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轮胎压力监测系统的发展趋势(图)

[ 来源:'d' | 类别:技术 | 时间:2009-9-9 17:03:54 ] [字体: ]

 

长期以来,轮胎问题是造成和诱发交通事故的主要原因之一,尤其当汽车在高速公路上行驶时更是如此。美国汽车工程师协会的调查统计表明,美国每年有26万起交通事故是由于轮胎气压不足造成的,75%的轮胎故障是由于轮胎气压不足或渗漏引起的 。

轮胎气压过低,轮胎变形,下沉量增大,胎温因摩擦增加而急剧升高,导致轮胎变软强度下降。同时过热状态会加速子午胎钢丝与橡胶的老化、变形、甚至内部断裂,这些都可能造成爆胎意外。行驶时,由于轮胎变形,会造成胎肩磨损剧增,同时出现不规则的磨损。此外,由于与地面摩擦增加,使行驶阻力增加,造成燃料消耗增加。

轮胎气压不正常行驶导致油耗的增加必然引起废气排放的增加,对环境也是一种污染。科学统计表明,缺气行驶时,轮胎气压从正常值下降10%,轮胎寿命减少15%,如果气压低于正常值0.21Bar(约0.2公斤/平方厘米),油耗将增加1.5% 。

轮胎气压过高,将使轮胎伸张变形,胎体弹性降低,汽车在道路上行驶时所受到的动负荷也增大,如遇到冲击会产生内裂或爆破。高压令轮胎的接地面积减少,胎冠中部将会很快磨损,这样也会造成胎冠部的爆破。

综上所述,随时了解轮胎的压力和温度是很有意义的。

汽车轮胎压力监测系统(Tire Pressure Monitoring System,以下简称TPMS)是用于在汽车行驶时实时监测轮胎气压和温度,对轮胎漏气、低压、高压或高温等情况进行报警,以保障行车安全,是驾车者、乘车人的生命安全保障预警系统。有了TPMS,缺气状况将不会发生,从而能够保护胎面,延长轮胎使用寿命,而且能够省油,减小污染,可谓一举多得。
2000年美国国会通过了TREAD法案。TREAD法案的要求之一是到2007年,所有在美国销售的汽车都必须安装轮胎压力监视系统。2000年11月1日美国总统克林顿签署批准了国会关于修改联邦运输法的提案,要求2003年后所有的新车都需把这种系统作为标准配置。2001年7月,美国运输部(US Department Transportation)和美国国家高速公路管理局(National Highway Traffic Safety Administration,简称NHTSA)联合对现有的两种TPMS进行评价,报告第一次将TPMS作为专用词汇。2002年NHTSA的又一联邦法案,规定美国汽车从2003~2006年,每年分别以10%,35%,65%,100%的比例装配TPMS系统。NHTSA最近提出新的安全标准,提议要求生产厂家所生产的TPMS设备能够在轮胎缺气超过25%的情况下,监测到信息并能警示驾驶者 。

一、TPMS的分类

目前,TPMS主要分为两种类型:一种是间接式TPMS(简称WSB TPMS),它通过汽车ABS的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别,以达到监视胎压的目的。间接式TPMS的开发相对简单、便宜,已经装备了4轮ABS(每个轮胎装备1个轮速传感器)的汽车只需对软件进行升级即可,其缺点是无法判断是哪个轮胎发生故障,也无法对两个以上轮胎同时缺气的状况和速度超过100公里/小时的情况进行判断。另一种是直接式TPMS(PSB TPMS),直接式TPMS技术又分为主动式(Active)和被动式(Passive)两种。主动式TPMS是利用安装在每一个轮胎里的以电池为电源的传感器来直接测量轮胎的气压和温度,并通过无线调制发射到安装在驾驶台的监视器上,监视器随时显示各轮胎气压、温度,当轮胎气压或温度不正常时,系统就会自动报警。被动式TPMS的发射模块不需要电池提供能量,因此,它也被称作无源TPMS。被动式TPMS是用一个中央收发器代替了主动式TPMS中的中央接收器,安装在轮胎中的转发器代替了主动式TPMS中的发射器 。
二、主动式TPMS

主动式TPMS技术已经比较成熟,硬件框图如图1所示。

图1
图1 TPMS硬件框图


1995年开始,GENovaSensor就开始为TPMS系统提供压力传感器。从2004年初开始,GE的第二代智能型TPMS压力传感器NPXI开始批量供货。NPXI集成了硅压力传感器、电压传感器、温度传感器、8位RISC微处理器、大容量存储器以及一个LF输入级,所有的测量信号都以数字信号输出,便于客户直接调用。同时还固化了压力、温度和电池电压的测量、补偿和校准程序,以及曼彻斯特编码的子程序。2004年底开始批量供货NPXII。与NPXI相比,NPXII除了具有NPXI的所有功能外,还集成了一个加速度传感器。2006年,GE将推出NPXIII。NPXIII具有NPXII的所有功能,同时将RF发射电路也集成在同一个芯片上。随后,GE又将推出具有革命性意义的无需电池的TPMS传感器NPXIV 。如图2所示。

图2
图2 GE NovaSenso的TPMS传感器


三、被动式TPMS

在主动式TPMS中,电池的寿命限制了传感器的工作寿命。为了保证TPMS的工作寿命能在5~10年,电池的容量需要有几百mAh,这必然带来电池的体积与重量的相对增加。此外,电池还受到工作温度的限制,在非常低的温度(-40℃)或非常高的温度(+130℃)下,传感器可能就不能正常工作,甚至被完全损坏。

发生器的研究就是为了解决电池带来的问题,这种发生器能把车轮的转动能量转换成电能。美国D.Snyder构想的发生器是在轮胎传感器模块中加入一个压电晶片,车轮的运动使压电晶片弯曲,从而产生电能。如图3所示。许多公司都在研究此类发生器。与RFID技术相类似,接收器发出电波,激励转发器电路工作,转发器便把信息反馈到接收器 。

图3
图3 压电晶片供能的TPMS


德国IQ-Mobil GmbH公司研制的RDKS无源TPMS由控制总成、天线控制器和转发器组成。如图4所示。该系统采用2.4GHz ISM频段,并能自动地切换到80MHz自由带宽的频率上,以避免与已被占用的频率冲突,电波在传感器与天线之间的传输距离约为50cm~70cm。

图4
图4 IQ-Mobil公司的传感器


安装在车轮拱罩上的天线发出载频为2.45GHz的信号到车轮里的传感器上。最初,频率信号经控制总成调制为5MHz~10MHz,传感器接收到信号,通过检波器二极管解调,调制波是用来激励石英晶振的。然后,控制总成关闭调制,载波以原始能量传播。石英晶振现在以自然频率振动,其频率受温度和压力传感器的影响,这些振动混合在载波信号中,然后被反馈到天线中。控制器接收到信号并用数字接收电路分析信号。

压力测量范围:50KPa~1200KPa(与使用的晶振有关);温度测量范围:-40℃~170℃;芯片尺寸:22mm 22mm 6.1mm;压力测量灵敏度:5Hz/KPa。
转发器工作分为三个阶段,如图5所示。

状态1,调制信号激励石英晶振振荡,转发器储存能量以取代电池。

状态2,压力传感器影响石英的振荡频率,把压力信号反传给ECU。

状态3,探测外部干涉,自动转变到一个没被占用的频率点 。

图5
图5 IQ-Mobil的无源TPMS传感器的传输原理


德国Fraunhofer机构研制的无源TPMS是利用低功耗的表面微机械压力传感器,它集成了一个绝压传感器、一个温度传感器及一个电子发射器。传感器的输出数据和校准系数储存在EEPROME里,数据串经ASK调制后等待发射,发射器被远程的接收模块激活,工作载频为133kHz,信号可以4kBits/s的速率传输1m的距离。该系统可提供在货车上的压力传感器量程为1MPa,传感器既可放在轮胎里,也可放在气门嘴上 。如图6所示。

图6
图6 Fraunhofer的轮胎压力转发器


美国轮胎生产商Goodyear和电子公司Phase IV合作开发TPMS。Goodyear从1992年就与Phase IV合作,准备研究一套系统,使它能嵌入轮胎鉴定、测量空气压力和轮胎温度。Goodyear已经公布一种用于测量货车轮胎压力和温度的“智能”轮胎系统,这种货车主要用在煤矿行业及其它非高速、重任务场合的。该产品已被Phase IV生产并用于MINExpo 2000 。
基于声表面波(Surface Acoustic Wave简称SAW)技术的滤波器已经广泛应用于移动电话和电视。SAW轮胎传感器现已处于试验阶段。其主要优点是传感器部分不需要电池供电,而且质量较小,目前已经开发出的实验传感器只有5g左右,同时可在高温等恶劣环境下工作。SAW型传感器基本工作原理是在轮胎的表面嵌入薄石英片,通过石英压电晶体将压力信号转化为相应的响应频率信号,并在询问频率的诱发下,返回响应频率,从而测量行使中汽车轮胎的压力和温度等 。

德国Clausthal大学与澳大利亚Vienna大学已合作开发出试验传感器。如图7所示 。

图7
图7 SAW轮胎传感器


英国Transense公司宣布与美国TPMS制造商Smartire、法国轮胎制造商Michelin合作开发声表面波传感器,整个元件所需能源由信号接受组件提供。

四、结束语

美国的NHTSA立法对TPMS的标准化和发展是一个强大的推动力。随着汽车行车安全性与经济性要求的不断提高,TPMS必将成为每辆汽车的标准配置,TPMS的发展前景非常大。

随着被动式TPMS的发展,TPMS便逐渐向智能轮胎方向发展。从广义上说,智能轮胎就是有智力、有头脑的轮胎。从狭义上说,智能轮胎是能够收集、传输有关自身所处环境的所有信息,并对这些信息做出正确判断和处理的轮胎。智能轮胎的测量参数主要有轮胎充气内压监测、轮胎温度监测、自动补充轮胎充气内压、历程可追溯性记录、监测轮胎的受力、变形等动态力学状况 。可以说,TPMS是智能轮胎的第一代产品。


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