感測器看似簡單,感測卻大不易?

作者 : Bill Schweber

找到一個可用於物理變量(如溫度或壓力)的基本感測器是一回事,但要安裝該感測器使其能夠實際進行準確和穩定的測量,通常是另一項更加困難的挑戰...

如果要說有哪個電子訊號鏈領域仍然頑強地堅守「類比」陣營,那就是感測器(sensor)了。沒錯,您當然可以讓感測器輸出「數位化」至極其接近感測器,但感測器本身幾乎還是類比的,而且所「感測」(sensing)的實體參數也是如此。這就是物理學的現實,除非你能深入至以某種離散量子態存在的原子和次原子粒子。

儘管如此,以最廣義而言,無疑地,當今的電子學已經能夠讓感測器擷取而來的類比輸出、放大、數位化、校正和補償以及分析變得更容易了。但是,感測器元件或裝置本身仍然是類比的,而且,想嘗試擷取資訊通常都是說時容易做時難。

要找到一個用於物理變量(如溫度或壓力)的基本感測器是一回事,但要安裝該感測器使其能夠實際進行準確和穩定的測量,通常又是另一項更加困難的挑戰。

這就是太空載具在軌道或太空旅行的失重環境中經常面對的挑戰。準確地知道剩餘的液體燃料量當然很重要,但是燃料的晃動和不良情況,包括在該設置中多個未連接配量間的「中斷」,經常使其變得非常困難。

傳統方法採用「稱重」燃料的質量或測量其壓力,其準確度並不如預期;而替代方案是在耗用燃料時透過內部觸點進行測量,但這會增加質量並帶來新的技術問題。還有一種廣泛使用的替代方法是基本「簿記」法,追蹤在某次特定燃燒中使用了多少燃料,然後用以前的值相減。當油箱裝滿時應該是相當準確的作法,但隨著燃料的使用,準確度隨之下降,而且還會有來自這些數字積聚的累積誤差。

如今,由美國太空總署(NASA)技術移轉經理Manohar Deshpande和美國國家標準技術局(NIST)主導的研究團隊開發了一種實驗系統,使用稱為電容體積斷層掃描(ECVT)的先進3D成像技術。透過這一途徑,電極發射電場並測量目標電容(見下圖)。

透過結合電極對讀數的測量值,以及先進的2D和3D演算法和分析,該測量架構可估計氣球的位置和體積。(資料來源:NIST)

原型燃料箱的內部襯有軟性電極,可用作電容器板。所測得的電容值由燃料箱中流體的質量及其位置決定;此處顯示的是第一級測試,使用填充傳熱流體(標準 HT-90)的懸浮氣球代替真實且具潛在危險的火箭燃料來完成。

「這並不是簡單的單電容器佈置;反之,燃料箱中襯著感測器電極陣列,並在多個感測器對之間測量電容。」該專案團隊的NIST機械工程師Nick Dagalakis說,「我們測量了每個可能的感測器對之傳輸差異,並且透過結合所有的測量,就可以知道哪裡有燃料,哪裡沒有燃料,並且能夠創建3D影像。」

該團隊使用「軟微影技術」製作了在燃料箱中排列的電容感測器陣列,這類似於製作PCB,不同之處在於他們在軟性塑料背襯(例如Kapton)上印出墨水圖案,然後蝕刻掉暴露且不需要的銅。電容數據矩陣用於產生一組2D影像,在整個燃料箱長度上映射流體位置,接著這些影像反過來導致燃料箱中燃料的3D再現,且其體積和質量是可以計算。

有趣的是(也許有點諷刺),這種高度複雜的方法從一組十分基本的電容參數之感測器讀數開始,然後透過多個感測器和讀數加上先進資料分析。NIST有一則新聞報導「NIST為軌道設計原型燃料計」(NIST Designs a Prototype Fuel Gauge for Orbit)提供了該專案的概述,並簡要討論了工程師如何對其進行測試。還有一篇詳細的技術論文「用於測量太空船燃料的電容式體積斷層掃描感測器的軟性組裝」(Flexible Assemblies of Electro capacitive Volume Tomographic Sensors for Gauging Fuel of Spacecraft)發表於《太空船和火箭》(Journal of Spacecraft and Rockets)期刊。

您是否曾經遇過這樣的情況:令人感興趣的基本實體參數似乎很容易感測,但從「感測器」到「感測」的轉換卻是一大挑戰? 你會用複雜的、極端的技術還是較基本的「蠻力」持續推進來解決問題?先進的解決方案是不是太複雜了?甚至比您試圖解決的問題更令人頭疼?

編譯:Susan Hong

(參考原文:When sensors are easy, but sensing is hard,by John Dunn)

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