汽車應(yīng)用中的新型傳感技術(shù)

汽車設(shè)計(jì)師不斷需要能提供比傳統(tǒng)的位置感應(yīng)技術(shù)更高性能和更具靈活性的器件。而且這些器件還要通用，能適應(yīng)很多種應(yīng)用。

這種需求就要求在器件內(nèi)整合傳統(tǒng)的接觸型傳感器技術(shù)和非接觸傳感器技術(shù)中所包括的各種最佳設(shè)計(jì)要素。

隨著今天的汽車?yán)昧嗽絹碓蕉嗟碾娮雍涂刂葡到y(tǒng)，工程師面臨將這些電子器件集成到汽車內(nèi)所帶來的日益增加的挑戰(zhàn)。特別是對(duì)于那些用于保證汽車的安全性、降低油耗以及降低輻射的傳感器和其他回饋(各參數(shù)的)電路來說，尤其是這樣。

為了能夠與處理更高速度和I/O功能的處理器保持一致，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師總是面臨改善系統(tǒng)分辨率以及信號(hào)質(zhì)量方面的的各種挑戰(zhàn)。對(duì)于當(dāng)今汽車環(huán)境中所用到的任何傳感技術(shù)來說，機(jī)械靈活性、環(huán)境穩(wěn)定性以及信號(hào)完整性是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)特性。

對(duì)電子器件的要求之一就是它們能夠承受的工作溫度范圍。溫度從-40攝氏度的寒冷環(huán)境溫度到引擎車箱內(nèi)超過+150攝氏度，傳感器和相關(guān)電子器件面臨著當(dāng)前材料所能承受的極限溫度。更進(jìn)一步的應(yīng)用，如可變渦輪增壓器，將所要求的這一極限溫度繼續(xù)推高，可能超過+180度。這需要傳感器設(shè)計(jì)師開發(fā)出能滿足這些需求的材料和封裝。

同時(shí)，傳感器必須能接受整體系統(tǒng)需求的各種機(jī)械配置。像電位計(jì)和霍耳效應(yīng)器件(技術(shù))這些傳統(tǒng)的感應(yīng)器件可以采用線型或環(huán)型封裝。上述兩種技術(shù)都各有優(yōu)勢(shì)—電位計(jì)成本較低、技術(shù)成熟，而且在機(jī)械結(jié)構(gòu)上靈活，而霍爾效應(yīng)器件磨損小，信號(hào)質(zhì)量好——具體選用哪一種，要根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用需求來定。像電感式傳感器這些更先進(jìn)的技術(shù)，則利用了上述兩種傳感器的優(yōu)勢(shì)，從而可以實(shí)現(xiàn)更具魯棒性的傳感系統(tǒng)。

電位計(jì)技術(shù)在滿足線型或環(huán)型應(yīng)用上，具有很高的設(shè)計(jì)靈活性。根據(jù)電位計(jì)的設(shè)計(jì)特性，它提供了一種與輸入電壓成正比的輸出信號(hào)。然而，該技術(shù)在某種程度上受其模擬輸出信號(hào)的特性限制。盡管這種信號(hào)可以被轉(zhuǎn)變成數(shù)字格式，但是這種轉(zhuǎn)換需要額外的電子元件，增加了傳感器的成本。而且，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)還不是真正的高分辨率數(shù)字格式。隨著越來越多的高速網(wǎng)絡(luò)和通信總線被應(yīng)用到汽車中，需要為每種電位計(jì)安排一個(gè)AD轉(zhuǎn)換器可能是一種缺點(diǎn)。電位計(jì)也是一種接觸傳感技術(shù)，容易因長(zhǎng)期工作和震動(dòng)而產(chǎn)生磨損。當(dāng)電位計(jì)的磨損變得很很明顯時(shí)，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)中含有過高的噪聲。這會(huì)成為直接的回饋控制環(huán)路中的一個(gè)問題。

圖1：包括電位計(jì)和霍爾效應(yīng)器件在內(nèi)的傳統(tǒng)感應(yīng)技術(shù)。

霍爾效應(yīng)傳感器通常產(chǎn)生一種模擬信號(hào)，該器件與汽車系統(tǒng)的通信由一片ASIC來實(shí)現(xiàn)，該ASIC還將模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。因?yàn)榛魻柤夹g(shù)測(cè)量的是高斯磁通量的變化，故需要非常精密的支撐系統(tǒng)來保持其整體性。這就在一定程度上限制了這類器件的機(jī)械封裝靈活性。這種承載系統(tǒng)還一定程度上增加了傳感器的成本。有利的方面是，霍爾效應(yīng)傳感器是非接觸技術(shù)，因此不會(huì)像電位計(jì)那樣因磨損而降低性能。通常，為控制影響霍爾效應(yīng)傳感器的高斯磁場(chǎng)，這類傳感器具有相對(duì)較短的移動(dòng)距離。通常，霍爾效應(yīng)傳感器設(shè)計(jì)成低于180度的旋轉(zhuǎn)角度或者小于25毫米的直線運(yùn)動(dòng)距離。

最近在開發(fā)新的電感式傳感技術(shù)上取得了一些進(jìn)步，利用了電位計(jì)和霍爾效應(yīng)這兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。該器件包含一個(gè)由兩個(gè)印刷電路板組成的非接觸感應(yīng)系統(tǒng)，其核心是信號(hào)產(chǎn)生和傳感。該器件名為Autopad，在兩塊電路板之間產(chǎn)生電感耦合，并由板上ASIC進(jìn)行測(cè)量和轉(zhuǎn)換。

與霍爾傳感器不同的是，Autopad傳感器允許在X、Y和Z軸的錯(cuò)位，因此可以不需要嚴(yán)格的承載系統(tǒng)。另外，ASIC使其成為真正的數(shù)字傳感器，能產(chǎn)生可以直接與高速控制器進(jìn)行通信的12位PWM信號(hào)。如果需要的話，該信號(hào)還能被轉(zhuǎn)換回模擬格式。OPTEK公司的Autopad還能用多種物理結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，包括旋轉(zhuǎn)和線形結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)可以用于角度錯(cuò)位高達(dá)360度的系統(tǒng)。線形傳感器允許的錯(cuò)位為20～200毫米，甚至更遠(yuǎn)。

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，設(shè)計(jì)工程師不斷需要具有更高性能和靈活性的器件。盡管傳統(tǒng)的感應(yīng)技術(shù)具有其優(yōu)點(diǎn)，電感式傳感技術(shù)的開發(fā)為解決當(dāng)前要求苛刻的汽車電子帶來的各種技術(shù)挑戰(zhàn)和滿足需求提供了解決方案。這種感應(yīng)技術(shù)的設(shè)計(jì)靈活性使其成為很多汽車應(yīng)用的可靠并更具成本效益的解決方案。

圖2：TT electronics OPTEK Technology公司的Autopad感應(yīng)技術(shù)。