汽車(chē)設備中各種種樣的傳感器

今日的汽車(chē)滿(mǎn)布著(zhù)各種形式的傳感器，為效能與安全提供重要的數據。起初，傳感器先連接在信號路線(xiàn)上，監視引擎及傳動(dòng)系參數，例如氧氣、流體、溫度、電壓、電流，可是其用處不久擴大至來(lái)自各種不同的活動(dòng)機構及電動(dòng)機的反饋回路，包括防抱死制動(dòng)系統（antilock-brake）及電動(dòng)窗系統。當然，它們對檢測失事的氣袋展開(kāi)系統更是不可能少的。 
    

傳感器的應用并非單單限制於重要的自動(dòng)操作及安全因數，或者向車(chē)上診斷（OBD）系統報告。由於OEM對傳感器的信心隨著(zhù)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(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估。

傳感器常遭受其簡(jiǎn)單目標、物理變數及現實(shí)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，比如溫度、壓力、照明、流動(dòng)、速度等。但是當詳細觀(guān)察形勢上的限制時(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(guān)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(chē)氣袋在復雜性來(lái)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，現在汽車(chē)有側碰氣袋、氣袋幕、多重氣袋等復雜安排，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(zhù)這緣故，汽車(chē)制造想氣袋張開(kāi)系統知道一些明顯資料，包括乘客人數，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（負重）測量、攝像（可見(jiàn)光及紅外線(xiàn)）及甚至電場(chǎng)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(wú)引腳（QFN）封裝內，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（比如霍爾效應或　應力傳感器）是不足以應付的，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。故此，廠(chǎng)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(gè)傳感器輸出，故占用檢測系統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。該系統也結合其他數據讀數，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。

工程師須設計及將這些傳感器裝設於座椅結構上，它絕不能是附件，在完成汽車(chē)內部裝飾後才裝上去。目前的傳感器制造商實(shí)際上只是執行早期與汽車(chē)販商合作的陳舊解決方案。它們應與子系統供應商增加合作，為汽車(chē)廠(chǎng)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(lèi)方法是采用數個(gè)紅外線(xiàn)影像傳感器，該技術(shù)以電子方式操控這個(gè)熱電堆陣據販商如Melexis所講這包含有100個(gè)元件之多，以至它能掃描車(chē)內的個(gè)別座位位置。比如安裝在車(chē)頂及位於照明燈側旁的MLX90247傳感器陣采用一個(gè)對焦視場(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(lèi)的測溫裝置，為到傳感器陣在周?chē)鷾囟确秶�的讀數執行冷結補償。

有些販商供應可見(jiàn)光影像系統，取代紅外線(xiàn)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(jiàn)光以及近紅外線(xiàn)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(xiàn)發(fā)射LED提供照明。設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(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)測定占用者的準確位置及方向（即使前傾或側靠）。為減低DSP身上的處理負荷，該算法先估計整個(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(xiàn)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(chē)內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(gè)部門(mén)）及Elesys設計的系統上，這種電場(chǎng)（e-field）檢測技術(shù)采用物體因帶電原子所建立的電場(chǎng)。電場(chǎng)檢測是一種三維影像檢測方式，使用多個(gè)電極收集信號從而“畫(huà)”出占用者的圖像。

Freescale的MC33794是許多這類(lèi)電場(chǎng)設計的核心，它包含一個(gè)120kHz振蕩器，通過(guò)內部電阻把信號發(fā)送往傳感器電極；內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(gè)電極上受到的電容性加載便構成了檢測場(chǎng)。

電場(chǎng)技術(shù)的關(guān)鍵在於天線(xiàn)。典型天線(xiàn)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(xiàn)對天線(xiàn)的任何離散電容的檢拾（此舉會(huì )弄到所需的天線(xiàn)區域信號模糊），IC可主動(dòng)驅動(dòng)屏蔽線(xiàn)來(lái)減低加載，類(lèi)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(chǎng)檢測處理在乘客車(chē)廂中超越只是對大塊頭占用者的探測，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(hù)及其他功能。這種方法理論上增強可靠性和增長(cháng)操作壽命。并避免由於接觸點(diǎn)侵蝕，污�@積累及機械壓力所造成的問(wèn)題。電場(chǎng)檢測法也可用來(lái)探知擋風(fēng)玻璃上的水或霧氣。

圖2. 像這類(lèi)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(lèi)似電路。

既有這麼多的檢測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)設計周期之初就要謹慎設計霍爾效應傳感器和電場(chǎng)傳感器，反之，可以在後期階段加入紅外線(xiàn)傳感器，然而，周?chē)鷾囟燃肮饩�(xiàn)影響紅外線(xiàn)傳感器，設計師須為這些影響作出補償，并且亦要視察如果傳感器沒(méi)有適當控制時(shí)日光普照也會(huì )令到檢測模糊�？梢�(jiàn)光影像傳感器雖無(wú)日光照射問(wèn)題，但必須對全光照與陰暗環(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(mǎn)布小型電動(dòng)機，作為窗戶(hù)及座椅位置調校功能，電動(dòng)機通常是無(wú)電刷類(lèi)型，兼有霍爾效應元件作為反饋。連接所有這些功能至汽車(chē)的神經(jīng)系統亦是另一項的挑戰。

在車(chē)內的暖氣空氣調節一直以來(lái)都是很普遍的設施，可是今日的高級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。有數種方法可提供這些舒適座椅。在座椅內里或側旁裝設電氣線(xiàn)圈。從而產(chǎn)生熱力，又或者安裝小型吹風(fēng)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(guò)小型導管輸送到座椅亦是一項挑戰。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；測量座椅溫度，從而控制冷熱的調節。此外，送風(fēng)電動(dòng)機（通常是無(wú)電刷）需如霍爾效應元件之類(lèi)的傳感器來(lái)維持其旋轉及提供反饋往閉環(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)輛缺少座椅冷暖設施，閉環(huán)氣候控制亦需要知道乘客或車(chē)廂內的溫度。其中一個(gè)方法是在表板上設置一個(gè)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(gè)保護孔及一個(gè)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(lèi)的，有些汽車(chē)制造商現在采用對焦紅外線(xiàn)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(jìn)一步增強氣候控制系統。Hamamatsu出產(chǎn)的S3689廣角光電傳感器，對光波長(cháng)960nm有高峰響應，能測量車(chē)廂內由太陽(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，適當的照明也關(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(hù)設定的光度上，不管周?chē)鸁艄�、陰間、隧道環(huán)境，以及類(lèi)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)販商及售後警報系統販商正注視采用最新獲證實(shí)的技術(shù)，以補充現有不足的技術(shù)，譬如 Analog Devices出品的 ±1.2g ADXL213靈敏加速表采用MEMS（微電機系統）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(dòng)、震動(dòng)、或甚至如果汽車(chē)被吊起、被拖或被闖入的話(huà)可能出現的慢慢傾側。

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