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传感器看似简单,但安装、测量、感知却大不易?

2021-06-17 14:30:25 Bill Schweber 阅读:
找到一个可用于物理变量(如温度或压力)的基本传感器是一回事,但要安装该感测器使其能够实际进行准确和稳定的测量,通常是另一项更加困难的挑战. ..

如果要说有哪个电子讯号链领域仍然顽强地坚守“模拟”阵营,那就是传感器(sensor)了。没错,您当然可以让传感器输出“数字化”至极其接近传感器,但传感器本身几乎还是模拟的,而且所“感测”(sensing)的实体参数也是如此。这就是物理学的现实,除非你深入至以某种离散量子态存在的原子和次原子粒子。vxfednc

尽管如此,以最广义而言,无疑地,当今的电子产品已经使得撷取来自传感器的模拟输出、放大、数字化、校正和补偿以及分析变得更容易了。但是,传感器组件或装置本身仍然是模拟的,而且,想尝试撷取资讯通常都是说时容易做时难。vxfednc

要找到一个用于物理变量(如温度或压力)的基本传感器是一回事,但要安装该传感器使其能够实际进行准确和稳定的测量,通常又是另一项更加困难的挑战。vxfednc

这就是太空载具在轨道或太空旅行的失重环境中经常面对的挑战。准确地知道剩余的液体燃料量当然很重要,但是燃料的晃动和不良情况,包括在该设置中多个未连接配量间的“中断”,使其变得非常困难。vxfednc

传统方法采用“称重”燃料的质量或测量其压力,其准确度并不如预期;而替代方案是当燃料耗用时透过内部触点进行测量,但这会增加质量并带来新的技术问题。还有一种广泛使用的替代方法是基本“簿记”法,追踪在某次特定燃烧中使用了多少燃料,然后用以前的值相减。当油箱装满时应该是相当准确的作法,但随着燃料的使用,准确度随之下降,而且还会有来自这些数字积聚的累积误差。vxfednc

如今,由美国太空总署(NASA)技术移转经理Manohar Deshpande和美国国家标准技术局(NIST)主导的研究人员开发了一种实验系统,使用称为电容体积断层扫描(ECVT)的先进3D成像技术。透过这一途径,电极发射电场并测量目标电容(见下图)。vxfednc

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透过结合电极对读数的测量值,以及先进的2D3D算法和分析,该仪表可估计气球的位置和体积。(资料来源:NISTvxfednc

原型燃料箱的内部衬有软性电极,可用作电容器板。所测得的电容值由燃料箱中流体的质量及其位置决定;此处显示的是第一级测试,使用填充传热流体(标准HT-90)的悬浮气球代替真实且具潜在危险的火箭燃料来完成。vxfednc

“这并不是简单的单电容器布置;反之,燃料箱中衬着传感器电极阵列,并在多个传感器对之间测量电容。”该专案团队的NIST机械工程师Nick Dagalakis说,“我们测量了每个可能的传感器对之传输差异,并且透过结合所有的测量,就可以知道哪里有燃料,哪里没有燃料,并创建3D影像。”vxfednc

该团队使用“软微影技术”制作了在燃料箱中排列的电容传感器阵列,这类似于制作PCB,不同之处在于他们在软性塑料背衬(例如Kapton)上印出墨水图案,然后蚀刻掉暴露且不需要的铜。电容数据矩阵用于产生一组2D影像,在整个燃料箱长度上映像流体位置,接着这些影像反过来导致燃料箱中燃料的3D再现,且其体积和质量是可以计算。vxfednc

有趣的是(也许有点讽刺),这种高度复杂的方法从一组十分基本的电容参数之传感器读数开始,然后透过多个传感器和读数加上先进资料分析。NIST有一则新闻报导“NIST为轨道设计原型燃料计”(NIST Designs a Prototype Fuel Gauge for Orbit)提供了该专案的概述,并简要讨论了工程师如何对其进行测试。还有一篇详细的技术论文“用于测量宇宙飞船燃料的电容式体积断层扫描传感器的软性组装”(Flexible Assemblies of Electro capacitive Volume Tomographic Sensors for Gauging Fuel of Spacecraft)发表于《宇宙飞船和火箭》 (Journal of Spacecraft and Rockets)期刊。vxfednc

您是否曾经遇过这样的情况:令人感兴趣的基本实体参数似乎很容易感测,但从“传感器”到“感知”的转换却是一大挑战?你会用复杂的、极端的技术还是较基本的“蛮力”持续推进来解决问题?先进的解决方案是不是太复杂了?甚至比您试图解决的问题更令人头疼?vxfednc

(原文发表于ASPENCORE旗下EDN姐妹媒体Planet Analog,参考链接:When sensors are easy, but sensing is hard,by John Dunn编译:Susan Hong)vxfednc

责编:Demivxfednc

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本文为电子技术设计原创文章,未经授权禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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