检测现实世界参数面临的不只是传感器问题

检测现实世界参数时经常面临两难处境，有时候挑战来自于传感器，而非应用场景；有时候问题并不在于传感器及其接口，而是现场经历的不同检测状况…

模拟电路和接口中有很大一部分专门用于传感器及其前端电子产品。由于这两个领域的不断进步，现在人们可以为许多实体参数(如距离、动作、质量、压力、温度等)提供价格合理且高精度的传感器及其子系统。

尽管如此，许多情况下仍存在两难处境，因为检测挑战并不在于传感器及其接口，而是现场经历的不同检测状况。例如，在房间内部检测一般温度，以及在喷射机的排气口检测温度，并对两种情况进行比较。目前约有几十种完全不同的温度检测技术，包括(但不限于)使用固态传感器、热电偶、红外线(IR)传感器，甚至热膨胀测量等，每一种技术都有不计其数的实际实现状况。 我最近就遇到一个相关实例，清楚地展现传感器与检测的挑战，并证实检测问题并不仅仅存在于复杂深奥的状况。试想在具有两个或更多乘客的汽车座舱中测量空气流量这个重要主题。尤其是近来，由于众所周知的疫情之故，您肯定希望在人们靠近时能够确保空气有效流通。

显而易见的问题是：应该打开一扇车窗还是几扇窗户？要开多大？“打开所有车窗”这个看似简单直觉的答案也许并不正确，即使它是最佳技术解决方案，也可能不切实际或不被乘客接受。 例如，如果您希望限制其仅开两扇车窗，那么要选择哪两扇窗？这算是乘客或就座位置的所具有的功能吗？应该是打开两扇前窗吗？也许打开的是驾驶侧的车窗和右后车窗(与驾驶员车窗呈对角的那扇窗)，或者只是乘客侧车窗和左后车窗？将汽车的通风口设置在不同的位置有什么影响？或者，如果不使用风扇模式甚至不使用空调有什么好处？ 这些都是很好的问题，如果在测试平台上设置汽车模型、风洞以及代表驾驶员和乘客的“假人”，应该会很容易回答这些问题。然而事实证明，出于种种原因，这并不是一个容易用仪器解决的情形。

  没错，目前有许多可用的气流传感器仪器。例如Center Technology的Center 332热线风速计(Hot-Wire Anemometer；图1)。这款手持式设备带有可扩展的独立探针，可测量0至25m/s(相当于0至5000ft/min)的气流速度和0至106m3/min(约8.5×108ft3/min)的气流量(体积)，读数精度为±3%。

图1：来自Center Technology的Center 332热线风速计能测量较宽范围的风速和风量；该扩展型传感器尽可能地降低了对待测气流的干扰。（图片来源：Center Technology）

然而，光是拥有一个理想的传感器或仪器，也就只是解决方案的一部分。在两篇相关文章中对此有明确的解说——一篇发表在《科学进展》(AAAS Science Advances)期刊，标题为“Airflows inside passenger cars and implications for airborne disease transmission”（乘用车内的气流及其对空气传播疾病的影响），另一篇发表在《今日物理学》(Physics Today)中，标题为“The air we breathe in a car”（我们在汽车中呼吸的空气）；这两篇文章都讨论到与评估汽车中气流相关的挑战。作者得出的结论是，考虑到实际情形中的许多变数，以及测量气流的方式和位置，这并不是适于以现实世界中实体仪器解决的问题，而只适合采用建模和仿真。 我对这个结论没有意见，因为现代仿真工具可能非常先进。

然而，几乎所有此类仿真都存在一个潜在问题：它们严重依赖于基础模型的保真度。在这种情况下，我不知道需要对汽车的表面和内部几何形状进行多准确的建模。汽车座舱尺寸的微小变化——毕竟，每辆车都有一点不同——会对结果产生很大的影响吗？针对模型简化对仿真结果的影响，您能否进行更具有意义的灵敏度分析，如图2所示？

图2：汽车内部的气流模式非常复杂，而且取决于多种因素，包括座舱大小、几何形状、车速、乘坐人数以及车窗开启的数量和位置。（图片来源：Physics Today）

所幸并非所有的研究人员都只致力于模型和仿真结果。一篇发表在《暴露科学和环境流行病学杂志》(The Journal of Exposure Science & Environmental Epidemiology)中题为“Air change rates of motor vehicles and in-vehicle pollutant concentrations from secondhand smoke”（机动车换气率和来自二手烟的车内污染物浓度）一文，针对汽车每小时换气率(ACH)进行了具有启发性的研究。

作者使用四种不同的实车在各种条件下进行了测试。这些研究人员在工作中非常认真：不仅使用基本的气流传感器，还增加了一台仪表级监测仪来测量一氧化碳(CO)浓度，以及一个光学散射监测仪来测量可吸入颗粒物的浓度。 如果仿真与现实世界之间存在合理的一致性，那么最好的方法是建立一个好的模型后进行仿真，这样才更有意义；不管是汽车建模还是测量得到的气流值，即使有10%的偏差也能让人十分满意。就像我看到电路仿真时一样：看到采用如此明确的精度和大量数据来表征性能，令人感到非常高兴，但如果接近最终配置的实际原型之测试结果落在仿真结果的5%或10%范围内，那么还会让人对这些观点更有信心。

千万不要被“唬弄”了：有时候，检测现实世界参数所呈现出来的问题并非源于应用场景，而是传感器。仔细考虑您需要什么样的传感器配置、多少传感器、它们的位置、对测试本身的影响以及其他相关因素等等。在许多情况下，如果拥有可靠的原始数据，采用理想的3D仿真可能是更好的选择，但前提是有助于开发出一个可行的模型——这个前提很重要。 您是否遇到过这样的情形：选择和连接3D传感器很容易，但随后的实际情况却让检测应用出现问题？  

作者：Bill Schweber， 来源：EDN台湾版

编辑：黄飞