Monitoring switch-type sensors and powering autonomous sensors via inductive coupling: application to removable seats in vehicles

Aquesta tesi explora la possibilitat de fer servir enllaços inductius per a una aplicació de l’automòbil on el cablejat entre la centraleta (ECU) i els sensors o detectors és difícil o impossible. S’han proposat dos mètodes: 1) el monitoratge de sensors commutats (dos possibles estats) via acoblament inductiu i 2) la transmissió mitjançant el mateix principi físic de la potència necessària per alimentar els sensors autònoms remots. La detecció d'ocupació i del cinturó de seguretat per a seients desmuntables pot ser implementada amb sistemes sense fils passius basats en circuits ressonants de tipus LC on l'estat dels sensors determina el valor del condensador i, per tant, la freqüència de ressonància. Els canvis en la freqüència són detectats per una bobina situada en el terra del vehicle. S’ha conseguit provar el sistema en un marge entre 0.5 cm i 3 cm. Els experiments s’han dut a terme fent servir un analitzador d’impedàncies connectat a una bobina primària i sensors comercials connectats a un circuit remot. La segona proposta consisteix en transmetre remotament la potència des d’una bobina situada en el terra del vehicle cap a un dispositiu autònom situat en el seient. Aquest dispositiu monitorarà l'estat dels detectors (d'ocupació i de cinturó) i transmetrà les dades mitjançant un transceptor comercial de radiofreqüència o pel mateix enllaç inductiu. S’han avaluat les bobines necessàries per a una freqüència de treball inferior a 150 kHz i s’ha estudiat quin és el regulador de tensió més apropiat per tal d’aconseguir una eficiència global màxima. Quatre tipus de reguladors de tensió s’han analitzat i comparat des del punt de vista de l’eficiència de potència. Els reguladors de tensió de tipus lineal shunt proporcionen una eficiència de potència millor que les altres alternatives, els lineals sèrie i els commutats buck o boost. Les eficiències aconseguides han estat al voltant del 40%, 25% i 10% per les bobines a distàncies 1cm, 1.5cm, i 2cm. Les proves experimentals han mostrat que els sensors autònoms han estat correctament alimentats fins a distàncies de 2.5cm.

This thesis explores the feasibility of using inductive links for a vehicle application where wiring an electronic control unit (ECU) to the sensors or detectors become unfeasible or unpractical. The selected application is occupancy and belt detection in removable vehicle seats. Two ways of using inductive links are considered: 1) passive detection of the state of the seat detectors from a readout unit and 2) remote power transmission to a detection unit and subseqüent data transmission by a wireless transceiver. Inductive links have been widely proposed. Usually, the sensor forms part of an LC resonant network. The resonant frequency is dependent on the quantity to be measured and is estimated from a coupled reader. We propose the use of inductive links for switch-type sensors. Commercial ferrite-core coils were used to increase the detection distance. Experimental tests were carried out using an impedance analyzer connected to the readout coil and commercial seat detectors connected to the resonant network. The detection of the sensors’ state was feasible at all tested distances, from 0.5 cm up to 3 cm. The second proposed alternative consists on remote powering, via an inductive link. Resonant coupled coils were used in order to increase the powering distance range and the power efficiency. Commercial small-size magnetic-core coils were selected. At the receiving network, a rectifier and a voltage regulator were required to provide a DC voltage supply to the autonomous sensor. Four type of voltage regulators were compared from the point of view of the system power efficiency. Results showed that shunt regulators provide the best power efficiency over the other alternatives, which are linear series and switching buck and boost regulators. Achieved power efficiencies were around 40%, 25% and 10% for coil distances of 1 cm, 1.5 cm and 2 cm respectively. Experimental tests also showed that the autonomous sensor was properly powered up to coil distances of 2.5 cm.