汽車應用中的新型傳感技術

汽車設計師不斷需要能提供（gòng）比傳統的（de）位置感應技術更高性（xìng）能和更具（jù）靈（líng）活性的器件。而且（qiě）這些器件還要（yào）通用，能適應（yīng）很多種應用（yòng）。這種需求就要求在器（qì）件內整（zhěng）合（hé）傳統的接觸型傳感器技術和非接觸傳感器技術中所包括的各種最佳設計要素。

    隨著今天的汽車利用了越來越多的電子和（hé）控（kòng）製係統，工程師（shī）麵臨將這（zhè）些電子（zǐ）器件集成到汽車內所帶來的日益增加的挑戰（zhàn）。特別是對於那些用於保（bǎo）證汽車的安全性、降低油耗以及降低輻（fú）射的傳感（gǎn）器和（hé）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，電子係統設計師總是麵臨（lín）改善（shàn）係統分辨率以及信號質（zhì）量方麵的的各種挑戰（zhàn）。對於當今汽車環境中（zhōng）所用到的任何傳感技術來說，機（jī）械靈（líng）活性、環境穩定性以及信號完整性是（shì）關鍵的設計特性。

    對電子器件的要求之一就是它們能夠承受的工作溫度範（fàn）圍。溫度從-40攝氏度的寒（hán）冷環境溫度到（dào）引擎車箱（xiāng）內超過+150攝氏度，傳（chuán）感器和相關電子器件麵臨著當前材料所能承（chéng）受的極限溫度。更進一（yī）步的應用，如可變渦輪（lún）增壓器，將所要求的這一極限溫度繼續推高（gāo），可能超過+180度。這需要傳感器設計師開發出（chū）能（néng）滿足這些需求的材料（liào）和（hé）封裝。

    同時，傳感器必須能接受整體係統需（xū）求的各種機械配置。像電位計和霍耳效應器件（jiàn）（技術）這些傳統（tǒng）的感應器件可以采用線型或環型封裝。上述兩種技術都各有優勢—電位計成本（běn）較低、技術（shù）成熟，而且在機械結構上靈活（huó），而霍爾效應器件磨損小，信號質量（liàng）好（hǎo）——具體選用哪一種，要根（gēn）據係統的應用需求來（lái）定。像電（diàn）感式傳感器這些更先進（jìn）的技術，則利用了上述兩種傳感器的優勢，從而（ér）可以（yǐ）實現更具魯棒性的傳感係（xì）統（tǒng）。

    電位計技術在滿足線（xiàn）型或環型應用上，具有很高的設計靈活性。根據電位計的（de）設計特性，它提供了一種與輸入電壓成正（zhèng）比的輸出信號。然而，該技術在某種程（chéng）度上受（shòu）其模擬（nǐ）輸出信號的特性限製。盡管這種信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（jiā）了傳感器的成（chéng）本。而且，轉換後的信號還不是真正的高分辨率（lǜ）數字格式。隨著越來越多（duō）的高速網絡和通信總線被應用到汽車中，需要為每（měi）種電（diàn）位計（jì）安排一個AD轉換器可能是一種缺（quē）點。電位計也是一種接觸傳感技術，容易因（yīn）長期工作和震動而產生磨損。當電位計的磨損變得很（hěn）很明顯時，會導致信號中（zhōng）含有過（guò）高的噪聲。這會成為直接的回饋控製（zhì）環路中的一個問（wèn）題。

 
圖1：包括電位計（jì）和霍爾效應器件在內的傳統感應技術。

    霍（huò）爾（ěr）效應傳感器通常產生一種模擬（nǐ）信號，該器件（jiàn）與汽車係統的通信由（yóu）一片ASIC來實現，該ASIC還將模擬信號直接轉（zhuǎn）換成數字信號。因為霍爾技術測（cè）量的是（shì）高斯磁通量的變化，故（gù）需（xū）要非常精密的（de）支（zhī）撐係（xì）統來保持（chí）其整體性（xìng）。這就（jiù）在一（yī）定（dìng）程度上限製了（le）這類器件的（de）機械封裝靈（líng）活性。這種承載係統還一定程度上增加了（le）傳感器的成本。有利的方麵是，霍爾效應傳感（gǎn）器是非（fēi）接（jiē）觸技術（shù），因此不會像電位計那（nà）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（lèi）傳感器（qì）具有相對較短的移動距離。通常，霍爾效應傳感器設計成低於180度的旋轉（zhuǎn）角度（dù）或者小於25毫米的直線運（yùn）動距離。

    最近在開發新的電感式傳感技術上取得了一些進步，利用了（le）電位計和霍爾效應這兩種技術（shù）的優點。該器件（jiàn）包（bāo）含一個由兩個印刷電路板組成的非接觸感應係統，其核心是信號產生（shēng）和傳感。該器件名為（wéi）Autopad，在兩塊電路板之間產生電感耦合，並由板上ASIC進行測量和轉換。

    與霍爾傳感器（qì）不同（tóng）的是，Autopad傳感器允許在（zài）X、Y和Z軸的錯位，因此可以不（bú）需要嚴（yán）格的承載係（xì）統。另外，ASIC使（shǐ）其成為真正（zhèng）的數字傳感器，能（néng）產生可以（yǐ）直接與高速（sù）控製器進行通信的12位（wèi）PWM信號。如果需要的（de）話（huà），該（gāi）信號還能被轉換回模擬格式（shì）。OPTEK公司的Autopad還能用多種物理（lǐ）結構來實現，包括旋轉和線形結構。旋轉設（shè）計可以用於角度錯位高達360度的係統。線形傳感（gǎn）器允許的錯位為20～200毫米，甚至更遠（yuǎn）。

    隨著汽車行業的發展，設計工程師不斷需要具有更高性能和靈活（huó）性的器件。盡管傳統的感應技術具有其優點（diǎn），電感式傳感技術的開發為解決當前要求苛刻（kè）的（de）汽車電子帶來的各種技（jì）術挑戰和滿足需（xū）求提供了解決方案。這種感應技（jì）術的設（shè）計靈活性（xìng）使其成為很多汽（qì）車應用的（de）可靠並更具成本效益的解（jiě）決方案。