隨著今天的汽車利用了越來越多的電子和控制系統(tǒng),工程師面臨將這些電子器件集成到汽車內所帶來的日益增加的挑戰(zhàn)。特別是對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)設計師總是面臨改善系統(tǒng)分辨率以及信號質量方面的的各種挑戰(zhàn)。對于當今汽車環(huán)境中所用到的任何傳感技術來說,機械靈活性、環(huán)境穩(wěn)定性以及信號完整性是關鍵的設計特性。

對電子器件的要求之一就是它們能夠承受的工作溫度范圍。溫度從-40攝氏度的寒冷環(huán)境溫度到引擎車箱內超過+150攝氏度,傳感器和相關電子器件面臨著當前材料所能承受的極限溫度。更進一步的應用,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。這需要傳感器設計師開發(fā)出能滿足這些需求的材料和封裝。

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

電位計技術在滿足線型或環(huán)型應用上,具有很高的設計靈活性。根據(jù)電位計的設計特性,它提供了一種與輸入電壓成正比的輸出信號。然而,該技術在某種程度上受其模擬輸出信號的特性限制。盡管這種信號可以被轉變成數(shù)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,轉換后的信號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)絡和通信總線被應用到汽車中,需要為每種電位計安排一個AD轉換器可能是一種缺點。電位計也是一種接觸傳感技術,容易因長期工作和震動而產生磨損。當電位計的磨損變得很很明顯時,會導致信號中含有過高的噪聲。這會成為直接的回饋控制環(huán)路中的一個問題。

圖1:包括電位計和霍爾效應器件在內的傳統(tǒng)感應技術。      

霍爾效應傳感器通常產生一種模擬信號,該器件與汽車系統(tǒng)的通信由一片ASIC來實現(xiàn),該ASIC還將模擬信號直接轉換成數(shù)字信號。因為霍爾技術測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,霍爾效應傳感器是非接觸技術,因此不會像電位計那樣因磨損而降低性能。通常,為控制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。通常,霍爾效應傳感器設計成低于180度的旋轉角度或者小于25毫米的直線運動距離。

最近在開發(fā)新的電感式傳感技術上取得了一些進步,利用了電位計和霍爾效應這兩種技術的優(yōu)點。該器件包含一個由兩個印刷電路板組成的非接觸感應系統(tǒng),其核心是信號產生和傳感。該器件名為Autopad,在兩塊電路板之間產生電感耦合,并由板上ASIC進行測量和轉換。

與霍爾傳感器不同的是,Autopad傳感器允許在X、Y和Z軸的錯位,因此可以不需要嚴格的承載系統(tǒng)。另外,ASIC使其成為真正的數(shù)字傳感器,能產生可以直接與高速控制器進行通信的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還能用多種物理結構來實現(xiàn),包括旋轉和線形結構。旋轉設計可以用于角度錯位高達360度的系統(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(yè)的發(fā)展,設計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)的感應技術具有其優(yōu)點,電感式傳感技術的開發(fā)為解決當前要求苛刻的汽車電子帶來的各種技術挑戰(zhàn)和滿足需求提供了解決方案。這種感應技術的設計靈活性使其成為很多汽車應用的可靠并更具成本效益的解決方案。

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圖2:TT electronics OPTEK Technology公司的Autopad感應技術。  

作者Mile Wills

汽車業(yè)務開發(fā)經(jīng)理

Optek Technologies