设计中传感器与传感的挑战

很大一部分模拟电路和接口专门用于传感器及其前端电子设备。由于这两个领域的进步，现在可以为许多物理参数（例如距离、运动、质量、压力、温度……）提供价格合理、高精度的传感器及其子系统……不胜枚举。

尽管如此，在许多情况下仍存在两难境地，因为传感挑战不在于传感器及其接口，而在于就地传感情况。例如，在房间内感知温度等常见事物可以与在喷气式飞机的排气口处进行比较。有几十种完全不同的温度传感技术，包括（但不限于）使用固态传感器、热电偶、红外传感器，甚至热膨胀测量以及每种技术的无数实际实现。

我最近遇到了一个相关且及时的示例，它清楚地展示了传感器与传感的挑战，并证明传感问题不仅仅适用于深奥的情况。考虑在有两个或更多乘员的汽车客舱中测量空气流量的重要主题。尤其是现在，出于众所周知的原因，您希望在人们靠近时确保良好的空气流通。

显而易见的问题是：你应该打开一个窗口还是几个窗口，打开多少？“打开所有窗户”这个可能直观的答案可能是错误的，即使它是最好的技术解决方案，它也可能不切实际或不受欢迎。

如果您想将其限制为仅两个窗口，例如，您打开哪些窗口？它是乘客或乘客就座位置的函数吗？应该是两个前窗吗？也许使用驾驶员车窗和右后车窗（与驾驶员车窗斜对面），或者只使用乘客车窗和左后车窗？汽车的通风口设置在不同的位置有什么影响？不使用风扇模式甚至不使用空调的好处如何？

所有好的问题，在汽车模型中的风洞和一些代表驾驶员和乘客的被动“假人”的测试台上应该很容易回答。然而，事实证明，由于各种原因，这并不是一个容易的情况。是的，有许多可用的气流传感器仪器，例如 Center Technology 的 Center 332 热线风速计（图 1）。这款手持式装置带有可扩展的独立探头，可测量 0 至 25 米/秒（相当于 0 至 5000 英尺/分钟）的空气速度和 0 至 10 6立方米/分钟（约 8.5 × 10 8立方英尺）的空气流量（体积） /分钟），读数精度为 ±3%。

但仅拥有一个好的传感器或仪器只是解决方案的一部分。这一点在两篇相关文章中已经阐明——一篇在 AAAS Science Advances中的标题为“乘用车内的气流和对空气传播疾病传播的影响”，另一篇在《今日物理学》中的标题为“我们在汽车中呼吸的空气”——它们讨论了与评估汽车气流相关的挑战。作者得出的结论是，考虑到布置的许多变量，以及测量气流的方式和位置，这个问题并不像建模和仿真那样适用于现实世界的物理仪器。

我对这种方法没有意见，因为现代模拟工具可能非常好。然而，几乎所有此类模拟都存在一个潜在问题：它们严重依赖于基础模型的保真度。在这种情况下，我不知道您需要对这个项目的汽车表面和内部几何形状进行多精确的建模。客舱尺寸的微小变化——毕竟，每辆车都有一点不同——会对结果产生很大的影响吗？您能否对模型简化对模拟结果的影响进行有意义的敏感性分析，如图 2所示？

汽车中的气流模式很复杂，取决于许多因素，包括客舱大小、几何形状、车速、占用率以及打开窗户的数量和位置。

幸运的是，并非所有研究人员都只致力于模型和模拟结果。《暴露科学与实验流行病学杂志》对汽车每小时换气量 （ACH） 进行了一项具有启发性的研究，题为“机动车辆的换气率和来自二手烟的车内污染物浓度”。在这里，作者使用四种不同的真实汽车在各种条件下进行了测试。这些研究人员在努力中非常认真：他们远远超出了基本的气流传感器，并增加了一个仪器级监测器来测量一氧化碳 （CO） 浓度，以及一个光学散射监测器来测量可吸入颗粒物浓度。

如果模拟与现实世界之间存在合理的一致性，那么最好的方法是建立一个好的模型然后进行模拟，这是有道理的；在汽车建模与测量气流的情况下，即使有 10% 的差异，我也会非常满意。这与我看到电路仿真时的情况相同：很高兴看到具有如此明显的精度和大量数据的性能，但如果接近最终配置的实际原型也经过测试并出现，我总是对这些观点更有信心到模拟结果的大约 5% 或 10% 以内。

不要被愚弄：有时，感知现实世界参数的问题不是由于应用场景，而是传感器。仔细考虑您需要什么样的传感器布置、多少传感器、它们的位置、它们对测试本身的影响以及其他相关因素。在许多情况下，如果您有可靠的初始数字，一个好的 3D 模拟可能是更好的选择，但前提是您可以开发一个可行的模型——这是一个很大的“如果”。

您是否遇到过这样的情况：选择和连接传感器很容易，但这种情况却让传感器的使用出现问题？