كيف يعمل جهاز استشعار ضغط الإطارات؟ فهم TPMS المباشر وغير المباشر

يقود السائق بسرعة 70 ميلاً في الساعة عندما تظهر على لوحة القيادة رمز ضغط الإطارات باللون الأصفر. الإطار ليس مسطحًا بشكل واضح، ولا تزال السيارة تتحرك بشكل طبيعي. ما حدث هو أن مستشعر الضغط MEMS المثبت داخل العجلة اكتشف أن الضغط المطلق قد انخفض من خط الأساس 2.2 بار إلى حوالي 1.9 بار. قام هذا المستشعر بتحويل الضغط الجسدي إلى جهد كهربائي، ورقمنته، وإرساله بتردد 433.92 ميجاهرتز إلى وحدة التحكم في الجسم، مما أدى بعد ذلك إلى إطلاق التحذير. يتكرر هذا السيناريو ملايين المرات كل يوم على الطرق في جميع أنحاء العالم. إن معرفة كيفية عمل مستشعر ضغط الإطارات ليست مجرد معلومات هندسية بسيطة؛ إنه الأساس لاختيار المكون المناسب ولتصميم نظام موثوق لمراقبة ضغط السيارة.

ما الذي يقيسه مستشعر ضغط الإطارات فعليًا؟

يقيس مستشعر ضغط الإطارات ضغط الهواء المطلق داخل تجويف الإطار، عادةً ما يزيد عن نطاق من 100 إلى 400 كيلو باسكال (1.0 إلى 4.0 بار)، وينقل تلك القراءة لاسلكيًا إلى وحدة التحكم الإلكترونية في السيارة بدقة تبلغ حوالي 1 كيلو باسكال.

عنصر الاستشعار عبارة عن شريحة مستشعر ضغط MEMS: قالب صغير من السيليكون مزود بغشاء رقيق سريع الاستجابة. عندما يضغط ضغط الهواء في الإطارات على هذا الحجاب الحاجز، ينحني الغشاء بمقدار بضعة أعشار من الميكرومتر. هذا الانحراف الميكانيكي هو الحدث المادي الذي يصبح في النهاية الرقم الموجود على لوحة القيادة الخاصة بك. تم تصميم المستشعر كجهاز ضغط مطلق لأنه يحتاج إلى مقارنة ضغط الإطارات الداخلي بمرجع فراغ مغلق. يتغير الضغط الجوي مع الارتفاع والطقس، لذا فإن مرجع المقياس قد يؤدي إلى أخطاء تصل إلى 30 كيلو باسكال في محرك واحد.

كيف تقوم شريحة MEMS بتحويل الضغط إلى بيانات

يتبع التحويل من الانحراف الميكانيكي إلى البيانات الرقمية سلسلة من أربع خطوات: إزاحة الحجاب الحاجز، وتغيير المقاومة عبر جسر ويتستون، وتكييف الإشارة التناظرية، ونقل الترددات الراديوية.

• انحراف الحجاب الحاجز: يقوم شريط واحد من الضغط بتحريك غشاء السيليكون النموذجي بمقدار 0.5 إلى 1 ميكرومتر.
• جسر ويتستون: عناصر مقاومة التجويف منقوشة على الحجاب الحاجز تغير المقاومة بنسبة 1 إلى 3 بالمائة على مقياس الضغط الكامل.
• تكييف الإشارة: يعمل ASIC على تضخيم جهد الجسر، وتطبيق تعويض درجة الحرارة، ومعالجة النتيجة إلى بيانات رقمية من 10 إلى 12 بت.
• إرسال التردد اللاسلكي: يتم تشكيل الإطار المعالج على موجة حاملة بتردد 433.92 ميجاهرتز أو 315 ميجاهرتز ويتم بثه إلى وحدة الاستقبال.

درجة الحرارة هي أكبر متغير يفسد قراءة الضغط. سيشهد المستشعر الذي تمت معايرته عند 20 درجة مئوية ارتفاع ضغط الهواء بمقدار 50 كيلو باسكال عبر النطاق الموضح أعلاه. وبدون تعويض، فإن الوحدة غير المعوضة ستبلغ عن قيمة منخفضة للغاية بنحو 20 كيلو باسكال في صباح أحد أيام الشتاء، وهو ما يكفي لإطلاق تحذير كاذب.

لإلقاء نظرة أوسع على التكنولوجيا وراء هذه الأجهزة، راجع هذا الدليل أجهزة استشعار الضغط MEMS .

TPMS المباشر مقابل غير المباشر: كيف يختلف النهجان

يستخدم نظام TPMS المباشر مستشعر الضغط المادي في كل عجلة. يستخدم نظام TPMS غير المباشر مستشعرات سرعة عجلة ABS الموجودة في السيارة لتقدير الضغط. يقوم نظام TPMS المباشر فقط بإرجاع قيمة الضغط الحقيقية.

تستخدم معظم المركبات الحديثة نظام مراقبة ضغط الإطارات (TPMS) المباشر لأنه يوفر قراءة دقيقة لكل إطار، وهو أمر بالغ الأهمية لاكتشاف التسربات البطيئة ومنع التآكل غير المتساوي للمداس. تظهر أيضًا نفس تقنية مستشعر الضغط MEMS أجهزة استشعار الضغط في المركبات الحديثة أبعد من نظام مراقبة ضغط الإطارات (TPMS)، بما في ذلك مراقبة ضغط الزيت وأنظمة الفرامل.

أربع مواصفات تحدد اختيار مستشعر ضغط الإطارات

نطاق الضغط، والدقة، وإشارة الخرج، والتعبئة هي المعلمات الأربعة التي تحدد ما إذا كان مستشعر ضغط الإطارات سيعمل بشكل موثوق في الميدان.

بالنسبة لسيارة ركاب تعمل بضغط 2.2 إلى 2.5 بار، يتم تعيين عتبة التحذير عادةً بنسبة 25 بالمائة أقل من الضغط الموصى به من قبل الشركة المصنعة. يغطي النطاق من 0 إلى 4 بار هذا التطبيق دون أن يصبح واسعًا جدًا بحيث يضحي بدقة المستشعر.

الدقة هي القيد التالي. يمكن لإزاحة 0.3 بار أن تخفي تسربًا بطيئًا أو تنتج إنذارًا كاذبًا، وهذا هو السبب في أن أفضل مستشعرات الضغط MEMS من فئة السيارات تصل إلى / -0.2 بالمائة من المدى الكامل. على مستشعر 4 بار، يكون هذا حوالي 8 كيلو باسكال من بدل الخطأ.

إشارة الخرج هي نقطة القرار الثالثة. إن خرج الجهد التناظري في نطاق 0.5 إلى 4.5 فولت بسيط ويستخدم على نطاق واسع، في حين أن المخرجات الرقمية مثل I2C وSPI تقلل من التعرض للضوضاء الكهرومغناطيسية في مجموعة أدوات السيارة. بالنسبة لنظام مراقبة ضغط الإطارات (TPMS) المباشر في طريق عالي الاهتزاز، يتم تفضيل الإشارات الرقمية بشكل متزايد.

تحدد العبوة مدى سهولة دمج المستشعر في صمام الإطار أو حافة العجلة. تدعم حزم DIP وSIP تركيب PCB، بينما تكون حزم SOP شائعة عندما يكون المستشعر موجودًا في مجموعة ساق الصمام. يجب على الجهاز أيضًا أن يتحمل مستويات اهتزاز تبلغ حوالي 50 جرامًا بترددات تصل إلى 1 كيلو هرتز.

أجهزة استشعار الضغط المطلق MCP-J10، وMCP-J11، وMCP-J12 لاستخدام السيارات توفر مستشعرات الضغط المطلق المعايرة هذه مخرجات تناظرية أو رقمية، وتقيس ما يصل إلى 4 بار، ويتم تعويض درجة الحرارة على مدى السيارة بالكامل، مما يجعلها مناسبة لأنظمة مراقبة ضغط الإطارات. عرض المنتج →

تقوم شركة MemsTech، التي يقع مقرها في منطقة التنمية الصناعية عالية التقنية الوطنية في ووشي، ببناء أجهزة استشعار ضغط السيارات حول هذه المتطلبات. إن سلسلة MCPJ10 وMCPJ11 وMCPJ12 عبارة عن مستشعرات ضغط مطلق مع نطاق قياس من 0 إلى 4 بار، وهي متوفرة في كل من إصدارات الإخراج التناظرية والرقمية، وتغطي عملية المعايرة الخاصة بها نطاق درجة حرارة السيارة بالكامل.

لماذا يعد تعويض درجة الحرارة أمرًا بالغ الأهمية في مستشعر ضغط الإطارات

يمكن أن تتأرجح درجة الحرارة داخل الإطار من -40 درجة مئوية في موقف السيارات الشتوي إلى 80 درجة مئوية على الطريق السريع. إذا لم يتم تعويض المستشعر، فإن هذا الانجراف وحده يمكن أن يؤدي إلى خطأ يتراوح من 15 إلى 20 كيلو باسكال، وهو كبير بما يكفي لإطلاق تحذير كاذب بشأن الضغط المنخفض.

تتم معايرة كل وحدة في المصنع عند نقاط درجة حرارة متعددة. يتم تخزين معاملات التعويض في ASIC الداخلي لجهاز الاستشعار أثناء الإنتاج، لذلك يتم تصحيح الإخراج النهائي تلقائيًا عندما يسخن الإطار ويبرد. تتبع شركة MemsTech هذه العملية داخل منشأتها التي تبلغ مساحتها 2000 متر مربع، مع إمكانات داخلية تغطي التغليف واللحام وتعويض درجة الحرارة ومعايرة الأداء. يتم اختبار كل جهاز على نطاق صفر وكامل قبل الشحن لضمان اتساق الدفعة.

مستشعر الضغط من سلسلة MCP-J20 لتطبيقات السيارات والدراجات النارية المتعددة تم تصميم هذه السلسلة لاستشعار ضغط مشعب السحب في السيارات والدراجات النارية، وتوفر مخرجات تناظرية بنطاقات اختيارية تصل إلى 1000 كيلو باسكال، وتتم معايرتها للتأكد من الدقة دون معايرة من جانب العميل. عرض المنتج →

تعمل سلسلة MCPJ20 على توسيع نفس بنية الاستشعار المطلقة إلى مجموعة أوسع من تطبيقات السيارات، بما في ذلك منصات سيارات الدفع الرباعي والشاحنات الخفيفة الأكبر حجمًا مع ضغوط تضخم باردة أعلى.

الأسئلة الشائعة

كم تدوم بطارية مستشعر ضغط الإطارات؟

أجهزة استشعار TPMS المباشرة عبارة عن وحدات محكمة الغلق ذات عمر بطارية يتراوح من 5 إلى 10 سنوات. عند نفاد البطارية، يجب استبدال مجموعة المستشعر بالكامل، لأن البطارية غير قابلة للخدمة داخل وحدة الصمام المغلقة.

هل يمكنني استبدال مستشعر ضغط الإطارات دون تغيير ساق الصمام؟

في معظم أنظمة TPMS المباشرة، يتم دمج المستشعر مع ساق الصمام. تسمح بعض مجموعات ما بعد البيع باستبدال المستشعر فقط، ولكن استبدال المجموعة بأكملها هو إجراء الخدمة القياسي وأكثر موثوقية.

ما هو ضغط الإطارات الذي يجب أن يقرأه مستشعر TPMS؟

بالنسبة لمعظم سيارات الركاب، يتراوح ضغط الإطارات الباردة الموصى به من 2.2 إلى 2.4 بار (32 إلى 35 رطل لكل بوصة مربعة). عادةً ما يتم تعيين عتبة تحذير TPMS بحوالي 25 بالمائة أقل من تلك التوصية.

لماذا يضيء ضوء TPMS الخاص بي عندما يكون الطقس باردًا؟

عقود الهواء البارد. عند انخفاض درجة الحرارة المحيطة بمقدار 10 درجات مئوية، يمكن أن ينخفض ​​ضغط الإطارات بمقدار 7 إلى 10 كيلو باسكال. إذا كان الإطار قريبًا بالفعل من عتبة التحذير، فإن هذا الانخفاض يكفي لتفعيل التنبيه.