汽車傳感器原理與應(yīng)用 課件 第6、7章 車身控制及導(dǎo)航系統(tǒng)傳感器、新型傳感器及其在汽車上的應(yīng)用

車身控制及導(dǎo)航系統(tǒng)傳感器第6章6.1概述車身控制與導(dǎo)航系統(tǒng)傳感器主要應(yīng)用于汽車車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)、安全氣囊系統(tǒng)、車載導(dǎo)航控制系統(tǒng)、倒車影像系統(tǒng)以及智能車輛環(huán)境感知系統(tǒng)。汽車車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ElectronicStabilityProgram，ESP）是一種先進(jìn)的主動智能安全系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用的傳感器主要有轉(zhuǎn)向傳感器、車輪傳感器、側(cè)滑傳感器、橫向加速度傳感器、轉(zhuǎn)向盤制動踏板傳感器等，這些傳感器負(fù)責(zé)采集車身狀態(tài)的數(shù)據(jù)。安全氣囊系統(tǒng)（SupplementalRestraintSystem，SRS）是汽車上的被動安全保護(hù)裝置。車載導(dǎo)航控制系統(tǒng)傳感器主要包括GPS，車速傳感器，羅盤傳感器，陀螺儀，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器等。倒車影像系統(tǒng)是汽車泊車或倒車時的安全輔助裝置，主要由一個安裝在后方的廣角攝像機(jī)、一個負(fù)責(zé)信號處理與傳輸?shù)目刂茊卧鸵粋€負(fù)責(zé)顯示的顯示器構(gòu)成。6.2碰撞傳感器碰撞傳感器是安全氣囊系統(tǒng)（SRS）中的控制信號輸入裝置，其作用是在汽車發(fā)生碰撞時，由碰撞傳感器檢測汽車碰撞的強(qiáng)度信號，并將信號輸入安全氣囊電腦，安全氣囊電腦根據(jù)碰撞傳感器的信號來判定是否引爆充氣元件使氣囊充氣。1）機(jī)械式：利用機(jī)械運(yùn)動來控制電氣觸點(diǎn)動作，再由觸點(diǎn)閉合和斷開來控制氣囊電路的接通和切斷，其結(jié)構(gòu)包括滾球式、滾軸式和偏心錘式。2）電阻應(yīng)變式：利用碰撞時應(yīng)變電阻的變形使其電阻值發(fā)生變化來控制安全氣囊電路。3）壓電式：利用碰撞時壓電晶體受力使輸出電壓發(fā)生變化來控制安全氣囊電路。4）水銀開關(guān)式：利用水銀的導(dǎo)電特性控制安全氣囊電路。5）雙穩(wěn)態(tài)碰撞傳感器：利用結(jié)構(gòu)的雙穩(wěn)態(tài)實現(xiàn)安全氣囊電路的通斷。碰撞傳感器按其功能不同可分為：1）碰撞烈度傳感器：用于檢測汽車受碰撞的激烈程度。該傳感器按安裝位置分為：左前碰撞傳感器、右前碰撞傳感器和中央碰撞傳感器。2）碰撞防護(hù)傳感器：用于防止安全氣囊產(chǎn)生誤脹開。又稱為安全碰撞傳感器或偵測碰撞傳感器。6.2.1機(jī)械式碰撞傳感器1.滾球式碰撞傳感器（1）滾球式碰撞傳感器的結(jié)構(gòu)

滾球式碰撞傳感器又稱為偏壓磁鐵式碰撞傳感器，主要由鐵質(zhì)滾球、永久磁鐵、導(dǎo)缸、固定觸點(diǎn)、殼體組成。

（2）滾球式碰撞傳感器的工作原理

當(dāng)傳感器處于靜止?fàn)顟B(tài)時，在永久磁鐵作用下，導(dǎo)缸內(nèi)的滾球被吸向磁鐵，兩個觸點(diǎn)與滾球分離，傳感器電路處于斷開狀態(tài)。當(dāng)汽車遭受碰撞且減速度達(dá)到設(shè)定閥值時，滾球產(chǎn)生的慣性力將大于永久磁鐵的電磁吸力，滾球在慣性力作用下會克服磁力沿導(dǎo)缸向兩個固定觸點(diǎn)運(yùn)動并將固定觸點(diǎn)接通。（3）滾球式碰撞傳感器的安裝與應(yīng)用

美國福特（Ford）轎車的安全氣囊系統(tǒng)由三個前碰撞傳感器（左前、右前、中央傳感器各1個）、兩個保險傳感器（也稱為輔助碰撞傳感器）、SRS指示燈、SRS電腦以及備用電源組成。傳感器采用滾球式碰撞傳感器，保險傳感器觸點(diǎn)閉合時的減速度比前碰撞傳感器觸點(diǎn)閉合時的減速度稍小，一只保險傳感器與中央傳感器一起安裝在一個殼體內(nèi)，另一只保險傳感器安裝在儀表盤左下方的地板上。2.滾軸式碰撞傳感器（1）滾軸式碰撞傳感器的結(jié)構(gòu)

滾軸式碰撞傳感器主要由止動銷、滾軸、滾動觸點(diǎn)、固定觸點(diǎn)、片狀彈簧組成。

（2）滾軸式碰撞傳感器的工作原理

當(dāng)汽車沒有發(fā)生碰撞時，傳感器處于靜止?fàn)顟B(tài)，滾軸在片狀彈簧的彈力作用下滾向止動銷一端，滾動觸點(diǎn)與固定觸點(diǎn)處于斷開狀態(tài)，傳感器電路不接通，無碰撞信號輸入。3.偏心錘式碰撞傳感器（1）偏心錘式碰撞傳感器的結(jié)構(gòu)

偏心錘式碰撞傳感器又稱為偏心轉(zhuǎn)子式碰撞傳感器。該傳感器由殼體、偏心轉(zhuǎn)子、偏心重塊、固定觸點(diǎn)、旋轉(zhuǎn)觸點(diǎn)等部分組成。（2）偏心錘式碰撞傳感器的工作原理

在汽車未碰撞時，傳感器處于靜止?fàn)顟B(tài)，偏心錘與偏心錘臂在復(fù)位彈簧的彈力作用下頂靠在與外殼相連的擋塊上，偏心錘與擋塊保持接觸，此時轉(zhuǎn)子總成處于靜止?fàn)顟B(tài)，轉(zhuǎn)動觸點(diǎn)與固定觸點(diǎn)斷開，安全電路不工作。6.2.2電阻應(yīng)變式碰撞傳感器1.電阻應(yīng)變式碰撞傳感器的結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變式碰撞傳感器由德國博世公司研制生產(chǎn)，該傳感器的結(jié)構(gòu)主要由電子電路、電阻應(yīng)變計、振動塊、緩沖介質(zhì)和殼體等組成。電子電路包括穩(wěn)壓與溫度補(bǔ)償電路W、信號處理與放大電路A。應(yīng)變計的電阻R1、R2、R3、R4制作在硅膜片上，當(dāng)硅膜片產(chǎn)生變形時，應(yīng)變電阻的阻值就會發(fā)生變化。2.電阻應(yīng)變式碰撞傳感器的工作原理應(yīng)變元件的工作原理是基于導(dǎo)體和半導(dǎo)體的“應(yīng)變效應(yīng)”，即當(dāng)導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料發(fā)生機(jī)械變形時，其電阻值將發(fā)生變化。6.2.3壓電式碰撞傳感器1.壓電式碰撞傳感器的結(jié)構(gòu)壓電式碰撞傳感器主要由彈簧，慣性質(zhì)量塊和剛體組成，它的敏感元件是壓電晶體。當(dāng)汽車發(fā)生碰撞時，傳感器內(nèi)的晶片受力變形而產(chǎn)生相應(yīng)的電荷，經(jīng)傳感器內(nèi)集成電路放大處理后輸出與減速度相對應(yīng)的電信號。2.壓電式碰撞傳感器的工作原理壓電式碰撞傳感器是利用壓電效應(yīng)制成的傳感器。當(dāng)汽車遭受碰撞時，傳感器內(nèi)的壓電晶體在碰撞產(chǎn)生的壓力作用下，在壓電元件上下兩個表面（即電極面）上產(chǎn)生電荷：在一個表面上聚集正電荷，在另一個表面上聚集負(fù)電荷。6.2.4水銀開關(guān)式碰撞傳感器水銀開關(guān)式碰撞傳感器的結(jié)構(gòu)水銀開關(guān)式碰撞傳感器主要由水銀、殼體、電極和密封螺塞組成。2．水銀開關(guān)式碰撞傳感器的工作原理正常情況下，水銀因自重而保持在傾斜絕緣管的下部。在受到轎車行駛或制動時減速度慣性力的作用時，雖然水銀會不斷振蕩，但不會與上面的兩個觸點(diǎn)相接觸，不能產(chǎn)生任何信號，電路保持常開狀態(tài)。6.2.5雙穩(wěn)態(tài)碰撞傳感器雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，顧名思義其結(jié)構(gòu)具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)外界的激勵大于結(jié)構(gòu)的閾值時，會從一個穩(wěn)態(tài)變化到第二種穩(wěn)態(tài)，這種特性很適合用來作為開關(guān)器件，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通與斷開?；陔p穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的性質(zhì)制成的雙穩(wěn)態(tài)碰撞傳感器，能夠很好的起到控制開關(guān)的作用。1.雙穩(wěn)態(tài)碰撞傳感器的結(jié)構(gòu)永磁式雙穩(wěn)態(tài)萬向碰撞傳感器，傳感器的彈性棒連接一個帶有可動環(huán)形磁體的質(zhì)量塊，彈性棒的上端與上端蓋相連，固定環(huán)形磁體固定于下端蓋上，可動環(huán)形磁體設(shè)置在固定環(huán)形磁體的上方位置，導(dǎo)電觸點(diǎn)由動導(dǎo)電觸點(diǎn)和固定導(dǎo)電觸點(diǎn)組成，固定導(dǎo)電觸點(diǎn)固定于殼體的內(nèi)壁上，動導(dǎo)電觸點(diǎn)設(shè)置在質(zhì)量塊的表面上。該傳感器機(jī)構(gòu)簡單，可以感應(yīng)任意方向的碰撞。1—上端蓋2—?dú)んw2a—固定觸點(diǎn)3—導(dǎo)電片4—導(dǎo)電片5—絕緣層6—固定套筒7—引線8—下端蓋8a—環(huán)狀結(jié)構(gòu)9—固定環(huán)形磁體10—可動環(huán)形磁體11—質(zhì)量塊11a—導(dǎo)電帶12—彈性棒此結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)：1）在保證碰撞強(qiáng)度被準(zhǔn)確檢測的同時，實現(xiàn)多方向碰撞傳感。2）有效地提高了傳感器的抗干擾能力，解決了導(dǎo)電觸點(diǎn)接觸后保持穩(wěn)定的問題。3）不同彈性系數(shù)的柔性彈性棒，來滿足不同應(yīng)用場合的使用需求。4）碰撞傳感器包括零件數(shù)目少，結(jié)構(gòu)簡單，易于裝配，適合大批量生產(chǎn)。2.雙穩(wěn)態(tài)碰撞傳感器的工作原理雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)從一個勢能極小點(diǎn)躍遷到另一勢能極小點(diǎn)，這種在兩個穩(wěn)態(tài)之間轉(zhuǎn)換的運(yùn)動，稱為跳躍現(xiàn)象（Snap-Through）。雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的跳躍過程是強(qiáng)非線性的，具有下列幾個特點(diǎn)：1）穩(wěn)態(tài)保持能力。2）閾值跳轉(zhuǎn)特性。3）跳轉(zhuǎn)速度快。4）結(jié)構(gòu)簡單。6.3導(dǎo)航傳感器6.3.1全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)(GPS)1.GPS系統(tǒng)構(gòu)成GPS（GlobalPositioningSystem，全球定位系統(tǒng)）是一種以空中衛(wèi)星為基礎(chǔ)的高精度無線電導(dǎo)航的定位系統(tǒng)，它在全球任何地方以及近地空間都能夠提供準(zhǔn)確的地理位置、車行速度及精確的時間信息。全球定位系統(tǒng)由空間衛(wèi)星部分、地面控制部分和用戶接收機(jī)[1]三部分組成。2.GPS的定位原理GPS定位通常分成絕對定位方式與相對定位方式兩種。GPS絕對定位根據(jù)GPS接收機(jī)偽距觀測量對接收機(jī)位置進(jìn)行確定，該定位模式原理比較簡單，雖然精度不高，但是可以進(jìn)行單機(jī)作業(yè)，所以通常用于導(dǎo)航定位精度要求不是很高的應(yīng)用系統(tǒng)中。GPS相對定位方式是利用兩臺及以上GPS接收機(jī)的量測信息和差分定位算法來計算接收機(jī)位置。3.GPS系統(tǒng)的應(yīng)用GPS的應(yīng)用都是基于兩個基本服務(wù)，一是空間位置服務(wù)，包括定位、導(dǎo)航、測量等；二是時間服務(wù)，包括系統(tǒng)同步以及授時。

（1）基于霍爾效應(yīng)的磁場檢測

霍爾式電子羅盤是基于霍爾效應(yīng)制成的磁場測量傳感器。在磁感應(yīng)強(qiáng)度為Ｂ的磁場中放置一塊半導(dǎo)體薄片或金屬薄片，厚度為d，使薄片的平面與磁場方向Ｙ方向相互垂直，在Ｘ方向上，對其施加一個電流強(qiáng)度為IH的電流，在與磁場方向和電流方向垂直的Ｚ方向，將產(chǎn)生電動勢（霍爾電壓）UH，霍爾電壓UH與電流強(qiáng)度IH、磁感應(yīng)強(qiáng)度Ｂ成正比，與磁場方向薄片的厚度ｄ成反比。（2）磁通門式電子羅盤

磁通門法出現(xiàn)在霍爾效應(yīng)之后，其利用的是磁性材料的飽和特性，磁通門傳感器通常包含了磁芯、激勵線圈、感應(yīng)線圈，將交變電流輸入到激勵線圈，磁通門傳感器中的磁芯就會受到交變磁場的作用，從而導(dǎo)致磁通門傳感器中的磁芯被磁化，整個期間處于飽和狀態(tài)與非飽和狀態(tài)，如果對其再添加外磁場作用，感應(yīng)線圈的輸出將會有變化，而這個輸出的變化將被檢測出，用于實現(xiàn)測量外磁場的磁場大小。（3）磁阻式電子羅盤

金屬或者半導(dǎo)體中通有電流，在其上施加磁場，就會發(fā)現(xiàn)其電阻值有明顯的變化，這樣的現(xiàn)象稱為磁電阻效應(yīng)，這個效應(yīng)是因為金屬或者半導(dǎo)體中的載流子在磁場的作用下，受到了洛倫茲力的影響，從而引起了電阻值的變化。2.磁傳感器的應(yīng)用磁性傳感器在汽車中的應(yīng)用主要是車速、傾角、角度、距離、位置等參數(shù)檢測，以及導(dǎo)航、定位等方面的應(yīng)用。在基于地磁的車輛檢測應(yīng)用中，AMR傳感器最早應(yīng)用于交通道路上檢測行駛的車輛，在動態(tài)停車檢測領(lǐng)域，主要運(yùn)用于車流量統(tǒng)計、車速檢測、車型分類三種場景，而靜態(tài)停車檢測主要的應(yīng)用場景是停車場。6.3.3陀螺儀1．光纖陀螺儀的結(jié)構(gòu)目前光纖陀螺的分類標(biāo)準(zhǔn)有很多種，按照光纖陀螺的原理可以分為以下三類：干涉式的光纖陀螺(I-FOG)、諧振型的光纖陀螺(R-FOG)和受激式的布里淵散射光纖陀螺(B-FOG)。這三種陀螺的工作原理都建立在Sagnac效應(yīng)的基礎(chǔ)上。光纖陀螺儀主要由光源，分光器、透鏡、光導(dǎo)纖維線圈、偏振器、相位調(diào)制器、電光調(diào)制器和探測器等組成。干涉式光纖陀螺目前是一個相對比較成熟的光纖陀螺結(jié)構(gòu)。干涉式光纖陀螺按照結(jié)構(gòu)不同還可以分為互易型結(jié)構(gòu)和非互易型結(jié)構(gòu)，光路非互易型干涉式光纖陀螺結(jié)構(gòu)簡單，不需外加調(diào)制信號，信號處理方式簡單但陀螺精度不高，光路互易型I-FOG精度高，運(yùn)行的穩(wěn)定性也更強(qiáng)。諧振式光纖陀螺是基于無源腔型的激光光學(xué)陀螺的循環(huán)光束之間產(chǎn)生的多波干涉的原理提出的。R-FOG也被稱為第二代光纖陀螺，它可以在較短的光纖長度中獲得相對較高的測量精度，但它對光源的相干性有很高的要求，光纖耦合器也要求是低功率衰減的保偏型光纖耦合器。受激布里淵散射式光纖陀螺是一種有源諧振形式的光纖陀螺儀，被稱為第三代光纖陀螺，也可以稱其為一種光纖型的激光陀螺。2.光纖陀螺儀的工作原理光纖陀螺儀的主要理論依據(jù)是薩格納克效應(yīng)（Sagnac）：一環(huán)狀閉環(huán)光路中光源被分光器分成兩束相干光，一束沿光纖環(huán)順時針方向運(yùn)動，另一束沿逆時針方向運(yùn)動，光纖環(huán)以垂直于光學(xué)回路的中軸線方向旋轉(zhuǎn)。光線沿著通道轉(zhuǎn)動方向行進(jìn)所需要的時間要比沿著這個通道轉(zhuǎn)動相反的方向行進(jìn)所需要的時間要長，即當(dāng)光學(xué)回路轉(zhuǎn)動時，在不同的行進(jìn)方向上，光學(xué)環(huán)路的光程相對于環(huán)路在靜止時的光程都會產(chǎn)生變化。利用光程的變化，檢測兩條光路的相位差或者干涉條紋的變化就可以測出光路旋轉(zhuǎn)角速度，這便是光纖陀螺儀的工作原理。6.4視覺傳感器

2.CCD圖像傳感器的成像原理一個完整的CCD器件由光敏單元、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成。光線透過鏡頭照射到光敏單元上，在設(shè)定的積分時間內(nèi)由光敏單元對光信號進(jìn)行取樣，將光的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為各光敏單元的電荷多少，由此光信號被轉(zhuǎn)換為電信號。

（1）光電轉(zhuǎn)換

光電轉(zhuǎn)換是根據(jù)照射到攝影面的光的強(qiáng)弱產(chǎn)生電荷，也就是存在于物質(zhì)的電子通過取得光子能量后改變狀態(tài)，此時只要施加少許電場就可以呈現(xiàn)自由運(yùn)動狀態(tài)。（2）電荷存儲

MOS電容器是所有MOS結(jié)構(gòu)中最簡單的，它是CCD的構(gòu)成基礎(chǔ)，可以儲存電荷。當(dāng)MOS電容器的金屬電極（稱為柵）加正電壓（襯底接地）時，在電壓的作用下就會產(chǎn)生一個垂直于襯底表面的電場。（3）電荷轉(zhuǎn)移

如果構(gòu)成CCD的基本單位MOS電容器之間排列夠緊密（通常相鄰MOS電容電極間隙小于3μm），使得相鄰MOS電容的勢阱相互溝通，即相互耦合，那么在信號電荷自感生電場的庫侖力作用下就可使信號電荷（電子）在各個勢阱中轉(zhuǎn)移，并力圖向表面勢S最大的位置堆積。（4）電荷檢測

電荷的檢測是從CCD圖像傳感器的光電二極管起，到達(dá)輸出部之前將轉(zhuǎn)移的信號電荷轉(zhuǎn)換成電信號的動作。進(jìn)行電荷檢測的方法是將轉(zhuǎn)移過來的電荷轉(zhuǎn)換成電容器兩端的電壓變化。6.4.2COMS圖像傳感器CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）全稱為互補(bǔ)金屬氧化物場效應(yīng)管。CMOS圖像傳感器作為一個圖像系統(tǒng)，通常包括以下幾個方面：一個圖像傳感器核心，其功能是實現(xiàn)多路離散電信號向一個單一輸出的轉(zhuǎn)換，時序邏輯單元，時鐘系統(tǒng)以及可編程控制單元，這些部件可以被集成到一個芯片內(nèi)部。其工作過程可分為復(fù)位、光電轉(zhuǎn)換、積分、讀出幾部分。1.無源像素圖像傳感器（1）無源像素傳感器的結(jié)構(gòu)

無源像素傳感器結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器包括1個光電二極管和1個MOS開關(guān)管。光電二極管用于將入射的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，MOS開關(guān)管的導(dǎo)通與否取決于器件像元陣列的控制電路。（2）無源像素傳感器的工作原理

在每一曝光周期開始時，MOS開關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)，直至光敏單元完成預(yù)定時間的光電積分過程，MOS開關(guān)管才轉(zhuǎn)入導(dǎo)通狀態(tài)；此時，光電二極管與垂直的列線連通，光敏單元中積累的與光信號成正比的光生電荷被送往列線，由位于列線末端的電荷積分放大器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓量輸出(電荷積分放大器讀出電路保持列線電壓為一常數(shù)，并減小像元復(fù)位噪聲)；當(dāng)光電二極管中存儲的信號電荷被讀出時，再由控制電路往列線加上一定的復(fù)位電壓使光敏電源恢復(fù)初始狀態(tài)，隨即再將MOS開關(guān)管關(guān)斷以備進(jìn)入下一個曝光周期。2.有源像素圖像傳感器（1）有源像素傳感器的結(jié)構(gòu)

有源像素單元APS幾乎與無源像素單元一起出現(xiàn)。有源像素單元內(nèi)部包含一個有源器件，即包含有一個或多個晶體管組成的放大器，該放大器在像素內(nèi)部具有放大和緩沖功能，電荷不需要經(jīng)過遠(yuǎn)距離而到達(dá)輸出放大器，在列總線直接輸出的是電壓或電流信號。有源像素傳感器主要由一個光電二極管PD，一個復(fù)位開關(guān)晶體管M1、一個源跟隨晶體管M2和一個行選擇晶體管M3組成。（2）有源像素傳感器的工作原理

光照射到光電二極管產(chǎn)生電荷，這些電荷通過源極跟隨器緩沖輸出；當(dāng)讀出管開通時，電荷通過列總線輸出。讀出管關(guān)閉，復(fù)位管打開對光電二極管復(fù)位。3.數(shù)字像素圖像傳感器（1）數(shù)字像素圖像傳感器的結(jié)構(gòu)

在像素單元里集成了ADC(Analog-to-DigitalConvertor)和存儲單元。（2）數(shù)字像素圖像傳感器的原理

對于數(shù)字像素，每個像素根據(jù)入射光強(qiáng)的不同選取不同的積分時間，光強(qiáng)的表示是時間域的。通過這個方法可消除積分時間對于動態(tài)范圍的限制，一定程度上擴(kuò)大了像素的動態(tài)范圍。此外，數(shù)字像素可在像素級完成模擬光生信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，并直接存儲數(shù)據(jù)，減小了噪聲的影響。4.圖像傳感器CCD和CMOS技術(shù)性能對比（1）信息讀取方式的對比

CCD光電成像器件存貯的電荷信息，需要在二相或三相或四相時鐘驅(qū)動脈沖的控制下，一位一位地實施轉(zhuǎn)移后進(jìn)行逐行順序讀取。（2）速度的對比

由于CMOS成像器件的行、列電極可以被高速地驅(qū)動，再加上在同一芯片上做A/D轉(zhuǎn)換，圖像信號能夠被快速地取出，因此它可在相當(dāng)高的幀速下動作。（3）電源及耗電量的對比

由于CCD的像素由MOS電容構(gòu)成，讀取電荷信號時需使用電壓相當(dāng)大(至少12V)的二相或三相或四相時序脈沖信號，才能有效地傳輸電荷。（4）成像質(zhì)量的對比

與CCD相比，CMOS的主要缺點(diǎn)是噪聲高及靈敏度低，因為CMOS成像器件集成度高，各光電元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾嚴(yán)重，噪聲對圖像質(zhì)量的影響很大，在開始很長一段時間內(nèi)無法進(jìn)入實用。CCD與CMOS圖像傳感器對比類別CCDCMOS成本高低集成情況低，需外接芯片單片高度集成電源多電源單一電源抗輻射弱強(qiáng)電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜簡單靈敏度優(yōu)良信噪比優(yōu)良圖像順次掃描同時讀取紅外線靈敏度低靈敏度高動態(tài)范圍>70dB>70dB模塊體積大小6.4.3紅外成像系統(tǒng)1.主動式紅外成像系統(tǒng)（1）主動式紅外成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

紅外夜視儀是基于主動式紅外成像系統(tǒng)工作的，主動式紅外成像系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、紅外變像管、紅外探照燈和高壓電源四個部分組成。（2）主動式紅外成像系統(tǒng)的成像原理

主動式紅外成像系統(tǒng)的工作原理較為簡單，在工作時用紅外探照燈照射目標(biāo)，接收反射的紅外輻射經(jīng)過物鏡組初步聚焦，再經(jīng)過紅外變像管完成從近紅外圖像到可見光圖像的轉(zhuǎn)換并增強(qiáng)圖像，最終經(jīng)由目鏡組形成圖像。2.被動式紅外成像系統(tǒng)（1）被動式紅外成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

紅外熱成像系統(tǒng)是被動式成像系統(tǒng)，紅外熱像儀是基于紅外熱成像技術(shù)研制而成。紅外成像系統(tǒng)由三部分組成，即接收紅外線的光學(xué)系統(tǒng)、對紅外輻射進(jìn)行聚焦的紅外探測器及將紅外探測器傳輸?shù)碾娦盘柗糯蟮囊曨l放大器。其中，紅外成像系統(tǒng)的核心部分是紅外探測器，該部分是紅外成像的關(guān)鍵步驟。紅外成像首先巧用光學(xué)系統(tǒng)對感興趣的目標(biāo)或背景的紅外輻射進(jìn)行接收；然后利用紅外探測器對光學(xué)系統(tǒng)接收的紅外輻射進(jìn)行聚焦，并根據(jù)輻射的強(qiáng)度大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)大小的電信號；最后，利用視頻放大器對紅外探測器轉(zhuǎn)換成的電信號進(jìn)行放大，并將放大信號傳輸?shù)斤@示屏，最終顯示出紅外圖像。紅外成像探測器有兩種主要的成像方式，分別為光學(xué)機(jī)械掃描式和凝視焦平面陣列式。（2）被動式紅外成像系統(tǒng)的成像原理

其原理為絕對零度以上的物體都要輻射能量，溫度越低，波長越長。與可見光系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)相比，紅外成像系統(tǒng)的特點(diǎn)為：在環(huán)境適應(yīng)性方面，紅外光優(yōu)于可見光，在惡劣氣候和夜間環(huán)境下的工作能力較強(qiáng)；對比于可見光，紅外輻射透過霧霾等環(huán)境的能力較強(qiáng)，即部分視覺上的障礙可通過紅外成像克服，進(jìn)而達(dá)到探測目標(biāo)的目的，因此紅外成像所具有的抗干擾能力較強(qiáng)；紅外的波長相比雷達(dá)波較短，因此對于高分辨率的目標(biāo)圖像可比較容易地獲得；相比于可見光，紅外成像識別偽裝目標(biāo)的能力較強(qiáng)，其主要利用目標(biāo)與背景之間的折射率差和溫差進(jìn)行探測識別，同時也具有較強(qiáng)的辨別真?zhèn)蔚哪芰?；相比于激光和雷達(dá)，紅外成像具有探測安全性高、保密性強(qiáng)的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在紅外傳感器是被動地對目標(biāo)的熱輻射進(jìn)行接收，隱蔽性好。6.5距離傳感器6.5.1激光雷達(dá)機(jī)械式激光雷達(dá)機(jī)械式激光雷達(dá)通過不斷旋轉(zhuǎn)發(fā)射頭，將激光發(fā)射到目標(biāo)物體，并接收物體反射的激光，達(dá)到動態(tài)掃描并接收信息的目的。由激光發(fā)射器發(fā)射激光，經(jīng)傾斜反射鏡反射至目標(biāo)，回波信號經(jīng)由同樣路徑返回至接收器，期間由光學(xué)編碼器進(jìn)行光線的調(diào)制，最終獲得所需的目標(biāo)信息。機(jī)械式激光雷達(dá)在豎直方向排列多個激光發(fā)射器，可以從不同角度向外發(fā)射，實現(xiàn)垂直角度的覆蓋，同時在高速旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)殼體的帶動下，實現(xiàn)水平方向360°的全覆蓋激光雷達(dá)測距形式分為三角測距和TOF測距兩種。TOF原理廣泛應(yīng)用于激光雷達(dá)，原因如下：1）測量距離：隨著目標(biāo)距離變遠(yuǎn)，三角測距法所測的x的值會越來越小，測量誤差越來越大，精度逐漸降低。2）采樣率：三角雷達(dá)的采樣率一般在20KHz以下，難以滿足實時性和準(zhǔn)確性的高需求。3）幀率：三角雷達(dá)的轉(zhuǎn)速通常在20Hz以下，TOF雷達(dá)可達(dá)30Hz-50Hz，轉(zhuǎn)速越高意味著圖像幀率越高，信息越準(zhǔn)確。但是TOF測距的實現(xiàn)也有技術(shù)上的難點(diǎn)：1）由于光速過快，測量時間很短，所以其對于計時器的精度要求很高。2）發(fā)射器需要發(fā)射高質(zhì)量的脈沖光，接收器需要在接收脈沖光時盡量保持信號不失真。3）對同一距離的物體測距，回波信號會有一定的差異，需要利用特殊方式進(jìn)行處理。2.固態(tài)激光雷達(dá)（1）MEMS激光雷達(dá)

通過光學(xué)掃描鏡，使入射光束按照特定的方式和時間順序發(fā)生反射，從而在像面上實現(xiàn)掃描成像，其主要通過電熱效應(yīng)、靜電效應(yīng)、電磁效應(yīng)和壓電效應(yīng)來驅(qū)動微振鏡進(jìn)行激光束的偏轉(zhuǎn)。微振鏡偏轉(zhuǎn)實現(xiàn)方式驅(qū)動方式方式描述電熱效應(yīng)利用電能轉(zhuǎn)換為熱能，再轉(zhuǎn)換為機(jī)械能驅(qū)動。其對電熱雙壓電晶片驅(qū)動的微振鏡加熱，由于金屬鋁的形變大于介質(zhì)硅，從而形成微振鏡的形變振動。靜電效應(yīng)利用帶電導(dǎo)體間的靜電作用力來驅(qū)動微振鏡偏轉(zhuǎn)，具有功耗低、速度快、兼容性好的優(yōu)點(diǎn)，是目前使用廣泛的驅(qū)動方式。電磁效應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部封裝可動磁性物質(zhì)或可動線圈產(chǎn)生磁場，通過施加磁場形成洛倫茲力使得線圈產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動微振鏡偏轉(zhuǎn)。壓電效應(yīng)應(yīng)用壓電材料的壓電效應(yīng)實現(xiàn)驅(qū)動，驅(qū)動力大，響應(yīng)速度快，但壓電材料具有遲滯現(xiàn)象。

驅(qū)動方式性能對比驅(qū)動方式速度驅(qū)動力幅度電壓電熱驅(qū)動慢大大較低靜電驅(qū)動快小較小高電磁驅(qū)動慢大大低壓電驅(qū)動快大小高（2）Flash激光雷達(dá)

屬于非掃描式激光雷達(dá)，采用類似照相機(jī)的工作模式，發(fā)射的面陣激光照射到目標(biāo)上，目標(biāo)對入射光產(chǎn)生散射，由于物體具有三維空間屬性，所以照射到物體不同部位的光具有不同的飛行時間，這些光被焦平面探測器陣列探測，輸出為具有深度信息的三維圖像。（3）OPA激光雷達(dá)

相控陣發(fā)射器由若干個發(fā)射接收單元組成陣列，通過改變加載在不同單元的電壓，進(jìn)而改變不同單元發(fā)射光波特性，實現(xiàn)對每個單元光波的獨(dú)立控制，通過調(diào)節(jié)每個相控單元輻射出的光波之間的相位關(guān)系，在設(shè)定方向上產(chǎn)生互相加強(qiáng)的干涉，從而產(chǎn)生高強(qiáng)度光束，并且使得其他方向上各個單元輻射的光波相互抵消，從而實現(xiàn)光束的掃描。3.激光雷達(dá)的應(yīng)用與發(fā)展激光雷達(dá)對環(huán)境的感知是通過形成點(diǎn)云圖像，對周圍的環(huán)境進(jìn)行三維建模來獲得的。如今激光雷達(dá)研發(fā)公司包含Velodyne、Sick、速騰聚創(chuàng)、鐳神智能、思嵐科技等。6.5.2毫米波雷達(dá)毫米波雷達(dá)，是指工作在毫米波波段（MillimeterWave）探測的雷達(dá)，通常毫米波是指30～300GHz頻域（對應(yīng)波長為1～10mm）。車載毫米波雷達(dá)常見的發(fā)射頻率為24GHz和77GHz，具有較強(qiáng)的穿透霧、灰塵的能力，受光照條件、天氣環(huán)境影響小，可準(zhǔn)確獲取障礙物與毫米波雷達(dá)的相對距離和速度。根據(jù)輻射電磁波方式不同，毫米波雷達(dá)主要有脈沖體制和連續(xù)波體制兩種工作體制。脈沖體制雷達(dá)技術(shù)比較成熟、測量過程簡單、精度高，但是當(dāng)目標(biāo)距離較近時，其脈沖收發(fā)時間短，需要采用高速信號處理技術(shù)，使得結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、成本上升，因此脈沖雷達(dá)一般應(yīng)用于軍用設(shè)施。連續(xù)波體制按照調(diào)制方式又可以分為頻移鍵控（Frequency-shiftkeying,FSK）、相移鍵控（Phase-shiftkeying,PSK）、恒頻連續(xù)波（Continuouswave,CW）、調(diào)頻連續(xù)波（Frequency-modulatedcontinuouswave,FMCW）等。要求毫米波汽車防撞雷達(dá)必須達(dá)到以下技術(shù)要求：1）系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地探測到雷達(dá)前方掃描區(qū)域內(nèi)的所有運(yùn)動和靜止的車輛目標(biāo)。2）電磁輻射能量不能超過法定范圍，發(fā)射功率應(yīng)在毫瓦級，典型值小于等于100mW。3）遠(yuǎn)距離毫米波雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)保證足夠小的天線發(fā)射角，以避免受到臨近車道上車輛目標(biāo)的干擾。4）為了能夠和汽車進(jìn)行整體配套，要求在保證性能的情況下，做到整機(jī)體積最小，重量最輕。5）和汽車其他電子系統(tǒng)做到電磁兼容。6.5.3超聲波雷達(dá)1.超聲波雷達(dá)的結(jié)構(gòu)壓電式超聲波雷達(dá)常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，利用壓電材料的壓電效應(yīng)工作。壓電式探頭主要由壓電晶片(敏感元件)、吸收塊(阻尼塊)、保護(hù)膜等組成。2.超聲波雷達(dá)的工作原理超聲波雷達(dá)產(chǎn)生超聲波，是利用逆壓電效應(yīng)的原理工作。所謂逆壓電效應(yīng)，就是在壓電晶片上施加交變電壓，壓電晶片將發(fā)生交變機(jī)械變形，從而產(chǎn)生同頻振動而發(fā)射超聲波。超聲波傳感器接收超聲波時則利用順壓電效應(yīng)原理工作。所謂順壓電效應(yīng)，就是在壓電晶片的特定方向上施加壓力超聲波，元件就產(chǎn)生變形，并產(chǎn)生與超聲波頻率相同的高頻電荷。3.超聲波雷達(dá)的應(yīng)用常見的超聲波雷達(dá)有兩種。一種安裝在汽車前后保險杠上，即用于測量汽車前后障礙物的倒車?yán)走_(dá)，這種雷達(dá)業(yè)內(nèi)稱為UPA，其探測距離一般在15~250cm之間；另一種安裝在汽車側(cè)面，用于測量側(cè)方障礙物距離的超聲波雷達(dá)，業(yè)內(nèi)稱為APA，其探測距離一般在30~500cm之間。超聲波雷達(dá)的基礎(chǔ)應(yīng)用是泊車輔助。自動泊車功能需要經(jīng)歷兩個階段：1）識別庫位；2）倒車入庫。6.6

車身控制系統(tǒng)其他傳感器6.6.1光量（亮）傳感器1.光量傳感器的結(jié)構(gòu)光量傳感器主要由光敏元件、光敏處理電路和微處理器三個模塊組成。光電導(dǎo)式光量傳感器內(nèi)裝有半導(dǎo)體元件硫化鎘(CdS)，硫化鎘(CdS)為多晶硅結(jié)構(gòu)，在傳感器中為了增大與電極的接觸面積，通常把硫化鎘做成曲線形狀，從而提高傳感器的靈敏度。2.光量傳感器的工作原理光量傳感器的光敏器件接受外部環(huán)境光照，光敏處理電路用于采用電壓，微處理器進(jìn)行分析和計算，從而判斷外部環(huán)境的光度。當(dāng)有光照射到傳感器上時，半導(dǎo)體元件的阻值發(fā)生變化。當(dāng)周圍環(huán)境亮度較低時，其阻值較大；而當(dāng)周圍亮度較高時，其阻值變小。故這種傳感器把周圍亮度的變化置換成元件阻值的變化，從而進(jìn)行計算和分析。3.光量傳感器的應(yīng)用光電式光量傳感器可用于燈光控制器上。燈光控制器位于儀表板的上方實現(xiàn)燈光的自動控制，傍晚時，自動點(diǎn)亮尾燈，當(dāng)天色更暗時，則點(diǎn)亮前照燈。此外，對面來車時，還具有變光功能。其工作過程為：點(diǎn)火開關(guān)閉合時，控制器的轉(zhuǎn)換開關(guān)置于AUTO（自動）擋，當(dāng)控制器得到傳感器傳來的信號后，可自動控制尾燈及前照燈的亮滅；點(diǎn)火開關(guān)斷開時，控制器的電源電路也斷開，這時其不受環(huán)境條件的限制而熄滅車燈。此外，利用靈敏度調(diào)整電位器可以調(diào)整自動亮燈及熄燈時的敏感程度。6.6.2濕度傳感器1.濕度傳感器的結(jié)構(gòu)濕度傳感器的核心部分是濕敏元件，濕敏元件一般由基體、電極和感濕層等組成。濕敏元件的基體為不吸水且耐高溫的絕緣材料，如聚碳酸板、氧化鋁等。在基體之上，常用鍍膜法真空蒸鍍上薄膜，用絲網(wǎng)印刷法加工出兩個電極。2.濕度傳感器的工作原理濕敏元件的工作原理主要是物理吸附和化學(xué)吸附。其基本特點(diǎn)是在基片上覆蓋感濕材料從而形成感濕膜，元件的電阻率和電阻值隨著吸附在感濕膜上的空氣中的水蒸氣的變化而變化，利用這一特性即可測量濕度。（1）濕度量程

濕度傳感器能夠比較精確測量的環(huán)境相對濕度（或絕對濕度）的最大范圍，稱為濕度敏感器件的濕度量程。（2）感濕特征量—相對溫度特性曲線

濕度敏感器件的感濕特征量隨環(huán)境相對濕度（或絕對濕度）的變化曲線，稱為器件的感濕特征量——環(huán)境濕度特性曲線（簡稱感濕特性曲線）。（3）靈敏度

濕度敏感器件的靈敏度反映相對于環(huán)境濕度的變化的器件的感濕特征量的變化程度，因此，它通常表示為器件感濕特性曲線的斜率。當(dāng)器件感濕特性曲線為線性曲線時，用直線的斜率來表示濕度敏感器件的靈敏度，這種表示方法是恰當(dāng)并可行的。（4）濕度溫度系數(shù)

濕度敏感器件的濕度溫度系數(shù)定義為：在器件感濕特征量恒定的條件下，該感濕特征量值所表示的環(huán)境相對濕度隨環(huán)境溫度的變化率。若以a表示器件的濕度溫度系數(shù)，則有：（5）響應(yīng)時間

濕度敏感器件的響應(yīng)時間，就其含義而言，應(yīng)當(dāng)是在規(guī)定的環(huán)境溫度下，環(huán)境由起始相對濕度瞬時達(dá)到終止相對濕度時，器件的感濕特征量由起始值改變到終止相對濕度時的對應(yīng)值所需要的時間。3.濕度傳感器的應(yīng)用6.6.3雨滴傳感器1.壓電振子雨量傳感器（1）壓電振子雨量傳感器結(jié)構(gòu)

壓電振子雨滴檢測傳感器是由振動板、壓電元件、放大電器、殼體及阻尼橡膠等一系列元件構(gòu)成，其核心部分是壓電元件。（2）壓電振子雨量傳感器工作原理

壓電振子雨量傳感器安裝位置在車身外部，利用雨滴沖擊引起壓電振子形變而產(chǎn)生電信號。它利用壓電振子的壓電效應(yīng)進(jìn)行工作，當(dāng)雨滴滴到傳感器表面時，壓電振子按雨滴的強(qiáng)度與頻度發(fā)生振動，引起壓電振子形變，從而使壓電元件的端子上產(chǎn)生電壓。雨小時振動較弱，雨大時振動較強(qiáng)，以此間接測量雨量的大小。2.電容式雨滴傳感器電容式雨滴傳感器安裝在機(jī)車車體內(nèi)部，擋風(fēng)玻璃內(nèi)側(cè)。電容式雨滴傳感器通過雨量變化引起電介質(zhì)發(fā)生變化，從而引起表面電容量的變化，由此間接得到雨量的大小。

3.紅外線雨滴傳感器紅外光線雨滴傳感器安裝位置在車體內(nèi)，在擋風(fēng)玻璃內(nèi)側(cè)中部位置。其檢測雨滴的原理是通過檢測反射回來接收到的紅外光線的多少來判別雨滴的大小。4.雨滴傳感器的應(yīng)用雨滴傳感器在車上的應(yīng)用主要有三個：其一，刮水器，實現(xiàn)刮水器的自動運(yùn)動，并且根據(jù)雨量大小對刮水器的運(yùn)動速度進(jìn)行自動調(diào)節(jié)；其二，車燈，在雨天可以根據(jù)雨勢大小自動調(diào)節(jié)燈光亮度，避免長時間開啟遠(yuǎn)光燈對其他駕駛員或路人造成影響；其三，汽車天窗，在開始下雨時自動關(guān)閉天窗。在工作時，雨滴傳感器將雨量的大小轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之相對應(yīng)的電信號，經(jīng)放大后送入間歇控制電路，給充電電路進(jìn)行充電，使充電電路中電容兩端電壓上升，當(dāng)電壓上升至與基準(zhǔn)電壓相等時，驅(qū)動電路使刮水電動機(jī)工作。雨量越大，感應(yīng)電信號越強(qiáng)，充電速度越快，間歇工作頻率越高，相反工作頻率越低。根據(jù)雨量的大小，可以實現(xiàn)無極調(diào)速。新型傳感器及其在汽車上的應(yīng)用第7章7.1汽車輪胎健康狀況在線監(jiān)測傳感器1.監(jiān)測系統(tǒng)在汽車輪胎狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中，光纖布拉格光柵（FiberBraggGrating,FBG）可測的參數(shù)有胎壓、縱向應(yīng)力、溫度和速度等。該系統(tǒng)由光信號發(fā)送模塊、3dB耦合器、FBG傳感器和信號解調(diào)與數(shù)據(jù)處理模塊等組成，系統(tǒng)采用頻分復(fù)用(FrequencyDivisionMultiplexing,FDM)技術(shù)實現(xiàn)各參數(shù)的檢測。2.工作原理光纖光柵傳感器是一種應(yīng)用光纖光柵對環(huán)境因素變化的感知原理研制的傳感器。光纖光柵的周期是沿著光纖的長度方向刻寫的，當(dāng)光纖所處的環(huán)境狀況發(fā)生變化時，引起光纖伸長或者縮短，光柵的周期被改變，使光纖光柵反射和傳輸?shù)牟ㄩL發(fā)生變化，通過測量這種變化即可感知環(huán)境因素的變化。在輪胎上粘貼一個刻在光纖上的光纖光柵，在汽車行駛的過程中，輪胎上的光纖光柵會受到周期性的沖擊壓力的作用。在此壓力的作用下，光纖上的同一個光纖光柵的兩個波峰會周期性的張開和復(fù)原，兩個波峰每張開一次，即給出一個脈沖信號。以一個計時器記錄兩個脈沖之間的時間間隔τ，并假定輪胎的周長是固定不變的，為2πR，則車輪速度為7.2車內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測傳感器7.2.1車內(nèi)空氣質(zhì)量傳感器概述車內(nèi)空氣污染物包括甲醛、苯系物、氨等，其主要來源于車內(nèi)的塑料件、地毯、頂氈、座椅和其他裝飾使用的膠水。這些污染物對皮膚、呼吸系統(tǒng)、血液、心血管都有損害，輕則引起頭暈、胸悶、呼吸道炎癥，還會對人的神經(jīng)有麻痹作用，嚴(yán)重時甚至?xí)掳?。車?nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器的主要作用就是監(jiān)測車內(nèi)是否具有有毒氣體以及有毒氣體的濃度。7.2.2車內(nèi)有毒氣體監(jiān)測傳感器1．半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體氣體傳感器利用半導(dǎo)體與氣體接觸時電阻或功函數(shù)發(fā)生變化這一特性檢測氣體。半導(dǎo)體氣敏元件是根據(jù)半導(dǎo)體接觸到氣體時其阻值的改變來檢測氣體的濃度，根據(jù)氣體的吸附和反應(yīng)使其某些特性發(fā)生變化對氣體進(jìn)行直接或間接的檢測。電阻式傳感器采用SnO2、ZnO等金屬氧化物材料制備，有多孔燒結(jié)件、厚膜、薄膜等形式。半導(dǎo)體氣體傳感器有n型和p型之分。n型氣體傳感器對還原性氣體有響應(yīng)；而p型氣體傳感器對氧化性氣體有響應(yīng)。2．質(zhì)量敏感型氣體傳感器廣泛應(yīng)用于有毒有害氣體檢測的聲波型傳感器主要包括兩種類型：石英晶體微量天平(QCM)和表面聲波器件(SAW)，由于這兩種傳感器的工作原理主要是應(yīng)用了質(zhì)量敏感效應(yīng)，所以可將它們歸類于質(zhì)量敏感型傳感器。對于氣體敏感膜材料的要求主要有如下幾個方面：1）對待測氣體分子能靈敏而快速的響應(yīng)；2）選擇性好，氣體環(huán)境中其他氣體分子在一定濃度比范圍內(nèi)對傳感器輸出無顯著干擾；3）性能穩(wěn)定，無揮發(fā)性，不流失，熱穩(wěn)定性與化學(xué)穩(wěn)定性能滿足要求；4）吸附具有可逆性，可利用適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ顾降谋粶y氣體分子在短時間內(nèi)解析，以保證傳感器可多次重復(fù)使用；5）重復(fù)性與再現(xiàn)性好，使用壽命長；6）能夠可靠地涂覆于諧振器表面；7）除非用于濕度測量，否則敏感膜材料應(yīng)無顯著吸濕性，或可用適當(dāng)方法方便地去除空氣環(huán)境中水分子的影響；8）涂膜厚度均勻，用量適度，與諧振器表面的結(jié)合性好。微懸臂梁式質(zhì)量敏感型氣體傳感器通過測量附著在傳感器探測區(qū)表面物質(zhì)的質(zhì)量引起的結(jié)構(gòu)諧振頻率的變化來檢測物質(zhì)成分，在車內(nèi)氣體檢測中得到了廣泛的應(yīng)用。作為一種極具應(yīng)用前景的快速、實時檢測手段，質(zhì)量敏感型氣體傳感器的發(fā)展將主要集中在以下幾個方面：1）結(jié)合有機(jī)聚合物、超分子化合物、無機(jī)物膜材料等敏感膜材料的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計和發(fā)展高選擇性、高靈敏度、高穩(wěn)定性的氣體傳感器特異敏感涂層材料。2）納米級厚度、均勻、穩(wěn)定、牢固涂層工藝的研究。3）傳感器件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，通過器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計來提高對選擇性氣體的靈敏度。4）微傳感器的研究及微電子機(jī)械技術(shù)在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用，開發(fā)無源無線傳感技術(shù)，從而實現(xiàn)傳感器的微型化、集成化和智能化。7.2.3車內(nèi)有毒氣體濃度監(jiān)測傳感器1．接觸燃燒式氣體傳感器接觸燃燒式氣體傳感器是利用催化燃燒的熱效應(yīng)原理，由檢測元件和補(bǔ)償元件配對構(gòu)成測量電橋，在一定溫度條件下，可燃性氣體在檢測元件載體表面及催化劑的作用下發(fā)生無焰燃燒，使得載體溫度升高，其內(nèi)部的鉑絲電阻也相應(yīng)升溫，從而使平衡電橋失去平衡，輸出一個與可燃?xì)怏w濃度成正比的電信號。2．電化學(xué)式氣體傳感器電化學(xué)氣體傳感器通過與被測氣體發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號來工作。典型的電化學(xué)傳感器由傳感電極（或工作電極）和參考電極組成，并由一個薄電解層隔開。氣體首先通過微小的毛管型開孔與傳感器發(fā)生反應(yīng)，通過憎水屏障到達(dá)電極表面。這種方法允許適量氣體與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，以形成充分的電信號，同時防止電解質(zhì)泄露。穿過屏障擴(kuò)散的氣體與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，傳感電極可以采用氧化機(jī)理或還原機(jī)理。3．紅外吸收型氣體傳感器大部分的氣體在中紅外區(qū)都有特征吸收峰，檢測特征吸收峰位置的吸收情況，就可以確定某氣體的濃度。如果光源光譜覆蓋一個或多個氣體的吸收線，則光通過待測氣體時會就發(fā)生衰減，輸出光強(qiáng)I、輸入光強(qiáng)I0和氣體的濃度C之間關(guān)系滿足朗伯—比爾（Lambert－Beer）吸收定律，即紅外吸收型氣體傳感器可以有效地分辨氣體的種類，準(zhǔn)確測定氣體濃度。與其他氣體傳感技術(shù)相比，這種傳感技術(shù)具有測量靈敏度高，氣體鑒別能力好，響應(yīng)速度快，耐高溫及潮濕能力強(qiáng)，氣體傳感探頭(氣體吸收盒)簡單可靠以及易于形成網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)。但受光源強(qiáng)度的波動、光纖折射率變化，連接器損耗和外界干擾等因素的影響較大。7.3駕駛員狀態(tài)監(jiān)測傳感器7.3.1駕駛員狀態(tài)監(jiān)測基本原理駕駛員疲勞狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)最早應(yīng)用于飛機(jī)等高級輔助駕駛或自動駕駛程度比較高的領(lǐng)域，初期的駕駛員疲勞監(jiān)測系統(tǒng)是一種基于人體疲勞時生理反應(yīng)特征信號的監(jiān)測系統(tǒng)。從駕駛員自身特征出發(fā)，通過某種設(shè)備獲取駕駛?cè)说纳硇盘柼卣骰蛘呃民{駛員正常狀態(tài)和疲勞狀態(tài)下的特征模式的不同，通過視覺傳感器采集駕駛員面部各種器官特征，利用相應(yīng)的模式識別技術(shù)分類判別駕駛員是否處于疲勞狀態(tài)。使用駕駛員面部運(yùn)動、眼部運(yùn)動、心電、腦電等直接表征駕駛員疲勞狀態(tài)的信號，與采集心電信號和腦電信號相比，采集駕駛員面部運(yùn)動和眼部運(yùn)動信號比較簡單方便并且精度較高，所以目前基于駕駛員面部運(yùn)動信號和眼部運(yùn)動信號的監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用比較廣泛。1．梅賽德斯-奔馳公司AttentionAssist和大眾公司疲勞駕駛監(jiān)測系統(tǒng)2．福特公司DriverAlertSystem3．豐田公司和日產(chǎn)公司的駕駛員疲勞監(jiān)測系統(tǒng)4．沃爾沃公司駕駛員安全警告系統(tǒng)（DAC）7.3.2駕駛員狀態(tài)檢測傳感器1．腦電類傳感器腦電波（electroencephalogram，EEG）是大腦活動時大量神經(jīng)元同步發(fā)生突觸后電位形成的，記錄著腦神經(jīng)細(xì)胞的電生理活動和電波變化。腦電波對于癲癇、腦中風(fēng)的診斷有輔助功能，是醫(yī)療和健康管理研究的重要領(lǐng)域。根據(jù)頻率變動范圍，腦電波可劃分為δ波（1～3Hz）、θ波（4～7Hz）、α波（8～13Hz）、β波（14～30Hz）。在覺醒并專注于某一事時，?？梢娨环N頻率較β波更高的γ波，其頻率為30～80Hz。α波度量放松狀態(tài)，可減少焦慮和壓力，與運(yùn)動表現(xiàn)，創(chuàng)造力也有一定關(guān)系。通過對腦電信號（腦電節(jié)律、事件相關(guān)電位）的分析，反應(yīng)人體疲勞程度，腦電波在人的頭部轉(zhuǎn)動、喝水等動作出現(xiàn)時其值變化會比較劇烈。故在使用腦電圖監(jiān)測疲勞時，可以通過區(qū)分波段反映疲勞情況。2．心電類傳感器心臟相當(dāng)于人體內(nèi)的電源，其活動受到交感神經(jīng)與副交感神經(jīng)平衡調(diào)節(jié)功能的影響。在每個心動周期內(nèi)，心臟的起搏點(diǎn)、心房、心室陸續(xù)開始興奮，心肌細(xì)胞動作電位會產(chǎn)生相應(yīng)變化，這些生物電變化能夠通過體液傳導(dǎo)并反映至身體表面的特定區(qū)域，被稱作心電信號（ECG）。心率變異性（HRV）是指逐次心搏間瞬時心率的細(xì)微差異，由于自主神經(jīng)系統(tǒng)對心臟竇房結(jié)的自律性調(diào)制作用，導(dǎo)致心搏間期出現(xiàn)幾十毫秒的波動現(xiàn)象。心肌細(xì)胞的電沖動使得心電生理運(yùn)動擁有興奮性、傳導(dǎo)性、自律性等特征，能讓人體不同部位表面皮膚出現(xiàn)電位差異，通過安裝在皮膚表面的電極片記錄心電信號的變化，心電圖就是這樣產(chǎn)生的。3．肌電類傳感器在人體這個復(fù)雜系統(tǒng)中，感受器在收到外界刺激后，大腦皮層的中樞神經(jīng)會發(fā)出肌肉收縮或舒張指令，此時運(yùn)動神經(jīng)元的細(xì)胞體產(chǎn)生刺激，通過運(yùn)動神經(jīng)元軸突傳播到肌肉纖維上，肌肉纖維是運(yùn)動神經(jīng)元的效應(yīng)器，其擁有興奮、收縮和舒張的特征。每個運(yùn)動神經(jīng)元能夠聯(lián)系多條肌肉纖維，當(dāng)遇到神經(jīng)沖動刺激時產(chǎn)生肌肉纖維的動作電位，使得肌肉纖維收縮從而產(chǎn)生肌肉力，該動作電位就是肌電（EMG）信號，將這個部分稱為運(yùn)動神經(jīng)單元。肌電信號在人體軟組織內(nèi)傳播產(chǎn)生電流場，在肌電電極間表現(xiàn)出電位差，肌電測試儀通過記錄電位差的變化并通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換處理后得到的波形圖就是肌電圖。肌電信號的測量方法包括插入式針電極測量和皮膚表面電極測量。由于針電極的測量方式會對肌肉造成一定程度的損傷，因此，這種類型的測試通常用于試驗室中的動物試驗。而皮膚表面電極測量具有使用方便、安全無損傷的特點(diǎn)，己經(jīng)成為研究中的主要測試手段。4．視覺傳感器疲勞狀態(tài)監(jiān)測廣泛采用將眼睛閉合時間占據(jù)一段時間的百分比作為判斷疲勞的指標(biāo)?？▋?nèi)基梅隆研究所通過反復(fù)試驗和論證，指出單位時間內(nèi)眼睛閉合程度超過80%時間占總時間的百分比以上的與駕駛疲勞程度相關(guān)性最好。先進(jìn)一點(diǎn)的方法是利用人的視網(wǎng)膜對不同波長紅外光反射量的不同生理特點(diǎn)，在相同照度的情況下，利用兩個攝像頭同時采集人臉圖像，分析差分后瞳孔圖像的大小和位置，可實現(xiàn)對駕駛員疲勞狀況的全天候監(jiān)測。頭部位置探測是利用計算駕駛員頭部位置傳感器，設(shè)計安裝在駕駛員座位上的一個相鄰的電容電極傳感器陣列，每個傳感器都能輸出駕駛員頭部距離傳感器的位置，可以計算出頭部在X，Y，Z三維空間中的位置。7.4汽車傳感器在汽車傳感網(wǎng)的應(yīng)用7.4.1車聯(lián)網(wǎng)的定義車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是指裝載在車輛上的電子標(biāo)簽通過無線射頻等識別技術(shù)，實現(xiàn)在信息網(wǎng)絡(luò)平臺上對所有車輛的屬性信息和靜、動態(tài)信息進(jìn)行提取和有效利用。并根據(jù)不同的功能需求對所有車輛的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效的監(jiān)管和提供綜合服務(wù)。車聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)車與車之間、車與建筑物之間以及車與基礎(chǔ)設(shè)施之間的信息交換，它甚至可以幫助實現(xiàn)汽車和行人、汽車和非機(jī)動車之間的“交流”。就像互聯(lián)網(wǎng)把每個單臺的電腦連接起來。車聯(lián)網(wǎng)能夠把獨(dú)立的汽車聯(lián)結(jié)在一起。車聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)：1）車聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)以車輛為主，這就決定了車聯(lián)網(wǎng)的高動態(tài)特性。2）車聯(lián)網(wǎng)中的車輛結(jié)點(diǎn)間的通信受到的干擾因素更多，包括路邊的建筑物、天氣狀況、道路交通狀況、車輛的相對行駛速度等；3）車聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中受到車輛運(yùn)動情況、道路分布狀況等因素的影響，網(wǎng)絡(luò)的連通性不穩(wěn)定，這在一定程度上限制了車聯(lián)網(wǎng)的推廣使用；4）車輛中有較大的承載空間，可以裝備較高性能的車載計算機(jī)以及一些必要的外部輔助設(shè)備，如GPS、GIS等；5）車聯(lián)網(wǎng)對網(wǎng)絡(luò)的安全性、可靠性以及穩(wěn)定性要求更高，車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用過程中，不允許出現(xiàn)一些不安全、不可靠的事件，否則可能會造成巨大的生命財產(chǎn)損失。6）車聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以對外界刺激做出快速的響應(yīng)，同時，其特殊的結(jié)構(gòu)也會使接入方式因環(huán)境而發(fā)生改變。車聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)大體上可以分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層等三部分，其相互關(guān)系如下：1）感知層主要負(fù)責(zé)感知和采集車輛自身與交通信號信息。2）網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)整理感知層收集到的信息。3）應(yīng)用層負(fù)責(zé)提供不同類型的服務(wù)，以實現(xiàn)人、車、環(huán)境協(xié)同服務(wù)需求。通過把收集到的信息整合到應(yīng)用層，可以實現(xiàn)人工智能交通管理、車輛的安全控制、交通信息的發(fā)布等功能，為個人、企業(yè)、公司提供了更多的快捷的服務(wù)。7.4.2車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢車聯(lián)網(wǎng)是車輛與信息化相結(jié)合的高新技術(shù)。車聯(lián)網(wǎng)通過集成多種通信技術(shù)將車輛內(nèi)部各部件、車輛內(nèi)部與外部世界之間連接成網(wǎng)絡(luò)，形成融合車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)、車載移動互聯(lián)網(wǎng)的一體化網(wǎng)絡(luò)。目前，業(yè)界通常將遠(yuǎn)程信息服務(wù)（Telematics）當(dāng)成車聯(lián)網(wǎng)。Telematics最早是指由遠(yuǎn)程通信（Telecommunications）和計算機(jī)（Computers）技術(shù)構(gòu)成的信息技術(shù)（Informationtechnology），用來描述基于計算機(jī)的信息遠(yuǎn)程傳輸和處理技術(shù)。車聯(lián)網(wǎng)通信根據(jù)通信對象的不同，可以將通信劃分為以下幾個類別：車輛內(nèi)部通信、車輛之間通信、人車通信、車路通信。以下將詳細(xì)接受這幾類通信：1）車輛內(nèi)部通信：車輛內(nèi)部通信是指汽車內(nèi)部車載單元之間的信息交流和共享。2）車輛之間的通信：車輛之間的通信是指通過車載終端，進(jìn)行的車與車之間雙向的數(shù)據(jù)通信。3）人車通信：人車通信是指人使用的移動設(shè)備，如手機(jī)、電腦或其他的智能設(shè)備與車載終端之間進(jìn)行的通信，采用的技術(shù)包括Bluetooth，RIFD等，主要應(yīng)用在車輛管理，智能鑰匙和車輛信息服務(wù)上；4）車路通信是指車內(nèi)終端設(shè)備和道路基礎(chǔ)設(shè)備之間的信息交流，通過道路周邊信息的采集，可以獲得車輛周邊信息，實現(xiàn)車輛和基礎(chǔ)設(shè)施之間的智能交通。針對已獲得的我國車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展信息，未來車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1）以生態(tài)為中心的駕駛。2）活動安全協(xié)議。3）智能交通。4）集成式移動服務(wù)。5）智能協(xié)同交通。6）敏捷的導(dǎo)航系統(tǒng)。7.4.3車聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

車聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)體系從車聯(lián)網(wǎng)的定義、發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢中可以看出，車聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)包括由3個應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)和4個基礎(chǔ)共性關(guān)鍵技術(shù)所形成的“三縱四橫”關(guān)鍵技術(shù)體系。從車