Cảm biến áp suất lốp hoạt động như thế nào? Hiểu TPMS trực tiếp và gián tiếp

Một người lái xe đang di chuyển với tốc độ 70 dặm/giờ khi bảng điều khiển hiển thị biểu tượng áp suất lốp màu vàng. Lốp không bị xẹp rõ ràng, xe vẫn xử lý bình thường. Điều đã xảy ra là cảm biến áp suất MEMS gắn bên trong bánh xe đã phát hiện ra rằng áp suất tuyệt đối đã giảm từ mức cơ bản 2,2 bar xuống còn khoảng 1,9 bar. Cảm biến đó chuyển đổi áp suất vật lý thành điện áp, số hóa nó và truyền nó ở tần số 433,92 MHz đến mô-đun điều khiển thân máy, sau đó kích hoạt cảnh báo. Kịch bản này lặp đi lặp lại hàng triệu lần mỗi ngày trên các con đường trên toàn thế giới. Biết cách hoạt động của cảm biến áp suất lốp không chỉ là vấn đề kỹ thuật; nó là nền tảng để lựa chọn thành phần phù hợp và thiết kế hệ thống giám sát áp suất ô tô đáng tin cậy.

Cảm biến áp suất lốp thực sự đo được những gì

Cảm biến áp suất lốp đo áp suất không khí tuyệt đối bên trong khoang lốp, thường trên phạm vi từ 100 đến 400 kPa (1,0 đến 4,0 bar) và truyền kết quả đo đó không dây đến ECU của xe với độ phân giải khoảng 1 kPa.

Bộ phận cảm biến là một chip cảm biến áp suất MEMS: một khuôn silicon nhỏ có màng ngăn phản hồi mỏng. Khi áp suất không khí của lốp đẩy vào màng ngăn này, màng sẽ uốn cong vài phần mười micromet. Độ lệch cơ học đó là sự kiện vật lý mà cuối cùng sẽ trở thành con số trên bảng điều khiển của bạn. Cảm biến được chế tạo như một thiết bị áp suất tuyệt đối vì nó cần so sánh áp suất lốp bên trong với tham chiếu chân không kín. Áp suất khí quyển thay đổi theo độ cao và thời tiết, do đó, tham chiếu của máy đo sẽ gây ra sai số lên tới 30 kPa trong một lần truyền động.

Cách chip MEMS chuyển đổi áp suất thành dữ liệu

Việc chuyển đổi từ độ lệch cơ học sang dữ liệu số tuân theo chuỗi bốn bước: dịch chuyển màng ngăn, thay đổi điện trở qua cầu Wheatstone, điều hòa tín hiệu analog và truyền tần số vô tuyến.

• Độ lệch của màng: một thanh áp suất di chuyển một màng silicon thông thường từ 0,5 đến 1 micromet.
• Cầu Wheatstone: các phần tử áp điện được tạo hình trên màng ngăn làm thay đổi điện trở từ 1 đến 3 phần trăm trên toàn thang áp suất.
• Điều hòa tín hiệu: ASIC khuếch đại điện áp cầu, áp dụng bù nhiệt độ và xử lý kết quả thành dữ liệu kỹ thuật số 10 đến 12 bit.
• Truyền RF: khung đã xử lý được điều chế trên sóng mang 433,92 MHz hoặc 315 MHz và phát đến bộ thu.

Nhiệt độ là biến số lớn nhất làm hỏng kết quả đo áp suất. Một cảm biến được hiệu chỉnh ở 20 C sẽ thấy áp suất không khí tăng thêm 50 kPa trong phạm vi hiển thị ở trên. Nếu không được bồi thường, thiết bị không được bồi thường sẽ báo cáo giá trị quá thấp khoảng 20 kPa vào một buổi sáng mùa đông, đủ để gây ra cảnh báo sai.

Để có cái nhìn rộng hơn về công nghệ đằng sau các thiết bị này, hãy xem hướng dẫn này để biết Cảm biến áp suất MEMS .

TPMS trực tiếp và gián tiếp: Hai cách tiếp cận khác nhau như thế nào

TPMS trực tiếp sử dụng cảm biến áp suất vật lý ở mỗi bánh xe. TPMS gián tiếp sử dụng cảm biến tốc độ bánh xe ABS hiện có của xe để ước tính áp suất. Chỉ TPMS trực tiếp mới trả về giá trị áp suất thực.

Hầu hết các phương tiện hiện đại đều sử dụng TPMS trực tiếp vì nó cung cấp thông số đọc chính xác cho từng lốp, điều này rất quan trọng để phát hiện rò rỉ chậm và ngăn ngừa gai lốp mòn không đều. Công nghệ cảm biến áp suất MEMS tương tự cũng xuất hiện ở cảm biến áp suất trong xe hiện đại ngoài TPMS, bao gồm hệ thống giám sát áp suất dầu và phanh.

Bốn thông số kỹ thuật quyết định lựa chọn cảm biến áp suất lốp

Phạm vi áp suất, độ chính xác, tín hiệu đầu ra và bao bì là bốn thông số quyết định liệu cảm biến áp suất lốp có hoạt động đáng tin cậy trên hiện trường hay không.

Đối với ô tô chở khách chạy ở áp suất 2,2 đến 2,5 bar, ngưỡng cảnh báo thường được đặt ở mức thấp hơn 25% so với áp suất khuyến nghị của nhà sản xuất. Phạm vi từ 0 đến 4 vạch bao trùm ứng dụng đó mà không trở nên rộng đến mức làm mất đi độ phân giải của cảm biến.

Độ chính xác là hạn chế tiếp theo. Độ lệch 0,3 bar có thể che giấu sự rò rỉ chậm hoặc tạo ra cảnh báo sai, đó là lý do tại sao cảm biến áp suất MEMS cấp ô tô tốt nhất đạt tới /-0,2% nhịp toàn thang đo. Trên cảm biến 4 vạch, đó là mức cho phép lỗi khoảng 8 kPa.

Tín hiệu đầu ra là điểm quyết định thứ ba. Đầu ra điện áp analog trong phạm vi 0,5 đến 4,5 V được sử dụng đơn giản và rộng rãi, trong khi đầu ra kỹ thuật số như I2C và SPI giúp giảm độ nhạy cảm với nhiễu điện từ trong bộ dây điện của xe. Đối với TPMS trực tiếp trên tuyến có độ rung cao, tín hiệu số ngày càng được ưa chuộng.

Bao bì xác định mức độ dễ dàng tích hợp cảm biến vào van lốp hoặc vành bánh xe. Các gói DIP và SIP hỗ trợ lắp PCB, trong khi các gói SOP phổ biến khi cảm biến nằm trong cụm thân van. Thiết bị cũng phải chịu được mức rung khoảng 50 g ở tần số lên tới 1 kHz.

Cảm biến áp suất tuyệt đối MCP-J10, MCP-J11 và MCP-J12 dùng cho ô tô Những cảm biến áp suất tuyệt đối đã được hiệu chỉnh này cung cấp đầu ra analog hoặc kỹ thuật số, đo được lên đến 4 bar và được bù nhiệt độ trên toàn bộ chiều dài xe, khiến chúng phù hợp với hệ thống giám sát áp suất lốp. Xem sản phẩm →

MemsTech, có trụ sở tại Khu phát triển công nghiệp công nghệ cao quốc gia Vô Tích, chế tạo các cảm biến áp suất ô tô xoay quanh những yêu cầu này. Dòng MCPJ10, MCPJ11 và MCPJ12 là các cảm biến áp suất tuyệt đối có phạm vi đo từ 0 đến 4 bar, có sẵn ở cả phiên bản đầu ra analog và kỹ thuật số, đồng thời quy trình hiệu chuẩn của chúng bao trùm toàn bộ khoảng nhiệt độ của xe.

Tại sao việc bù nhiệt độ lại quan trọng trong cảm biến áp suất lốp

Nhiệt độ bên trong lốp xe có thể dao động từ -40 C trong bãi đậu xe mùa đông đến 80 C khi chạy trên đường cao tốc. Nếu cảm biến không được bù, chỉ riêng sự lệch này có thể gây ra sai số từ 15 đến 20 kPa, đủ lớn để kích hoạt cảnh báo áp suất thấp sai.

Mỗi thiết bị đều được hiệu chuẩn tại nhà máy ở một số điểm nhiệt độ. Các hệ số bù được lưu trữ trong ASIC bên trong của cảm biến trong quá trình sản xuất, do đó, kết quả đầu ra cuối cùng sẽ tự động được điều chỉnh khi lốp nóng lên và nguội đi. MemsTech tuân theo quy trình này bên trong cơ sở rộng 2.000 mét vuông của mình, với các khả năng bên trong bao gồm đóng gói, hàn, bù nhiệt độ và hiệu chuẩn hiệu suất. Mỗi thiết bị đều được kiểm tra ở quy mô 0 và quy mô đầy đủ trước khi xuất xưởng để đảm bảo tính nhất quán của lô.

Cảm biến áp suất dòng MCP-J20 cho các ứng dụng đa dạng ô tô và xe máy Được thiết kế để cảm biến áp suất đường ống nạp trong ô tô và xe máy, dòng sản phẩm này cung cấp đầu ra analog với phạm vi tùy chọn lên tới 1000 kPa và được hiệu chỉnh để đảm bảo độ chính xác mà không cần hiệu chuẩn từ phía khách hàng. Xem sản phẩm →

Dòng MCPJ20 mở rộng kiến trúc cảm biến tuyệt đối tương tự cho nhiều ứng dụng ô tô hơn, bao gồm nền tảng xe SUV và xe tải nhẹ lớn hơn với áp suất lạm phát nguội cao hơn.

Câu hỏi thường gặp

Pin cảm biến áp suất lốp dùng được bao lâu?

Cảm biến TPMS trực tiếp là thiết bị kín có tuổi thọ pin từ 5 đến 10 năm. Khi pin cạn kiệt, toàn bộ cụm cảm biến phải được thay thế vì pin không thể sử dụng được bên trong bộ van kín.

Tôi có thể thay thế cảm biến áp suất lốp mà không cần thay thân van không?

Trong hầu hết các hệ thống TPMS trực tiếp, cảm biến được tích hợp với thân van. Một số bộ phụ kiện hậu mãi cho phép thay thế chỉ cảm biến, nhưng thay thế toàn bộ cụm là quy trình dịch vụ tiêu chuẩn và đáng tin cậy hơn.

Cảm biến TPMS nên đọc áp suất lốp nào?

Đối với hầu hết các xe ô tô chở khách, áp suất lốp khi nguội được khuyến nghị là 2,2 đến 2,4 bar (32 đến 35 psi). Ngưỡng cảnh báo TPMS thường được đặt ở mức thấp hơn khuyến nghị đó khoảng 25%.

Tại sao đèn TPMS của tôi bật sáng khi thời tiết lạnh?

Hợp đồng không khí lạnh. Khi nhiệt độ môi trường giảm 10 độ C, áp suất lốp có thể giảm từ 7 đến 10 kPa. Nếu lốp đã gần đến ngưỡng cảnh báo, mức giảm này đủ để kích hoạt cảnh báo.