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浅谈汽车轮胎胎压检测技术
摘要：近年来，我国汽车工业迅速发展，汽车保有量也大幅增加，但随之而来的是一系列的安全问题。我们知道，汽车的轮胎在汽车的安全行驶中起着至关重要的作用。而汽车轮胎胎压的高低,则直接影响到汽车的各项性能。爆胎是引发交通事故的主要原因之一,保持轮胎胎压正常和及时发现轮胎漏气是防止爆胎的关键。而汽车轮胎胎压监测系统(TPMS)的出现，使得这一难题得到缓解。
本文首先简述轮胎的发展历史，其次，介绍了汽车轮胎胎压监测系统的发展历程、基本类型及检测原理，接着阐述国内外该产品的市场发展现状，并预测该技术的未来发展趋势！以此提醒更多的人来关注汽车新技术，关注行驶安全！
关键词：胎压 汽车轮胎胎压监测系统 行驶安全 传感器
一、汽车轮胎胎压检测技术的产生背景
随着中国的经济发展，人们生活水平不断提高，汽车已经成为每个家庭必不可少的代步工具，因此每个家庭在购买车辆前必先考虑车辆的安全性和舒适性，但作为车体唯一的一个软质配件----轮胎，它的重要性不言而喻（如图1所示）。但它却一直给驾乘人员带来不可预见的麻烦和危险，没有办法解决轮胎安全防漏，降噪，爆胎等问题的情况下，人们只有带着定时炸弹上路,这就需要人们关注轮胎，关注轮胎的发展史。

图1 轮胎的功能
最早的轮胎是由木头制造的，这从我国古代的战车上和国外的绅士马车上都能看出。后来，当探险家哥伦布在1493-1496年第二次探索新大陆到达西印度群岛中的海地岛时，发现了橡胶硬块并带回了祖国，若干年以后，橡胶得到了广泛的应用，车轮也逐渐由木制变成了硬橡胶制造。但这时的橡胶轮胎却还是实心的，走起来还很不舒服，而且噪声也很大。直到1845年12月10日第一条充气轮胎诞生。但是，当时的英国，过于注重传统的绅士化，为了保护马车，限制蒸汽车的发展，这样，充气轮胎便没有了市场，因此，慢慢地也就被人们遗忘了。也就是说，第一次轮胎革命，并未给人类带来太阳一样的光明。40多年以后的1888年，在爱尔兰当兽医的苏格兰人邓禄普先生取得了充气轮胎的专利。因此，被遗忘了四十多年的充气轮胎再次问世。随着时代的进步，邓禄普先生发明的充气轮胎很快在自行车上得到了应用，并迅速迈向了汽车领域，为世界汽车工业的发展做出了巨大贡献。
初期的充气轮胎，使用的是用涂有橡胶的帆布当胎体，因为帆布的纵线和横线互相交叉，行走时由于轮胎的变形，导致线的互相摩擦，这样，线就很容易被磨断，这时的轮胎只能跑200-300km。1903年，帕玛先生发明了斜纹纺织品，这种斜纹纺织品的发明促成了交叉层轮胎的发展，使轮胎的寿命向前跨了一大步。1930年米其林制造了第一个无内胎轮胎；1946年又发明了举世闻名的子午线轮胎。因此，轮胎的发展是经历了一个漫长的历程，在这漫漫长夜里，不知有多少代人为之付出了艰辛的劳动和高超的智慧。
自充气轮胎诞生以来，轮胎气压的高低一直是影响汽车各方性能的重要因素。为此，人们殚精竭虑，苦思解决之策。
二、汽车轮胎胎压检测系统
轮胎，或许您从未留意过，然而就是这些貌不起眼的轮胎对于汽车的安全平稳行驶起着非常关键的作用。据有关部门近期的统计表明，近年来，在国内高速公路上发生的重大交通事故中，有相当一部分是由于轮胎爆裂而引起的，车毁人亡，惨不忍睹。
为了制伏爆胎这一威胁行车安全的可怕杀手，一种叫作轮胎气压监测系统（TPMS系统）的防爆胎装置应运而生。
（一）、TPMS的含义
TPMS是汽车轮胎压力监测系统"Tire Pressure Monitoring System"的英文缩写，主要用于在汽车行驶时实时的对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报警，以保障行车安全，TPMS系统是驾车者、乘车人的生命安全保障预警系统。
（二）、TPMS的发展历程
1970年，美国联邦公路交通安全管理局（NHTSA）便考虑要在汽车上安装轮胎低压报警装置（low tire pressure warning）。
1981年1月，NHTS发表Advanced Notice of Proposed Rulemaking (ANPRM)建议制定一项新的联邦机动车安全标准，要求在机动车上安装轮胎低压报警装置，在轮胎气压明显低于要求值时警告驾驶员。
从80年代中期开始，由于在汽车上普遍安装了ABS系统，各汽车厂家先后推出了间接TPMS。1997年，通用汽车公司开始使用间接式TPMS。
2000年5月直接式TPMS在美国上市。
2000年11月，美国国会制定了加强运输工具召回法案(TREAD Act)，该法案第13节要求在1年内制定一部强制性法规，要求在新的机动车上安装一套装置，该装置能在轮胎压力明显不足的状态下警告驾驶人员。
2001年7月美国运输部（US Department of Transportation）和国家高速公路管理局(NHTSA)联合对现有的两种TPMS进行研究和评价,报告第一次将TPMS做为专用词汇。同时，按TREAD Act第13节规定，NHTSA发布了TPMS的标准草案。
2001年起,宝马、雪铁龙、克莱斯勒、福特、奔驰、欧宝等欧美大企业已经开始在其所属汽车
2002年夏天上市的克莱斯勒与道奇（Dodge）迷你箱型车以及Chrysler300M与ConcordeLimited客车也装设TPMS。
2003年11月，通过法规要求在美国生产的汽车必须逐步安装一定比例的TPMS系统，到2007年9月，所有在美国销售的汽车都必须加装TPMS。
2012之后，欧盟委员会强制要求所有生产的汽车都必须安装TPMS。
（三）、TPMS 的重要性
1、增加汽车行驶安全性
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。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；且胎压过高，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。当轮胎压力不平衡时，汽车运行产生的横向牵引力会导致操纵困难。而刹车时横向牵引力更容易导致汽车的侧滑。根据美国Indiana University，1977年的研究，美国每年有26万起交通事故是由于轮胎压力不足造成，占交通事故的1.4%。
2、减小燃油消耗
由于轮胎充气压力不足，导致轮胎的滚动摩擦的增加，减小了汽车的有效牵引力，导致燃油消耗增加。科学统计表明，缺气行驶时，轮胎压力每减小0.20大气压，燃料消耗增加1%。据《中国民航抱汽车周刊》2002年9月的文章指出，汽车在轮胎气压不足行使，每行使100公里，约多油耗260毫升。
3、增加轮胎行驶距离
当轮胎充气不足时，有更大的压力作用在轮胎的侧部，导致轮胎更容易损坏,且轮胎面的磨损也更快。根据固特异（Goodyear）研究，轮胎气压每降低0.1bar(0.1个大气压）轮胎寿命减小2.6%。轮胎表面的平均使用寿命为7.2万公里，轮胎气压每降低0.1bar(0.1个大气压），平均使用寿命减少1870公里。
4、提高车辆操控性能
保持正常的轮胎压力有助于提高以下方面的性能：对方向操纵的响应、转弯能力和制动性能，轮胎抓地力的提升等。这些功能都基于轮胎在标准的压力下工作。胎压过高还会使轮胎避震性能变差，导致车辆的减振弹簧负荷过大，减振效果降低，底盘发动机等重要部件容易受损。
5、减少污染
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，对环境是一种污染。另外由于轮胎气压不正常行驶导致的轮胎过快磨损，散落周围的轮胎橡胶粉尘对环境也有不良的影响。
（四）、TPMS的分类
1、间接式
目前，TPMS主要分为两种类型，一种是Wheel-Speed Based TPMS（简称：WSB TPMS，或称为间接式TPMS），要求使用车辆防抱死制动系统(ABS)来确定轮胎压力变化的系统。ABS通过车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。对于在4个轮子上都装有车轮速度传感器的系统来说，此类软件的升级可以用于监测车速的变化，轮胎压力变低也会导致车速发生变化。当轮胎压力降低时，车辆的重量会使轮胎直径变小，这反过来会导致车速发生变化。经过正确计算，这种车速变化可用于触发警报系统来向司机发出警告。
2、直接式
另一种是Pressure-Sensor Based TPMS（简称：PSB TPMS，或称为直接式TPMS），这种系统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，并对各轮胎气压进行显示及监视，当轮胎气压太低或有渗漏时，系统会自动报警。从功能和性能上均优于WSB TPMS。
直接式TPMS又分为机电式和MEMS式两种。
机电式TPMS结构简单，将压力传感器及其组件安装在气门嘴来监控气压变化的。而MEMS TPMS就是通过硅显微加工（MEMS）技术将各类传感器，信号处理器，信号发射器整合在一个模块上，进行测量。
MEMS TPMS又分为有源式和无源式。
有源式TPMS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，但唯一的缺点，其感应模块需要电池供电，因此有使用寿命的问题。至于无源式TPMS，它是近年来新开发的,且仍处于试验阶段。其主要优点是胎内传感器部分不需电池支持,而且质量较小,但由于种种原因,目前市场上尚没有成熟产品出现。
3、复合式
还有一种复合式TPMS，它兼有每个系统的优点。复合式系统在两个互相成对角的轮胎内装备直接传感器，并装备一个4轮间接系统。与全部使用直接系统相比，这种复合式系统可以降低成本，克服间接系统不能检测出多个轮胎同时出现气压过低的缺点。但是，它仍然不能提供所有4个轮胎内实际压力的实时数据，只有直接系统才具备这种功能。
（五）、TPMS的构成
胎压监测系统主要是通过两种形式来对轮胎气压进行检测，分别是直接式和间接式。直接式胎压监测装置是通过在每一个轮胎上安装高灵敏度的传感器。在行车或静止的状态下，实时监测轮胎的压力、温度等数据，并通过无线方式将信息从轮胎内部发射到中央接收器模板上的系统，在显示器上显示各种数据变化或以蜂鸣等形式，提醒驾车者。并在轮胎漏气和压力变化超过安全门限（该门限值可通过显示器设定）时进行报警，以保障行车安全（如图2所示）。

图2 直接式传感器组成简图
间接式胎压监测的工作原理是当某轮胎的气压降低时，车辆的重量会使该轮的滚动半径将变小，导致其转速比其他车轮快。通过比较轮胎之间的转速差别，以达到监视胎压的目的。间接式轮胎报警系统实际上是依靠计算轮胎滚动半径来对气压进行监测。
（六）、TPMS的检测原理
目前，市场上直接式胎压监测系统（PSB TPMS）正逐步取代间接式胎压监测系统（WSB TPMS）而成为轮胎气压监测系统的主流。总体来看，TPMS主要是由TPMS发射器和TPMS接收器组成。
1、TPMS发射器
TPMS发射器由五个部分组成：1、具有压力、温度、加速度、电压检测和后信号处理ASIC芯片组合的智能传感器SoC；2、4-8位单片机（MCU）；3、RF射频发射芯片；4、锂亚电池；5、天线。(如图3所示)
图3 TPMS发射器功能框图
其中传感器在TPMS发射器中占着举足轻重的地位！
传感器的基本功能是检测信号和进行信号转换。传感器总是处于测试系统的最前端，用来获取检测信息，其性能的好坏将直接影响整个测试系统，对测量精确度起着决定性作用。
传感器的输出量通常是电信号，它便于传输、转换、处理、显示等。电信号有很多形式，如电压、电流、电容、电阻等，输出信号的形式通常由传感器的原理确定。
TPMS发射模块通过硅显微加工（MEMS）技术，将压力、温度、加速度、电压检测和后信号处理ASIC芯片组合成智能传感器SOC，其也将和4-8位单片机（MCU）、RF射频发射芯片、锂亚电池集成在一起。形成单一化、无线无源发射模块。目前已经有了如InfineonSP12/SP30将所需的各种（如压力、温度、加速度）传感器与信息处理器ECU合二为一成为智能传感器。
智能传感器是整合了硅显微机械加工（MEMS）技术制作的压力传感器、加速度传感器芯片和一个包含温度传感器、电池电压检测、内部时钟和模数转换器（ADC）、取样/保持（S/H）、SPI口、传感器数据校准、数据管理、ID码等功能的数字信号处理ASIC芯片。它是由各种传感器和ASIC电路几块芯片，用集成电路工艺做在一个封装里的（图4是去掉封装材料后的芯片）。在封装的上方留有一个压力/温度导入孔，将压力、温度直接导入在各相应传感器的应力薄膜上。

图4去掉封装材料后的芯片
电池选用锂亚电池，以保证远程轮胎压力监测模块在高低温环境中都能正常工作。
天线是远程轮胎压力监测模块发射功率提升的关键，天线技术涉及天线的几何形状、材料、介质等诸多因素。
RF芯片的选用要求：1、发射功率尽可能大，接受灵敏度尽可能高2、外形尺寸尽可能小3、具有较好的性价比。
TPMS发射模块的整体电源管理是十分重要的，一个锂亚电池要向这个模块提供3-5年的工作能源，做好电源管理和如何省电是关键所在。
2、TPMS接收器
TPMS接收器主要由UHF ASK/FSK RF接收IC和信号处理MCU、键盘、液晶显示器LCD（Liquid Crystal Display）组成。RF接收IC和信号处理MCU安装在一个盒子里，可安装在汽车仪表箱内，带控制键盘的LCD可安装在驾驶台上，LCD能实时显示每个轮胎的压力、温度，和每一个轮胎的ID识别码，以及声光报警。由于接收系统是工作在汽车车厢内，其环境温度是常温而且变化不大，电源可以使用汽车的12V或24V电源，因此对器件选用只要是工业级即可，省电的要求也不高。
LED：液晶显示装置需要图形显示和数字显示两个部分。图形显示为车辆的简化图，当发生报警时，可以分别接通该图中用于表示左前、右前、左后、右后4个车轮的发光二极管，显示告警的远程感应模块的具体位置，同时数字显示部分显示每个车轮的温度和压力的具体数字信息。并在数值超出门阈值时，发出蜂鸣声告警。
键盘用于开启TMPS系统电源、并可对存储在MCU的RAM中的历史数据进行查询。

图5 TPMS接收器功能框图
（七）、TPMS的现状
1、国外现状
现在很多消费者选车时，都将气囊的多少，是否带有ESP等安全配置列为重要的参考依据，而很少有人在意是不是有胎压监测这一项配置。对于行车安全来说，预防事故的发生远比在事故发生后进行补救来得更重要。因此，胎压监测系统是很值得大家重视的安全配置。
其实，胎压监测系统(TPMS)在国外已经非常成熟了。在欧洲和北美国家，通过相应的法律法规提高人们的安全意识，例如：欧盟委员会将强制要求所有汽车安装胎压监测系统，启动时间从2012年开始。而美国 早在2003年11月，就通过法规要求在美国生产的汽车必须逐步安装一定比例的TPMS系统，到2007年9月，所有在美国销售的汽车都必须加装TPMS系统。法规意味着在北美市场，TPMS的市场突破更胜于其它地区，在其它的地区，此种技术似乎更倾向于作为选项而非标准配置，除非必须应用此种技术的新的立法推行。
政府法规的强制执行及消费者日益增长的对车辆安全性的要求，在未来数年欧洲、北美和日本三个成熟的市场在安全系统方面的成长予以关注。但是，随着美国的在汽车使用率立法的压力加大，导致未来5年内侧面安全气囊将大量应用。在欧洲，针对行人保护的严格的法规将推进新型安全系统的发展。同时，日本人正试图挑战欧洲人的成就，特别是行人保护系统和智能夜视系统领域。根据美国零部件供应商TRW，美国三大企业目前的发展均落后于日本，因为后者有更大的成本绩效。
长远来说，作为新的商机，崛起的亚洲市场将使安全系统的供应得到最佳的市场。在先进的汽车市场正面安全气囊已成为标准配置，而在如中国、印度等市场具有巨大新商机潜力，因为在下一个10年，这些市场将趋于成熟。
2、国内现状
TPMS这种能有效提高汽车安全性的产品，在近几年才开始在中国市场逐步兴起，目前市场已小有规模。虽然中国TPMS市场近几年一直保持快速的增长态势，但与其他电子产品相比，TPMS市场规模仍然很小，其市场仍未走出起步阶段。纵观2006年中国汽车产业，在所有国产轿车中，只有少数高档轿车配备了TPMS，TPMS在国产轿车中的配备率只有5.7%。而早在几年前，TPMS就引起了众多业内厂商的关注，特别是在欧美等国家和地区大范围普及这类产品以后，众多本土厂商投身TPMS产业，一时间，中国出现了一股TPMS热潮，近百家企业涉足其中。几年过去了，TPMS市场虽然一直保持较快的增长态势，但大规模TPMS普及却仍没有出现。
中国TPMS市场之所以面临这样的窘境，其主要原因有以下几个方面：
（1）目前没有TPMS的政策倾斜
在美国，TPMS产品的普及在很大程度上要归功于政策的倾斜。但是，在我国，对于TPMS领域，目前并没有相应的政策，因此市场不会马上爆发。
（2）标准缺位抑制市场发展
目前，中国仍没有统一的TPMS行业标准，虽然有能力生产TPMS的厂商不少，但大多生产厂家各行其是，导致该市场混乱异常。并且由于市场需求的限制，绝大多数厂商的产能都处在不饱和的状态，许多厂商全年的TPMS产量只有几百套，有的甚至不足百套。
（3）市场需求并没有像人们预期的那么迫切
虽然，TPMS确实是一种市场潜力巨大的产品，TPMS未来会成为国产汽车的标配，但从目前来看，中国消费者对TPMS并没有表现出高涨的热情。造成这种现象的原因是多方面的，如行业标准缺失、后装产品市场混乱、保险理赔障碍、消费者对其不熟悉，以及汽车改装成本等种种因素。此外，中国消费者不同于欧美消费者的用车习惯也在一定程度上抑制了TPMS的市场需求。
因此，我个人觉得要想推动国内TPMS市场的发展，首先政府必须重视起来，毕竟这关系这广大人民的生命安全，其次，各大TPMS生产商应联合起来，制定统一的标准，最后，广大的消费者们应多关注汽车安全方面的一些新技术、新产品，保障自己的行车安全！
中国拥有世界最多的认口，汽车的保有量年年攀升，而汽车的安全性能日益受到重视！由此可见，TPMS行业的前途是很光明的！
三、汽车轮胎胎压检测系统发展趋势
（一）、TPMS的技术发展趋势
目前，间接的TPMS正被应用，然而，因为准确度的问题，此类系统在美国不被广泛推广。许多汽车制造商正致力于混合系统的研究以解决间接系统的探测困难，但目前并无产品投入生产。混合TPMS系统是结合了直接和间接的类型，在混合系统中，安装于一个轮胎上的直接TPMS系统传感器可提供轮胎压力，同时间接TPMS系统通过ABS轮速传感器测量四个车轮转速，许多技术都应用了这种混合系统。另外厂商们正努力减小传感器的尺寸，以便更容易维修并在更换轮胎时避免使传感器受到损害。
业内专家认为，TPMS能否如ABS一样成为汽车的标准装置，其实是市场、技术与成本三方面的一个制衡之势。随着新技术的应用、产品量产化提高、竞争加剧以及国内市场的日渐成熟，TPMS必将在未来成为汽车的标准配置。
随着电子技术的不断发展，TPMS 将朝着更安全、更智能、更节能方向发展。现在，在一些高端的应用中，已经开始有生产商在TPMS 中加入了低频唤醒（125KHz）；还有一部分采用了双向射频通讯。这都在一定程度上提高了TPMS的性能，但是还没有解决现在直接式TPMS 对电池依赖性的问题。在国际上，针对无电池TPMS方案的实现，已经开始了对‘高频被动感应（2.4GHz）’和‘车辆运动取能’的研究。从长远来看，无电池的TPMS以其无可比拟的优点将成为未来TPMS发展的趋势。
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定和处理的轮胎。智能轮胎的丈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。
TPMS已成为国际趋势，但随着人们对安保产品的要求越来越高，TPMS功能单一的缺点势必会遭到市场的淘汰，发展出功能更齐全的集成化TPMS。
所以TPMS 必将向着无源化、智能化、高度集成化方向发展！
（二）、TPMS的市场发展趋势
在以前，国内糟糕的道路状况使得TPMS系统根本无用武之地。但最近几年中国道路状况的巨大改善已经使得TPMS的使用成为可能。目前TPMS主要还是作为一个豪华系统出现在一些高端车型上。在与汽车行业人士的访谈中，一个热门的话题是中国会不会出台强制使用TPMS的相关法规。最近，中国有关部门对在美国底特律举行的智能轮胎国际会议表示出重视，这增加了市场对于中国出台TPMS相关法规的预期，然而是否会出台业内人士所热盼的相关法规仍然是一个很不确定的事情。
但是个人认为，随着汽车数量的增加，人们安全意识的提高，TPMS需求量必将进一步提高，而这也将推动TPMS市场的繁荣！但是这都需要一个过程，我们坚信，TPMS是一个潜力无限的行业！
结束语:
随着汽车行业的繁荣发展，汽车的保有量日渐增多，人们对汽车的各方性能越加重视，特别是安全性能。由此，TPMS走进了人们的视野。
（一）、从本文我们认识到了以下几点
1、轮胎胎压检测系统在汽车的安全行驶上起着越来越重要的作用，在不久的将来将会成为如ABS,EBD一样的标准配置。
2、轮胎胎压检测系统主要分间接式和直接式，直接式占据市场主流。其原理是将传感器检测到的温度，压力信号通过发射器传送到汽车内的信息接收模块，然后将信息处理后显示在屏幕上。
3、轮胎胎压检测系统在国外通过政府立法，规范市场，已成汽车的标配。而在国内由于市场、技术、法律等等因素，目前仅有限的几款车系配有TPMS，且大多消费者对该项技术还欠缺了解。
（二）、不足及展望
局限性一：由于本人的专业知识深度还有所欠缺，文中对TPMS的原理阐述的还不够透彻，许多地方都没有照顾到。
局限性二：由于本人的理论知识和实践经验不足，对本文的结构框架还不尽完善，有些概念及语言组织还不太准确，甚至有些肤浅和混乱。
参考文献:
①
②
③刘风军,李海方：《机电式TPMS传感器的初探及改进》，汽车电器2004年版。
④闫利文，俞涛：《胎压监测系统的研究》，上海大学出版社2007年版。
⑤张德江：《传感器与检测技术》,北京大学出版社2005年版。
⑥向农：《车用TPMS专用传感器模块技术剖析》，电子工程世界2010年版。

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