Hur fungerar en däcktryckssensor? Förstå direkta och indirekta TPMS

En förare cruisar i 70 mph när instrumentbrädan visar en gul däcktrycksikon. Däcket är inte synligt platt och fordonet fungerar fortfarande normalt. Det som hände är att en MEMS trycksensor monterad inuti hjulet upptäckte att det absoluta trycket hade sjunkit från en 2,2 bars baslinje till cirka 1,9 bar. Den sensorn omvandlade fysiskt tryck till en spänning, digitaliserade det och överförde det vid 433,92 MHz till kroppskontrollmodulen, som sedan utlöste varningen. Detta scenario upprepas miljontals gånger varje dag på vägar över hela världen. Att veta hur en däcktryckssensor fungerar är inte bara teknisk trivia; det är grunden för att välja rätt komponent och för att designa ett pålitligt tryckövervakningssystem för fordon.

Vad en däcktryckssensor faktiskt mäter

En däcktryckssensor mäter det absoluta lufttrycket inuti däckhålet, vanligtvis över ett område på 100 till 400 kPa (1,0 till 4,0 bar), och sänder denna avläsning trådlöst till fordonets ECU med en upplösning på cirka 1 kPa.

Avkänningselementet är ett MEMS-trycksensorchip: en liten kiselform med ett tunt responsivt membran. När lufttrycket i däcken trycker mot detta membran, böjs membranet med några tiondels mikrometer. Den mekaniska avböjningen är den fysiska händelsen som så småningom blir numret på din instrumentpanel. Sensorn är konstruerad som en absolut tryckanordning eftersom den behöver jämföra det interna däcktrycket med en förseglad vakuumreferens. Atmosfärstrycket förändras med höjd och väder, så en mätreferens skulle introducera fel på upp till 30 kPa i en enda körning.

Hur MEMS-chippet omvandlar tryck till data

Omvandlingen från mekanisk avböjning till digital data följer en kedja i fyra steg: diafragmaförskjutning, resistansförändring över en Wheatstone-brygga, analog signalkonditionering och radiofrekvensöverföring.

• Membranböjning: en bars tryck flyttar ett typiskt kiselmembran med 0,5 till 1 mikrometer.
• Wheatstone-bro: piezoresistiva element mönstrade på membranet ändrar motståndet med 1 till 3 procent över hela tryckskalan.
• Signalkonditionering: en ASIC förstärker bryggspänningen, tillämpar temperaturkompensation och bearbetar resultatet till 10 till 12 bitars digitala data.
• RF-överföring: den bearbetade ramen moduleras till en 433,92 MHz eller 315 MHz bärvåg och sänds till mottagarenheten.

Temperaturen är den största variabeln som förstör tryckavläsningen. En sensor kalibrerad vid 20 C skulle se lufttrycket öka med 50 kPa över området som visas ovan. Utan kompensation skulle en okompenserad enhet rapportera ett värde som är för lågt med cirka 20 kPa en vintermorgon, tillräckligt för att utlösa en falsk varning.

För en bredare titt på tekniken bakom dessa enheter, se den här guiden till MEMS trycksensorer .

Direkt vs indirekt TPMS: Hur de två tillvägagångssätten skiljer sig

Direct TPMS använder en fysisk trycksensor i varje hjul. Indirekt TPMS använder fordonets befintliga ABS-hjulhastighetssensorer för att uppskatta trycket. Endast direkt TPMS returnerar ett verkligt tryckvärde.

De flesta moderna fordon använder direkt TPMS eftersom det ger en exakt avläsning för varje däck, vilket är avgörande för att upptäcka långsamma läckor och förhindra ojämnt slitage på slitbanan. Samma MEMS trycksensorteknik förekommer också i trycksensorer i moderna fordon bortom TPMS, inklusive oljetrycksövervakning och bromssystem.

Fyra specifikationer som dikterar val av däcktryckssensor

Tryckområde, noggrannhet, utsignal och förpackning är de fyra parametrarna som avgör om en däcktryckssensor kommer att fungera tillförlitligt i fält.

För en personbil som kör på 2,2 till 2,5 bar är varningströskeln normalt satt till 25 procent under tillverkarens rekommenderade tryck. Ett intervall på 0 till 4 bar täcker den applikationen utan att bli så bred att den offra sensorupplösning.

Noggrannhet är nästa begränsning. En offset på 0,3 bar kan dölja en långsam läcka eller ge ett falskt larm, vilket är anledningen till att de bästa MEMS-trycksensorerna av fordonskvalitet når /-0,2 procent av fullskalespann. På en 4 bars sensor är det ungefär 8 kPa feltillägg.

Utsignalen är den tredje beslutspunkten. Analog spänningsutgång i intervallet 0,5 till 4,5 V är enkel och flitigt använd, medan digitala utgångar som I2C och SPI minskar känsligheten för elektromagnetiskt brus i fordonskabeln. För direkt TPMS i en högvibrationsväg är digitala signaler alltmer att föredra.

Förpackningen avgör hur lätt sensorn kan integreras i däckventilen eller fälgen. DIP- och SIP-paket stöder PCB-montering, medan SOP-paket är vanliga när sensorn sitter i ventilskaftet. Enheten måste också överleva vibrationsnivåer runt 50 g vid frekvenser upp till 1 kHz.

MCP-J10, MCP-J11 och MCP-J12 absoluttrycksgivare för bilbruk Dessa kalibrerade absoluttryckssensorer erbjuder analog eller digital utgång, mäter upp till 4 bar och är temperaturkompenserade över hela fordonets spann, vilket gör dem lämpliga för däcktrycksövervakningssystem. Visa produkt →

MemsTech, baserat i Wuxis nationella högteknologiska industriella utvecklingszon, bygger fordonstrycksensorer kring dessa krav. Serierna MCPJ10, MCPJ11 och MCPJ12 är absoluttryckssensorer med ett mätområde på 0 till 4 bar, tillgängliga i både analoga och digitala utgångsversioner, och deras kalibreringsprocess täcker hela fordonets temperaturintervall.

Varför temperaturkompensation är kritisk i en däcktryckssensor

Temperaturen inuti ett däck kan svänga från -40 C på en vinterparkering till 80 C i motorvägshastighet. Om sensorn inte kompenseras kan enbart denna drift leda till ett 15 till 20 kPa-fel, vilket är tillräckligt stort för att utlösa en falsk lågtrycksvarning.

Varje enhet är fabrikskalibrerad vid flera temperaturpunkter. Kompensationskoefficienterna lagras i sensorns interna ASIC under produktionen, så sluteffekten korrigeras automatiskt när däcket värms och kyls. MemsTech följer denna process i sin 2 000 kvadratmeter stora anläggning, med interna funktioner som täcker förpackning, svetsning, temperaturkompensation och prestandakalibrering. Varje enhet testas i noll och i full skala före leverans för att säkerställa batchkonsistens.

MCP-J20-seriens trycksensor för applikationer i bilar och motorcyklar Designad för avkänning av insugsgrenrörets tryck i bilar och motorcyklar, ger denna serie analog utsignal med valfria intervall upp till 1000 kPa och är kalibrerad för noggrannhet utan kalibrering på kundsidan. Visa produkt →

MCPJ20-serien utökar samma absoluta avkänningsarkitektur till en bredare uppsättning fordonsapplikationer, inklusive större SUV- och lätta lastbilsplattformar med högre kallt uppblåsningstryck.

FAQ

Hur länge håller ett däcktryckssensorbatteri?

Direct TPMS-sensorer är slutna enheter med en batteritid på 5 till 10 år. När batteriet är urladdat måste hela sensorenheten bytas ut, eftersom batteriet inte går att underhålla inuti en förseglad ventilenhet.

Kan jag byta ut en däcktryckssensor utan att byta ventilskaft?

I de flesta direkta TPMS-system är sensorn integrerad med ventilskaftet. Vissa eftermarknadssatser tillåter ett byte av enbart sensor, men att byta ut hela enheten är standardserviceproceduren och är mer tillförlitlig.

Vilket däcktryck ska en TPMS-sensor läsa av?

För de flesta personbilar är det rekommenderade kalla däcktrycket 2,2 till 2,4 bar (32 till 35 psi). TPMS-varningströskeln är vanligtvis inställd på cirka 25 procent under den rekommendationen.

Varför tänds min TPMS-lampa när vädret är kallt?

Kall luft kontrakt. För en 10 C sänkning av omgivningstemperaturen kan däcktrycket falla med 7 till 10 kPa. Om däcket redan var nära varningströskeln är detta fall tillräckligt för att aktivera varningen.