Hoe werkt een bandenspanningssensor? Inzicht in directe en indirecte TPMS

Een bestuurder rijdt met een snelheid van 110 km/uur wanneer het dashboard een geel bandenspanningspictogram toont. De band is niet zichtbaar plat en het voertuig rijdt nog steeds normaal. Wat er gebeurde, is dat een MEMS-druksensor die in het wiel was gemonteerd, detecteerde dat de absolute druk was gedaald van een basislijn van 2,2 bar naar ongeveer 1,9 bar. Die sensor zette de fysieke druk om in een spanning, digitaliseerde deze en stuurde deze op 433,92 MHz door naar de lichaamscontrolemodule, die vervolgens de waarschuwing activeerde. Dit scenario herhaalt zich elke dag miljoenen keren op wegen over de hele wereld. Weten hoe een bandenspanningssensor werkt is niet alleen maar technische trivia; het is de basis voor het kiezen van het juiste onderdeel en voor het ontwerpen van een betrouwbaar autodrukbewakingssysteem.

Wat een bandenspanningssensor eigenlijk meet

Een bandenspanningssensor meet de absolute luchtdruk in de holte van de band, doorgaans over een bereik van 100 tot 400 kPa (1,0 tot 4,0 bar), en verzendt die meetwaarde draadloos naar de ECU van het voertuig met een resolutie van ongeveer 1 kPa.

Het sensorelement is een MEMS-druksensorchip: een kleine siliciumchip met een dun responsief diafragma. Wanneer de bandenspanning tegen dit membraan drukt, buigt het membraan enkele tienden van een micrometer. Die mechanische afbuiging is de fysieke gebeurtenis die uiteindelijk het nummer op uw dashboard wordt. De sensor is geconstrueerd als een apparaat voor absolute druk, omdat hij de interne bandenspanning moet vergelijken met een afgedichte vacuümreferentie. De atmosferische druk verandert met de hoogte en het weer, dus een meterreferentie zou fouten tot 30 kPa in één enkele rit introduceren.

Hoe de MEMS-chip druk omzet in gegevens

De conversie van mechanische afbuiging naar digitale gegevens volgt een keten van vier stappen: diafragmaverplaatsing, weerstandsverandering over een Wheatstone-brug, analoge signaalconditionering en radiofrequentietransmissie.

• Diafragmadoorbuiging: één bar druk verplaatst een typisch siliciumdiafragma met 0,5 tot 1 micrometer.
• Wheatstone-brug: piëzoresistieve elementen met een patroon op het diafragma veranderen de weerstand met 1 tot 3 procent over de volledige drukschaal.
• Signaalconditionering: een ASIC versterkt de brugspanning, past temperatuurcompensatie toe en verwerkt het resultaat tot 10 tot 12 bit digitale gegevens.
• RF-transmissie: het verwerkte frame wordt gemoduleerd op een draaggolf van 433,92 MHz of 315 MHz en uitgezonden naar de ontvangereenheid.

Temperatuur is de grootste variabele die de drukmeting bederft. Een sensor gekalibreerd op 20 C zou de luchtdruk met 50 kPa zien stijgen over het hierboven weergegeven bereik. Zonder compensatie zou een niet-gecompenseerde eenheid op een winterochtend een waarde rapporteren die ongeveer 20 kPa te laag is, genoeg om een ​​valse waarschuwing te veroorzaken.

Raadpleeg deze handleiding voor een bredere kijk op de technologie achter deze apparaten MEMS-druksensoren .

Direct versus indirect TPMS: hoe de twee benaderingen verschillen

Direct TPMS maakt gebruik van een fysieke druksensor in elk wiel. Indirect TPMS maakt gebruik van de bestaande ABS-wielsnelheidssensoren van het voertuig om de druk te schatten. Alleen direct TPMS retourneert een echte drukwaarde.

De meeste moderne voertuigen maken gebruik van directe TPMS omdat dit voor elke band een nauwkeurige aflezing oplevert, wat van cruciaal belang is voor het opsporen van langzame lekkages en het voorkomen van ongelijkmatige slijtage van het loopvlak. Dezelfde MEMS-druksensortechnologie verschijnt ook in druksensoren in moderne voertuigen verder dan TPMS, inclusief oliedrukbewaking en remsystemen.

Vier specificaties die de selectie van de bandenspanningssensor bepalen

Drukbereik, nauwkeurigheid, uitgangssignaal en verpakking zijn de vier parameters die bepalen of een bandenspanningssensor betrouwbaar zal presteren in het veld.

Voor een personenauto met een druk van 2,2 tot 2,5 bar wordt de waarschuwingsdrempel normaal gesproken ingesteld op 25 procent onder de door de fabrikant aanbevolen druk. Een bereik van 0 tot 4 bar dekt die toepassing zonder zo breed te worden dat dit ten koste gaat van de sensorresolutie.

Nauwkeurigheid is de volgende beperking. Een offset van 0,3 bar kan een langzaam lek verbergen of een vals alarm veroorzaken. Daarom bereiken de beste MEMS-druksensoren van autokwaliteit /-0,2 procent van het volledige bereik. Op een sensor van 4 bar is dat ongeveer 8 kPa fouttolerantie.

Het uitgangssignaal is het derde beslissingspunt. Analoge uitgangsspanning in het bereik van 0,5 tot 4,5 V is eenvoudig en wordt veel gebruikt, terwijl digitale uitgangen zoals I2C en SPI de gevoeligheid voor elektromagnetische ruis in de voertuigharnas verminderen. Voor directe TPMS op een route met veel trillingen wordt steeds vaker de voorkeur gegeven aan digitale signalen.

De verpakking bepaalt hoe eenvoudig de sensor in het bandventiel of de velg kan worden geïntegreerd. DIP- en SIP-pakketten ondersteunen PCB-montage, terwijl SOP-pakketten gebruikelijk zijn wanneer de sensor in de klepsteelconstructie zit. Het apparaat moet ook trillingsniveaus van ongeveer 50 g overleven bij frequenties tot 1 kHz.

MCP-J10, MCP-J11 en MCP-J12 absolute druksensoren voor gebruik in de automobielsector Deze gekalibreerde absolute druksensoren bieden analoge of digitale output, meten tot 4 bar en zijn temperatuurgecompenseerd over de volledige voertuigspanwijdte, waardoor ze geschikt zijn voor bandenspanningscontrolesystemen. Bekijk Product →

MemsTech, gevestigd in Wuxi's National High-Tech Industrial Development Zone, bouwt druksensoren voor auto's rond deze vereisten. De MCPJ10-, MCPJ11- en MCPJ12-serie zijn absolute druksensoren met een meetbereik van 0 tot 4 bar, verkrijgbaar in zowel analoge als digitale uitgangsversies, en hun kalibratieproces beslaat het volledige temperatuurbereik van het voertuig.

Waarom temperatuurcompensatie van cruciaal belang is bij een bandenspanningssensor

De temperatuur in een band kan schommelen van -40 C op een winterparkeerplaats tot 80 C op snelwegsnelheid. Als de sensor niet wordt gecompenseerd, kan deze drift alleen al een fout van 15 tot 20 kPa veroorzaken, die groot genoeg is om een ​​valse waarschuwing voor lage druk te activeren.

Elke unit is in de fabriek op verschillende temperatuurpunten gekalibreerd. De compensatiecoëfficiënten worden tijdens de productie opgeslagen in de interne ASIC van de sensor, zodat de uiteindelijke output automatisch wordt gecorrigeerd naarmate de band opwarmt en afkoelt. MemsTech volgt dit proces binnen zijn 2.000 vierkante meter grote fabriek, met interne mogelijkheden op het gebied van verpakking, lassen, temperatuurcompensatie en prestatiekalibratie. Elk apparaat wordt vóór verzending op nul- en volledige schaal getest om batchconsistentie te garanderen.

MCP-J20-serie druksensor voor auto- en motorfietsspruitstuktoepassingen Deze serie is ontworpen voor drukmeting in het inlaatspruitstuk in auto's en motorfietsen en biedt analoge output met optionele bereiken tot 1000 kPa, en is gekalibreerd voor nauwkeurigheid zonder kalibratie door de klant. Bekijk Product →

De MCPJ20-serie breidt dezelfde absolute detectiearchitectuur uit naar een bredere reeks automobieltoepassingen, waaronder grotere SUV- en lichte vrachtwagenplatforms met hogere koude bandendruk.

Veelgestelde vragen

Hoe lang gaat de batterij van een bandenspanningssensor mee?

Directe TPMS-sensoren zijn verzegelde units met een batterijduur van 5 tot 10 jaar. Wanneer de batterij leeg is, moet de gehele sensorconstructie worden vervangen, omdat de batterij niet kan worden onderhouden in een afgesloten klepeenheid.

Kan ik een bandenspanningsensor vervangen zonder de klepsteel te vervangen?

Bij de meeste directe TPMS-systemen is de sensor geïntegreerd in de klepsteel. Bij sommige aftermarket-kits is vervanging van alleen de sensor mogelijk, maar het vervangen van de hele constructie is de standaardserviceprocedure en is betrouwbaarder.

Welke bandenspanning moet een TPMS-sensor meten?

Voor de meeste personenauto's bedraagt ​​de aanbevolen koude bandenspanning 2,2 tot 2,4 bar (32 tot 35 psi). De TPMS-waarschuwingsdrempel wordt doorgaans ingesteld op ongeveer 25 procent onder die aanbeveling.

Waarom gaat mijn TPMS-lampje branden als het koud is?

Koude luchtcontracten. Bij een daling van de omgevingstemperatuur met 10 C kan de bandenspanning met 7 tot 10 kPa dalen. Als de band al dicht bij de waarschuwingsdrempel zat, is deze daling voldoende om de waarschuwing te activeren.