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传感器的应用前景汽车电子

发布时间:2019-11-29 03:24:50

传感器的应用前景 - 汽车电子 - 电子工程

传感器已大举进军汽车、医疗、工业和航天应用领域。但您也许尚未看到任何变化。在安全、便利、娱乐以及效率因素等方面日益增长的需求,加上世界各地政府的法令将会使传感器的应用得到空前膨胀。

除了预计传感器将在无线和消费品领域应用的急剧膨胀之外,您还会明白为何传感器生产商有望在2010年结束前迅速开发庞大的市场和应用领域。这些传感器中的大多数将是微机电系统(MEMS)和微系统技术(MST)类型,以及应用前景十分广阔的微传感器。

对于汽车系统,传感器生产商可很容易地发现大量的传感应用,不仅包括测量传感压力,而且包括通过传感系统测量惯性、位置、接近度、温度、流速、力量强度、张力、扭矩、震动和倾斜状况。用于测量这些参数的传感技术各不相同。通用汽车技术中心的技术人员Alex Cade认为,“汽车领域的传感需求正呈跳跃式增长。”他列举了底盘控制、车辆定位/位置、物体探测、视觉强化、汽车环境加温、通风、空调以及引擎和传动控制等传感器的增长领域。增强车辆稳定性只是他列举的众多例子中的一个。

美国国家公路运输管理局(NHTSA)最近关于侧面碰撞安全气囊的提议要求在每辆汽车上增加两至六个传感器。尽管该提议没有被强制要求使用,但美国、欧洲和日本的汽车生产商表示,出于安全考虑,他们将在2010年结束前为所有车辆安装侧面碰撞安全气囊。某些汽车供应商,如TRW和Delphi将一组加速计和压力传感器(后者反应速度较前者快)应用于侧面碰撞安全气囊。

汽车惯性传感已成为另外一个热点。实际上,Motorola和Analog Devices提议使用惯性传感元件组来管理大量的将用于车辆动态、导航、安全和电子转向应用的传感功能(插图1)。

“防抱死制动系统、电子制动力分布系统、循迹控制系统和主动偏航控制系统之间的相互作用使得汽车具有动态稳定性,”Analog Devices的高级应用工程师Harvey Weinberg如是说。Motorola的John P. Schuster补充道:“元件组方法可利用一个核心平台支持多种应用。它以航天陀螺仪为基础,且成本低,体积小,可应用于汽车。”

1 光传感技术崭露头角

一种由Optrand开发的用于测量引擎压力的新方法采用了一种多功能设备,该设备将一个基于光纤技术的压力传感器装入一个用于柴油引擎的电热塞中。压力感应电热塞由一个感应头、一根光缆和许多信号调节电子元件组成,在压力超过5巴时,其水冷式参考变频器能提供62%的精确度,在压力低于5巴时,误差低于0.2巴。该公司预计将于2007年首次采用该设备。

Honeywell计划在低成本的无键输入的无源系统中采用光传感技术,部分采用该技术的产品可嵌入汽车的门把手。该传感器将包含一个装有收发器的钥匙状光学元件。为进入车内,车主在车门把手和车身之间放置了一个钥匙状元件。

霍尔效应感应器将在众多汽车功能中找到应用场所,包括感应减速和制动踏板的位置、凸轮轴位置和转速、气压以及歧管绝对压力(MAP)。Infineon Technologies AG的应用工程师Werner Roessler认为,有源霍尔效应传感器可用于传动系控制以及凸轮和曲轴等相关应用。“与无源感应器相比,这提供了更高的精确性、更佳的启动策略并且具有探测曲轴启动点位置的能力,”他说。Melexis Inc.计划将此技术用于感应非接触式位置。

2 一个新的感应范例

电场感应利用电极和它们之间的电场来工作。Freescale Semiconductor认为,它可用来替代安全气囊和其它用途的感应器。

“该感应方法有助于使安全气囊更为智能化,由于不仅考虑了乘客的头部位置(即头部是否移动?),而且考虑了乘客的体积和重量,气囊将不会过早打开,”Freescale的应用工程师Don Laybourn说。

此类传感器可安装在边沿或其它地方带有电极的方向盘上,这样可确定方向盘是否被松开(如当一名驾驶员睡着时或被致残时),然后将发出警告信号。此方法同样也可以让车辆慢慢停下来。

车辆座位电极可在车辆行驶时确定驾驶员位置没有人的情况下对车辆进行制动。这将防止车辆进入失控状态,例如当汽车停靠在斜坡上时。车窗雨水和积霜感应则是另外一种应用。

传感器的另外一个巨大市场是无线电行业。目前,传感器市场容量为400亿美元-无线传感器占据了5亿美元-MEMS技术的先驱Janusz Bryzek说道,Janusz Bryzek经营着一家风险投资公司BN Ventures的合伙企业。2010年末,其市场容量应超过100亿美元。

Bryzek提示说,这些无线传感器中只有少部分需要靠电池来工作。然而,针对目前的无线标准,对于需要2到3.6伏电池工作的无线传感器的需求正在不断增长。另一方面,功耗必须降到最低,这对于无线传感系统来说也绝非易事。在政府法令的驱策之下,汽车轮胎压力监控系统(TPMS)已成为无线传感器最热门的应用领域之一。当前的轮胎压力监控系统为间接式,成本较低。但较为昂贵的直接式轮胎压力监控方法,即在每个轮胎上安装一个传感器和收发器,受到了许多传感器和汽车子系统OEM的青睐。当然,这些系统需要依靠电池来工作。目前已开发出无需电池的直接系统,但它们技术上尚不成熟,亟待实际验证。

Melexis的TPMS产品经理Dirk Leman认为,直接方法将有可能在未来几年内逐步盛行。他提示说,“依赖电池的技术还会持续数年,无源技术已足够成熟,在不久的将来便会应用到此领域。然而,对于采用无源技术的1级供应商来说,当选择某个单一技术时,其发展路线,商业模式以及对现有能力的充分利用至少与单个产品的成本同等重要。”他提醒道,从长远来看,与直接TPMS相比,智能化间接技术可能会为MEMS传感器带来更大的增长潜力。这是因为它们除了提供压力监控之外,还可提高安全性和舒适性。

医疗领域的应用更是不胜枚举。无线传感器的潜在应用也延伸到了医疗领域,在医疗领域中,易损电子器件将对远程病人的生物监控和生化检测带来巨大的影响。例如,无线应变计传感器可用于测量人类活体内膝关节置换手术时的关节负荷。Microstrain Inc.总裁Steven Arms认为,“这可以通过我们与Scripps Institute和Johnson Johnson的合作来实现。”

在另外一个开发项目中,Microstrain和位于Madison的Wisconsin大学兽医系测量了羊羔活体内的骨板生长状况。该公司同样与Arizona大学整型外科系合作进行了人类活体内脊椎骨拉伤应用,另外还与Case Western大学的生物工程系合作利用基于应变计的控制系统成功拯救了瘫痪的人体四肢。

在这项手术中仍然采用了普通的磁铁,结合新的感应方法,将人体内折断的大块骨骼更为精确与安全地连接起来。目前的方法依靠X射线和外科医生的技能,但成本较高,缺乏安全和精确性,且手术时间较长。所以在与Virginia Tech、Virginia大学、Carilion生物医学院和Carilion Health Systems 的合作中,Triad Semiconductor开发出骨髓钉(IMN),该骨髓钉能帮助整型外科医生安全、迅速且精确地将折断的骨骼连接起来。该集团的原形磁铁定位器系统采用了一个位于IMN内的定位磁棒和一个LED显示器(插图2)。

各种不同的传感器将在许多工业应用中找到用武之地,可用于监控旋转机与马达的状况,以及跟踪国家的基础设施状况。Radatec报道了一种微波接近度/置换传感器,该传感器可在极其恶劣的环境,如高速旋转和极高的温度状态下对机器进行监控。

上述Microstrain医用传感器也被应用于监控桥梁、隧道、公路天桥、建筑和其它民用建筑设施的结构完整性。它们的嵌入感应式,以应变计为基础的无线传输模块带有低功耗且依靠电池工作的感应节点,数据采集速率高,符合有关部门的要求。无源应变计传感器的可扩充阵列可进行远程通讯。开关式电抗方法的应用省掉了许多部件,如射频振荡器,石英和馈通天线。

3 纳米技术的应用

毫无疑问,纳米技术将在传感领域发挥重要作用。在上个月举办的密歇根州底特律传感器博览会(Sensors Expo)上,Michigan州立大学副主任Dean Aslam展示了“多壁纳米碳管”(CNT),该产品目前已发展成为应用于传感化学的微气体色谱仪的预浓缩器的一部分。CNT的壁层厚度为5至30微米,长度达到500微米,可提供极大的表面面积,相比其它已知材料而言,它具有低能耗特点和出众的吸附/解吸能力。该工作得到了美国国家自然科学基金会(NSF)“工程研究中心计划”(Engineering Research Centers Program)的支持,并且是Michigan州立大学“无线集成微系统”(Wireless Integrated Microsystems,WIMS)中心所开展的研究项目的一部分。

无论出现什么样的纳米设备,纳米技术本身需要更多的研究,在应用之前还需要充分掌握。东北大学首席纳米技术研究员和传感器博览会上的主讲贵宾Ahmed Busnaina教授这样认为。他说,传感器行业需要开发纳米板作为纳米制造工具来生产纳米设备和传感器,这是纳米技术能够得以繁荣的最低要求。

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