汽车传感器原理与应用 课件 第7章 新型传感器及其在汽车上的应用

新型传感器及其在汽车上的应用第7章7.1汽车轮胎健康状况在线监测传感器1.监测系统在汽车轮胎状态监测系统中，光纤布拉格光栅（FiberBraggGrating,FBG）可测的参数有胎压、纵向应力、温度和速度等。该系统由光信号发送模块、3dB耦合器、FBG传感器和信号解调与数据处理模块等组成，系统采用频分复用(FrequencyDivisionMultiplexing,FDM)技术实现各参数的检测。2.工作原理光纤光栅传感器是一种应用光纤光栅对环境因素变化的感知原理研制的传感器。光纤光栅的周期是沿着光纤的长度方向刻写的，当光纤所处的环境状况发生变化时，引起光纤伸长或者缩短，光栅的周期被改变，使光纤光栅反射和传输的波长发生变化，通过测量这种变化即可感知环境因素的变化。在轮胎上粘贴一个刻在光纤上的光纤光栅，在汽车行驶的过程中，轮胎上的光纤光栅会受到周期性的冲击压力的作用。在此压力的作用下，光纤上的同一个光纤光栅的两个波峰会周期性的张开和复原，两个波峰每张开一次，即给出一个脉冲信号。以一个计时器记录两个脉冲之间的时间间隔τ，并假定轮胎的周长是固定不变的，为2πR，则车轮速度为7.2车内空气质量监测传感器7.2.1车内空气质量传感器概述车内空气污染物包括甲醛、苯系物、氨等，其主要来源于车内的塑料件、地毯、顶毡、座椅和其他装饰使用的胶水。这些污染物对皮肤、呼吸系统、血液、心血管都有损害，轻则引起头晕、胸闷、呼吸道炎症，还会对人的神经有麻痹作用，严重时甚至会致癌。车内空气质量监测系统的传感器的主要作用就是监测车内是否具有有毒气体以及有毒气体的浓度。7.2.2车内有毒气体监测传感器1．半导体传感器半导体气体传感器利用半导体与气体接触时电阻或功函数发生变化这一特性检测气体。半导体气敏元件是根据半导体接触到气体时其阻值的改变来检测气体的浓度，根据气体的吸附和反应使其某些特性发生变化对气体进行直接或间接的检测。电阻式传感器采用SnO2、ZnO等金属氧化物材料制备，有多孔烧结件、厚膜、薄膜等形式。半导体气体传感器有n型和p型之分。n型气体传感器对还原性气体有响应；而p型气体传感器对氧化性气体有响应。2．质量敏感型气体传感器广泛应用于有毒有害气体检测的声波型传感器主要包括两种类型：石英晶体微量天平(QCM)和表面声波器件(SAW)，由于这两种传感器的工作原理主要是应用了质量敏感效应，所以可将它们归类于质量敏感型传感器。对于气体敏感膜材料的要求主要有如下几个方面：1）对待测气体分子能灵敏而快速的响应；2）选择性好，气体环境中其他气体分子在一定浓度比范围内对传感器输出无显著干扰；3）性能稳定，无挥发性，不流失，热稳定性与化学稳定性能满足要求；4）吸附具有可逆性，可利用适当的方法使所吸附的被测气体分子在短时间内解析，以保证传感器可多次重复使用；5）重复性与再现性好，使用寿命长；6）能够可靠地涂覆于谐振器表面；7）除非用于湿度测量，否则敏感膜材料应无显著吸湿性，或可用适当方法方便地去除空气环境中水分子的影响；8）涂膜厚度均匀，用量适度，与谐振器表面的结合性好。微悬臂梁式质量敏感型气体传感器通过测量附着在传感器探测区表面物质的质量引起的结构谐振频率的变化来检测物质成分，在车内气体检测中得到了广泛的应用。作为一种极具应用前景的快速、实时检测手段，质量敏感型气体传感器的发展将主要集中在以下几个方面：1）结合有机聚合物、超分子化合物、无机物膜材料等敏感膜材料的优缺点，设计和发展高选择性、高灵敏度、高稳定性的气体传感器特异敏感涂层材料。2）纳米级厚度、均匀、稳定、牢固涂层工艺的研究。3）传感器件的结构优化设计，通过器件的结构设计来提高对选择性气体的灵敏度。4）微传感器的研究及微电子机械技术在传感器领域的应用，开发无源无线传感技术，从而实现传感器的微型化、集成化和智能化。7.2.3车内有毒气体浓度监测传感器1．接触燃烧式气体传感器接触燃烧式气体传感器是利用催化燃烧的热效应原理，由检测元件和补偿元件配对构成测量电桥，在一定温度条件下，可燃性气体在检测元件载体表面及催化剂的作用下发生无焰燃烧，使得载体温度升高，其内部的铂丝电阻也相应升温，从而使平衡电桥失去平衡，输出一个与可燃气体浓度成正比的电信号。2．电化学式气体传感器电化学气体传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。典型的电化学传感器由传感电极（或工作电极）和参考电极组成，并由一个薄电解层隔开。气体首先通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应，通过憎水屏障到达电极表面。这种方法允许适量气体与传感电极发生反应，以形成充分的电信号，同时防止电解质泄露。穿过屏障扩散的气体与传感电极发生反应，传感电极可以采用氧化机理或还原机理。3．红外吸收型气体传感器大部分的气体在中红外区都有特征吸收峰，检测特征吸收峰位置的吸收情况，就可以确定某气体的浓度。如果光源光谱覆盖一个或多个气体的吸收线，则光通过待测气体时会就发生衰减，输出光强I、输入光强I0和气体的浓度C之间关系满足朗伯—比尔（Lambert－Beer）吸收定律，即红外吸收型气体传感器可以有效地分辨气体的种类，准确测定气体浓度。与其他气体传感技术相比，这种传感技术具有测量灵敏度高，气体鉴别能力好，响应速度快，耐高温及潮湿能力强，气体传感探头(气体吸收盒)简单可靠以及易于形成网络等优点。但受光源强度的波动、光纤折射率变化，连接器损耗和外界干扰等因素的影响较大。7.3驾驶员状态监测传感器7.3.1驾驶员状态监测基本原理驾驶员疲劳状态监测系统最早应用于飞机等高级辅助驾驶或自动驾驶程度比较高的领域，初期的驾驶员疲劳监测系统是一种基于人体疲劳时生理反应特征信号的监测系统。从驾驶员自身特征出发，通过某种设备获取驾驶人的生理信号特征或者利用驾驶员正常状态和疲劳状态下的特征模式的不同，通过视觉传感器采集驾驶员面部各种器官特征，利用相应的模式识别技术分类判别驾驶员是否处于疲劳状态。使用驾驶员面部运动、眼部运动、心电、脑电等直接表征驾驶员疲劳状态的信号，与采集心电信号和脑电信号相比，采集驾驶员面部运动和眼部运动信号比较简单方便并且精度较高，所以目前基于驾驶员面部运动信号和眼部运动信号的监测系统应用比较广泛。1．梅赛德斯-奔驰公司AttentionAssist和大众公司疲劳驾驶监测系统2．福特公司DriverAlertSystem3．丰田公司和日产公司的驾驶员疲劳监测系统4．沃尔沃公司驾驶员安全警告系统（DAC）7.3.2驾驶员状态检测传感器1．脑电类传感器脑电波（electroencephalogram，EEG）是大脑活动时大量神经元同步发生突触后电位形成的，记录着脑神经细胞的电生理活动和电波变化。脑电波对于癫痫、脑中风的诊断有辅助功能，是医疗和健康管理研究的重要领域。根据频率变动范围，脑电波可划分为δ波（1～3Hz）、θ波（4～7Hz）、α波（8～13Hz）、β波（14～30Hz）。在觉醒并专注于某一事时，常可见一种频率较β波更高的γ波，其频率为30～80Hz。α波度量放松状态，可减少焦虑和压力，与运动表现，创造力也有一定关系。通过对脑电信号（脑电节律、事件相关电位）的分析，反应人体疲劳程度，脑电波在人的头部转动、喝水等动作出现时其值变化会比较剧烈。故在使用脑电图监测疲劳时，可以通过区分波段反映疲劳情况。2．心电类传感器心脏相当于人体内的电源，其活动受到交感神经与副交感神经平衡调节功能的影响。在每个心动周期内，心脏的起搏点、心房、心室陆续开始兴奋，心肌细胞动作电位会产生相应变化，这些生物电变化能够通过体液传导并反映至身体表面的特定区域，被称作心电信号（ECG）。心率变异性（HRV）是指逐次心搏间瞬时心率的细微差异，由于自主神经系统对心脏窦房结的自律性调制作用，导致心搏间期出现几十毫秒的波动现象。心肌细胞的电冲动使得心电生理运动拥有兴奋性、传导性、自律性等特征，能让人体不同部位表面皮肤出现电位差异，通过安装在皮肤表面的电极片记录心电信号的变化，心电图就是这样产生的。3．肌电类传感器在人体这个复杂系统中，感受器在收到外界刺激后，大脑皮层的中枢神经会发出肌肉收缩或舒张指令，此时运动神经元的细胞体产生刺激，通过运动神经元轴突传播到肌肉纤维上，肌肉纤维是运动神经元的效应器，其拥有兴奋、收缩和舒张的特征。每个运动神经元能够联系多条肌肉纤维，当遇到神经冲动刺激时产生肌肉纤维的动作电位，使得肌肉纤维收缩从而产生肌肉力，该动作电位就是肌电（EMG）信号，将这个部分称为运动神经单元。肌电信号在人体软组织内传播产生电流场，在肌电电极间表现出电位差，肌电测试仪通过记录电位差的变化并通过转换器转换处理后得到的波形图就是肌电图。肌电信号的测量方法包括插入式针电极测量和皮肤表面电极测量。由于针电极的测量方式会对肌肉造成一定程度的损伤，因此，这种类型的测试通常用于试验室中的动物试验。而皮肤表面电极测量具有使用方便、安全无损伤的特点，己经成为研究中的主要测试手段。4．视觉传感器疲劳状态监测广泛采用将眼睛闭合时间占据一段时间的百分比作为判断疲劳的指标。卡内基梅隆研究所通过反复试验和论证，指出单位时间内眼睛闭合程度超过80%时间占总时间的百分比以上的与驾驶疲劳程度相关性最好。先进一点的方法是利用人的视网膜对不同波长红外光反射量的不同生理特点，在相同照度的情况下，利用两个摄像头同时采集人脸图像，分析差分后瞳孔图像的大小和位置，可实现对驾驶员疲劳状况的全天候监测。头部位置探测是利用计算驾驶员头部位置传感器，设计安装在驾驶员座位上的一个相邻的电容电极传感器阵列，每个传感器都能输出驾驶员头部距离传感器的位置，可以计算出头部在X，Y，Z三维空间中的位置。7.4汽车传感器在汽车传感网的应用7.4.1车联网的定义车联网技术是指装载在车辆上的电子标签通过无线射频等识别技术，实现在信息网络平台上对所有车辆的属性信息和静、动态信息进行提取和有效利用。并根据不同的功能需求对所有车辆的运行状态进行有效的监管和提供综合服务。车联网可以实现车与车之间、车与建筑物之间以及车与基础设施之间的信息交换，它甚至可以帮助实现汽车和行人、汽车和非机动车之间的“交流”。就像互联网把每个单台的电脑连接起来。车联网能够把独立的汽车联结在一起。车联网的特点：1）车联网当中的网络结点以车辆为主，这就决定了车联网的高动态特性。2）车联网中的车辆结点间的通信受到的干扰因素更多，包括路边的建筑物、天气状况、道路交通状况、车辆的相对行驶速度等；3）车联网当中受到车辆运动情况、道路分布状况等因素的影响，网络的连通性不稳定，这在一定程度上限制了车联网的推广使用；4）车辆中有较大的承载空间，可以装备较高性能的车载计算机以及一些必要的外部辅助设备，如GPS、GIS等；5）车联网对网络的安全性、可靠性以及稳定性要求更高，车联网的应用过程中，不允许出现一些不安全、不可靠的事件，否则可能会造成巨大的生命财产损失。6）车联网的网络结构采用拓扑结构，可以对外界刺激做出快速的响应，同时，其特殊的结构也会使接入方式因环境而发生改变。车联网的体系结构大体上可以分为感知层、网络层和应用层等三部分，其相互关系如下：1）感知层主要负责感知和采集车辆自身与交通信号信息。2）网络层负责整理感知层收集到的信息。3）应用层负责提供不同类型的服务，以实现人、车、环境协同服务需求。通过把收集到的信息整合到应用层，可以实现人工智能交通管理、车辆的安全控制、交通信息的发布等功能，为个人、企业、公司提供了更多的快捷的服务。7.4.2车联网的发展趋势车联网是车辆与信息化相结合的高新技术。车联网通过集成多种通信技术将车辆内部各部件、车辆内部与外部世界之间连接成网络，形成融合车内网、车际网、车载移动互联网的一体化网络。目前，业界通常将远程信息服务（Telematics）当成车联网。Telematics最早是指由远程通信（Telecommunications）和计算机（Computers）技术构成的信息技术（Informationtechnology），用来描述基于计算机的信息远程传输和处理技术。车联网通信根据通信对象的不同，可以将通信划分为以下几个类别：车辆内部通信、车辆之间通信、人车通信、车路通信。以下将详细接受这几类通信：1）车辆内部通信：车辆内部通信是指汽车内部车载单元之间的信息交流和共享。2）车辆之间的通信：车辆之间的通信是指通过车载终端，进行的车与车之间双向的数据通信。3）人车通信：人车通信是指人使用的移动设备，如手机、电脑或其他的智能设备与车载终端之间进行的通信，采用的技术包括Bluetooth，RIFD等，主要应用在车辆管理，智能钥匙和车辆信息服务上；4）车路通信是指车内终端设备和道路基础设备之间的信息交流，通过道路周边信息的采集，可以获得车辆周边信息，实现车辆和基础设施之间的智能交通。针对已获得的我国车联网发展信息，未来车联网发展趋势主要体现在以下几个方面：1）以生态为中心的驾驶。2）活动安全协议。3）智能交通。4）集成式移动服务。5）智能协同交通。6）敏捷的导航系统。7.4.3车联网关键技术

车联网的关键技术体系从车联网的定义、发展现状和趋势中可以看出，车联网的关键技术包括由3个应用关键技术和4个基础共性关键技术所形成的“三纵四横”关键技术体系。从车联网的主要应用领域来看，车联网的应用关键技术主要包括3个方面：1）车联网技术在汽车工业中应用的关键技术。2）车联网技术在交通领域中应用的关键技术。3）车联网技术在金融保险领域中应用的关键技术。而车联网的基础共性关键技术主要包括4个方面：1）建立完整的车联网体系架构。2）面向车联网的通信与网络技术。3）基于车联网的智能终端及应用技术，其研究重点包括：智能车机，车载智能手机，智能路侧设备，智能车机—手机协同，智能交通信号控制机，智能可变信息板，以及基于车联网的智能应用技术。4）车联网平台建设。车联网多模式通信框架通信类型车载移动互联网车际网车内网卫星通信北斗/GPS北斗/GPS北斗/GPS远程通信光纤通信/3G/4G——短程通信—DSRC/WLAN/蓝牙—总线通信CAN/LINCAN/LINCAN/LIN集成通信集成通信模块+智能网关

终端集成通信模式终端类型通信需求通信方式车载终端(OBU)车-车、车-路、车-网、车-人、车内、定位卫星、DSRC、3G/4G、CAN/LIN路测终端(RSU)路-车、路-路、路-网、路-人、定位卫星、DSRC、光纤、3G/4G消费者终端(ConsumerDevice)人-车、人-人、人-网、定位卫星、3G/4G中心/网络(Center/Internet)网-路、网-车、网-中心、网-人光纤、3G/4GRFID技术属于一种射频识别技术，不需要与实际目标进行实际存在的关联，借助无线信号便可读取核心信息，组成部分包括：应答器、软件系统等。RFID（radiofrequencyidentification，射频识别）是一种重要的非接触式的自动识别技术。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预。应答器包括耦合元件、芯片、天线，应答器与标签相互对应，每个标签都有一一对应的编码，附着在物体之上便可作为RFID的识别目标。阅读器是读取标签信息的设备。软件系统则为相关人员提供了人性化的操作界面，便于用户及时进行人际交流，从而保证该技术相关功能的全面实现。蓝牙传输是未来车联网发展的必然辅助方法。车联网的关键技术是提高车与车、车与路之间信息传输的有效性、全面性，因此需要考虑无线通信技术，研发满足互动需求、兼容需求的新型技术。1）融合多传感器信息技术：车联网是车、路、人之间的网络，车联网中的技术应用主要是车的传感器网络和路的传感器网络。2）节点技术：车辆传感器节点具有更充裕的资源，嵌入式的处理节点具有更强的计算能力，车载的存储设备提供了较大的存储能力，更重要的是，整个节点系统有持续的电力供应，而不像传统的无线传感器网络中那样，节点仅仅靠电池的有限电力供电，这说明能源有效性不是车辆无线传感器网络的研究重点。通常车辆传感器网络采