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新的传感器技术

供稿:工控网 2008/5/6 12:52:00

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        现代的汽车充满了传感器,提供各式各样的信息,从发动机控制方面到乘客安全方面。传感器技术正在不断发展,使得传感器更加易于设计,具备更高的可用性和更强的功能。

  传感器和处理器,就像科幻电影中的异型生物一样,已经真实地接管了今天的汽车。他们不仅仅出现在可见的区域,例如载客室[z1>,同时也被嵌入到车辆的每一个隐蔽角落,包括传动系统和底盘,监测并控制着性能、安全和基本车况。


  在汽车上大量装配传感器的推动力主要来源于各个方面的强烈需求,这包括更好的油耗经济性,减少尾气排放,减小发生事故的概率,并且增加发生事故后的安全性。新的传感器技术不仅提高了现有传感器的性能,也使得以前无法实际应用于主流消费者产品中的探测技术成为可能。传感器的应用已经从发动机延伸到排气装置,甚至到油箱:Freescale提供一个低压力差分传感器,可以检测油箱的泄漏。

压力测量
  车辆的传动系统是一个复杂的电子、机械和化学系统,要想提高其性能必须测量多个点的压力。汽油发动机需要测量“多路绝对压力”(manifold absolute pressure,MAP),获取这一数据的传感器不可避免地要暴露在汽油之中。这些燃油系统也越来越多地测量气流,这是通过经过强化的采用成熟的热线(hot-wire)技术的传感器实现的,它没有可动部分。与此相对,柴油发动机需要测量大气绝对压强(barometric absolute pressure,BAP),需要的传感器可以被放置在控制模块中,处于一个不太恶劣的位置。
  MEMS加工技术改变了传感器和信号调节装置的工作方式,它是传感器信号链中的一个关键部分。Freescale公司传感器和模拟器件部门的汽车产品市场经理Steve Hendry 说,Freescale公司正在将传感器从以往的立体微机械设备移植到表面微机械单元,“通过使用电容技术,可以达到占用更小的面积,实现更低的成本的目标,并且还可以将误差控制在1%~2%”。同时他还补充说明,下一代的设备将会是一个双芯片设备,包括一个传感器和一个分立的CMOS信号调节器,这个传感器将会比一个引线结合垫片还小;总的来说,这种组合将会产生最好的性能价格比。


非接触测量
  常见的霍尔效应传感器可以被广泛应用于那些车辆内部旋转的、线性的以及开/关位置感应的场合,参见附文“什么是霍尔效应?”[z2>。因为他们固有的对恶劣环境的适应性、封装形式以及不会随着时间退化的特性,霍尔效应设备已经作为线性和开/关传感器在多变的汽车传动系统中占据了稳固的地位。例如,线性霍尔效应设备现在正被用于感应关键的阀门位置。
  按照Melexis公司发动机管理/霍尔传感器应用和市场部门的Vincent Hiligsmann的说法,“许多汽车制造商已经认定未来的发展方向是尽可能地使用非接触工作方式”,这就促使传感器的设计开始主要基于霍尔效应、光学和压力技术。非接触感应允许设计上采用封装的方式来保护感应器件,增加可靠性和减小长期工作时尘埃、腐蚀和液体引发的问题。他指出这种传感器具备的优点是如此的令人神往,以至于下一代技术应该和上一代保持兼容这一汽车工业传统的指导方针也被搁置到一边,“如果已经可以使用非接触版本的器件,就没有必要和那些古老的、使用电压计、提供连续输出的设备保持向前兼容。”
  Allegro Microsystems公司的战略市场经理Kirsten Doogue说,Allegro使用一个三元素传感器,来测量位置、相位偏移和信号相关性,即使在零速度情况下也不丢失任何信息。那些可以提供方向信息,并且区分是真实移动还是振动的传感器,都整合了一个内部磁体,因为磁体到传感器的定位对于提供可靠和稳定的数据十分关键。在前进运动的时候输出45ms脉冲的数字PWM,在后退运动的时候则输出90ms的脉冲,可以将输出连接到处理器或者微控制器进行进一步的处理。
  对制造过程的考虑也是构成器件挑战的一部分。不像所有的电子电路,器件的摆放和固定都由PCB设计人员决定,传感器必须和外部世界交互,就如它的定义一样,这就有可能在其它情况发生变化的时候导致问题。Allegro公司的Doogue举例说明,通常使用一个传动系统中的齿轮来触发霍尔效应传感器,传感器和齿轮需要调整以便互相匹配。她说明,“一个浇铸部件产生的信号弱于低成本的冲压部件”,两个信号之间相差两倍,所以当生产商将BOM表中的一个浇铸件换成一个冲压件(也即替换成明显可成形的合适的功能部件),就可能对传感器的电子信号造成有害的影响。
  低成本的无接触传感器可以被用于老式传感器无法满足的安全和控制领域。惯性传感器,包括陀螺仪和加速计,使得稳定性和翻转控制成为可能,参见附文“摆动但不要翻转”[z3>。


可靠性和成本规则
  每一个市场都有成本压力,但是汽车市场同时具有成本和可靠性的多重压力,因为让用户“走回家”的错误、安全性召回、以及烦人的“发动机检查”都会影响公司的声誉、销售和账本底线。随着对越来越多的关键性能传感器的依赖性上升,设计必须在所有的层次上考虑可靠性问题,从最基本的传感器、封装形式一直到算法。对大多数传感器来说,都面临一个两难的选择,那就是他们必须通过某种方式暴露到“外部”的世界中,以便得到感兴趣的数据,而这种暴露同时也引入了嘈杂的汽车环境中的机油、燃料、水汽、尘埃和碳尘,这些都会干扰传感器的接触点和端点,甚至有的时候会干扰感应元件本身。
  在电子元件层次上,传感器IC可以使用特殊的过成形(overmolding)技术在维持内部腔室的同时提供额外的封装保护。那些二级供应商采购基本的传感器,将它们和相关的电子器件一起封装成模块以便后续高级工艺使用,再提供给一级供应商。一级供应商使用保形涂料甚至是硅胶来保护接线和结合部,就像特别密封的模块化住宅一样。主要的“一级”供应商,例如Visteon、Bosch和TRW都有他们自己偏好的技术来设计这些模块。
  虽然使用多个、冗余的传感器看起来是一个简单的系统级解决方案,以便面对冗余性需求的挑战,但通常不需要这么做。除了显而易见的成本上升外,更多的传感器意味着有更多出现错误的机会,系统设计中的经典难题就是判断信号链中的什么部分需要冗余来避免虚弱连接。如果两个冗余的传感器给出了不同的感应结果,除非有一个结果完全超出了可能的范围,否则系统该如何判断是哪一个传感器出了问题呢?
  虽然如此,某些传感器也可以使用二重结构。Melexis公司推出了一个霍尔效应传感器,将两个一样的模块包含到一个封装之中。这两个模块完全彼此独立工作,并在电气上相互隔离,使用不同的供电、接地和输出连接;单一的封装减小了整体的成本,但是没有妨碍增加系统的可靠性。
  另外一种方法是给元件增加更多的自我检测机制,以便它可以执行不同的自检功能。例如,如果这个智能传感器通过检查自身的读入数据、输入/输出、变化的速率或者其他因素,认为自身出现了故障,就可以驱动自己的输出到一个特定的数值和安全模式。

        最后,软件和算法开发人员必须在代码中智能地评估传感器得到的数值,判断哪些是有意义的哪些不是。就如Allegro公司的Doogue所说,在传送的过程中,你使用一个传感器来获得输入轴的速度和方向,使用另一个传感器来监控输出轴,“这个输入/输出对必须彼此关联,否则一定是哪里出了问题,你可能得走回家去”。 Melexis 公司的Peter Riendeau则表示,传感器元件提供商正在日益将板级解决方案封装到IC当中,“将处理器、驱动电路、电子保护、总线接口甚至固件都装在一个芯片内”。

这是一个小小的世界,但也可能不是
  工业设计和制造的全球化已经成为现实,但并不绝对。许多传感器相关的特征正在变得标准化而不管来自什么车辆,例如燃油电子控制和点火系统就是主要的样例,但也有一些并不标准。
  世界上同时存在汽油发动机系统和柴油发动机系统。汽油发动机占据了美国汽车市场超过90%的份额,而柴油发动机在欧洲更加强势。[z4>为了增强美国市场的接受度,汽车制造商添加了更多的传感器和控制器,提升柴油动力车辆的起步与冷起步性能、发动机的平滑性和整体驾乘感受。
  自动化传动在欧洲的普及率不如美国,因为在消费者眼中,它的可靠性、油耗和成本都有待商榷。但是随着这些相关指标的改进,这一概念在欧洲也正变得日益受到关注。这种情况是因为添加了附加的传感器,能够提供数据给先进的32位微处理器。

未来会怎样?
  对于车用传感器而言,未来有两个发展方向。设计人员可以在每一个缝隙和隐蔽处添加更多现有类型的传感器,也可以考虑那些他们以前想要测量,但是限于没有能符合严格技术要求或者强制成本因素的传感器而未能实现的领域。在那些还没有圆满解决的领域中,就包括用于测定发动机后座的传感器和算法,它常常和正常的振动,特别是启动时候的瞬时状态混淆起来。
  汽车制造商也希望能够测定旋转部件,例如凸轮轴、传动轴和驱动轴的绝对位置,而不是相对位置。这种传感能力在停步-起步的状态下特别有用,因为现有的传感器都是增量式的,在下一次经过标记点之前不可以重新同步。更好的凸轮轴感应,例如绝对输出,将会减小读数的突然跳变,这个跳变无法使用软件纠正。
  更加有趣的是,Freescale公司的Hendry表示他们想要直接测量气缸压力,以便改进发动机的燃油喷射和点火时间。这要求使用能够忍受高温和振动的陶瓷部件。他也指出厂商希望可以测量

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