Kako radi senzor tlaka u gumama? Razumijevanje izravnog i neizravnog TPMS-a

Vozač vozi brzinom od 70 mph kada se na kontrolnoj ploči prikazuje žuta ikona tlaka u gumama. Guma nije vidljivo prazna, a vozilo se i dalje normalno nosi. Ono što se dogodilo je da je MEMS senzor tlaka postavljen unutar kotača otkrio da je apsolutni tlak pao s osnovnih 2,2 bara na oko 1,9 bara. Taj je senzor fizički tlak pretvorio u napon, digitalizirao ga i prenio na 433,92 MHz do kontrolnog modula tijela, koji je potom aktivirao upozorenje. Ovaj se scenarij ponavlja milijune puta svaki dan na cestama diljem svijeta. Poznavanje načina rada senzora tlaka u gumama nije samo inženjerska trivijalnost; to je temelj za odabir prave komponente i za projektiranje pouzdanog sustava za nadzor tlaka u automobilu.

Što senzor tlaka u gumama zapravo mjeri

Senzor tlaka u gumama mjeri apsolutni tlak zraka unutar šupljine gume, obično u rasponu od 100 do 400 kPa (1,0 do 4,0 bara), i bežično prenosi ta očitanja ECU-u vozila s rezolucijom od oko 1 kPa.

Senzorski element je MEMS čip senzora tlaka: mala silikonska matrica s tankom osjetljivom dijafragmom. Kada tlak zraka u gumama pritisne ovu dijafragmu, membrana se savija za nekoliko desetinki mikrometra. Taj mehanički otklon je fizički događaj koji na kraju postaje broj na vašoj nadzornoj ploči. Senzor je konstruiran kao uređaj za apsolutni tlak jer treba usporediti unutarnji tlak u gumi sa zatvorenim referentnim vakuumom. Atmosferski tlak se mijenja s nadmorskom visinom i vremenskim prilikama, tako da bi referenca mjerača dovela do pogreške do 30 kPa u jednoj vožnji.

Kako MEMS čip pretvara tlak u podatke

Pretvorba iz mehaničkog otklona u digitalne podatke slijedi lanac od četiri koraka: pomak dijafragme, promjena otpora preko Wheatstoneovog mosta, analogno kondicioniranje signala i radiofrekvencijski prijenos.

• Otklon dijafragme: jedan bar tlaka pomiče tipičnu silicijsku dijafragmu za 0,5 do 1 mikrometar.
• Wheatstoneov most: piezorezistivni elementi s uzorkom na dijafragmi mijenjaju otpor za 1 do 3 posto preko ljestvice punog tlaka.
• Kondicioniranje signala: ASIC pojačava napon mosta, primjenjuje temperaturnu kompenzaciju i obrađuje rezultat u 10 do 12 bitne digitalne podatke.
• RF prijenos: obrađeni okvir se modulira na nosač od 433,92 MHz ili 315 MHz i emitira jedinici prijemnika.

Temperatura je najveća varijabla koja kvari očitanje tlaka. Senzor kalibriran na 20 C vidio bi porast tlaka zraka za 50 kPa u gore prikazanom rasponu. Bez kompenzacije, nekompenzirana jedinica bi izvijestila o vrijednosti koja je preniska za otprilike 20 kPa zimskog jutra, dovoljno da pokrene lažno upozorenje.

Za širi pogled na tehnologiju iza ovih uređaja pogledajte ovaj vodič za MEMS senzori tlaka .

Izravni protiv neizravnog TPMS-a: Kako se dva pristupa razlikuju

Direct TPMS koristi fizički senzor tlaka u svakom kotaču. Neizravni TPMS koristi postojeće ABS senzore brzine kotača vozila za procjenu tlaka. Samo izravni TPMS vraća stvarnu vrijednost tlaka.

Većina modernih vozila koristi izravni TPMS jer pruža točno očitanje za svaku gumu, što je ključno za otkrivanje sporog curenja i sprječavanje neravnomjernog trošenja gaznog sloja. Ista MEMS tehnologija senzora tlaka također se pojavljuje u senzori tlaka u modernim vozilima izvan TPMS-a, uključujući nadzor tlaka ulja i kočione sustave.

Četiri specifikacije koje diktiraju odabir senzora tlaka u gumama

Raspon tlaka, točnost, izlazni signal i pakiranje četiri su parametra koji određuju hoće li senzor tlaka u gumama raditi pouzdano na terenu.

Za osobni automobil koji radi na 2,2 do 2,5 bara, prag upozorenja obično je postavljen na 25 posto ispod preporučenog tlaka proizvođača. Raspon od 0 do 4 bara pokriva tu primjenu, a da ne postane toliko širok da žrtvuje razlučivost senzora.

Točnost je sljedeće ograničenje. Pomak od 0,3 bara mogao bi prikriti sporo curenje ili proizvesti lažni alarm, zbog čega najbolji MEMS senzori tlaka za automobile dosežu /-0,2 posto raspona pune skale. Na senzoru od 4 bara, to je otprilike 8 kPa dopuštene pogreške.

Izlazni signal je treća točka odlučivanja. Analogni izlazni napon u rasponu od 0,5 do 4,5 V jednostavan je i široko se koristi, dok digitalni izlazi kao što su I2C i SPI smanjuju osjetljivost na elektromagnetski šum u kabelskom snopu vozila. Za izravni TPMS na ruti s visokim vibracijama sve se više preferiraju digitalni signali.

Pakiranje određuje koliko se lako senzor može integrirati u ventil gume ili naplatak kotača. DIP i SIP paketi podržavaju PCB montažu, dok su SOP paketi uobičajeni kada senzor sjedi u sklopu stabla ventila. Uređaj također mora preživjeti razine vibracija od oko 50 g na frekvencijama do 1 kHz.

MCP-J10, MCP-J11 i MCP-J12 senzori apsolutnog tlaka za upotrebu u automobilima Ovi kalibrirani senzori apsolutnog tlaka nude analogni ili digitalni izlaz, mjere do 4 bara i temperaturno su kompenzirani tijekom cijelog raspona vozila, što ih čini prikladnima za sustave za nadzor tlaka u gumama. Pogledajte proizvod →

MemsTech, sa sjedištem u nacionalnoj visokotehnološkoj industrijskoj razvojnoj zoni Wuxi, izrađuje automobilske senzore tlaka prema ovim zahtjevima. Serije MCPJ10, MCPJ11 i MCPJ12 su senzori apsolutnog tlaka s mjernim rasponom od 0 do 4 bara, dostupni u analognim i digitalnim izlaznim verzijama, a njihov postupak kalibracije pokriva cijeli temperaturni raspon vozila.

Zašto je kompenzacija temperature kritična kod senzora tlaka u gumama

Temperatura unutar gume može varirati od -40 C na parkiralištu zimi do 80 C pri brzini na autocesti. Ako senzor nije kompenziran, samo ovo pomicanje može dovesti do pogreške od 15 do 20 kPa, što je dovoljno veliko da pokrene lažno upozorenje niskog tlaka.

Svaka jedinica je tvornički kalibrirana na nekoliko temperaturnih točaka. Koeficijenti kompenzacije pohranjuju se u unutarnjem ASIC-u senzora tijekom proizvodnje, tako da se konačni izlaz automatski ispravlja kako se guma zagrijava i hladi. MemsTech prati ovaj proces unutar svog pogona od 2000 kvadratnih metara, s internim mogućnostima koje pokrivaju pakiranje, zavarivanje, temperaturnu kompenzaciju i kalibraciju performansi. Svaki se uređaj testira na nultom i punom mjerilu prije otpreme kako bi se osigurala dosljednost serije.

MCP-J20 serija senzora tlaka za automobile i motocikle Dizajnirana za mjerenje tlaka u usisnom razvodniku u automobilima i motociklima, ova serija pruža analogni izlaz s izbornim rasponima do 1000 kPa i kalibrirana je za točnost bez kalibracije na strani korisnika. Pogledajte proizvod →

Serija MCPJ20 proširuje istu apsolutnu senzorsku arhitekturu na širi skup automobilskih aplikacija, uključujući veće platforme SUV i lakih kamiona s višim hladnim tlakom napuhavanja.

FAQ

Koliko dugo traje baterija senzora tlaka u gumama?

Izravni TPMS senzori su zatvorene jedinice s trajanjem baterije od 5 do 10 godina. Kada se baterija isprazni, mora se zamijeniti cijeli sklop senzora, jer se baterija ne može servisirati unutar zatvorene jedinice ventila.

Mogu li zamijeniti senzor tlaka u gumama bez mijenjanja ventila?

U većini izravnih TPMS sustava, senzor je integriran sa stablom ventila. Neki naknadni setovi dopuštaju zamjenu samo senzora, ali zamjena cijelog sklopa standardni je servisni postupak i pouzdaniji je.

Koliki tlak u gumama treba očitati TPMS senzor?

Za većinu osobnih automobila preporučeni tlak u hladnim gumama je 2,2 do 2,4 bara (32 do 35 psi). TPMS prag upozorenja obično je postavljen na oko 25 posto ispod te preporuke.

Zašto se moje TPMS svjetlo pali kada je vrijeme hladno?

Hladni zrak se skuplja. Za pad temperature okoline od 10 C, tlak u gumama može pasti za 7 do 10 kPa. Ako je guma već bila blizu praga upozorenja, ovaj pad je dovoljan za aktiviranje upozorenja.