隨著人們對現代汽車更高效率和更低排放需求的日益增長，汽車傳感器系統正快速發展。比如，在汽車底盤上，防抱死剎車系統(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。用于安全氣囊的加速度計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性能和安全性的發展需求呢？

隨著人們對現代汽車更高效率和更低排放需求的日益增長，汽車傳感器系統正快速發展。比如，在汽車底盤上，防抱死剎車系統(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。用于安全氣囊的加速度計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性能和安全性的發展需求呢？

早期的傳感器應用包括測量油和水的壓力/溫度，后來增加了曲柄和凸輪位置檢測、氣體流量/溫度/壓力和廢氣分析等應用。減少廢氣排放意味著在汽車的使用壽命期間控制發動機的性能是至關重要的。現代發動機控制技術通常根據標稱輸出扭矩與一定范圍內輸入變量之間的關系的查表結果來實現，所有這些數據都來源于對若干發動機的測功實驗。由于發動機的性能隨生產容差會發生變化，并且會在使用過程中發生磨損，用于控制發動機和汽車傳動齒輪變化的扭矩估計通常不是最優的。

第一代胎壓檢測系統(TPMS）采用ABS車輪檢測(輪胎在低氣壓下轉速較快），或者電池供電的胎壓傳感器和發射器。ABS傳感器的精度較低，檢測算法需要較長時間才能獲得穩定結果。電池供電的傳感器具有較高的精度但是相對而言比較笨重，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，廢棄的電池將產生環保問題。

表面聲波(SAW）技術可以用作應變傳感器，它重量輕(<2克），體積小，堅固耐用，可循環使用，無需電池，支持無線傳輸。SAW傳感器能夠檢測出EPS操控與動力系應用中的扭矩和溫度，以及TPMS系統中的壓力和溫度。SAW尤其適合于監測旋轉部件或者那些接觸起來很難或很危險的部件。本文概述了由Honeywell公司生產的SAW傳感系統的設計與詢問方法，介紹了幾種主要的汽車應用。

早在19世紀，人們就預測并分析了固體的表面聲波特性，但是直到20世紀后半葉這項技術才得以應用到電子系統中。SAW設備能夠將電信號轉換為具有相同頻率的聲信號，但是由于聲信號的傳輸速度比電信號慢5個數量級，它的波長要短得多；例如，頻率為100MHz波長約為3米的電信號經過SAW設備轉換之后的波長只有30微米。這樣我們就可以在很小的封裝尺寸內對射頻信號進行處理。由于聲信號具有較低的傳輸速度，因此可以在雷達系統和電視機中使用SAW器件實現時間延遲和濾波功能，此外SAW在手機市場中的應用也逐漸顯現出來。Honeywell的SAW傳感器在小型壓電石英管芯上貼裝了兩個或三個單端口諧振器，本征諧振頻率為434MHz左右，采用標準的照相平版印刷技術用鋁制作而成(如圖1所示）。由于SAW濾波器已經實現了很高的量產，生產SAW諧振器不需要新的制造工具，只需要制作一個新的掩模，因此SAW傳感器具有單位成本低、易于二次供貨的優勢。

圖1. SAW諧振器在小型壓電石英管芯上貼裝了兩個或三個單端口諧振器，采用標準照相平版印刷技術用鋁制作而成。

SAW諧振器

SAW諧振器受射頻短脈沖的激勵。居中放置的交叉指型轉換器(IDT）通過壓電效應將輸入的電信號轉換為機械波。這些機械波從IDT到反射器來回傳輸，直到某個強制諧振以駐波的形式存在。在該傳輸信號關斷之后，該諧振器繼續振蕩，但是振蕩頻率是被施加的機械和/或熱應力修改之后的。衰減振蕩通過壓電效應轉換回電信號，重新傳輸到SAW詢問板，并在這里對頻率進行分析并轉換為工程參數。

電子系統通過執行各種任務將SAW傳感器的狀態變化情況轉換為用于汽車控制壓力、扭矩或溫度等有用信號。它必須無線激勵SAW各個元件，讀回它們的諧振信號，判斷它們的頻率，然后利用保存的校準信息計算出扭矩、壓力或溫度結果。

根據不同傳感應用的需要，最多需要查詢5個獨立的SAW諧振器才能完成對輸出參數的一次測量。傳感器是一種窄帶器件，通常包含2個或3個標稱頻率峰值在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，以防止在測量過程中各個頻率峰值響應外部條件發生偏移時出現交叉。否則，系統就無法跟蹤每個諧振器與其相應頻率之間的關系，導致在計算最終參數時發生混亂。無論采用何種機械封裝，特定應用中所有的諧振器都是并聯的，從而詢問系統看到的是一個具有多種諧振波峰的單端口諧振器等效電路。

與一個射頻ASIC相連接的DSP控制器負責管理SAW諧振器的無線詢問過程。該過程首先要發射一個窄帶射頻脈沖信號，其頻率接近其中一個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不同的應用而不同。平面微帶耦合器通常在轉矩類應用中用于保持定子和轉子之間的不間斷連接。偶極子天線已經應用在TPMS應用中。這一詢問相位中的發射功率大小通常在0.2到3mW之間。在SAW諧振器受到無線激勵后，射頻ASIC從發射模式切換到接收模式，從而能夠捕捉到返回的射頻信號。ASIC的接收通路包括一個低噪聲放大器(LNA），后接一個單邊帶(SSB）混頻器，將?433 MHz的信號首先下變頻為11MHz的中頻信號，然后經過濾波和放大，輸入到一個I-Q混頻器，然后對該信號進一步進行下變頻，變換為1MHz的第二中頻信號。

這樣，SAW信號就會分成獨立的正交低頻信道，表示為I+jQ。這些I和Q信號從ASIC傳送到DSP中，然后被DSP內部的模數轉換器(ADC）同時采樣。這一詢問過程反復執行多次，從而可以將一個SAW單元的多個I-Q響應信號組合成時間同步的方式，稱之為相關累積，這種方式減少了射頻ASIC中隨機誤差和相位誤差的影響，提高了信號的信噪比(SNR）。下一步是計算由采樣的I-Q數據構成的復數信號的離散傅里葉變換(DFT），從而判斷諧振峰值的準確頻率。這種方式相比僅對單通道輸入進行DFT變換的方式更加精確。不再進行全頻譜的快速傅立葉變換(FFT），因為傳感器是窄帶的，在進行全量程測量時，采樣信號的峰值頻率將位于第二中頻信號±諧振器的最大頻率偏移翻譯內。首先計算一組間隔較大的譜線，以此判斷頻率峰值的大概位置。然后計算一組間隔較密的譜線，最后采用內插法計算出準確的諧振頻率。

對轉換器中的每個SAW諧振器順序執行上述詢問和判斷諧振頻率的過程，將產生一組頻率值，這些頻率值是計算與檢測參數成正比的微分偏移量的基礎。DSP使用一組基于模型的方程式對這些輸入的頻率差值進行計算，得到最終的扭矩、溫度或壓力值，傳輸給汽車控制器或者進行其他更高級的處理。

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。

對于胎壓檢測應用，該管芯位于兩個突出部分，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通過一個普通的鞭狀天線被廣播出去。

對于扭矩檢測應用(如圖3所示），該管芯粘貼在片狀外殼的底部，整個器件再與待測扭矩的組件相連。詢問和返回信號通過非接觸式平面耦合器向外發射。

在TPMS和扭矩檢測管芯中，三個SAW諧振器產生兩個頻率差值，一個正比于壓力或扭矩，其他的正比于溫度。這種方法能夠檢測出帶溫度補償的壓力和扭矩，也可以單獨用作溫度監測。

對于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），或者在低壓安全胎上固定在車輪中。用戶可以調整靈敏度，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. 對于扭矩檢測，傳感器管芯粘貼在片狀管殼的底部.

對于扭矩測量(如圖4所示），傳感器與傳動軸或圓盤相連，諧振器以±45°的典型方向角檢測剪切應變的壓力分量。

圖4. 對于TPMS應用，SAW傳感器可以通過多種方式安裝在輪胎上，扭矩傳感器與傳動軸或圓盤相連，諧振器以±45°的方向角檢測剪切應變的壓力分量.

對于50到500之間的微應力，測量精度可以達到1％的級別。目前應用包括EPAS轉向軸、發動機flexplates、自動檔輸出軸和傳動軸。

本文小結

SAW檢測技術為汽車中的壓力、扭矩和溫度，尤其是旋轉部件的檢測提供了新的機遇。在很多情況下，我們可以從間接的參數測量(為估計某個所需的變量）切換到實時的輸出檢測，以實現監控和閉環控制功能。