汽車(chē)設(shè)備中各種種樣的傳感器

汽車(chē)設(shè)備中各種種樣的傳感器

今日的汽車(chē)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(hào)路線上，監(jiān)視引擎及傳動(dòng)系參數(shù)，例如氧氣、流體、溫度、電壓、電流，可是其用處不久擴(kuò)大至來(lái)自各種不同的活動(dòng)機(jī)構(gòu)及電動(dòng)機(jī)的反饋回路，包括防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（antilock-brake）及電動(dòng)窗系統(tǒng)。當(dāng)然，它們對(duì)檢測(cè)失事的氣袋展開(kāi)系統(tǒng)更是不可能少的。 
    

傳感器的應(yīng)用并非單單限制於重要的自動(dòng)操作及安全因數(shù)，或者向車(chē)上診斷（OBD）系統(tǒng)報(bào)告。由於OEM對(duì)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(dān)當(dāng)更多不同的角色 為安全、舒適、方便及整 體保護(hù)。轎車(chē)及載重汽車(chē)不斷提供家居般的愉快環(huán)境只不過(guò)座落在四個(gè)或多個(gè)車(chē)輪上，乘客廂的每一方面及其占用者是易於評(píng)估。

傳感器常遭受其簡(jiǎn)單目標(biāo)、物理變數(shù)及現(xiàn)實(shí)的特殊安裝之間的矛盾，許多傳感器測(cè)量大家已知及易於明白的因數(shù)，比如溫度、壓力、照明、流動(dòng)、速度等。但是當(dāng)詳細(xì)觀察形勢(shì)上的限制時(shí)，瞬即明白到在我們這個(gè)四分五裂以特定應(yīng)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(xì)致測(cè)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(cè)乘客占用傳感器。汽車(chē)氣袋在復(fù)雜性來(lái)講已擴(kuò)大至超越其起初對(duì)駕駛者及前座乘客的正面碰撞保護(hù)，現(xiàn)在汽車(chē)有側(cè)碰氣袋、氣袋幕、多重氣袋等復(fù)雜安排，還有操控氣袋張開(kāi)，以配合碰撞的速度和角度。然而，氣袋也會(huì)破損，或甚至如果氣袋張開(kāi)沖擊過(guò)大而傷及用者，或者乘客是小孩會(huì)因全力張開(kāi)被彈離。

因著這緣故，汽車(chē)制造想氣袋張開(kāi)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(wèn)題很易問(wèn)，但是使用成本效益及可靠的技術(shù)就難以回答，汽車(chē)販商正采用不同的方法，包括壓力（負(fù)重）測(cè)量、攝像（可見(jiàn)光及紅外線）及甚至電場(chǎng)檢測(cè)。

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

確定坐車(chē)人士的一個(gè)明顯方法是測(cè)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(gè)基本的磅秤，事實(shí)上一個(gè)壓力傳感器（比如霍爾效應(yīng)或　應(yīng)力傳感器）是不足以應(yīng)付的，因人的坐姿、幼兒汽車(chē)座椅、或甚至一袋物品都會(huì)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(yīng)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(gè)傳感器輸出，故占用檢測(cè)系統(tǒng)可估計(jì)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(lái)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(jì)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(chē)內(nèi)部裝飾後才裝上去。目前的傳感器制造商實(shí)際上只是執(zhí)行早期與汽車(chē)販商合作的陳舊解決方案。它們應(yīng)與子系統(tǒng)供應(yīng)商增加合作，為汽車(chē)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(wèn)題，另一類方法是采用數(shù)個(gè)紅外線影像傳感器，該技術(shù)以電子方式操控這個(gè)熱電堆陣據(jù)販商如Melexis所講這包含有100個(gè)元件之多，以至它能掃描車(chē)內(nèi)的個(gè)別座位位置。比如安裝在車(chē)頂及位於照明燈側(cè)旁的MLX90247傳感器陣采用一個(gè)對(duì)焦視場(chǎng)，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(cè)溫裝置，為到傳感器陣在周?chē)鷾囟确秶�的讀數(shù)執(zhí)行冷結(jié)補(bǔ)償。

有些販商供應(yīng)可見(jiàn)光影像系統(tǒng)，取代紅外線探測(cè)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(jiàn)光以及近紅外線波段。於日間，這個(gè)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(jì)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(lái)抓取及確定影像。從而在失事發(fā)生及氣袋張開(kāi)之時(shí)測(cè)定占用者的準(zhǔn)確位置及方向（即使前傾或側(cè)靠）。為減低DSP身上的處理負(fù)荷，該算法先估計(jì)整個(gè)影像的場(chǎng)面，然後限制其下一個(gè)分析只是在占用者部份的實(shí)況。

不管汽車(chē)制造商寧取可見(jiàn)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(duì)立體影像，是彩色還是黑白，以及甚至傳感器陣安放車(chē)內(nèi)不同位置從而取得不同的視角。

座椅壓力及影像檢測(cè)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(gè)部門(mén)）及Elesys設(shè)計(jì)的系統(tǒng)上，這種電場(chǎng)（e-field）檢測(cè)技術(shù)采用物體因帶電原子所建立的電場(chǎng)。電場(chǎng)檢測(cè)是一種三維影像檢測(cè)方式，使用多個(gè)電極收集信號(hào)從而“畫(huà)”出占用者的圖像。

Freescale的MC33794是許多這類電場(chǎng)設(shè)計(jì)的核心，它包含一個(gè)120kHz振蕩器，通過(guò)內(nèi)部電阻把信號(hào)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(duì)地的電容有關(guān)，該IC的9個(gè)電極上受到的電容性加載便構(gòu)成了檢測(cè)場(chǎng)。

電場(chǎng)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(chē)制造商可利用導(dǎo)電泡沫膠造成它，也成為汽車(chē)座椅的一部份。為減少傳輸線對(duì)天線的任何離散電容的檢拾（此舉會(huì)弄到所需的天線區(qū)域信號(hào)模糊），IC可主動(dòng)驅(qū)動(dòng)屏蔽線來(lái)減低加載，類似於電壓表敏感模擬輸入端上的防護(hù)輸入。

霍爾效應(yīng)與電場(chǎng)檢測(cè)處理在乘客車(chē)廂中超越只是對(duì)大塊頭占用者的探測(cè)，它們可以是無(wú)接觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)與按鈕的核心，座上客用來(lái)啟動(dòng)各種控制、窗戶及其他功能。這種方法理論上增強(qiáng)可靠性和增長(zhǎng)操作壽命。并避免由於接觸點(diǎn)侵蝕，污�@積累及機(jī)械壓力所造成的問(wèn)題。電場(chǎng)檢測(cè)法也可用來(lái)探知擋風(fēng)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(cè)占用座位乘客的選擇，到底誰(shuí)是最好的呢？答案常是一樣，“這要看情況�！泵恳环N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(chē)設(shè)計(jì)周期之初就要謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)霍爾效應(yīng)傳感器和電場(chǎng)傳感器，反之，可以在後期階段加入紅外線傳感器，然而，周?chē)鷾囟燃肮饩�影響紅外線傳感器，設(shè)計(jì)師須為這些影響作出補(bǔ)償，并且亦要視察如果傳感器沒(méi)有適當(dāng)控制時(shí)日光普照也會(huì)令到檢測(cè)模糊�？梢�(jiàn)光影像傳感器雖無(wú)日光照射問(wèn)題，但必須對(duì)全光照與陰暗環(huán)境有動(dòng)態(tài)范圍。

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

在車(chē)內(nèi)的暖氣空氣調(diào)節(jié)一直以來(lái)都是很普遍的設(shè)施，可是今日的高級(jí)乘客都希望豪華汽車(chē)的冷熱座椅帶來(lái)有更個(gè)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(fēng)機(jī)，輸送暖氣至座椅上。冷氣方面在機(jī)械上是更困難，因?yàn)槔錃庖�通過(guò)小型導(dǎo)管輸送到座椅亦是一項(xiàng)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(guò)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(cè)量座椅溫度，從而控制冷熱的調(diào)節(jié)。此外，送風(fēng)電動(dòng)機(jī)（通常是無(wú)電刷）需如霍爾效應(yīng)元件之類的傳感器來(lái)維持其旋轉(zhuǎn)及提供反饋往閉環(huán)控制電路。

然而，車(chē)輛想知道并非單單在座椅的溫度，即使車(chē)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(chē)廂內(nèi)的溫度。其中一個(gè)方法是在表板上設(shè)置一個(gè)抽氣口。然後由傳感器檢測(cè)溫度。但這種方法需表板上有一個(gè)保護(hù)孔及一個(gè)浪費(fèi)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(chē)制造商現(xiàn)在采用對(duì)焦紅外線傳感器，安裝在表板上，直接探測(cè)駕駛者與乘客的皮膚溫度。對(duì)於進(jìn)一步增強(qiáng)氣候控制系統(tǒng)。Hamamatsu出產(chǎn)的S3689廣角光電傳感器，對(duì)光波長(zhǎng)960nm有高峰響應(yīng)，能測(cè)量車(chē)廂內(nèi)由太陽(yáng)感生的熱力。

由於表板及其儀器面板都是駕駛者與車(chē)輛的界面，適當(dāng)?shù)恼彰饕碴P(guān)注點(diǎn)，闊動(dòng)態(tài)范圍可見(jiàn)光傳感器在這個(gè)場(chǎng)合有用武之地，例如是Microsemi Integrated Product出品的LX1971（高峰響應(yīng)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?chē)鸁艄�、陰間、隧道環(huán)境，以及類似的擾亂。

倘若有人偷去你的汽車(chē)或你迷失路向，這些傳感器沒(méi)一個(gè)能幫助你。汽車(chē)販商及售後警報(bào)系統(tǒng)販商正注視采用最新獲證實(shí)的技術(shù)，以補(bǔ)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(jī)系統(tǒng)）技術(shù)，為high-g氣袋失事傳感器作出初步研究、檢測(cè)任何推動(dòng)、震動(dòng)、或甚至如果汽車(chē)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(chē)導(dǎo)航系統(tǒng)雖在找尋汽車(chē)所處位置上提供強(qiáng)大的輔助。但它們確實(shí)存在限制，當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)受到阻隔，譬如在隧道內(nèi)或者在困難的信號(hào)區(qū)域（如阻擋信號(hào)或令信號(hào)反彈的市效峽谷），便進(jìn)入“黑暗”信號(hào)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(jì)，補(bǔ)充GPS讀數(shù)，這種傳感器根據(jù)於車(chē)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(wú)信號(hào)計(jì)算導(dǎo)航，這種方法雖不及GPS在長(zhǎng)距離追蹤的準(zhǔn)確性，但為到信號(hào)掉失空隙提供良好的暫時(shí)更新。