隨著人們對(duì)現(xiàn)代汽車更高效率和更低排放需求的日益增長，汽車傳感器系統(tǒng)正快速發(fā)展。比如，在汽車底盤上，防抱死剎車系統(tǒng)(ABS）輪速傳感器取代了直接壓力傳感器，能夠使用戶判斷出輪胎充氣狀態(tài)。用于安全氣囊的加速度計(jì)增加了基于陀螺儀的慣性模塊。但問題是，哪一種傳感器能滿足下一代汽車對(duì)性能和安全性的發(fā)展需求呢？

隨著人們對(duì)現(xiàn)代汽車更高效率和更低排放需求的日益增長，汽車傳感器系統(tǒng)正快速發(fā)展。比如，在汽車底盤上，防抱死剎車系統(tǒng)(ABS）輪速傳感器取代了直接壓力傳感器，能夠使用戶判斷出輪胎充氣狀態(tài)。用于安全氣囊的加速度計(jì)增加了基于陀螺儀的慣性模塊。但問題是，哪一種傳感器能滿足下一代汽車對(duì)性能和安全性的發(fā)展需求呢？

早期的傳感器應(yīng)用包括測(cè)量油和水的壓力/溫度，后來增加了曲柄和凸輪位置檢測(cè)、氣體流量/溫度/壓力和廢氣分析等應(yīng)用。減少廢氣排放意味著在汽車的使用壽命期間控制發(fā)動(dòng)機(jī)的性能是至關(guān)重要的。現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)通常根據(jù)標(biāo)稱輸出扭矩與一定范圍內(nèi)輸入變量之間的關(guān)系的查表結(jié)果來實(shí)現(xiàn)，所有這些數(shù)據(jù)都來源于對(duì)若干發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)功實(shí)驗(yàn)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的性能隨生產(chǎn)容差會(huì)發(fā)生變化，并且會(huì)在使用過程中發(fā)生磨損，用于控制發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車傳動(dòng)齒輪變化的扭矩估計(jì)通常不是最優(yōu)的。

第一代胎壓檢測(cè)系統(tǒng)(TPMS）采用ABS車輪檢測(cè)(輪胎在低氣壓下轉(zhuǎn)速較快），或者電池供電的胎壓傳感器和發(fā)射器。ABS傳感器的精度較低，檢測(cè)算法需要較長時(shí)間才能獲得穩(wěn)定結(jié)果。電池供電的傳感器具有較高的精度但是相對(duì)而言比較笨重，使用壽命有限，存在電池處理的問題。每年人們購買的新輪胎有十多億只，廢棄的電池將產(chǎn)生環(huán)保問題。

表面聲波(SAW）技術(shù)可以用作應(yīng)變傳感器，它重量輕(<2克），體積小，堅(jiān)固耐用，可循環(huán)使用，無需電池，支持無線傳輸。SAW傳感器能夠檢測(cè)出EPS操控與動(dòng)力系應(yīng)用中的扭矩和溫度，以及TPMS系統(tǒng)中的壓力和溫度。SAW尤其適合于監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)部件或者那些接觸起來很難或很危險(xiǎn)的部件。本文概述了由Honeywell公司生產(chǎn)的SAW傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與詢問方法，介紹了幾種主要的汽車應(yīng)用。

早在19世紀(jì)，人們就預(yù)測(cè)并分析了固體的表面聲波特性，但是直到20世紀(jì)后半葉這項(xiàng)技術(shù)才得以應(yīng)用到電子系統(tǒng)中。SAW設(shè)備能夠?qū)㈦?a target="_blank">信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有相同頻率的聲信號(hào)，但是由于聲信號(hào)的傳輸速度比電信號(hào)慢5個(gè)數(shù)量級(jí)，它的波長要短得多；例如，頻率為100MHz波長約為3米的電信號(hào)經(jīng)過SAW設(shè)備轉(zhuǎn)換之后的波長只有30微米。這樣我們就可以在很小的封裝尺寸內(nèi)對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行處理。由于聲信號(hào)具有較低的傳輸速度，因此可以在雷達(dá)系統(tǒng)和電視機(jī)中使用SAW器件實(shí)現(xiàn)時(shí)間延遲和濾波功能，此外SAW在手機(jī)市場(chǎng)中的應(yīng)用也逐漸顯現(xiàn)出來。Honeywell的SAW傳感器在小型壓電石英管芯上貼裝了兩個(gè)或三個(gè)單端口諧振器，本征諧振頻率為434MHz左右，采用標(biāo)準(zhǔn)的照相平版印刷技術(shù)用鋁制作而成(如圖1所示）。由于SAW濾波器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了很高的量產(chǎn)，生產(chǎn)SAW諧振器不需要新的制造工具，只需要制作一個(gè)新的掩模，因此SAW傳感器具有單位成本低、易于二次供貨的優(yōu)勢(shì)。

圖1. SAW諧振器在小型壓電石英管芯上貼裝了兩個(gè)或三個(gè)單端口諧振器，采用標(biāo)準(zhǔn)照相平版印刷技術(shù)用鋁制作而成。

SAW諧振器

SAW諧振器受射頻短脈沖的激勵(lì)。居中放置的交叉指型轉(zhuǎn)換器(IDT）通過壓電效應(yīng)將輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械波。這些機(jī)械波從IDT到反射器來回傳輸，直到某個(gè)強(qiáng)制諧振以駐波的形式存在。在該傳輸信號(hào)關(guān)斷之后，該諧振器繼續(xù)振蕩，但是振蕩頻率是被施加的機(jī)械和/或熱應(yīng)力修改之后的。衰減振蕩通過壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)，重新傳輸?shù)絊AW詢問板，并在這里對(duì)頻率進(jìn)行分析并轉(zhuǎn)換為工程參數(shù)。

電子系統(tǒng)通過執(zhí)行各種任務(wù)將SAW傳感器的狀態(tài)變化情況轉(zhuǎn)換為用于汽車控制壓力、扭矩或溫度等有用信號(hào)。它必須無線激勵(lì)SAW各個(gè)元件，讀回它們的諧振信號(hào)，判斷它們的頻率，然后利用保存的校準(zhǔn)信息計(jì)算出扭矩、壓力或溫度結(jié)果。

根據(jù)不同傳感應(yīng)用的需要，最多需要查詢5個(gè)獨(dú)立的SAW諧振器才能完成對(duì)輸出參數(shù)的一次測(cè)量。傳感器是一種窄帶器件，通常包含2個(gè)或3個(gè)標(biāo)稱頻率峰值在433.05到434.70MHz ISM波段上的諧振器。頻率峰值之間的間隔必須足夠大，以防止在測(cè)量過程中各個(gè)頻率峰值響應(yīng)外部條件發(fā)生偏移時(shí)出現(xiàn)交叉。否則，系統(tǒng)就無法跟蹤每個(gè)諧振器與其相應(yīng)頻率之間的關(guān)系，導(dǎo)致在計(jì)算最終參數(shù)時(shí)發(fā)生混亂。無論采用何種機(jī)械封裝，特定應(yīng)用中所有的諧振器都是并聯(lián)的，從而詢問系統(tǒng)看到的是一個(gè)具有多種諧振波峰的單端口諧振器等效電路。

與一個(gè)射頻ASIC相連接的DSP控制器負(fù)責(zé)管理SAW諧振器的無線詢問過程。該過程首先要發(fā)射一個(gè)窄帶射頻脈沖信號(hào)，其頻率接近其中一個(gè)SAW諧振器的諧振頻率峰值。詢問電路與無源傳感器之間的無線接口根據(jù)不同的應(yīng)用而不同。平面微帶耦合器通常在轉(zhuǎn)矩類應(yīng)用中用于保持定子和轉(zhuǎn)子之間的不間斷連接。偶極子天線已經(jīng)應(yīng)用在TPMS應(yīng)用中。這一詢問相位中的發(fā)射功率大小通常在0.2到3mW之間。在SAW諧振器受到無線激勵(lì)后，射頻ASIC從發(fā)射模式切換到接收模式，從而能夠捕捉到返回的射頻信號(hào)。ASIC的接收通路包括一個(gè)低噪聲放大器(LNA），后接一個(gè)單邊帶(SSB）混頻器，將?433 MHz的信號(hào)首先下變頻為11MHz的中頻信號(hào)，然后經(jīng)過濾波和放大，輸入到一個(gè)I-Q混頻器，然后對(duì)該信號(hào)進(jìn)一步進(jìn)行下變頻，變換為1MHz的第二中頻信號(hào)。

這樣，SAW信號(hào)就會(huì)分成獨(dú)立的正交低頻信道，表示為I+jQ。這些I和Q信號(hào)從ASIC傳送到DSP中，然后被DSP內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC）同時(shí)采樣。這一詢問過程反復(fù)執(zhí)行多次，從而可以將一個(gè)SAW單元的多個(gè)I-Q響應(yīng)信號(hào)組合成時(shí)間同步的方式，稱之為相關(guān)累積，這種方式減少了射頻ASIC中隨機(jī)誤差和相位誤差的影響，提高了信號(hào)的信噪比(SNR）。下一步是計(jì)算由采樣的I-Q數(shù)據(jù)構(gòu)成的復(fù)數(shù)信號(hào)的離散傅里葉變換(DFT），從而判斷諧振峰值的準(zhǔn)確頻率。這種方式相比僅對(duì)單通道輸入進(jìn)行DFT變換的方式更加精確。不再進(jìn)行全頻譜的快速傅立葉變換(FFT），因?yàn)閭鞲衅魇钦瓗У模谶M(jìn)行全量程測(cè)量時(shí)，采樣信號(hào)的峰值頻率將位于第二中頻信號(hào)±諧振器的最大頻率偏移翻譯內(nèi)。首先計(jì)算一組間隔較大的譜線，以此判斷頻率峰值的大概位置。然后計(jì)算一組間隔較密的譜線，最后采用內(nèi)插法計(jì)算出準(zhǔn)確的諧振頻率。

對(duì)轉(zhuǎn)換器中的每個(gè)SAW諧振器順序執(zhí)行上述詢問和判斷諧振頻率的過程，將產(chǎn)生一組頻率值，這些頻率值是計(jì)算與檢測(cè)參數(shù)成正比的微分偏移量的基礎(chǔ)。DSP使用一組基于模型的方程式對(duì)這些輸入的頻率差值進(jìn)行計(jì)算，得到最終的扭矩、溫度或壓力值，傳輸給汽車控制器或者進(jìn)行其他更高級(jí)的處理。

SAW傳感器

如圖2所示，安裝了SAW諧振器的石英管芯通常采用片狀不銹鋼封裝，直徑約為11mm，厚度約為2mm，重量<2gm。

對(duì)于胎壓檢測(cè)應(yīng)用，該管芯位于兩個(gè)突出部分，受上表面隔膜通過中心氣針的頂壓而變形。詢問和反向散射信號(hào)通過一個(gè)普通的鞭狀天線被廣播出去。

對(duì)于扭矩檢測(cè)應(yīng)用(如圖3所示），該管芯粘貼在片狀外殼的底部，整個(gè)器件再與待測(cè)扭矩的組件相連。詢問和返回信號(hào)通過非接觸式平面耦合器向外發(fā)射。

在TPMS和扭矩檢測(cè)管芯中，三個(gè)SAW諧振器產(chǎn)生兩個(gè)頻率差值，一個(gè)正比于壓力或扭矩，其他的正比于溫度。這種方法能夠檢測(cè)出帶溫度補(bǔ)償?shù)膲毫团ぞ兀部梢詥为?dú)用作溫度監(jiān)測(cè)。

對(duì)于TPMS，SAW傳感器的安裝也有多種方式，可以采用粘貼式橡膠塊安裝在輪胎上，或者安裝在氣門上(橡膠和金屬材質(zhì)），或者在低壓安全胎上固定在車輪中。用戶可以調(diào)整靈敏度，以滿足從氣壓為10巴的卡車到氣壓為2巴的賽車的需要。典型精度為全標(biāo)度的1％。

圖2. 石英管芯通常采用片狀不銹鋼封裝，直徑約為11mm，厚度約為2mm，重量<2gm。

圖3. 對(duì)于扭矩檢測(cè)，傳感器管芯粘貼在片狀管殼的底部.

對(duì)于扭矩測(cè)量(如圖4所示），傳感器與傳動(dòng)軸或圓盤相連，諧振器以±45°的典型方向角檢測(cè)剪切應(yīng)變的壓力分量。

圖4. 對(duì)于TPMS應(yīng)用，SAW傳感器可以通過多種方式安裝在輪胎上，扭矩傳感器與傳動(dòng)軸或圓盤相連，諧振器以±45°的方向角檢測(cè)剪切應(yīng)變的壓力分量.

對(duì)于50到500之間的微應(yīng)力，測(cè)量精度可以達(dá)到1％的級(jí)別。目前應(yīng)用包括EPAS轉(zhuǎn)向軸、發(fā)動(dòng)機(jī)flexplates、自動(dòng)檔輸出軸和傳動(dòng)軸。

本文小結(jié)

SAW檢測(cè)技術(shù)為汽車中的壓力、扭矩和溫度，尤其是旋轉(zhuǎn)部件的檢測(cè)提供了新的機(jī)遇。在很多情況下，我們可以從間接的參數(shù)測(cè)量(為估計(jì)某個(gè)所需的變量）切換到實(shí)時(shí)的輸出檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和閉環(huán)控制功能。