原创 TPMS的无源化发展方向

1 TPMS的定义

    汽车轮胎压力监视系统，即Tire Pressure MonitoringSystem,简称TPMS,主要用于汽车行驶时适时地对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气造成低胎压和高温高胎压防爆胎进行预警，确保行车安全。

　　一般地，汽车轮胎压力监视系统由发射检测模块（每个轮胎一个）和接收显示模块（一个）组成。不同类型的轮胎压力监测系统具体组成不同。

2 TPMS的分类及现状

    目前，TPMS主要分为两种类型，一种是Wheel-SpeedBased TPMS（间接式TPMS )；另一种是Pressure-SensorBased TPMS（直接式TPMS）。

    间接式TPMS是通过汽车ABS系统的轮速传感器来比较车轮之间的转速差别，以达到监视胎压的目的。当汽车行驶时，轮胎气压监视系统接收4个车轮转速传感器的车轮转速信号，进行综合分析。当某一个轮胎的气压太高或不足时，轮胎的直径就会变大或变小，车轮的转速也相应产生变化。监视系统将车轮转速的变化情况同预先储存的标准值比较，就可得知轮胎气压太高或不足，从而报警。

    直接式TPMS利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并对各轮胎气压予以显示与监视，随时显示各轮胎气压。驾驶者可以直观地了解各个轮胎的气压状况。当轮胎气压太低或有渗漏时，系统就会自动报警。直接式TPMS按轮胎模块是否需要电池提供能量可分为带电池TPMS和无电池TPMS 。

    间接式TPMS没有直接式TPMS准确率高，系统校准复杂，在某些情况下无法正常工作，如无法对两个以上的轮胎同时缺气的状况和速度超过1OOkm/h的情况进行判断，所以没有成为技术发展的主流。

    带电池TPMS技术日趋成熟，开发出来的模块可适用于各厂牌的轮胎，是当前的主流技术，现在各种车辆上、安装的多是这种TPMS。带电池TPMS传感器／发射器需要电池提供动力，因此不可避免地带来一些弊端，如电池的寿命有限；当气温严重降低时，电池的容量就会受到影响而减少。这使得它的可靠性不够稳定。此外，电池的化学物质也会导致环境问题，同时电池的存在很难降低发射器的重量。

    无电池TPMS用一个中央收发器代替了直接式TPMS中的中央接收器。这个收发器不但要接收信号而且要发射信号，安装在轮胎中的转发器（代替了发射器）接收来自中央收发器的信号，同时使用这个信号的能量来发射一个反馈信号到中央收发器上。这就使得安装在轮胎内部的气压监测器发送数据不需要电池，从而解决了上述因电池所带来的问题。德国IQ—MOBIL率先在此技术上取得突破，目前已制造出样品；此外，澳大利亚的VISITYRE也已经开发出了类似产品。

    如果说TPMS的使用是汽车电子技术发展的一次革新的话，那TPMS的无源化就是TPMS自身完善的一个重要蝉变。

3 TPMS的使用环境与影响因素

    TPMS发射检测模块一般安装在轮胎里面。轮胎里面是一个复杂的环境，轮胎高速旋转，胎内空气温度高达120℃，胎内气压一般在5~8个大气压。因而，TPMS涉及离心加速度、重量与轮胎的动平衡、高温、电池寿命与容量等环境因素。

4 TPMS的发展方向

    TPMS系统中，主要的技术难点都集中在胎内的发射监测模块上。目前的带电池TPMS模块已经可以适应轮胎的恶劣条件了。但是由于要使用电池，主动TPMS无法彻底解决以下几个问题：①体积大；②重量大；③监测密度无法做到实时监控；④稳定性与可靠性。

    重量、体积、监测密度等问题从一个方面来讲可归结到胎内模块电池。如果胎内模块可以实现无源（即无电池），则上述问题都可以解决。TPMS无线无源化发展的几个方向以及实现方案如下。

    ①轮胎内模块有发电装置，将轮胎运动的机械能转化为电能。此方向上主要是压电发电方案。

    ②从轮胎外通过电磁场传人能量，驱动轮胎内模块工作，测量并发射出压力信息。此方向上主要是磁场电磁耦合。

    ③轮胎外发射电磁波，碰到轮胎内模块内置器件后反射，同时携带回压力信息。此方向上主要是声表面波无源无线传感器方案。

4.1压电发电方案设计

4.1.1原理

    压电陶瓷产生电能的工作原理是正反压电效应，压电陶瓷在应力作用下通过压电效应可以产生数量可观的电荷，在工作物质上建立起很高的电势，可以输出不小的静电能，实际上构成了一个压电电源。

4.1.2发电方案设计

    TPMS之所以可以采用发电方案，是因为轮胎是在不断的转动和直线运动中，有存在动能的可能。但是，车在转动的同时产生向心力，虽然十分大，但是并不能用来发电。由于向心力的方向是沿半径向外的，而在这个方向上，TPMS模块是固定的，处于力的平衡状态，而动能产生的条件是W=FL，所以要形成发电方案必须要有两个必要条件：①存在力；②在力的方向上有位移。在汽车轮胎的转动过程中，和地面接触的部分由于汽车的重量而产生形变，脱离接触后轮胎又恢复到形变前的状态。所以可以形成这样一个方案：压电陶瓷片固定在轮胎上，当轮胎和地面接触时，压电陶瓷片发生形变，产生电能，然后电存储在超电容器内，供给发射模块使用。

    目前，日本开发出了该类压电发电产品。

.4.1.3方案优缺点

    压电陶瓷在现有主动式TPMS基础上的改进，解决了电池的问题。而且发电模块应用面十分广。但压电陶瓷可以形变的次数有限，目前一般是几十万次。假设汽车一天行驶1OOkm,车轮半径为0.3m，周长为1.88m，则每天轮胎转动100X1000/1.88=53191圈，也就是压电陶瓷形变53191次。按目前压电陶瓷的技术水平，压电电源可以使用10天左右，或者是车行驶1OOOkm.但是随着技术的进步，相信在将来会有可以使用的TPMS压电电源面世。

4.2磁场电磁耦合设计方案

4.2.1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。4．2．2方案设计

    该系统至少包含轮胎内测量．模块和阅读器两部分。

    胎内测量模块。一般情况下，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的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。

    将一个电容与阅读器的天线线圈并联，电容器电容的选择依据是：它与天线线圈的电感一起，形成谐振频率与阅读器发射频率相符的并联振荡回路。该回路的谐振使得阅读器的天线线圈产生非常大的电流，这种方法也可用于产生供远距离应答器工作所需要的场强。胎内测量模块的低频耦合天线线圈和电容器构成振荡回路，调谐到阅读器的发射频率。通过该回路的谐振，应答器线圈上的电压U达到最大值。

    这两个线圈上．的结构也可以解释作变压器（变压器的耦合），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。

    4.2.3方案优缺点

   电感耦合系统的效率不高，所以只适用于低电流电路，作用距离短，一般只有1.5cm左右。提供能量有限，所以模块中的传感器电路的设计就很重要，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务；②微型芯片工作所需要的全部能量必须由阅读器供应。高频的强电磁场由阅读器的天线线圈产生，所以阅读器的设计要提供足够的磁场强度。

4.3声表面波无源无线方案

4.3.1原理

    声表面波(Surface Acoustic Wave)技术是声学和电子学相结合而形成的一门新兴边缘学科。在该技术的基础上，现已经成功地研制出声表面波带通滤波器、延迟线、振荡器和表面波卷积器等声表面波器件。由于声表面波器件具有体积小、可靠性高、一致性好以及设计灵活等优点，在雷达、通信等领域的研究得到了广泛的应用。把声表面波技术应用于传感器技术领域在．近十几年得到了很大的发展。目前，采用SAW技术来研制力、加速度、温度、湿度、气体及电压等一系列新型传感器的工作逐渐成为传感器研究的一个热点。

    声表面波传感器的工作模式基本上可分为延迟线型和谐振型两类，属于电磁反向散射耦合。声表面波传感器的工作频率通常为数十MHz，甚至．高达1~2GHz。典型的工作频率有433MHz、915MHz、2．4.5GHz、5．8GHz。由于其本身具有高频率信号输出和低功耗等特点，因而非常适合于遥测信号的传感和传感器无源化的实现，作用距离大于lm，典型作用距离为3～l0m。

    表面波传感器是由指间转换器和电压晶体上的几个反射器组成，同时，指间转换器两条总线与（偶极子）天线相连接。通过阅读器的天线，周期地发送高频询问脉冲。如果表面波应答器处在阅读器的动作范围内，那么一部分发送的功率被应答器的天线接收，当此高频电压脉冲传送到指间转换器的接线上，接受机的一部分转换成声表面波。表面、波在指间转换器的作用下在晶体中传播。声表面波按照具体实现方式又可分为延迟线式和谐振式两种

4.3.2方案

a．延迟线式声表面波无源无线方案

    延迟型声表面波传感器结构上有许多形式，主要有编码延迟线（或扫频延迟线）和带反射栅的延迟线结构，前者的激励信号主要采用编码脉冲或扫频信号方式，而后者则多采用冲激脉冲或间歇脉冲激励。

    延迟型主要是利用激励信号与接收信号在时间上的时延或相位上的变化进行测量的。当外界被检测量发生变化时，将影响时延或相位。检测出该时延，就可感知被测量的大小。编码延迟线利用激励信号到达各个延迟抽头的相位是否同相或反相实现编码；而常用的带反射栅的延迟线则利用反射栅位置的不同，将延时信号构成不同的编码，便于对多个传感器或标识器进行识别。

    该系统由声表面波器件、压力传感器和阅读器组成。

    压力传感器设计成为电阻式，使压力的变化反映到传感器－的阻抗发生了变化，将声表面波器件指间转换器作反射器与外部压力传感器相连接。压力测量值的变化使附加的指间转换器的终端阻抗发生了变化，因而使转换器的声反射和反射系数发生了变化，转换器端接了这个负载，因此也使反射的高频脉冲的大小和相位发生了变化。阅读器发出高频脉冲，声表面波器件反射回脉冲，通过反射回反射的高频脉冲的大小和相位的变化获知压力值。

b.谐振式声表面波无源无线的方案

    谐振式声表面波传感器在一个或多个叉指换能器（IDT）的左右两边对称分布等间距的反射栅阵，形成谐振腔，典型的结构为单端口和双端口。由于谐振的特点，该传感器仅仅响应与谐振器固有频率相同或接近的激励信号，因此，可利用声表面波谐振器良好的频率选择性直、接测量反映器件固有频率的谐振频率，从而感知被测量量的大小。

    延迟型能利用延迟时间进行编码，从而构成较大规模的阵列传感器，但传感距离较短；而谐振型传感器的品质因素较延迟型器件高许多，因而损耗极小，更适应于远距离的无源无线遥感。采用多个无源的声表面波传感器可构成分布式无源无线阵列传感器，只要阵列传感器中各个声表面波器件的叉指换能器具有不同的频率选择特性，或者不同的编码（解码）功能，就可以通过发射信号的频率或者编码选择激励阵列中各个传感元，从而达到识别（寻址）阵列中各个传感单元的目的。

    该系统至少包含轮胎内应答器模块和阅读器两部分。

    使用声表面波器件作为应答器放在轮胎中或气门嘴中，并使器件设计成对压力敏感。在轮胎附近布线装上阅读器用于周期地发送高频扫频信号。当压力变化时，声表面波器件的谐振频率发生变化，反射回的信息中对应谐振频率的能量高于扫频信号中其余频率的信号，接收机通过分析返回信号的频谱，获知压力值的大小。

4.3.3方案优缺点

    声表面波无源无线传感器具有非接触、快速、无电源、成本低等优点。缺点是不管是延迟线式或者是谐振式，测量的精度都不高，而且由于反射回的信号的强度很小，所以抗干扰的能力不强。但是由于TPMS定义是一个警告的系统，而不是测量的系统，关键在于轮胎压力不够的情况下给出报警信号，精度只要达到要求即可，所以声表面波器件是适合的。而抗干扰的能力，可以通过减小收发之间距离，提高接收机灵敏度，提高系统信噪比来解决。

http://ae.nstl.gov.cn/commchannel2/content.asp?contentid=98784