Como funciona um sensor de pressão dos pneus? Compreendendo o TPMS direto e indireto

Um motorista está viajando a 70 mph quando o painel mostra um ícone amarelo de pressão dos pneus. O pneu não está visivelmente vazio e o veículo ainda funciona normalmente. O que aconteceu é que um sensor de pressão MEMS montado dentro da roda detectou que a pressão absoluta caiu de uma linha de base de 2,2 bar para cerca de 1,9 bar. Esse sensor converteu a pressão física em tensão, digitalizou-a e transmitiu-a em 433,92 MHz para o módulo de controle corporal, que então acionou o alerta. Este cenário repete-se milhões de vezes todos os dias nas estradas de todo o mundo. Saber como funciona um sensor de pressão dos pneus não é apenas uma trivialidade de engenharia; é a base para a escolha do componente certo e para o projeto de um sistema confiável de monitoramento de pressão automotiva.

O que um sensor de pressão dos pneus realmente mede

Um sensor de pressão dos pneus mede a pressão absoluta do ar dentro da cavidade do pneu, normalmente em uma faixa de 100 a 400 kPa (1,0 a 4,0 bar), e transmite essa leitura sem fio para a ECU do veículo com uma resolução de cerca de 1 kPa.

O elemento sensor é um chip sensor de pressão MEMS: uma pequena matriz de silício com um diafragma fino e responsivo. Quando a pressão do ar do pneu pressiona esse diafragma, a membrana dobra alguns décimos de micrômetro. Essa deflexão mecânica é o evento físico que eventualmente se torna o número no seu painel. O sensor é construído como um dispositivo de pressão absoluta porque precisa comparar a pressão interna do pneu com uma referência de vácuo selada. A pressão atmosférica muda com a altitude e o clima, portanto, uma referência de manômetro introduziria erros de até 30 kPa em um único acionamento.

Como o chip MEMS converte pressão em dados

A conversão de deflexão mecânica para dados digitais segue uma cadeia de quatro etapas: deslocamento do diafragma, mudança de resistência através de uma ponte de Wheatstone, condicionamento de sinal analógico e transmissão de radiofrequência.

• Deflexão do diafragma: uma barra de pressão move um diafragma de silício típico em 0,5 a 1 micrômetro.
• Ponte de Wheatstone: elementos piezoresistivos padronizados no diafragma alteram a resistência em 1 a 3% em toda a escala de pressão.
• Condicionamento de sinal: um ASIC amplifica a tensão da ponte, aplica compensação de temperatura e processa o resultado em dados digitais de 10 a 12 bits.
• Transmissão RF: o quadro processado é modulado em uma portadora de 433,92 MHz ou 315 MHz e transmitido para a unidade receptora.

A temperatura é a maior variável que corrompe a leitura da pressão. Um sensor calibrado a 20 C veria a pressão do ar aumentar em 50 kPa na faixa mostrada acima. Sem compensação, uma unidade não compensada reportaria um valor demasiado baixo em cerca de 20 kPa numa manhã de inverno, o suficiente para desencadear um falso aviso.

Para uma visão mais ampla da tecnologia por trás desses dispositivos, consulte este guia para Sensores de pressão MEMS .

TPMS direto versus indireto: como as duas abordagens diferem

O Direct TPMS usa um sensor de pressão física em cada roda. O TPMS indireto usa os sensores de velocidade das rodas ABS existentes do veículo para estimar a pressão. Somente o TPMS direto retorna um valor de pressão real.

A maioria dos veículos modernos utiliza TPMS direto porque fornece uma leitura precisa para cada pneu, o que é fundamental para detectar vazamentos lentos e evitar desgaste irregular da banda de rodagem. A mesma tecnologia de sensor de pressão MEMS também aparece em sensores de pressão em veículos modernos além do TPMS, incluindo monitoramento da pressão do óleo e sistemas de freio.

Quatro especificações que determinam a seleção do sensor de pressão dos pneus

Faixa de pressão, precisão, sinal de saída e embalagem são os quatro parâmetros que determinam se um sensor de pressão de pneu terá desempenho confiável em campo.

Para um automóvel de passageiros rodando entre 2,2 e 2,5 bar, o limite de alerta é normalmente definido em 25% abaixo da pressão recomendada pelo fabricante. Uma faixa de 0 a 4 barras cobre essa aplicação sem se tornar tão ampla a ponto de sacrificar a resolução do sensor.

A precisão é a próxima restrição. Um deslocamento de 0,3 bar pode ocultar um vazamento lento ou produzir um alarme falso, e é por isso que os melhores sensores de pressão MEMS de nível automotivo atingem /-0,2 por cento da amplitude total. Em um sensor de 4 barras, isso representa aproximadamente 8 kPa de margem de erro.

O sinal de saída é o terceiro ponto de decisão. A saída de tensão analógica na faixa de 0,5 a 4,5 V é simples e amplamente utilizada, enquanto as saídas digitais como I2C e SPI reduzem a suscetibilidade a ruídos eletromagnéticos no chicote do veículo. Para TPMS direto em uma rota de alta vibração, os sinais digitais são cada vez mais preferidos.

A embalagem determina a facilidade com que o sensor pode ser integrado na válvula do pneu ou no aro da roda. Os pacotes DIP e SIP suportam montagem em PCB, enquanto os pacotes SOP são comuns quando o sensor fica no conjunto da haste da válvula. O dispositivo também precisa sobreviver a níveis de vibração em torno de 50 g em frequências de até 1 kHz.

Sensores de pressão absoluta MCP-J10, MCP-J11 e MCP-J12 para uso automotivo Esses sensores de pressão absoluta calibrados oferecem saída analógica ou digital, medem até 4 bar e são compensados por temperatura durante toda a extensão do veículo, tornando-os adequados para sistemas de monitoramento de pressão dos pneus. Ver Produto →

A MemsTech, com sede na Zona Nacional de Desenvolvimento Industrial de Alta Tecnologia de Wuxi, constrói sensores de pressão automotivos de acordo com esses requisitos. As séries MCPJ10, MCPJ11 e MCPJ12 são sensores de pressão absoluta com faixa de medição de 0 a 4 bar, disponíveis nas versões de saída analógica e digital, e seu processo de calibração cobre toda a faixa de temperatura do veículo.

Por que a compensação de temperatura é crítica em um sensor de pressão de pneu

A temperatura dentro de um pneu pode variar de -40°C em um estacionamento no inverno a 80°C em velocidade de rodovia. Se o sensor não for compensado, esse desvio por si só pode introduzir um erro de 15 a 20 kPa, que é grande o suficiente para acionar um falso aviso de baixa pressão.

Cada unidade é calibrada de fábrica em vários pontos de temperatura. Os coeficientes de compensação são armazenados no ASIC interno do sensor durante a produção, de modo que o resultado final é corrigido automaticamente à medida que o pneu aquece e esfria. A MemsTech segue esse processo dentro de suas instalações de 2.000 metros quadrados, com recursos internos que abrangem embalagem, soldagem, compensação de temperatura e calibração de desempenho. Cada dispositivo é testado em escala zero e completa antes do envio para garantir a consistência do lote.

Sensor de pressão série MCP-J20 para aplicações em coletores automotivos e de motocicletas Projetada para detecção de pressão no coletor de admissão em carros e motocicletas, esta série fornece saída analógica com faixas opcionais de até 1.000 kPa e é calibrada para precisão sem calibração do lado do cliente. Ver Produto →

A série MCPJ20 estende a mesma arquitetura de detecção absoluta para um conjunto mais amplo de aplicações automotivas, incluindo SUVs maiores e plataformas de caminhões leves com pressões de inflação a frio mais altas.

Perguntas frequentes

Quanto tempo dura a bateria do sensor de pressão dos pneus?

Os sensores TPMS diretos são unidades seladas com bateria de 5 a 10 anos. Quando a bateria estiver descarregada, todo o conjunto do sensor deverá ser substituído, pois a bateria não pode ser reparada dentro de uma unidade de válvula selada.

Posso substituir um sensor de pressão dos pneus sem alterar a haste da válvula?

Na maioria dos sistemas TPMS diretos, o sensor é integrado à haste da válvula. Alguns kits de reposição permitem a substituição apenas do sensor, mas a substituição de todo o conjunto é o procedimento de serviço padrão e é mais confiável.

Qual pressão dos pneus um sensor TPMS deve ler?

Para a maioria dos automóveis de passageiros, a pressão recomendada para pneus frios é de 2,2 a 2,4 bar (32 a 35 psi). O limite de aviso do TPMS é normalmente definido em cerca de 25% abaixo dessa recomendação.

Por que a luz do meu TPMS acende quando o tempo está frio?

O ar frio se contrai. Para uma queda de 10°C na temperatura ambiente, a pressão dos pneus pode cair de 7 a 10 kPa. Se o pneu já estava próximo do limite de alerta, essa queda é suficiente para ativar o alerta.