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　　汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)(TPMS，Tire Pressure Monitoring System)，主要用于在汽車行駛時(shí)，適時(shí)對(duì)輪胎氣壓進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)輪胎漏氣造成低胎壓和高溫高胎壓防爆胎進(jìn)行預(yù)警，確保行車安全。汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)由發(fā)射檢測(cè)模塊(每只輪胎一個(gè))和接收顯示模塊(一個(gè))組成。不同類型的輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具體組成不同。

　　目前，TPMS主要分為直接式和間接式兩種類型。間接式TPMS是通過(guò)汽車ABS系統(tǒng)的輪速傳感器來(lái)比較車輪之間的轉(zhuǎn)速差別，以達(dá)到監(jiān)視胎壓的目的。當(dāng)某一只輪胎的氣壓太高或不足時(shí)，輪胎的直徑就會(huì)變大或變小，車輪的轉(zhuǎn)速也相應(yīng)產(chǎn)生變化。監(jiān)視系統(tǒng)將車輪轉(zhuǎn)速的變化情況同預(yù)先儲(chǔ)存的標(biāo)準(zhǔn)值比較，得出輪胎氣壓太高或不足結(jié)論，從而報(bào)警。

　　直接式TPMS是利用安裝在每一只輪胎里的壓力傳感器來(lái)直接測(cè)量輪胎的氣壓，并對(duì)各輪胎氣壓進(jìn)行顯示與監(jiān)視，直接式TPMS又可分為帶電池TPMS和無(wú)電池TPMS。

　　1 TPMS技術(shù)的現(xiàn)狀和演變

　　間接式TPMS沒(méi)有直接式TPMS準(zhǔn)確率高且系統(tǒng)校準(zhǔn)復(fù)雜，在有些情況下此系統(tǒng)無(wú)法正常工作，如無(wú)法對(duì)兩個(gè)以上的輪胎同時(shí)缺氣的狀況和速度超過(guò)100km/h的情況進(jìn)行判斷，所以不能成為技術(shù)發(fā)展的主流。帶電池TPMS技術(shù)的日趨成熟，開發(fā)出來(lái)的模塊可適用于各廠牌的輪胎，是當(dāng)前的主流技術(shù)，現(xiàn)在各種車輛上均安裝這種TPMS。帶電池TPMS傳感器/發(fā)射器需要電池提供動(dòng)力，因此不可避免地帶來(lái)一些弊端：如電池的壽命有限，當(dāng)氣溫嚴(yán)重降低時(shí)，電池的容量會(huì)受到影響而減少，不夠穩(wěn)定。此外，電池的化學(xué)物質(zhì)也會(huì)導(dǎo)致環(huán)境問(wèn)題，同時(shí)由于電池的存在很難降低發(fā)射器的重量。

　　無(wú)電池TPMS，用一個(gè)中央收發(fā)器代替一般直接式TPMS中的中央接收器。這個(gè)收發(fā)器不但要接收信號(hào)而且要發(fā)射信號(hào)，安裝在輪胎中的轉(zhuǎn)發(fā)器(代替了發(fā)射器)接收來(lái)自中央收發(fā)器的信號(hào)，同時(shí)使用這個(gè)信號(hào)的能量來(lái)發(fā)射一個(gè)反饋信號(hào)到中央收發(fā)器上。這就使得安裝在輪胎內(nèi)部的氣壓監(jiān)測(cè)器發(fā)送數(shù)據(jù)不需要電池，解決了上述因電池所帶來(lái)的問(wèn)題。德國(guó)IQ—MOBIL率先在此技術(shù)上取得突破，目前已制造出樣品，此外澳大利亞的VISITYRE也已經(jīng)開發(fā)出了類似產(chǎn)品。

　　如果說(shuō)TPMS的使用是汽車電子技術(shù)發(fā)展的一次革新的話，那TPMS的無(wú)源化就是TPMS自身完善的一個(gè)重要變化。

　　TPMS發(fā)射檢測(cè)模塊一般安裝在輪胎里面，輪胎里面是一個(gè)復(fù)雜的環(huán)境，輪胎高速旋轉(zhuǎn)，胎內(nèi)空氣溫度高達(dá)120℃，胎內(nèi)氣壓一般在507～810kPa。

　　影響TPMS的環(huán)境與因素主要有如下幾點(diǎn)：

　　(1)離心加速度。輪胎在高速運(yùn)動(dòng)上產(chǎn)生高離心加速度，假設(shè)一普通輪胎，胎的半徑是0.5m，輪輞半徑是0.3m，由于TPMS是裝在輪輞上，所以半徑以0.3m計(jì)。假設(shè)汽車以時(shí)速200km/h行駛時(shí)，離心加速度可達(dá)368g，對(duì)內(nèi)部電子元件焊接、封裝都有極高要求。而輪胎在高速行駛時(shí)要求動(dòng)平衡，這對(duì)胎內(nèi)模塊的重量又提出了要求。TPMS胎內(nèi)模塊是越輕越好，而電子部分一般而言5g左右，帶電池TPMS的電池一般是8～10g。

　　(2)重量與輪胎的動(dòng)平衡。TPMS胎內(nèi)模塊安裝在輪輞上，本身是輪胎的一部分，也同時(shí)影響輪胎的質(zhì)量分布，如果TPMS過(guò)重，在輪胎相對(duì)位置放置的平衡塊也會(huì)很重，甚至可能找不到合適的平衡塊，所以TPMS是越輕越好。目前市場(chǎng)上的TPMS產(chǎn)品一般都在30-50g之間。

　　(3)高溫。汽車在持續(xù)剎車時(shí)，比如下山，剎車片溫度可達(dá)400℃左右。在不斷的加溫過(guò)程中，輪輞面可達(dá)17℃左右，而胎內(nèi)空氣溫度也在120℃左右。一般電池在高溫下由于內(nèi)部液體氣化，會(huì)使電池變形或爆裂。所以目前TPMS選用高能鋰—亞硫酰氯電池，可耐125℃高溫。

　　(4)電池壽命與容量。帶電池TPMS模塊在目前成本條件下，除要求電池使用5～7年外，還要求體積小，重量輕，即在保證容量的條件下盡量選擇體積小、重量輕的電池。目前趨勢(shì)是選用2450鋰電池，重約8g但是必須限制檢測(cè)和發(fā)射的次數(shù)，以保證模塊可以使用5～7年。但這樣就無(wú)法做到實(shí)時(shí)監(jiān)控。

　　2 TPMS發(fā)展方向

　　TPMS系統(tǒng)的主要技術(shù)難點(diǎn)集中在胎內(nèi)的發(fā)射監(jiān)測(cè)模塊上。目前帶電池TPMS模塊已經(jīng)可以使輪胎基本適應(yīng)惡劣條件了，但是由于要使用電池，主動(dòng)TPMS仍然無(wú)法徹底解決以下幾個(gè)問(wèn)題：體積過(guò)大、重量過(guò)大、監(jiān)測(cè)密度無(wú)法做到實(shí)時(shí)監(jiān)控、無(wú)法保證穩(wěn)定性與可靠性。

　　如果胎內(nèi)模塊可以實(shí)現(xiàn)無(wú)源(即無(wú)電池)，則上述問(wèn)題都可以迎刃而解。為達(dá)到以上目的，下面主要闡述TPMS無(wú)線無(wú)源化發(fā)展的幾個(gè)實(shí)現(xiàn)方案：

　　(1)輪胎內(nèi)模塊有發(fā)電裝置，將輪胎運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，此為壓電發(fā)電方案。

　　(2)從輪胎外通過(guò)電磁場(chǎng)傳人能量，驅(qū)動(dòng)輪胎內(nèi)模塊工作，發(fā)射壓力信息，此為磁場(chǎng)電磁耦合。

　　(3)輪胎外發(fā)射電磁波，碰到輪胎內(nèi)模塊內(nèi)置器件后反射，同時(shí)攜帶回壓力信息，此為聲表面波無(wú)源無(wú)線傳感器方案。

　　3 壓電發(fā)電方案設(shè)4t

　　3.1 原理

　　壓電陶瓷產(chǎn)生電能的工作原理是正反壓電效應(yīng)，壓電陶瓷在應(yīng)力作用下通過(guò)壓電效應(yīng)可產(chǎn)生數(shù)量可觀的電荷，在工作物質(zhì)上建立起很高的電勢(shì)，可輸出不小的靜電能，構(gòu)成了一個(gè)壓電電源。

　　3.2 發(fā)電方案設(shè)計(jì)

　　TPMS之所以可以采用發(fā)電方案，是因?yàn)檩喬ピ诓粩嗟霓D(zhuǎn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)中有存在動(dòng)能的可能。但是，車輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生離心力，雖然十分大，但是并不能用來(lái)發(fā)電。由于離心力的方向是沿半徑向外，在這個(gè)方向上，TPMS模塊是固定的，處于力的平衡狀態(tài)，而動(dòng)能產(chǎn)生的條件是W=FL，所以要形成發(fā)電方案必須有兩個(gè)條件：存在力，在力的方向上有位移。在汽車輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，和地面接觸的部分由于汽車的重量而產(chǎn)生形變，脫離接觸后輪胎又恢復(fù)到形變前的狀態(tài)，可以形成這樣一個(gè)方案：壓電陶瓷片固定在輪胎上，當(dāng)輪胎和地面接觸時(shí)，壓電陶瓷片發(fā)生形變，產(chǎn)生電能，然后電存儲(chǔ)在超電容器內(nèi)，供給發(fā)射模塊使用。

　　目前日本開發(fā)出了該類壓電發(fā)電產(chǎn)品，如日新電機(jī)日前成功開發(fā)出不使用電池就能夠讓LED發(fā)光的團(tuán)扇電機(jī)和由壓電轉(zhuǎn)換元件和LED組成的發(fā)光模塊“發(fā)光棒”。

　　3.3 優(yōu)缺點(diǎn)

　　壓電陶瓷在現(xiàn)有主動(dòng)式TPMS基礎(chǔ)上改進(jìn)，解決了電池的問(wèn)題，而且發(fā)電模塊應(yīng)用面十分廣。但壓電陶瓷可以形變的次數(shù)有限，目前一般是幾十萬(wàn)次。假設(shè)汽車一天行駛100km，車輪半徑為0.3m，周長(zhǎng)為1.88m，則輪胎每天轉(zhuǎn)動(dòng)5.32萬(wàn)圈，也就是壓電陶瓷形變5.32萬(wàn)次。按目前壓電陶瓷的技術(shù)水平，壓電電源可以使用10天左右，行駛1000km。就目前的技術(shù)而言，離實(shí)用還有距離，但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，相信在將來(lái)會(huì)有可以使用的TPMS壓電電源面世。

　　4 磁場(chǎng)電磁耦合設(shè)計(jì)方案

　　4.1 亞原理

　　電感耦合是一種變壓器模型，通過(guò)空間高頻交變磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)耦合，依據(jù)電磁感應(yīng)定律，通過(guò)交變磁場(chǎng)在輪胎內(nèi)測(cè)量發(fā)射模塊的線圈中感應(yīng)出電壓和電流，給輪胎內(nèi)測(cè)量發(fā)射模塊提供能量。電感耦合方式一般適合于中、低頻工作的近距離射頻識(shí)別系統(tǒng)。典型的工作頻率有：125kHz、225kHz和13.56MHz。識(shí)別作用距離小于1m，典型作用距離為10～20cm。

　　4.2 方案設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)至少包含輪胎內(nèi)測(cè)量模塊和閱讀器兩部分。

　　一般情況下，胎內(nèi)測(cè)量模塊由低頻耦合天線(大面積的線圈)，專用微型芯片和高頻發(fā)射天線組成，低頻耦合天線從交變磁場(chǎng)中獲得工作所需的能量，專用芯片負(fù)責(zé)測(cè)量壓力和將壓力信息轉(zhuǎn)化為RF信號(hào)，高頻發(fā)射天線將I{F信號(hào)發(fā)射到空間。閱讀器包含有接收器、控制器以及低頻驅(qū)動(dòng)電路、低頻天線、高頻接收天線。工作流程如下：

　　控制器通過(guò)低頻天線向空間發(fā)射供胎內(nèi)測(cè)量電路使用的電磁波，發(fā)射磁場(chǎng)的一小部分磁力線穿過(guò)距閱讀器天線線圈一定距離的輪胎內(nèi)測(cè)量模塊低頻耦合天線線圈。通過(guò)感應(yīng)，在低頻耦合天線線圈上產(chǎn)生電壓，整流后作為胎內(nèi)測(cè)量接收模塊的電源。

　　將一個(gè)電容與閱讀器的天線線圈并聯(lián)，電容器電容的選擇依據(jù)是：它與天線線圈的電感一起，形成諧振頻率與閱讀器發(fā)射頻率相符的并聯(lián)振蕩回路。該回路的諧振使得閱讀器的天線線圈產(chǎn)生非常大的電流，這種方法也可用于產(chǎn)生供遠(yuǎn)距離應(yīng)答器工作所需要的場(chǎng)強(qiáng)。胎內(nèi)測(cè)量模塊的低頻耦合天線線圈和電容器構(gòu)成振蕩回路，調(diào)諧到閱讀器的發(fā)射頻率。通過(guò)該回路的諧振，應(yīng)答器線圈上的電壓達(dá)到最大值。

　　這兩個(gè)線圈上的結(jié)構(gòu)也可以解釋作變壓器(變壓器的耦合)，變壓器的兩個(gè)線圈之間只存在很弱的耦合，閱讀器的天線線圈與胎內(nèi)測(cè)量模塊的低頻耦合天線線圈之間的功率傳輸效率與工作頻率、應(yīng)答器線圈的匝數(shù)，被應(yīng)答器線圈包圍的面積、兩個(gè)線圈的相對(duì)角度以及它們之間的距離成比例。

　　胎內(nèi)測(cè)量模塊獲得能量工作后，將壓力信息調(diào)制到RF信號(hào)發(fā)射出來(lái)，閱讀器的高頻接收天線接收到RF信號(hào)后，接收器將RF信號(hào)解調(diào)后將壓力信號(hào)傳給控制器，控制器將壓力信號(hào)通過(guò)人機(jī)界面告知車主。

　　4.3 優(yōu)缺點(diǎn)

　　電感耦合系統(tǒng)的效率不高，只適用于低電流電路，作用距離短，一般只有15cm左右。提供能量有限，使模塊中傳感器電路的設(shè)計(jì)變得很重要，關(guān)鍵是：(1)芯片設(shè)計(jì)必須高效率，能在低電流的情況下完成測(cè)量和發(fā)射任務(wù)。(2)微型芯片工作所需要的全部能量必須由閱讀器供應(yīng)。高頻的強(qiáng)電磁場(chǎng)由閱讀器的天線線圈產(chǎn)生，所以閱讀器的設(shè)計(jì)必須提供足夠的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

　　5 聲表面波無(wú)源無(wú)線方案

　　5.1 原理

　　聲表面波(SAW)技術(shù)是聲學(xué)和電子學(xué)相結(jié)合而形成的一門新興邊緣學(xué)科。在雷達(dá)、通信等領(lǐng)域的研究得到了廣泛的應(yīng)用。把聲表面波技術(shù)應(yīng)用于傳感器技術(shù)領(lǐng)域在近十幾年得到了很大的發(fā)展，目前，采用SAW技術(shù)來(lái)研制力、加速度、溫度、濕度、氣體及電壓等一系列新型傳感器的工作逐漸成為傳感器研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

　　聲表面波傳感器的工作模式基礎(chǔ)上可分為延遲線型和諧振型兩類，屬于電磁反向散射耦合。聲表面波傳感器的工作頻率通常為數(shù)十MHz，甚至高達(dá)1～2GHz，o典型的工作頻率有：433MHz、915MHz、2.45GHz、5.8GHz。由于其本身具有高頻率信號(hào)輸出和低功耗等特點(diǎn)，非常適合于遙測(cè)信號(hào)的傳感和傳感器無(wú)源化的實(shí)現(xiàn)，且作用距離大于1m，典型作用距離為3～10m。

　　5.2 延遲線式聲表面波無(wú)源無(wú)線方案

　　延遲型聲表面波傳感器結(jié)構(gòu)上有許多形式，主要有編碼延遲線(或掃頻延遲線)和帶反射柵的延遲線結(jié)構(gòu)，前者的激勵(lì)信號(hào)主要采用編碼脈沖或掃頻信號(hào)方式，而后者則多采用沖激脈沖或間歇脈沖激勵(lì)。

　　延遲型主要是利用激勵(lì)信號(hào)與接收信號(hào)在時(shí)間上的時(shí)延或相位上的變化進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)外界被檢測(cè)量發(fā)生變化時(shí)，將影響時(shí)延或相位。檢測(cè)出該時(shí)延，就可感知被測(cè)量的大小。編碼延遲線利用激勵(lì)信號(hào)到達(dá)各個(gè)延遲抽頭的相位是否同相或反相實(shí)現(xiàn)編碼;而常用的帶反射柵的延遲線則利用反射柵位置的不同，將延時(shí)信號(hào)構(gòu)成不同的編碼，便于對(duì)多個(gè)傳感器或標(biāo)識(shí)器進(jìn)行識(shí)別。

　　該系統(tǒng)由聲表面波器件、壓力傳感器和閱讀器組成。壓力傳感器設(shè)計(jì)成為電阻式

　　，使壓力的變化反應(yīng)到傳感器的阻抗發(fā)生變化，將聲表面波器件指間轉(zhuǎn)換器作反射器，與外部壓力傳感器相連接。壓力測(cè)量值的變化使附加的指間轉(zhuǎn)換器的終端阻抗發(fā)生變化，因而使轉(zhuǎn)換器的聲反射和反射系數(shù)發(fā)生變化，轉(zhuǎn)換器端接了這個(gè)負(fù)載，因此也使反射的高頻脈沖的大小和相位發(fā)生了變化。閱讀器發(fā)出高頻脈沖，聲表面波器件反射回脈沖，通過(guò)反射回的高頻脈沖的大小和相位的變化獲知壓力值。

　　5.3 諧振式聲表面波無(wú)源無(wú)線的方案

　　諧振型聲表面波傳感器在一個(gè)或多個(gè)叉指換能器(IDT)的左右兩邊對(duì)稱分布等間距的反射柵陣，形成諧振腔，典型的結(jié)構(gòu)為單端口和雙端口。由于諧振的特點(diǎn)，該傳感器僅僅響應(yīng)與諧振器固有頻率相同或接近的激勵(lì)信號(hào)，因此，可利用聲表面波諧振器良好的頻率選擇性直接測(cè)量反映器件固有頻率的諧振頻率，從而感知被測(cè)量的大小。

　　延遲型能利用延遲時(shí)間進(jìn)行編碼，構(gòu)成較大規(guī)模的陣列傳感器，但傳感距離較短;而諧振型傳感器的品質(zhì)因素較延遲型器件高許多，損耗極小，更適應(yīng)于遠(yuǎn)距離的無(wú)源無(wú)線遙感。采用多個(gè)無(wú)源的聲表面波傳感器可構(gòu)成分布式無(wú)源無(wú)線陣列傳感器，只要陣列傳感器中各個(gè)聲表面波器件的叉指換能器具有不同的頻率選擇特性，或者不同的編碼(解碼)功能，就可以通過(guò)發(fā)射信號(hào)的頻率或者編碼選擇激勵(lì)陣列中各傳感元，達(dá)到識(shí)別(尋址)陣列中各個(gè)傳感單元的目的。

　　使用聲表面波器件作為應(yīng)答器放在輪胎中或氣門嘴中，并使器件設(shè)計(jì)成對(duì)壓力敏感。在輪胎附近布線裝上閱讀器用于周期地發(fā)送高頻掃頻信號(hào)。當(dāng)壓力變化時(shí)，聲表面波器件的諧振頻率發(fā)生變化，反射回的信息中對(duì)應(yīng)諧振頻率能量高于掃頻信號(hào)的其余頻率信號(hào)，接收機(jī)通過(guò)分析返回信號(hào)的頻譜，獲知壓力值的大小。

　　5.4 優(yōu)缺點(diǎn)

　　聲表面波無(wú)源無(wú)線傳感器具有非接觸、快速、無(wú)電源、成本低等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是不管是延遲線式或者是諧振式，測(cè)量的精度都不高，而且反射回信號(hào)的強(qiáng)度很小，抗干擾能力不強(qiáng)。但是TPMS定義在一個(gè)警告系統(tǒng)，而不是測(cè)量系統(tǒng)，在輪胎壓力不夠的情況下給出報(bào)警信號(hào)，精度只要達(dá)到要求即可，聲表面波器件是適合的。而抗干擾的能力可以通過(guò)減小收發(fā)之間距離，提高接收機(jī)靈敏度，提高系統(tǒng)信噪比來(lái)解決。