汽車應用中的新型傳感技術

汽車設計師不（bú）斷需要能提供比傳統的位置感應技術更高（gāo）性（xìng）能和更具靈活性的器件。而（ér）且這些（xiē）器件（jiàn）還（hái）要通用，能適應很多種應用。這種需求就要求在器件（jiàn）內整合傳統的接觸型傳感器技術和非接觸傳感器技術中所（suǒ）包括的各種最佳設計（jì）要素。

    隨（suí）著今天的汽車利用了越來越多的電子和控製係統，工程師麵臨將這些電子器件集成到汽車內所（suǒ）帶來的（de）日益增加的挑戰。特別是對於那些用於保證（zhèng）汽車的安全（quán）性、降低油（yóu）耗（hào）以及降低輻射的傳感器和其他回饋（各參數的）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（zhì），電子係統設計師總是麵臨改善係統分辨率以及（jí）信號質量方麵的的各種挑戰。對於當（dāng）今汽車（chē）環（huán）境中所用（yòng）到的任何傳感技術來說（shuō），機械靈活（huó）性、環境穩定性（xìng）以及信號完整性是（shì）關鍵的設計特性。

    對電子器件的要求之（zhī）一就是它們能（néng）夠承受（shòu）的工作溫度範（fàn）圍。溫度從-40攝氏度的寒冷環境溫度到引擎車箱內超（chāo）過+150攝氏度，傳感器和相關（guān）電子器（qì）件麵臨著當前材（cái）料所能承受的極限溫（wēn）度。更（gèng）進一步的應用，如可（kě）變渦輪增壓器，將所要求的這一極限溫度繼續推高，可能超過+180度。這需要傳感器設計師（shī）開發出能滿足這些需求（qiú）的材料和（hé）封裝。

    同時，傳感器必須能（néng）接受整體係統需（xū）求的各種機械配置。像電位計和霍耳（ěr）效應器件（技術）這些傳統的感應器件（jiàn）可以采（cǎi）用線型（xíng）或環型封裝。上述兩種技術都各有優勢—電位計成本較（jiào）低、技術成熟，而且在機械結構上（shàng）靈活，而霍爾效應器件磨損小，信號質量好（hǎo）——具體選用（yòng）哪一種（zhǒng），要根據係統的應用需求來定（dìng）。像電感式傳感器這（zhè）些（xiē）更先進的技術，則利（lì）用了上述兩種傳感器的優勢，從而可以實現更具魯棒性的傳感係統。

    電位計技術（shù）在滿足（zú）線型或環型應用（yòng）上，具有很高的設計靈活性。根據電位計的設計（jì）特性，它提供了一種與輸（shū）入電壓（yā）成正比的輸出信（xìn）號（hào）。然而，該技術在某（mǒu）種程度上受其模擬輸出信號的特性限製。盡管這種信（xìn）號可以被轉變成數字格式，但是這種轉換需要額外的電子元件，增加了傳感器的成本。而且（qiě），轉換後的信號還（hái）不是真正的高分辨率數字格式（shì）。隨著越來（lái）越多的高（gāo）速網絡和通信總線被應用（yòng）到汽車（chē）中（zhōng），需要為每種電位計（jì）安排一個AD轉（zhuǎn）換器（qì）可能是一種缺點（diǎn）。電位計也是一種接（jiē）觸傳感技術，容易因長期工作和震動而產（chǎn）生磨損。當電位計的磨損變（biàn）得很很明顯時，會導致信號中含有（yǒu）過高的噪聲。這會成為直（zhí）接的回饋控製環路中的一（yī）個問（wèn）題。

 
圖1：包括電位計和（hé）霍爾效應器件在內的傳統感應技術。

    霍爾效應傳感器通常產生一種模擬信號，該器件與汽車（chē）係統的通信由一片ASIC來（lái）實現，該ASIC還將模擬信號（hào）直接轉（zhuǎn）換（huàn）成數字信號。因為霍爾（ěr）技術測量的（de）是高斯磁通量的變化，故需要（yào）非常精密的支撐係（xì）統來保持其整體性。這就在一定程度上限製了這（zhè）類器（qì）件的機械封裝靈活（huó）性。這種承載係統還一定程度上（shàng）增加了傳感器的（de）成本。有利的方麵是，霍（huò）爾（ěr）效應傳感器是非接觸技術，因此不會像電位計那樣因磨（mó）損而降低性能。通常，為控製影響霍爾效應傳感器的高斯磁場，這類傳感器具有相對較短的移動距離（lí）。通常，霍爾效應傳感器設計成低於180度的旋轉角度或者小於25毫米（mǐ）的直線運動距離。

    最近在（zài）開發新的電感式傳感技術上取得（dé）了一些（xiē）進步，利（lì）用（yòng）了電位計和霍爾效應這兩種技術的優點。該（gāi）器件包含（hán）一個由兩個印刷電路板（bǎn）組成的非接觸感應係統，其（qí）核心是信（xìn）號產生和傳感。該器件名為Autopad，在兩塊電路板之間（jiān）產生電感耦合，並由板上ASIC進行測（cè）量和（hé）轉換。

    與霍爾傳（chuán）感器不（bú）同的是，Autopad傳感器允許在（zài）X、Y和Z軸的錯位，因此可以不需要嚴格的承（chéng）載係統。另外，ASIC使其成為（wéi）真正的數字（zì）傳感器，能產生可（kě）以直接與（yǔ）高速控製器進行通信的12位PWM信號。如果需要的話，該信號還能被轉換回模擬格式。OPTEK公司的Autopad還能用多種物（wù）理結構（gòu）來實現，包（bāo）括旋轉和線形結構。旋轉（zhuǎn）設計可以用於角度錯位高（gāo）達360度的（de）係統（tǒng）。線形傳感器允許的錯位為20～200毫米，甚至更遠。

    隨著汽車行業的發展（zhǎn），設計工程（chéng）師不斷需要具有更高性能和靈活性的器件。盡管（guǎn）傳統的感應技（jì）術具（jù）有其優點，電感式傳感（gǎn）技術的開發為解決當前要求苛刻的汽車電子帶來的各種技術挑戰和滿足需求提供了解決方案。這種感應技術（shù）的設計靈活性使其成為很多汽車（chē）應用的可靠並更具成本效（xiào）益的解決方案。