傳感技術及智能傳感器的應用課件：傳感器在電動汽車上的典型應用

傳感技術及智能傳感器的應用

傳感技術與智能傳感器的應用正文

傳感器在電動汽車上的典型應用第一節(jié)

防撞系統(tǒng)一、汽車防撞預警系統(tǒng)

（一）汽車防撞預警系統(tǒng)的工作原理

汽車防撞預警系統(tǒng)（Vehiclecollisionwarningsystem）也稱作汽車自動防撞系統(tǒng)。其主要用于協(xié)助駕駛員避免高速、低速追尾，高速中無意識偏離車道，與行人碰撞等重大交通事故。幫助駕駛員持續(xù)地檢測車輛前方

道路狀況，系統(tǒng)可以識別判斷各種潛在的危險情況，并通過不同的聲音和視覺提醒，以幫助駕駛員避免或減緩碰撞事故和避免高速、低速追尾事故。

工作原理

汽車防撞預警系統(tǒng)分布圖，如圖6-1所示。

汽車防撞預警系統(tǒng)包括三個子系統(tǒng)：

１）傳感器感知子系統(tǒng)，收集車輛環(huán)境信息。

２）中心處理子系統(tǒng)，評估交通事態(tài)。

３）輸出子系統(tǒng)，通過人機界面為駕駛員提供駕駛信息；通過車輛

系統(tǒng)及時對車輛的縱向橫向控制做出調整。

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傳感器在電動汽車上的典型應用第一節(jié)

防撞系統(tǒng)一、汽車防撞預警系統(tǒng)

汽車防撞預警系統(tǒng)分布圖，如圖6-1所示。圖6-1汽車防撞預警系統(tǒng)分布圖

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防撞系統(tǒng)一、汽車防撞預警系統(tǒng)

（二）汽車防撞預警系統(tǒng)描述

汽車防撞預警系統(tǒng)是基于智能視頻分析、處理的汽車防撞預警系統(tǒng)，通過動態(tài)視頻攝像技術、計算機圖像處理技術來實現(xiàn)其預警功能。

主要功能

車距監(jiān)測及追尾預警、前方碰撞預警、車道偏離預警、導航功能、黑匣子功能。相對于國內外現(xiàn)有的防撞預警系統(tǒng)

（如超聲波防撞預警系統(tǒng)、雷達防撞預警系統(tǒng)、激光防撞預警系統(tǒng)、紅外線防撞預警系統(tǒng)等），汽車防撞預警系統(tǒng)在功能、穩(wěn)定性、準確性、人性化、價格上都具有無可比擬的優(yōu)勢，可全天候、長時間穩(wěn)定運行，極大提高了汽車駕駛的舒適性和安全性。

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傳感器在電動汽車上的典型應用第一節(jié)

防撞系統(tǒng)一、汽車防撞預警系統(tǒng)

（三）汽車防撞預警系統(tǒng)工能概況

1、車距監(jiān)測及預警

系統(tǒng)不間斷地監(jiān)測與前方車輛的距離，并根據(jù)與前方車輛的接近程度提供三種級別的車距監(jiān)測警報。

2、汽車越線預警

在轉向燈沒有打開的情況下，車輛穿過各種車道線之前約0.5s時系統(tǒng)會產(chǎn)生越線警報。

3、前向碰撞預警

系統(tǒng)警示駕駛者與前方車輛即將發(fā)生碰撞。當本車輛按當前行駛速度與前方車輛的可能碰撞時間在2.7s內時，系統(tǒng)將產(chǎn)生聲、光警報。

4、其他功能

黑匣子功能、智能導航、休閑娛樂、雷達預警系統(tǒng)

（可選）、胎壓監(jiān)測

（可選）、數(shù)字電視

（可選）、倒車后視

（可選）。

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防撞系統(tǒng)一、汽車防撞預警系統(tǒng)

（四）汽車防撞預警系統(tǒng)的技術優(yōu)勢

汽車防撞預警系統(tǒng)具有兩個32位ARM9處理器，管理著4層計算引擎，運行速度更快，計算能力更強；視頻分析處理技術是其技術的核心，采用

CAN總線傳輸技術，使其能更好的與汽車信號結合，白天／夜晚、晴天／雨雪天、橋涵／隧道、平原／山地等全天候報警，采用單一的視覺感知系統(tǒng)使其成本更低。

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防撞系統(tǒng)一、汽車防撞預警系統(tǒng)

（五）汽車防撞預警系統(tǒng)的發(fā)展歷史

當前的汽車前碰撞預警毫米波雷達，主要有24GHz和77GHz兩個頻段。如“路王”雷達系統(tǒng)Wayking24GHz，主要實現(xiàn)近距離探測（SRR），不僅廣泛用在汽車前碰撞預警中，而且已經(jīng)應用于無人機上作為定高雷達使用。而77GHz系統(tǒng)，主要實現(xiàn)遠距離的探測（LRR）?；蛘呤莾煞N系統(tǒng)結合使用，實現(xiàn)遠近距離的探測。

汽車前碰撞預警毫米波雷達的微波防撞系統(tǒng)：當前市場上的代表廠家有荷蘭NXP(恩智浦)、德國的Continental(大陸)、Bosch(博士)、Wayking（渭成）等系統(tǒng)應用較多。

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防撞系統(tǒng)二、倒車雷達

（一）倒車雷達釋義

倒車雷達全稱叫

“倒車防撞雷達”（即停車距離控制系統(tǒng)），也叫

“泊車輔助裝置”，是汽車泊車或者倒車時的安全輔助裝置，由超聲波傳感器

（俗稱探頭）、控制器和顯示器

（或蜂鳴器）等部分組成。

倒車時幫助司機“看見”后視鏡里看不見的東西，以聲音或直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷，提高駕駛的安全性。

倒車雷達也存在一定的盲區(qū)，包括過于低矮的障礙物（低于探頭中心10～15cm以下的障礙物）、過細的障礙物

（如隔離樁、斜拉鋼纜）和溝坎。

倒車雷達是根據(jù)蝙蝠在黑夜里高速飛行而不會與任何障礙物相撞的原理設計開發(fā)的。其顯示器裝在后視鏡上，不停地提醒車輛和后面物體之間的距離，到危險距離時，蜂鳴器開始鳴叫，提醒司機及時停車。

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防撞系統(tǒng)二、倒車雷達

倒車防撞雷達在智能汽車中的分布如圖6-2所示。圖6-2智能汽車傳感器／監(jiān)視器分布示意圖

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防撞系統(tǒng)二、倒車雷達

倒車雷達系統(tǒng)結構如圖6-3所示。圖6-3倒車雷達系統(tǒng)結構示意圖

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防撞系統(tǒng)二、倒車雷達

（二）倒車雷達的工作原理

PDC的工作原理

在車的后保險杠或前后保險杠設置雷達偵測器，用以偵測前后方的障礙物。幫助駕駛員“看到”前后方的障礙物，或判斷停車時與其他車輛的距離。系統(tǒng)工作示意圖如圖6-4所示。圖6-4倒車雷達系統(tǒng)工作原理示意圖

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防撞系統(tǒng)二、倒車雷達

（三）倒車雷達的攝像頭

倒車攝像頭位置示意圖如圖6-5所示。132圖6-5倒車攝像頭

位置示意圖1—顯示器位置2—攝像頭電源

（接倒車燈）3—攝像頭位置

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防撞系統(tǒng)二、倒車雷達

（四）倒車雷達各部件的作用

１）超聲波傳感器

用于發(fā)射及接收超聲波信號，完成距離的測量。

２）主機

發(fā)射正弦波脈沖給超聲波傳感器，并處理其接收到的信號，換算出距離值，將數(shù)據(jù)傳送給顯示器。

３）顯示器或蜂鳴器

用于接收主機距離數(shù)據(jù)，并依照距離遠近來顯示距離值，同時提供不同級別的距離報警音。

倒車雷達由主機控制，傳感器發(fā)射超聲波信號，若遇到障礙物就會有回波信號，傳感器經(jīng)主機對收到的回波信號進行數(shù)據(jù)處理并判斷出障礙物的位置，由顯示器顯示距離并發(fā)出警示信號，使倒車時能了解到具體情況，倒車會更加安全。

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防撞系統(tǒng)二、倒車雷達

（五）倒車雷達的選擇

1、質量方面

倒車雷達作為一種汽車用品，最重要的是質量過硬、提供的服務好、承諾的包修期長。

2、功能方面

從功能方面倒車雷達可分為LCK距離顯示、聲音提示報警、方位指示、語音提示、探頭自動檢測等，一個功能齊全的倒車雷達應具備以上功能。

3、性能方面

性能主要從探測范圍、準確性、顯示穩(wěn)定性和捕捉目標速度來考證。

探測范圍

至少在0.4～1.5ｍ；

準確性

主要看顯示分辨率為10cm至1cm；

探測誤差

顯示距離與實際距離間的誤差，誤差應低于3cm；

顯示穩(wěn)定性

障礙物反射面不好時，捕捉并穩(wěn)定顯示出障礙物的距離；

捕捉速度

反映倒車雷達對移動物體的捕捉能力。

4、外觀工藝方面

作為汽車的內外裝飾件，需要和汽車的整體結構、顏色相協(xié)調。

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防撞系統(tǒng)二、倒車雷達

（六）倒車雷達使用的注意事項

１）倒車雷達探頭安裝位置

應安裝在后保險杠上，探頭以大約45°輻射，上下左右搜尋目標。它最大的好處是能探索到那些低于保險杠而駕駛員從車后窗難以看見的障礙物

（如花壇、蹲在車后玩耍的小孩等）并報警，如圖6-6所示。

２）自動工作

擋位桿掛入倒擋時，倒車雷達自動開始工作，當探頭偵測到后方物體時蜂鳴器發(fā)出警示，當車輛繼續(xù)倒車時，警報聲的頻率會逐漸加快，最后變?yōu)殚L鳴音。

圖6-6倒車雷達系統(tǒng)部件安裝位置示意圖

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傳感器在電動汽車上的典型應用第二節(jié)

安全氣囊傳感器一、簡介

安全氣囊傳感器

也稱碰撞傳感器，按照用途的不同，碰撞傳感器分為觸發(fā)碰撞傳感器和防護碰撞傳感器。其安裝位置示意圖如圖6-7所示。還可分為機電式、電子式及機械式碰撞傳感器。

防護型一般采用電子式結構，觸發(fā)型一般采用機電結合式結構或機械式結構。用于檢測碰撞時的加速度變化，并將碰撞信號傳給氣囊電路，作為氣囊電路的觸發(fā)信號。

圖6-7安全氣囊傳感器安裝位置示意圖

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傳感器在電動汽車上的典型應用第二節(jié)

安全氣囊傳感器二、缺陷

（一）氣囊可能在很低的車速時打開

汽車在很低車速行駛而發(fā)生碰撞事故時，乘員和駕駛員系上安全帶即可，完全不需要安全氣囊展開起保護作用。如果這時展開安全氣囊反而會造成不必要的浪費，甚至還可能因安全氣囊展開而加重碰撞傷害。

（二）氣囊的啟動會對乘員造成傷害

安全氣囊系統(tǒng)啟動時，將沖開氣囊蓋板，在瞬間展開充氣，很可能對乘員造成沖擊；產(chǎn)生的灼熱氣體也會灼傷乘員和駕駛員。

據(jù)計算，若汽車以60Km的時速行駛，突然的撞擊會令車輛在0.2s之內停下，而氣囊則會以大約300Km／h的速度彈出，由此所產(chǎn)生的撞擊力約有180Kg，這對于頭部、頸部等人體較脆弱的部位很難承受。當乘客偏離座位或座位上無人或兒童乘坐時，氣囊系統(tǒng)的啟動不僅起不到應有的保護作用，還可能會對乘員造成一定的傷害。

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傳感器在電動汽車上的典型應用第三節(jié)

汽車雨量傳感器一、雨量傳感器的作用

汽車雨量傳感器是根據(jù)落在玻璃上雨水量的大小，來調整刮水器動作快慢的傳感器。對刮水器的動作速度做無級調節(jié)。

還可向微電腦提供信號，自動調整前照燈照射寬度、遠近度、明暗度；

同時天窗系統(tǒng)也會自動關閉。

保證駕駛員視線通暢，確保行車安全。

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傳感器在電動汽車上的典型應用第三節(jié)

汽車雨量傳感器二、雨量傳感器的種類和原理

雨量傳感器主要有流量式、靜電式、壓電式和紅外線式雨滴傳感器。其在汽車上的安裝位置示意圖如圖6-8所示。圖6-8汽車雨量傳器安裝位置示意圖

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傳感器在電動汽車上的典型應用第三節(jié)

汽車雨量傳感器

（一）流量式雨量傳感器

如圖6-9所示為電控接點式控制電路原理圖，S1、S2、S3為流量監(jiān)測電極板，如設置S1-S2為2.5cm，距離較近，小雨量時T1先導通，J1吸合，雨刮低速轉動；設置S1-S3為3cm距離較遠，大雨量時T2先導通，J2繼電器吸合，常開觸點接通，雨刮電機高速轉動。圖6-9流量式雨量傳感器控制電路原理圖

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傳感器在電動汽車上的典型應用第三節(jié)

汽車雨量傳感器二、雨量傳感器的種類和原理

（二）電容式雨量傳感器

圖6-10所示為電容式雨量傳感器控制電路原理圖，靜電面積S、電極間的距離d不變，則電容C只由介電系數(shù)ε決定。

因雨水和空氣的介電系數(shù)ε不同，C隨雨水的大小變化，利用靜電面積S的變化，改變振蕩電路的頻率而得到電信號的變化，以此電信號控制刮水器電動機的轉速，從而改變刮水器的快慢。圖6-10電容式雨量傳感器控制電路原理圖

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汽車雨量傳感器二、雨量傳感器的種類和原理

（三）壓電式雨量傳感器

壓電式雨量傳感器由振動板、壓電元件、放大電路、殼體及阻尼橡膠構成，如圖6-11所示。

１—阻尼橡膠

２—壓電元件

３—振動板４—上蓋５—混合集成電路６—電容器

７—密封條

８—下蓋

９—電路板

１０—密封套

１１—套管

１２—線束圖6-11壓電式雨量傳感器的結構圖

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汽車雨量傳感器二、雨量傳感器的種類和原理

（三）壓電式雨量傳感器

壓電式雨量傳感器控制框圖如圖6-12所示。

圖6-12壓電式雨量傳感器控制框圖

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汽車雨量傳感器二、雨量傳感器的種類和原理

（三）壓電式雨量傳感器

壓電振子利用壓電效應將機械位移（振動）變成電信號。

當雨滴落到振動板上時，壓電元件上就會產(chǎn)生電壓，電壓大小與加到振動板上的雨滴能量成正比，一般為0.5～300mV。放大電路將壓電元件上產(chǎn)生的電壓信號放大后，輸入到刮水器放大器中。放大器由晶體管、芯片、電阻、電容器等部件組成。故壓電振子受到雨淋，按照雨滴的強弱和雨量做振動，從而控制雨刮器的動作。如圖6-13和圖6-14所示，壓電傳感器的結構如圖6-15所示。

圖6-13壓電振子工作原理圖

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汽車雨量傳感器二、雨量傳感器的種類和原理

（三）壓電式雨量傳感器

壓電式雨量傳感器控制雨刮器的動作如圖6-13和圖6-14所示，壓電傳感器的結構如圖6-15所示。

圖6-14壓電振子振動轉化成電信號a)—不下雨時

b)—雨小時c)—雨大時1、陶瓷

（鈦酸鋇）

2、電極

（金屬蒸發(fā)）圖6-15壓電式傳感器的結構圖

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汽車雨量傳感器二、雨量傳感器的種類和原理

（三）壓電式雨量傳感器

壓電式雨量傳感器控制雨刮器的動作如圖6-13和圖6-14所示，壓電傳感器的結構如圖6-15所示。

圖6-14壓電振子振動轉化成電信號a)—不下雨時

b)—雨小時c)—雨大時1、陶瓷

（鈦酸鋇）

2、電極

（金屬蒸發(fā)）圖6-15壓電式傳感器的結構圖

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汽車雨量傳感器二、雨量傳感器的種類和原理

（三）壓電式雨量傳感器

壓電式傳感器實際上也是一個阻抗變換器，如圖6-16ａ是電壓放大器的電路原理圖，圖6-16ｂ是電壓放大器的等效電路圖。

a)電路原理圖

b)等效電路圖圖6-16電壓放大器的電路原理圖及等效電路圖

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汽車雨量傳感器二、雨量傳感器的種類和原理

（三）壓電式雨量傳感器

當雨滴接觸到傳感器表面時，傳感器產(chǎn)生隨雨滴強度和頻率變化的電壓，電壓經(jīng)放大存儲于功率放大器內。當信號達到一定值時，經(jīng)電路輸入至刮水器的驅動電路，刮水器啟動刮雨。其應用示意圖如圖6-17所示。圖6-17壓電式雨量傳感器的應用示意圖

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汽車雨量傳感器二、雨量傳感器的種類和原理

（四）紅外線式雨量傳感器

紅外線式雨量傳感器

在密度相對不同的介質中，光的反射和光的折射有差異的原理，來判斷是否有雨滴或雨量的大小，而控制刮水器啟動或控制其速度。

光密介質：折射率較大的介質叫作光密介質。

光疏介質：折射率較小的介質叫作光疏介質。

在光密介質和光疏介質中光的反射與折射示意圖見圖6-18所示。圖6-18在光密介質和光疏介質中的光的反射與折射示意圖

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汽車雨量傳感器二、雨量傳感器的種類和原理

（四）紅外線式雨量傳感器

1、無雨水接觸擋風玻璃時，其工作原理圖如圖6-19所示。圖6-19紅外線式雨量傳感器原理圖

（無雨滴時）

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汽車雨量傳感器二、雨量傳感器的種類和原理

（四）紅外線式雨量傳感器

2、雨水接觸擋風玻璃時

紅外光經(jīng)雨水折射，反射光線減弱。雨量越大折射光線越多，反射光線越弱。其工作原理圖如圖6-20所示。圖6-18在光密介質和光疏介質中的光的反射與折射示意圖

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傳感器在電動汽車上的典型應用第四節(jié)

智能胎壓監(jiān)測系統(tǒng)一、智能胎壓監(jiān)測系統(tǒng)組成

汽車智能胎壓監(jiān)測系統(tǒng)（IntelligentTirePressureMonitoringSystem,TPMS)，為無線智能感應、監(jiān)視系統(tǒng)，主要由安裝于輪胎內的感應器及發(fā)射器和安裝于駕駛室內的接收器及顯示器硬件組成。通常接收器和顯示器二合一，集成為一個完整的模塊單元。二、智能胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理

當汽車開動時，由加速度傳感器將信號發(fā)送給接收器，將監(jiān)測到的輪胎壓力與溫度信號一起傳送給接收器；接收器接收信號就予以顯示。

汽車行駛過程中，無線胎壓監(jiān)測器的傳感器每4s監(jiān)測一次數(shù)據(jù)，如無異常，為了省電每20s向接收器發(fā)送一次數(shù)據(jù)；當胎壓異常時，每4s向接收器發(fā)送一次數(shù)據(jù)。

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傳感器在電動汽車上的典型應用第四節(jié)

智能胎壓監(jiān)測系統(tǒng)三、智能胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的作用

作用

在汽車行駛過程中，對輪胎氣壓實時自動監(jiān)測，對輪胎漏氣和低氣壓報警，以確保行車安全。汽車的智能胎壓監(jiān)測系統(tǒng)如圖6-21所示。圖6-21汽車的智能胎壓監(jiān)測系統(tǒng)

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傳感器在電動汽車上的典型應用第四節(jié)

智能胎壓監(jiān)測系統(tǒng)四、胎壓監(jiān)測的方式

（一）直接式胎壓監(jiān)測

直接式胎壓監(jiān)測裝置

利用安裝在每一個輪胎里的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓，利用無線發(fā)射器將壓力信息從輪胎內部發(fā)送到中央接收器模塊上，然后對各輪胎氣壓數(shù)據(jù)進行顯示。當輪胎氣壓太低或漏氣時，系統(tǒng)會自動報警。

（二）間接式胎壓監(jiān)測

間接式胎壓監(jiān)測裝置

當某輪胎的氣壓降低時，車輛的重量會使該輪胎的滾動半徑變小，導致其轉速比其他輪胎快。通過比較輪胎之間的轉速差別，達到監(jiān)視胎壓的目的。間接式胎壓監(jiān)測實際上是依靠計算輪胎滾動半徑來對氣壓進行監(jiān)測。

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傳感器在電動汽車上的典型應用第四節(jié)

智能胎壓監(jiān)測系統(tǒng)四、胎壓監(jiān)測的方式

（三）輪胎智能監(jiān)控系統(tǒng)

輪胎智能監(jiān)控系統(tǒng)

兼有上述兩個系統(tǒng)的優(yōu)點，在汽車上兩個互相成對角線的兩兩輪胎內裝備直接傳感器，并裝備一個4輪間接系統(tǒng)。與全部使用直接系統(tǒng)相比，這種復合式系統(tǒng)可以降低成本，克服間接系統(tǒng)不能檢測出多個輪胎同時出現(xiàn)氣壓過低的缺點。但是，它仍然不能像直接系統(tǒng)那樣提供所有4個輪胎內實際壓力的實時數(shù)據(jù)。

通過上述對比，可見TPMS是當下最智能的一種，胎壓監(jiān)測系統(tǒng)不僅能在輪胎出現(xiàn)高壓、低壓、高溫時報警，也能幫助車主節(jié)油省錢。

胎壓監(jiān)測系統(tǒng)相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：汽車缺氣行駛將多消耗3.3％的燃油。輪胎有緩慢自然漏氣現(xiàn)象較難發(fā)現(xiàn)，通過胎壓監(jiān)測系統(tǒng)實時了解輪胎狀況，預防爆胎，節(jié)油環(huán)保。

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傳感器在電動汽車上的典型應用第五節(jié)

純電動汽車遠程監(jiān)管和控制技術一、監(jiān)管內容

基于大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)的應用，在監(jiān)控平臺的建立及車載終端設備的基礎上，通過CAN總線通信，可及時了解車輛的相關信息并方便快捷地實現(xiàn)整車遠程控制功能。

基于遠程監(jiān)控的平臺，應用更為方便快捷有效的遠程控制方法——GPS遠程控制，采用GPS報文的標準格式發(fā)送。

表6-1為GPS遠程鎖車流程的發(fā)送報文示意。

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純電動汽車遠程監(jiān)管和