基于集成压力传感器的无源胎压监控系统设计

1 引言

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。

压力传感器是将压力转换为电信号输出的传感器。通常把压力测量仪表中的电测式仪表称为压力传感器。压力传感器一般由弹性敏感元件和位移敏感元件（或应变计）组成。弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变，然后由位移敏感元件或应变计转换为与压力成一定关系的电信号。有时把这两种元件的功能集于一体。压力传感器广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。

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。

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。研究表明，利用轮胎气压传感器收集到的信息，可以对车辆悬挂系统进行故障监测并校正导航系统。所以，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。

3.2 方案设计

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RF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。控制器通过低频天线向空间发射出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，在低频耦合天线线圈上产生一个电压Ui，将其整流后作为胎内测量接收模块的电源。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f、应答器线圈的匝数n，被应答器线圈包围的面积A、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。

3.3 难点和解决思路

电感耦合系统的效率不高，所以一般适用于低电流电路，作用距离短，一般只有几十厘米。提供能量有限，所以模块中的传感器电路的设计就很重要。其关键是：① 芯片的设计要效率高，能在低电流的情况下完成测量和发射的任