เซ็นเซอร์แรงดันลมยางทำงานอย่างไร? ทำความเข้าใจ TPMS ทั้งทางตรงและทางอ้อม

คนขับกำลังแล่นด้วยความเร็ว 70 ไมล์ต่อชั่วโมง เมื่อแผงหน้าปัดแสดงไอคอนแรงดันลมยางสีเหลือง ยางไม่แบนอย่างเห็นได้ชัดและรถยังควบคุมได้ตามปกติ สิ่งที่เกิดขึ้นคือเซ็นเซอร์ความดัน MEMS ที่ติดตั้งอยู่ภายในล้อตรวจพบว่าความดันสัมบูรณ์ลดลงจากเส้นพื้นฐาน 2.2 บาร์เหลือประมาณ 1.9 บาร์ เซ็นเซอร์นั้นแปลงความดันทางกายภาพเป็นแรงดันไฟฟ้า แปลงเป็นดิจิทัล และส่งที่ความถี่ 433.92 MHz ไปยังโมดูลควบคุมตัวถัง ซึ่งจะกระตุ้นให้เกิดคำเตือน สถานการณ์นี้เกิดขึ้นซ้ำหลายล้านครั้งต่อวันบนถนนทั่วโลก การรู้ว่าเซ็นเซอร์แรงดันลมยางทำงานอย่างไรไม่ได้เป็นเพียงเรื่องไม่สำคัญทางวิศวกรรมเท่านั้น เป็นรากฐานในการเลือกส่วนประกอบที่เหมาะสมและสำหรับการออกแบบระบบตรวจสอบแรงดันรถยนต์ที่เชื่อถือได้

สิ่งที่เซ็นเซอร์แรงดันลมยางวัดได้จริง

เซ็นเซอร์แรงดันลมยางจะวัดความดันอากาศสัมบูรณ์ภายในโพรงยาง ซึ่งโดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 100 ถึง 400 kPa (1.0 ถึง 4.0 บาร์) และส่งการอ่านค่าดังกล่าวแบบไร้สายไปยัง ECU ของรถยนต์ด้วยความละเอียดประมาณ 1 kPa

องค์ประกอบการตรวจจับคือชิปเซ็นเซอร์ความดัน MEMS ซึ่งเป็นแม่พิมพ์ซิลิกอนขนาดเล็กที่มีไดอะแฟรมตอบสนองแบบบาง เมื่อแรงดันลมยางดันปะทะกะบังลม แผ่นเมมเบรนจะโค้งงอประมาณหนึ่งในสิบของไมโครเมตร การโก่งตัวของกลไกนั้นเป็นเหตุการณ์ทางกายภาพที่จะกลายเป็นตัวเลขบนแดชบอร์ดของคุณในที่สุด เซ็นเซอร์ถูกสร้างขึ้นเป็นอุปกรณ์แรงดันสัมบูรณ์เนื่องจากจำเป็นต้องเปรียบเทียบแรงดันลมยางภายในกับการอ้างอิงสุญญากาศแบบปิดผนึก ความกดอากาศเปลี่ยนแปลงไปตามระดับความสูงและสภาพอากาศ ดังนั้นการอ้างอิงเกจจะทำให้เกิดข้อผิดพลาดสูงถึง 30 kPa ในไดรฟ์เดียว

ชิป MEMS แปลงความดันเป็นข้อมูลได้อย่างไร

การแปลงจากการเบี่ยงเบนทางกลไปเป็นข้อมูลดิจิทัลเป็นไปตามห่วงโซ่สี่ขั้นตอน: การกระจัดของไดอะแฟรม การเปลี่ยนแปลงความต้านทานข้ามสะพานวีทสโตน การปรับสภาพสัญญาณอะนาล็อก และการส่งความถี่วิทยุ

• การโก่งตัวของไดอะแฟรม: แรงดันหนึ่งบาร์จะเคลื่อนไดอะแฟรมซิลิคอนทั่วไปประมาณ 0.5 ถึง 1 ไมโครเมตร
• สะพานวีทสโตน: องค์ประกอบเพียโซรีซิสทีฟที่มีลวดลายบนไดอะแฟรมจะเปลี่ยนความต้านทานได้ 1 ถึง 3 เปอร์เซ็นต์จากระดับแรงดันเต็ม
• การปรับสภาพสัญญาณ: ASIC จะขยายแรงดันบริดจ์ ใช้การชดเชยอุณหภูมิ และประมวลผลผลลัพธ์เป็นข้อมูลดิจิทัล 10 ถึง 12 บิต
• การส่งสัญญาณ RF: เฟรมที่ประมวลผลจะถูกมอดูเลตไปยังคลื่นความถี่ 433.92 MHz หรือ 315 MHz และออกอากาศไปยังหน่วยรับสัญญาณ

อุณหภูมิเป็นตัวแปรที่ใหญ่ที่สุดที่ทำให้การอ่านค่าความดันเสียหาย เซ็นเซอร์ที่ปรับเทียบที่อุณหภูมิ 20 C จะเห็นความกดอากาศเพิ่มขึ้น 50 kPa ในช่วงที่แสดงด้านบน หากไม่มีการชดเชย หน่วยที่ไม่ได้รับการชดเชยจะรายงานค่าที่ต่ำเกินไปประมาณ 20 kPa ในเช้าฤดูหนาว ซึ่งเพียงพอที่จะกระตุ้นให้เกิดการแจ้งเตือนที่ผิดพลาด

หากต้องการดูเทคโนโลยีเบื้องหลังอุปกรณ์เหล่านี้ให้กว้างขึ้น โปรดดูคู่มือนี้ที่ เซ็นเซอร์ความดัน MEMS .

TPMS โดยตรงและทางอ้อม: ทั้งสองแนวทางแตกต่างกันอย่างไร

Direct TPMS ใช้เซ็นเซอร์ความดันทางกายภาพในแต่ละล้อ TPMS ทางอ้อมใช้เซ็นเซอร์ความเร็วล้อ ABS ที่มีอยู่ของรถเพื่อประเมินความดัน เฉพาะ TPMS โดยตรงเท่านั้นที่ส่งคืนค่าความดันจริง

ยานพาหนะสมัยใหม่ส่วนใหญ่ใช้ TPMS โดยตรง เนื่องจากให้การอ่านยางแต่ละเส้นที่แม่นยำ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในการตรวจจับการรั่วไหลที่ช้าและป้องกันการสึกหรอของดอกยางที่ไม่สม่ำเสมอ เทคโนโลยีเซ็นเซอร์ความดัน MEMS แบบเดียวกันก็ปรากฏเช่นกัน เซ็นเซอร์ความดันในรถยนต์สมัยใหม่ นอกเหนือจาก TPMS รวมถึงการตรวจสอบแรงดันน้ำมันและระบบเบรก

ข้อมูลจำเพาะสี่ประการที่กำหนดการเลือกเซ็นเซอร์แรงดันลมยาง

ช่วงแรงดัน ความแม่นยำ สัญญาณเอาท์พุต และการบรรจุภัณฑ์เป็นพารามิเตอร์สี่ตัวที่กำหนดว่าเซ็นเซอร์แรงดันลมยางจะทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือในภาคสนามหรือไม่

สำหรับรถยนต์นั่งส่วนบุคคลที่ทำงานที่ 2.2 ถึง 2.5 บาร์ โดยปกติเกณฑ์การเตือนจะตั้งไว้ที่ 25 เปอร์เซ็นต์ต่ำกว่าแรงดันที่แนะนำของผู้ผลิต ช่วง 0 ถึง 4 บาร์ครอบคลุมการใช้งานนั้นโดยไม่เพิ่มความกว้างจนทำให้ความละเอียดของเซ็นเซอร์ลดลง

ความแม่นยำคือข้อจำกัดถัดไป ค่าชดเชย 0.3 บาร์สามารถปกปิดการรั่วไหลที่ช้าหรือทำให้เกิดสัญญาณเตือนที่ผิดพลาด ซึ่งเป็นสาเหตุที่เซ็นเซอร์ความดัน MEMS เกรดยานยนต์ที่ดีที่สุดถึง /-0.2 เปอร์เซ็นต์ของช่วงเต็มสเกล สำหรับเซ็นเซอร์ 4 บาร์ ซึ่งมีค่าเผื่อข้อผิดพลาดประมาณ 8 kPa

สัญญาณเอาท์พุตคือจุดตัดสินใจที่สาม เอาต์พุตแรงดันไฟฟ้าแอนะล็อกในช่วง 0.5 ถึง 4.5 V นั้นเรียบง่ายและใช้กันอย่างแพร่หลาย ในขณะที่เอาต์พุตดิจิทัล เช่น I2C และ SPI ช่วยลดความไวต่อสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าในชุดสายไฟของยานพาหนะ สำหรับ TPMS โดยตรงในเส้นทางที่มีการสั่นสะเทือนสูง สัญญาณดิจิทัลจะได้รับความนิยมมากขึ้น

บรรจุภัณฑ์เป็นตัวกำหนดว่าสามารถรวมเซ็นเซอร์เข้ากับวาล์วยางหรือขอบล้อได้ง่ายเพียงใด แพ็คเกจ DIP และ SIP รองรับการติดตั้ง PCB ในขณะที่แพ็คเกจ SOP เป็นเรื่องปกติเมื่อเซ็นเซอร์อยู่ในชุดประกอบก้านวาล์ว อุปกรณ์ยังต้องทนต่อระดับการสั่นสะเทือนประมาณ 50 กรัม ที่ความถี่สูงสุด 1 kHz

เซ็นเซอร์วัดแรงดันสัมบูรณ์ MCP-J10, MCP-J11 และ MCP-J12 สำหรับการใช้งานในยานยนต์ เซ็นเซอร์ความดันสัมบูรณ์ที่สอบเทียบแล้วเหล่านี้ให้เอาต์พุตแบบอะนาล็อกหรือดิจิตอล วัดได้สูงสุดถึง 4 บาร์ และได้รับการชดเชยอุณหภูมิตลอดช่วงการใช้งานของยานพาหนะ ทำให้เหมาะสำหรับระบบตรวจสอบแรงดันลมยาง ดูผลิตภัณฑ์ →

MemsTech ซึ่งตั้งอยู่ในเขตพัฒนาอุตสาหกรรมไฮเทคแห่งชาติของเมืองอู๋ซี ได้สร้างเซ็นเซอร์ความดันยานยนต์ตามข้อกำหนดเหล่านี้ ซีรีส์ MCPJ10, MCPJ11 และ MCPJ12 เป็นเซ็นเซอร์ความดันสัมบูรณ์ที่มีช่วงการวัด 0 ถึง 4 บาร์ มีให้เลือกทั้งเวอร์ชันเอาต์พุตอะนาล็อกและดิจิทัล และกระบวนการสอบเทียบจะครอบคลุมช่วงอุณหภูมิยานพาหนะทั้งหมด

เหตุใดการชดเชยอุณหภูมิจึงมีความสำคัญในเซ็นเซอร์แรงดันลมยาง

อุณหภูมิภายในยางสามารถแกว่งจาก -40 C ในลานจอดรถฤดูหนาวเป็น 80 C ที่ความเร็วบนทางหลวง หากเซ็นเซอร์ไม่ได้รับการชดเชย การเบี่ยงเบนนี้เพียงอย่างเดียวอาจทำให้เกิดข้อผิดพลาด 15 ถึง 20 kPa ซึ่งมีขนาดใหญ่พอที่จะทำให้เกิดคำเตือนแรงดันต่ำผิดพลาดได้

ทุกหน่วยได้รับการปรับเทียบจากโรงงาน ณ จุดอุณหภูมิต่างๆ ค่าสัมประสิทธิ์การชดเชยจะถูกจัดเก็บไว้ใน ASIC ภายในของเซ็นเซอร์ในระหว่างการผลิต ดังนั้นเอาต์พุตสุดท้ายจะได้รับการแก้ไขโดยอัตโนมัติเมื่อยางร้อนและเย็นลง MemsTech ติดตามกระบวนการนี้ภายในโรงงานขนาด 2,000 ตารางเมตร โดยมีความสามารถภายในครอบคลุมถึงการบรรจุ การเชื่อม การชดเชยอุณหภูมิ และการสอบเทียบประสิทธิภาพ อุปกรณ์แต่ละชิ้นได้รับการทดสอบที่ศูนย์และเต็มสเกลก่อนจัดส่งเพื่อให้แน่ใจว่ามีความสอดคล้องกันเป็นชุด

เพรสเชอร์เซนเซอร์ซีรีส์ MCP-J20 สำหรับการใช้งานท่อร่วมยานยนต์และรถจักรยานยนต์ ออกแบบมาสำหรับการตรวจจับแรงดันท่อร่วมไอดีในรถยนต์และรถจักรยานยนต์ ซีรีส์นี้ให้เอาต์พุตแบบอะนาล็อกพร้อมช่วงเสริมสูงสุด 1000 kPa และได้รับการสอบเทียบเพื่อความแม่นยำโดยไม่ต้องสอบเทียบฝั่งลูกค้า ดูผลิตภัณฑ์ →

ซีรีส์ MCPJ20 ขยายสถาปัตยกรรมการตรวจจับสัมบูรณ์แบบเดียวกันไปยังชุดการใช้งานด้านยานยนต์ที่กว้างขึ้น รวมถึงรถ SUV ขนาดใหญ่และแพลตฟอร์มรถบรรทุกขนาดเล็กที่มีแรงกดดันเงินเฟ้อขณะเย็นที่สูงขึ้น

คำถามที่พบบ่อย

แบตเตอรี่เซ็นเซอร์แรงดันลมยางมีอายุการใช้งานนานแค่ไหน?

เซ็นเซอร์ TPMS โดยตรงเป็นยูนิตที่ปิดผนึกซึ่งมีอายุการใช้งานแบตเตอรี่ 5 ถึง 10 ปี เมื่อแบตเตอรี่หมด จะต้องเปลี่ยนชุดเซ็นเซอร์ทั้งหมด เนื่องจากแบตเตอรี่ไม่สามารถใช้งานได้ภายในชุดวาล์วที่ปิดสนิท

ฉันสามารถเปลี่ยนเซ็นเซอร์แรงดันลมยางโดยไม่ต้องเปลี่ยนก้านวาล์วได้หรือไม่

ในระบบ TPMS โดยตรงส่วนใหญ่ เซ็นเซอร์จะรวมเข้ากับก้านวาล์ว ชุดอุปกรณ์หลังการขายบางชุดอนุญาตให้เปลี่ยนเฉพาะเซนเซอร์เท่านั้น แต่การเปลี่ยนชุดประกอบทั้งหมดเป็นขั้นตอนการบริการมาตรฐานและมีความน่าเชื่อถือมากกว่า

เซ็นเซอร์ TPMS ควรอ่านแรงดันลมยางเท่าใด

สำหรับรถยนต์นั่งส่วนบุคคลส่วนใหญ่ แรงดันลมยางขณะเย็นที่แนะนำคือ 2.2 ถึง 2.4 บาร์ (32 ถึง 35 psi) โดยทั่วไปเกณฑ์การเตือน TPMS จะตั้งไว้ที่ต่ำกว่าคำแนะนำนั้นประมาณ 25 เปอร์เซ็นต์

ทำไมไฟ TPMS ของฉันถึงสว่างเมื่ออากาศเย็น?

สัญญาแอร์เย็น. หากอุณหภูมิแวดล้อมลดลง 10 C แรงดันลมยางอาจลดลง 7 ถึง 10 kPa หากยางใกล้ถึงเกณฑ์การเตือนอยู่แล้ว การลดลงนี้เพียงพอที่จะเปิดใช้งานการแจ้งเตือน