設(shè)計中傳感器與傳感的挑戰(zhàn)

很大一部分模擬電路和接口專門用于傳感器及其前端電子設(shè)備。由于這兩個領(lǐng)域的進步，現(xiàn)在可以為許多物理參數(shù)（例如距離、運動、質(zhì)量、壓力、溫度……）提供價格合理、高精度的傳感器及其子系統(tǒng)……不勝枚舉。

盡管如此，在許多情況下仍存在兩難境地，因為傳感挑戰(zhàn)不在于傳感器及其接口，而在于就地傳感情況。例如，在房間內(nèi)感知溫度等常見事物可以與在噴氣式飛機的排氣口處進行比較。有幾十種完全不同的溫度傳感技術(shù)，包括（但不限于）使用固態(tài)傳感器、熱電偶、紅外傳感器，甚至熱膨脹測量以及每種技術(shù)的無數(shù)實際實現(xiàn)。

我最近遇到了一個相關(guān)且及時的示例，它清楚地展示了傳感器與傳感的挑戰(zhàn)，并證明傳感問題不僅僅適用于深奧的情況?？紤]在有兩個或更多乘員的汽車客艙中測量空氣流量的重要主題。尤其是現(xiàn)在，出于眾所周知的原因，您希望在人們靠近時確保良好的空氣流通。

顯而易見的問題是：你應(yīng)該打開一個窗口還是幾個窗口，打開多少？“打開所有窗戶”這個可能直觀的答案可能是錯誤的，即使它是最好的技術(shù)解決方案，它也可能不切實際或不受歡迎。

如果您想將其限制為僅兩個窗口，例如，您打開哪些窗口？它是乘客或乘客就座位置的函數(shù)嗎？應(yīng)該是兩個前窗嗎？也許使用駕駛員車窗和右后車窗（與駕駛員車窗斜對面），或者只使用乘客車窗和左后車窗？汽車的通風(fēng)口設(shè)置在不同的位置有什么影響？不使用風(fēng)扇模式甚至不使用空調(diào)的好處如何？

所有好的問題，在汽車模型中的風(fēng)洞和一些代表駕駛員和乘客的被動“假人”的測試臺上應(yīng)該很容易回答。然而，事實證明，由于各種原因，這并不是一個容易的情況。是的，有許多可用的氣流傳感器儀器，例如 Center Technology 的 Center 332 熱線風(fēng)速計（圖 1）。這款手持式裝置帶有可擴展的獨立探頭，可測量 0 至 25 米/秒（相當(dāng)于 0 至 5000 英尺/分鐘）的空氣速度和 0 至 10 6立方米/分鐘（約 8.5 × 10 8立方英尺）的空氣流量（體積） /分鐘），讀數(shù)精度為 ±3%。

但僅擁有一個好的傳感器或儀器只是解決方案的一部分。這一點在兩篇相關(guān)文章中已經(jīng)闡明——一篇在 AAAS Science Advances中的標(biāo)題為“乘用車內(nèi)的氣流和對空氣傳播疾病傳播的影響”，另一篇在《今日物理學(xué)》中的標(biāo)題為“我們在汽車中呼吸的空氣”——它們討論了與評估汽車氣流相關(guān)的挑戰(zhàn)。作者得出的結(jié)論是，考慮到布置的許多變量，以及測量氣流的方式和位置，這個問題并不像建模和仿真那樣適用于現(xiàn)實世界的物理儀器。

我對這種方法沒有意見，因為現(xiàn)代模擬工具可能非常好。然而，幾乎所有此類模擬都存在一個潛在問題：它們嚴(yán)重依賴于基礎(chǔ)模型的保真度。在這種情況下，我不知道您需要對這個項目的汽車表面和內(nèi)部幾何形狀進行多精確的建模?？团摮叽绲奈⑿∽兓吘?，每輛車都有一點不同——會對結(jié)果產(chǎn)生很大的影響嗎？您能否對模型簡化對模擬結(jié)果的影響進行有意義的敏感性分析，如圖 2所示？

汽車中的氣流模式很復(fù)雜，取決于許多因素，包括客艙大小、幾何形狀、車速、占用率以及打開窗戶的數(shù)量和位置。

幸運的是，并非所有研究人員都只致力于模型和模擬結(jié)果?！侗┞犊茖W(xué)與實驗流行病學(xué)雜志》對汽車每小時換氣量 （ACH） 進行了一項具有啟發(fā)性的研究，題為“機動車輛的換氣率和來自二手煙的車內(nèi)污染物濃度”。在這里，作者使用四種不同的真實汽車在各種條件下進行了測試。這些研究人員在努力中非常認(rèn)真：他們遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了基本的氣流傳感器，并增加了一個儀器級監(jiān)測器來測量一氧化碳 （CO） 濃度，以及一個光學(xué)散射監(jiān)測器來測量可吸入顆粒物濃度。

如果模擬與現(xiàn)實世界之間存在合理的一致性，那么最好的方法是建立一個好的模型然后進行模擬，這是有道理的；在汽車建模與測量氣流的情況下，即使有 10% 的差異，我也會非常滿意。這與我看到電路仿真時的情況相同：很高興看到具有如此明顯的精度和大量數(shù)據(jù)的性能，但如果接近最終配置的實際原型也經(jīng)過測試并出現(xiàn)，我總是對這些觀點更有信心到模擬結(jié)果的大約 5% 或 10% 以內(nèi)。

不要被愚弄：有時，感知現(xiàn)實世界參數(shù)的問題不是由于應(yīng)用場景，而是傳感器。仔細(xì)考慮您需要什么樣的傳感器布置、多少傳感器、它們的位置、它們對測試本身的影響以及其他相關(guān)因素。在許多情況下，如果您有可靠的初始數(shù)字，一個好的 3D 模擬可能是更好的選擇，但前提是您可以開發(fā)一個可行的模型——這是一個很大的“如果”。

您是否遇到過這樣的情況：選擇和連接傳感器很容易，但這種情況卻讓傳感器的使用出現(xiàn)問題？