汽車設(shè)備中各種種樣的傳感器

汽車設(shè)備中各種種樣的傳感器

今日的汽車滿布著各種形式的傳感器，為效能與安全提供重要的數(shù)據(jù)。起初，傳感器先連接在信號路線上，監(jiān)視引擎及傳動系參數(shù)，例如氧氣、流體、溫度、電壓、電流，可是其用處不久擴大至來自各種不同的活動機構(gòu)及電動機的反饋回路，包括防抱死制動系統(tǒng)（antilock-brake）及電動窗系統(tǒng)。當然，它們對檢測失事的氣袋展開系統(tǒng)更是不可能少的。 
    

傳感器的應用并非單單限制於重要的自動操作及安全因數(shù)，或者向車上診斷（OBD）系統(tǒng)報告。由於OEM對傳感器的信心隨著傳感器效力和可靠性而大增，而傳感器成本已下跌，傳感器現(xiàn)在在乘客廂中擔當更多不同的角色 為安全、舒適、方便及整 體保護。轎車及載重汽車不斷提供家居般的愉快環(huán)境只不過座落在四個或多個車輪上，乘客廂的每一方面及其占用者是易於評估。

傳感器常遭受其簡單目標、物理變數(shù)及現(xiàn)實的特殊安裝之間的矛盾，許多傳感器測量大家已知及易於明白的因數(shù)，比如溫度、壓力、照明、流動、速度等。但是當詳細觀察形勢上的限制時，瞬即明白到在我們這個四分五裂以特定應用為主體的世界里面為何有如此多的傳感器。在挑選傳感器尤其令人沮喪，比如傳感器須細致測量，給任何觀察者易於明白，可是他們卻用間接方法作出推斷。

這種情況正好描述檢測乘客占用傳感器。汽車氣袋在復雜性來講已擴大至超越其起初對駕駛者及前座乘客的正面碰撞保護，現(xiàn)在汽車有側(cè)碰氣袋、氣袋幕、多重氣袋等復雜安排，還有操控氣袋張開，以配合碰撞的速度和角度。然而，氣袋也會破損，或甚至如果氣袋張開沖擊過大而傷及用者，或者乘客是小孩會因全力張開被彈離。

因著這緣故，汽車制造想氣袋張開系統(tǒng)知道一些明顯資料，包括乘客人數(shù)，他們坐在的地方，如何坐，他們身型大小，以及是否有任何人坐在兒童座椅上。這等問題很易問，但是使用成本效益及可靠的技術(shù)就難以回答，汽車販商正采用不同的方法，包括壓力（負重）測量、攝像（可見光及紅外線）及甚至電場檢測。

圖1. MEMS傳感器封裝外型細小。Freescale Semiconductor把一些其加速度計納入於
四邊形扁平無引腳（QFN）封裝內(nèi)，供作電路板的表面安裝。

確定坐車人士的一個明顯方法是測量每一乘客在座位上產(chǎn)生的壓力，這樣每一座位就是一個基本的磅秤，事實上一個壓力傳感器（比如霍爾效應或　應力傳感器）是不足以應付的，因人的坐姿、幼兒汽車座椅、或甚至一袋物品都會影響傳感器讀數(shù)。故此，廠家采用一系列的基本壓力或霍爾效應傳感器，從而制造出在每一座位上重量分布概況。

一張典型的座椅已混合有14至16個傳感器輸出，故占用檢測系統(tǒng)可估計該乘客的大小，是否使用幼兒座椅，抑或座位未有占用。該系統(tǒng)也結(jié)合其他數(shù)據(jù)讀數(shù)，例如來自座椅安全帶的資料 指示安全帶是否扣緊及安全帶張力。

工程師須設(shè)計及將這些傳感器裝設(shè)於座椅結(jié)構(gòu)上，它絕不能是附件，在完成汽車內(nèi)部裝飾後才裝上去。目前的傳感器制造商實際上只是執(zhí)行早期與汽車販商合作的陳舊解決方案。它們應與子系統(tǒng)供應商增加合作，為汽車廠商提供包括順便裝入元件的完全高層組件。

關(guān)於乘客占用座位問題，另一類方法是采用數(shù)個紅外線影像傳感器，該技術(shù)以電子方式操控這個熱電堆陣據(jù)販商如Melexis所講這包含有100個元件之多，以至它能掃描車內(nèi)的個別座位位置。比如安裝在車頂及位於照明燈側(cè)旁的MLX90247傳感器陣采用一個對焦視場，避免駕駛者受到乘客疑惑有什麼企圖。除鏡頭外，還需要比如熱敏電阻之類的測溫裝置，為到傳感器陣在周圍溫度范圍的讀數(shù)執(zhí)行冷結(jié)補償。

有些販商供應可見光影像系統(tǒng)，取代紅外線探測方法，如Micro Technology生產(chǎn)的1050至450nm CMOS影像傳感器，其靈敏度跨越可見光以及近紅外線波段。於日間，這個750 x 480像素的傳感器采用自然光；而在夜間，它就采用紅外線發(fā)射LED提供照明。設(shè)計上采用中等速度的DSP，以與像素10bit分辨率及每秒100幀的取像速度來抓取及確定影像。從而在失事發(fā)生及氣袋張開之時測定占用者的準確位置及方向（即使前傾或側(cè)靠）。為減低DSP身上的處理負荷，該算法先估計整個影像的場面，然後限制其下一個分析只是在占用者部份的實況。

不管汽車制造商寧取可見光傳感器還是紅外線傳感器，它須作出其他的決定，包括是否使用單攝像陣式抑或是一對立體影像，是彩色還是黑白，以及甚至傳感器陣安放車內(nèi)不同位置從而取得不同的視角。

座椅壓力及影像檢測是有效的技術(shù)，但更精巧的方法是建基於由Freescale Semiconductor（前身為Motorola的一個部門）及Elesys設(shè)計的系統(tǒng)上，這種電場（e-field）檢測技術(shù)采用物體因帶電原子所建立的電場。電場檢測是一種三維影像檢測方式，使用多個電極收集信號從而“畫”出占用者的圖像。

Freescale的MC33794是許多這類電場設(shè)計的核心，它包含一個120kHz振蕩器，通過內(nèi)部電阻把信號發(fā)送往傳感器電極；內(nèi)部電阻上形成的降壓便與電極對地的電容有關(guān)，該IC的9個電極上受到的電容性加載便構(gòu)成了檢測場。

電場技術(shù)的關(guān)鍵在於天線。典型天線大小如同一張滑鼠墊，位置與IC及其相關(guān)電子電路相距1至2米，汽車制造商可利用導電泡沫膠造成它，也成為汽車座椅的一部份。為減少傳輸線對天線的任何離散電容的檢拾（此舉會弄到所需的天線區(qū)域信號模糊），IC可主動驅(qū)動屏蔽線來減低加載，類似於電壓表敏感模擬輸入端上的防護輸入。

霍爾效應與電場檢測處理在乘客車廂中超越只是對大塊頭占用者的探測，它們可以是無接觸點開關(guān)與按鈕的核心，座上客用來啟動各種控制、窗戶及其他功能。這種方法理論上增強可靠性和增長操作壽命。并避免由於接觸點侵蝕，污�@積累及機械壓力所造成的問題。電場檢測法也可用來探知擋風玻璃上的水或霧氣。

圖2. 像這類陀螺儀的MEMS傳感器，需支援電路提供有用資料。大部份
MEMS傳感器都提供有類似電路。

既有這麼多的檢測占用座位乘客的選擇，到底誰是最好的呢？答案常是一樣，“這要看情況。”每一種技術(shù)提供成本，放置及一致性能上的折衷需求。

譬如，你必須在汽車設(shè)計周期之初就要謹慎設(shè)計霍爾效應傳感器和電場傳感器，反之，可以在後期階段加入紅外線傳感器，然而，周圍溫度及光線影響紅外線傳感器，設(shè)計師須為這些影響作出補償，并且亦要視察如果傳感器沒有適當控制時日光普照也會令到檢測模糊�？梢姽庥跋駛鞲衅麟m無日光照射問題，但必須對全光照與陰暗環(huán)境有動態(tài)范圍。

車廂比乘客要更多關(guān)注，問題都是與照明，溫度、氣流，以及一大堆電動配件有關(guān)，影響乘客的舒適和感知。今日的汽車滿布小型電動機，作為窗戶及座椅位置調(diào)校功能，電動機通常是無電刷類型，兼有霍爾效應元件作為反饋。連接所有這些功能至汽車的神經(jīng)系統(tǒng)亦是另一項的挑戰(zhàn)。

在車內(nèi)的暖氣空氣調(diào)節(jié)一直以來都是很普遍的設(shè)施，可是今日的高級乘客都希望豪華汽車的冷熱座椅帶來有更個人的接觸。有數(shù)種方法可提供這些舒適座椅。在座椅內(nèi)里或側(cè)旁裝設(shè)電氣線圈。從而產(chǎn)生熱力，又或者安裝小型吹風機，輸送暖氣至座椅上。冷氣方面在機械上是更困難，因為冷氣要通過小型導管輸送到座椅亦是一項挑戰(zhàn)。有些販商采用Peltier冷卻器，安放在座椅之下，制造涼快的空氣，穿過座椅的通氣纖維外套。

不管采用什麼技術(shù)，有兩種傳感器可考慮的。第一種是最明顯的；測量座椅溫度，從而控制冷熱的調(diào)節(jié)。此外，送風電動機（通常是無電刷）需如霍爾效應元件之類的傳感器來維持其旋轉(zhuǎn)及提供反饋往閉環(huán)控制電路。

然而，車輛想知道并非單單在座椅的溫度，即使車輛缺少座椅冷暖設(shè)施，閉環(huán)氣候控制亦需要知道乘客或車廂內(nèi)的溫度。其中一個方法是在表板上設(shè)置一個抽氣口。然後由傳感器檢測溫度。但這種方法需表板上有一個保護孔及一個浪費空間的抽氣扇。而它告知的是空氣溫度，而非乘客體溫。作為另一類的，有些汽車制造商現(xiàn)在采用對焦紅外線傳感器，安裝在表板上，直接探測駕駛者與乘客的皮膚溫度。對於進一步增強氣候控制系統(tǒng)。Hamamatsu出產(chǎn)的S3689廣角光電傳感器，對光波長960nm有高峰響應，能測量車廂內(nèi)由太陽感生的熱力。

由於表板及其儀器面板都是駕駛者與車輛的界面，適當?shù)恼彰饕碴P(guān)注點，闊動態(tài)范圍可見光傳感器在這個場合有用武之地，例如是Microsemi Integrated Product出品的LX1971（高峰響應於520nm），這些安裝於表板上的光電傳感器提供控制輸出，維持表板照明於用戶設(shè)定的光度上，不管周圍燈光、陰間、隧道環(huán)境，以及類似的擾亂。

倘若有人偷去你的汽車或你迷失路向，這些傳感器沒一個能幫助你。汽車販商及售後警報系統(tǒng)販商正注視采用最新獲證實的技術(shù)，以補充現(xiàn)有不足的技術(shù)，譬如 Analog Devices出品的 ±1.2g ADXL213靈敏加速表采用MEMS（微電機系統(tǒng)）技術(shù)，為high-g氣袋失事傳感器作出初步研究、檢測任何推動、震動、或甚至如果汽車被吊起、被拖或被闖入的話可能出現(xiàn)的慢慢傾側(cè)。

雖然，基於GPS（全球定位系統(tǒng)）的汽車導航系統(tǒng)雖在找尋汽車所處位置上提供強大的輔助。但它們確實存在限制，當衛(wèi)星信號受到阻隔，譬如在隧道內(nèi)或者在困難的信號區(qū)域（如阻擋信號或令信號反彈的市效峽谷），便進入“黑暗”信號期，GPS裝置失去追�@或造成混亂。因著此理由，高檔的GPS裝置已加入10w- g加速度計，補充GPS讀數(shù)，這種傳感器根據(jù)於車輛上次已知的位置及自該位置行走的距離更新數(shù)據(jù)，從而提供無信號計算導航，這種方法雖不及GPS在長距離追蹤的準確性，但為到信號掉失空隙提供良好的暫時更新。