无线SAW传感器在汽车电子中的应用
随着人们对现代汽车更高效率和更低排放需求的日益增长，汽车传感器系统正快速发展。比如，在汽车底盘上，防抱死刹车系统(ABS）轮速传感器取代了直接压力传感器，能够使用户判断出轮胎充气状态。用于安全气囊的加速度计增加了基于陀螺仪的惯性模块。但问题是，哪一种传感器能满足下一代汽车对性能和安全性的发展需求呢？
随着人们对现代汽车更高效率和更低排放需求的日益增长，汽车传感器系统正快速发展。比如，在汽车底盘上，防抱死刹车系统(ABS）轮速传感器取代了直接压力传感器，能够使用户判断出轮胎充气状态。用于安全气囊的加速度计增加了基于陀螺仪的惯性模块。但问题是，哪一种传感器能满足下一代汽车对性能和安全性的发展需求呢？
早期的传感器应用包括测量油和水的压力/温度，后来增加了曲柄和凸轮位置检测、气体流量/温度/压力和废气分析等应用。减少废气排放意味着在汽车的使用寿命期间控制发动机的性能是至关重要的。现代发动机控制技术通常根据标称输出扭矩与一定范围内输入变量之间的关系的查表结果来实现，所有这些数据都来源于对若干发动机的测功实验。由于发动机的性能随生产容差会发生变化，并且会在使用过程中发生磨损，用于控制发动机和汽车传动齿轮变化的扭矩估计通常不是最优的。
第一代胎压检测系统(TPMS）采用ABS车轮检测(轮胎在低气压下转速较快），或者电池供电的胎压传感器和发射器。ABS传感器的精度较低，检测算法需要较长时间才能获得稳定结果。电池供电的传感器具有较高的精度但是相对而言比较笨重，使用寿命有限，存在电池处理的问题。每年人们购买的新轮胎有十多亿只，废弃的电池将产生环保问题。
表面声波(SAW）技术可以用作应变传感器，它重量轻(<2克），体积小，坚固耐用，可循环使用，无需电池，支持无线传输。SAW传感器能够检测出EPS操控与动力系应用中的扭矩和温度，以及TPMS系统中的压力和温度。SAW尤其适合于监测旋转部件或者那些接触起来很难或很危险的部件。本文概述了由Honeywell公司生产的SAW传感系统的设计与询问方法，介绍了几种主要的汽车应用。
早在19世纪，人们就预测并分析了固体的表面声波特性，但是直到20世纪后半叶这项技术才得以应用到电子系统中。SAW设备能够将电信号转换为具有相同频率的声信号，但是由于声信号的传输速度比电信号慢5个数量级，它的波长要短得多；例如，频率为100MHz波长约为3米的电信号经过SAW设备转换之后的波长只有30微米。这样我们就可以在很小的封装尺寸内对射频信号进行处理。由于声信号具有较低的传输速度，因此可以在雷达系统和电视机中使用SAW器件实现时间延迟和滤波功能，此外SAW在手机市场中的应用也逐渐显现出来。Honeywell的SAW传感器在小型压电石英管芯上贴装了两个或三个单端口谐振器，本征谐振频率为434MHz左右，采用标准的照相平版印刷技术用铝制作而成(如图1所示）。由于SAW滤波器已经实现了很高的量产，生产SAW谐振器不需要新的制造工具，只需要制作一个新的掩模，因此SAW传感器具有单位成本低、易于二次供货的优势。
图1. SAW谐振器在小型压电石英管芯上贴装了两个或三个单端口谐振器，采用标准照相平版印刷技术用铝制作而成。
SAW谐振器
SAW谐振器受射频短脉冲的激励。居中放置的交叉指型转换器(IDT）通过压电效应将输入的电信号转换为机械波。这些机械波从IDT到反射器来回传输，直到某个强制谐振以驻波的形式存在。在该传输信号关断之后，该谐振器继续振荡，但是振荡频率是被施加的机械和/或热应力修改之后的。衰减振荡通过压电效应转换回电信号，重新传输到SAW询问板，并在这里对频率进行分析并转换为工程参数。
电子系统通过执行各种任务将SAW传感器的状态变化情况转换为用于汽车控制压力、扭矩或温度等有用信号。它必须无线激励SAW各个元件，读回它们的谐振信号，判断它们的频率，然后利用保存的校准信息计算出扭矩、压力或温度结果。
根据不同传感应用的需要，最多需要查询5个独立的SAW谐振器才能完成对输出参数的一次测量。传感器是一种窄带器件，通常包含2个或3个标称频率峰值在433.05到434.70MHz ISM波段上的谐振器。频率峰值之间的间隔必须足够大，以防止在测量过程中各个频率峰值响应外部条件发生偏移时出现交叉。否则，系统就无法跟踪每个谐振器与其相应频率之间的关系，导致在计算最终参数时发生混乱。无论采用何种机械封装，特定应用中所有的谐振器都是并联的，从而询问系统看到的是一个具有多种谐振波峰的单端口谐振器等效电路。
与一个射频ASIC相连接的DSP控制器负责管理SAW谐振器的无线询问过程。该过程首先要发射一个窄带射频脉冲信号，其频率接近其中一个SAW谐振器的谐振频率峰值。询问电路与无源传感器之间的无线接口根据不同的应用而不同。平面微带耦合器通常在转矩类应用中用于保持定子和转子之间的不间断连接。偶极子天线已经应用在TPMS应用中。这一询问相位中的发射功率大小通常在0.2到3mW之间。在SAW谐振器受到无线激励后，射频ASIC从发射模式切换到接收模式，从而能够捕捉到返回的射频信号。ASIC的接收通路包括一个低噪声放大器(LNA），后接一个单边带(SSB）混频器，将?433 MHz的信号首先下变频为11MHz的中频信号，然后经过滤波和放大，输入到一个I-Q混频器，然后对该信号进一步进行下变频，变换为1MHz的第二中频信号。
这样，SAW信号就会分成独立的正交低频信道，表示为I+jQ。这些I和Q信号从ASIC传送到DSP中，然后被DSP内部的模数转换器(ADC）同时采样。这一询问过程反复执行多次，从而可以将一个SAW单元的多个I-Q响应信号组合成时间同步的方式，称之为相关累积，这种方式减少了射频ASIC中随机误差和相位误差的影响，提高了信号的信噪比(SNR）。下一步是计算由采样的I-Q数据构成的复数信号的离散傅里叶变换(DFT），从而判断谐振峰值的准确频率。这种方式相比仅对单通道输入进行DFT变换的方式更加精确。不再进行全频谱的快速傅立叶变换(FFT），因为传感器是窄带的，在进行全量程测量时，采样信号的峰值频率将位于第二中频信号±谐振器的最大频率偏移翻译内。首先计算一组间隔较大的谱线，以此判断频率峰值的大概位置。然后计算一组间隔较密的谱线，最后采用内插法计算出准确的谐振频率。
对转换器中的每个SAW谐振器顺序执行上述询问和判断谐振频率的过程，将产生一组频率值，这些频率值是计算与检测参数成正比的微分偏移量的基础。DSP使用一组基于模型的方程式对这些输入的频率差值进行计算，得到最终的扭矩、温度或压力值，传输给汽车控制器或者进行其他更高级的处理。
SAW传感器
如图2所示，安装了SAW谐振器的石英管芯通常采用片状不锈钢封装，直径约为11mm，厚度约为2mm，重量<2gm。
对于胎压检测应用，该管芯位于两个突出部分，受上表面隔膜通过中心气针的顶压而变形。询问和反向散射信号通过一个普通的鞭状天线被广播出去。
对于扭矩检测应用(如图3所示），该管芯粘贴在片状外壳的底部，整个器件再与待测扭矩的组件相连。询问和返回信号通过非接触式平面耦合器向外发射。
在TPMS和扭矩检测管芯中，三个SAW谐振器产生两个频率差值，一个正比于压力或扭矩，其他的正比于温度。这种方法能够检测出带温度补偿的压力和扭矩，也可以单独用作温度监测。
对于TPMS，SAW传感器的安装也有多种方式，可以采用粘贴式橡胶块安装在轮胎上，或者安装在气门上(橡胶和金属材质），或者在低压安全胎上固定在车轮中。用户可以调整灵敏度，以满足从气压为10巴的卡车到气压为2巴的赛车的需要。典型精度为全标度的1％。
图2. 石英管芯通常采用片状不锈钢封装，直径约为11mm，厚度约为2mm，重量<2gm。
图3. 对于扭矩检测，传感器管芯粘贴在片状管壳的底部.
对于扭矩测量(如图4所示），传感器与传动轴或圆盘相连，谐振器以±45°的典型方向角检测剪切应变的压力分量。
图4. 对于TPMS应用，SAW传感器可以通过多种方式安装在轮胎上，扭矩传感器与传动轴或圆盘相连，谐振器以±45°的方向角检测剪切应变的压力分量.
对于50到500之间的微应力，测量精度可以达到1％的级别。目前应用包括EPAS转向轴、发动机flexplates、自动档输出轴和传动轴。
本文小结
SAW检测技术为汽车中的压力、扭矩和温度，尤其是旋转部件的检测提供了新的机遇。在很多情况下，我们可以从间接的参数测量(为估计某个所需的变量）切换到实时的输出检测，以实现监控和闭环控制功能。
