胎压监测系统的研究

李东锦

摘要：轮胎压力监测系统（Tire Pressure Monitoring System，TPMS），是在汽车行驶过程中对轮胎气压进行实时自动监测，并对轮胎漏气和低气压进行报警，以确保行车安全。本文对现有的TPMS进行了研究概述，分析了其工作原理、工作特点，并提出了一些进一步研究的建议，为以后的TPMS设计、研究提供一定的参考。

关键词：TMPS；行车安全；实时监测；胎压监测

1.前言

轮胎是汽车的重要安全部件，在汽车行驶过程中，如果轮胎处于大负荷、长时间、高气压运行中的任何一种情况，都可能引起爆胎或轮胎漏气，严重时会引起交通事故，造成人员伤亡和财产损失。据报道，在全国众多车辆事故中，因轮胎引发的事故约占20.8%，高速公路每百公里事故率为普通公路的4倍多，其中70%是由于轮胎爆破而引起的，而在美国这一比例则达到80%。因此，汽车在行驶中，实时在线、不断地监测轮胎气压是否正常对保证行驶安全至关重要。

目前，TPMS主要有两大类：直接型TPMS和间接型TPMS。直接式（Pressure-Sensor Based TPMS，简称PSB）是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，利用无线发射器将压力信息从轮胎内部发送到中央接收器模块上的系统，然后对各轮胎气压数据进行显示。当轮胎气压太低或漏气时，系统会自动报警。属于事前主动防御性。间接式（Wheel-Speed Based TPMS，简称WSB）是通过汽车ABS（Anti-blocking system）系统的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，以达到監测胎压的目的。ABS通过轮速传感器来确定车轮是否抱死，从而决定是否启动防抱死系统。当轮胎压力降低时，车辆的重量会使轮胎直径变小，这就会导致车速发生变化，这种变化即可用于触发警报系统来向司机发出警告。属于事后被动型。

2.TPMS的分析研究

2.1PSB TMPS的研究

直接式轮胎压力监控系统又分为主动式（active）和被动式（passive）两种。

主动式系统是采用在硅基上利用MEMS工艺制作电容式或者压阻式压力传感器，将压力传感器安装在每个轮圈上，通过无线射频的方式将信号传送出去，安装在驾驶室里的无线接收装置接收到该压力敏感信号，经过一定的信号处理，显示出当前的轮胎压力。主动式技术的优点是，技术比较成熟，开发出来的模块可适用于各厂牌的轮胎，但缺点同样比较突出，其感应模块需要电池供电，因此存在系统使用寿命的问题。

被动式轮胎压力监控系统的传感器是采用声表面波（SAW）来设计的，这种传感器通过射频电场产生一个声表面波，当这个声表面波通过压电衬底材料的表面时，就会产生变化，通过检测声表面波的这种变化，就可以知道轮胎压力的情况。虽然此技术不用电池供电，但是它需要将转发器整合到轮胎中，需各轮胎制造商建立共通的标准才有可能实施。

PSB能提供更高级的功能，随时测定每个轮胎内部的实际瞬压，很容易确定故障轮胎。如果传感器和电源内置，需要跟换时很不方便，现在以一种外置直接式数字胎压监测系统为例来分析PSB。该系统的胎压监测节点安装在轮胎气嘴上，直接监测胎内气压，再通过射频信号传送至驾驶室内的上位接收机，实时显示每个轮胎内的瞬压，当轮胎气压不正常时及时发出警报，保障行车安全。该系统在通信可靠性、实时性、灵活性等方面有着明显的优势，填补国内TPMS后装市场的空白，有着广泛的应用前景。

胎压监测节点机械结构设计：胎压监测节点安装在轮胎外面的气嘴上，称为“外置式”安装方式，因此节点的体积小、重量轻、防漏气和安全防盗是机械结构设计的关键问题。胎压监测节点的机械结构如图6所示。

图6 胎压监测节点的机械结构图

具体的胎压监测节点安装过程为：把胎压监测节点的A部位旋入到轮胎的气门嘴上，空心柱顶开气嘴的心轴，气体溢出，通过空心柱中心孔传到密封垫上部的气室中，再由气室中的压力传感器芯片检测胎压；胎压监测节点的外壳和底盖密闭，保证传感器芯片、线路板、电池和天线的防尘防水和节点模块的防盗功能。

该设计采用可更换电池的方法和外置式的安装技术，即使电池电量耗尽或者更换轮胎，节点模块也能反复使用，与同类TPMS产品相比，极大提高了产品的使用寿命，也大大降低了成本。

2.2WSB TPMS的研究

WSB的原理：设安装在车轮上的ABS轮速传感器齿圈齿数为z，则车轮每转动一圈，发出z个脉冲信号。设车轮滚动距离为S，行驶的时间为T，发出的脉冲总数为N，则N称之为原始脉冲数，S和T分别称为一次采样的里程周期和时间周期。采集脉冲有固定里程周期和固定时间周期两种方式。若采样采用固定里程周期，则原始脉冲数N也固定，采样时间周期T随速度的提高而减小；若采用固定时间周期，则采样里程和采样原始脉冲数都随速度的提高而增大。

由于轮胎的滚动半径与轮胎的充气压力呈线性关系，因此，4个车轮在同一个采样周期里采集到的原始脉冲数与轮胎气压成反比。采集、分析、比较各个车轮的脉冲数，就能间接判断轮胎气压正常与否。

虽然，WSB有其优点，安装简单，成本也低，只需对安装有ABS的车子进行系统软件升级，加装WSB相应的软件就行，但也有许多缺点，准确度低，报警后无法显示具体哪个轮胎出现问题，由于一些外界条件，比如，轮胎安装错误，换了其他直径的轮胎，轮胎打滑，等，易引起误读，在低速、高速或在坑凹不平的路面行驶时系统不起作用。

2.3小结

PSB和WSB，各有自己的特点，但是从长远看WSB难免会被淘汰，只不过在PSB成本还很高、技术还没完善时，作为一个过度产品还是有其存在的意义。PSB是未来发展的方向，因为其准确性对于提供行车安全尤为重要。

3.结束语

随着这些年汽车的拥有量越来越高，交通事故也日趋频繁，汽车的安全问题越来越受到公众的关注。其中在汽车行驶过程中，轮胎可能发生的故障却是最难以判断和估计的。经过研究表明，汽车在保持标准的轮胎气压和温度下行驶可以大幅度减少爆胎的发生，还有如果胎压不足，会使能耗增加，由此便带来了对于TPMS的研究。

本文对TPMS两种典型PSB和WSB系统进行了分析和详解，给出了它们的各自特点，并对于以后的研究提出了建议。WSB作为过渡产品还是有研究的必要，但PSB是以后的发展方向。重点应放在后者。由于科技的进步，对于人的感受体验也增强，数字化、集成化也是发展方向。希望本文能对以后的TPMS的研究提供有力的帮助。（作者单位：成都理工大学）

参考文献：

[1]余超.基于无线传输的胎压监测系统的设计[J]中国西部科技.2012.7

[2]韩宗奇，鞠学坤.转弯工况下汽车间接式TPMS监测方法[J]机械工程学报.2011.3

[3]杨旸，张兆华.基于MEMS压力传感器的外置式数字胎压监测系统[J]传感技术学报.2010.9

[4]徐玲艳，张茂青.轮胎压力监测系统（TPMS）的研究[J]苏州大学学报.2010.2

[5]任文年.汽车爆胎原因及TPMS胎压监测系统分析[J]企业研究.2012.9