汽车系统中的传感器技术解析

汽车设计师不断需要能提供比传统的位置感应技术更高性能和更具灵活性的器件。而且这些器件还要通用，能适应很多种应用。这种需求就要求在器件内整合传统的接触型传感器技术和非接触传感器技术中所包括的各种最佳设计要素。

随着今天的汽车利用了越来越多的电子和控制系统，工程师面临将这些电子器件集成到汽车内所带来的日益增加的挑战。特别是对于那些用于保证汽车的安全性、降低油耗以及降低辐射的传感器和其他回馈(各参数的)电路来说，尤其是这样。

为了能够与处理更高速度和I/O功能的处理器保持一致，电子系统设计师总是面临改善系统分辨率以及信号质量方面的的各种挑战。对于当今汽车环境中所用到的任何传感技术来说，机械灵活性、环境稳定性以及信号完整性是关键的设计特性。

对电子器件的要求之一就是它们能够承受的工作温度范围。温度从-40摄氏度的寒冷环境温度到引擎车箱内超过+150摄氏度，传感器和相关电子器件面临着当前材料所能承受的极限温度。更进一步的应用，如可变涡轮增压器，将所要求的这一极限温度继续推高，可能超过+180度。这需要传感器设计师开发出能满足这些需求的材料和封装。

同时，传感器必须能接受整体系统需求的各种机械配置。像电位计和霍耳效应器件(技术)这些传统的感应器件可以采用线型或环型封装。上述两种技术都各有优势—电位计成本较低、技术成熟，而且在机械结构上灵活，而霍尔效应器件磨损小，信号质量好——具体选用哪一种，要根据系统的应用需求来定。像电感式传感器这些更先进的技术，则利用了上述两种传感器的优势，从而可以实现更具鲁棒性的传感系统。

电位计技术在满足线型或环型应用上，具有很高的设计灵活性。根据电位计的设计特性，它提供了一种与输入电压成正比的输出信号。然而，该技术在某种程度上受其模拟输出信号的特性限制。尽管这种信号可以被转变成数字格式，但是这种转换需要额外的电子元件，增加了传感器的成本。而且，转换后的信号还不是真正的高分辨率数字格式。随着越来越多的高速网络和通信总线被应用到汽车中，需要为每种电位计安排一个AD转换器可能是一种缺点。电位计也是一种接触传感技术，容易因长期工作和震动而产生磨损。当电位计的磨损变得很很明显时，会导致信号中含有过高的噪声。这会成为直接的回馈控制环路中的一个问题。

图1：包括电位计和霍尔效应器件在内的传统感应技术。

霍尔效应传感器通常产生一种模拟信号，该器件与汽车系统的通信由一片ASIC来实现，该ASIC还将模拟信号直接转换成数字信号。因为霍尔技术测量的是高斯磁通量的变化，故需要非常精密的支撑系统来保持其整体性。这就在一定程度上限制了这类器件的机械封装灵活性。这种承载系统还一定程度上增加了传感器的成本。有利的方面是，霍尔效应传感器是非接触技术，因此不会像电位计那样因磨损而降低性能。通常，为控制影响霍尔效应传感器的高斯磁场，这类传感器具有相对较短的移动距离。通常，霍尔效应传感器设计成低于180度的旋转角度或者小于25毫米的直线运动距离。

最近在开发新的电感式传感技术上取得了一些进步，利用了电位计和霍尔效应这两种技术的优点。该器件包含一个由两个印刷电路板组成的非接触感应系统，其核心是信号产生和传感。该器件名为Autopad，在两块电路板之间产生电感耦合，并由板上ASIC进行测量和转换。

与霍尔传感器不同的是，Autopad传感器允许在X、Y和Z轴的错位，因此可以不需要严格的承载系统。另外，ASIC使其成为真正的数字传感器，能产生可以直接与高速控制器进行通信的12位PWM信号。如果需要的话，该信号还能被转换回模拟格式。OPTEK公司的Autopad还能用多种物理结构来实现，包括旋转和线形结构。旋转设计可以用于角度错位高达360度的系统。线形传感器允许的错位为20～200毫米，甚至更远。

随着汽车行业的发展，设计工程师不断需要具有更高性能和灵活性的器件。尽管传统的感应技术具有其优点，电感式传感技术的开发为解决当前要求苛刻的汽车电子带来的各种技术挑战和满足需求提供了解决方案。这种感应技术的设计灵活性使其成为很多汽车应用的可靠并更具成本效益的解决方案。

图2：TT electronics OPTEK Technology公司的Autopad感应技术。