通过无线射频的方式将信号传送出去，安装在驾驶室里的无线接收装置接收到该压力敏感信号，经过一定的信号处理，显示出当前的轮胎压力。主动式技术的优点是，技术比较成熟，开发出来的模块可适用于各厂牌的轮胎，但缺点同样比较突出，其感应模块需要电池供电，因此存在系统使用寿命的问题。

　　被动式轮胎压力监控系统的传感器是采用声表面波(SAW)来设计的，这种传感器通过射频电场产生一个声表面波，当这个声表面波通过压电衬底材料的表面时，就会产生变化，通过检测声表面波的这种变化，就可以知道轮胎压力的情况。虽然此技术不用电池供电，但是它需要将转发器整合到轮胎中，需各轮胎制造商建立共通的标准才有可能实施。

　　轮胎气压实时监测与报警系统目前还没有统一的标准，各公司都在努力开发具有竞争力的产品，以期在未来的竞争中立于不败之地。具有分辨率高、无源、体积小三个特征的胎压监控系统将是未来的发展趋势。

　　轮胎气压监测系统要检测出轮胎气压的异常状况，只有具有高分辨率才能有高的精度。电池寿命是有限的，且容量也受温度影响。为提高系统的可靠性，传感器最好能进行无源检测。轮胎能否正常工作不仅与气压有关，还与温度、车轮转速及载质量等有关，未来的压力传感器在测量轮胎气压的同时，还应能测量轮胎内温度和载质量。许多研究表明，利用轮胎气压传感器收集到的信息，可对车辆悬挂系统进行故障监测并校正导航系统。因此，未来的传感器应该是集各种功能于一身的无源智能型传感器。

3 无源TPMS磁场电磁耦合设计方案

3.1 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。依据的是电磁感应定律，实际上是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。