汽車(chē)試驗(yàn)學(xué)課件 第3章 汽車(chē)測(cè)試系統(tǒng)的傳感器2-

3.8光電式傳感器

1.光電式傳感器的工作原理

光電式傳感器是將被測(cè)量的變化通過(guò)光信號(hào)（如光的強(qiáng)度、頻率）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或稱(chēng)電量的一種傳感器，屬于非接觸式測(cè)量。

光電式傳感器的工作原理是利用光電效應(yīng)。光電效應(yīng)是指某些半導(dǎo)體器件，在受到可見(jiàn)光照射后，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的效應(yīng)，即光生電的效應(yīng)。在汽車(chē)試驗(yàn)中，用到的光電器件或光電式傳感器主要有光敏電阻、發(fā)光二極管、光敏二極管、光敏三極管。2.常用的幾種光電式傳感器

光敏電阻是在玻璃底板上涂一層對(duì)光敏感的半導(dǎo)體物質(zhì)，兩端有梳狀金屬電極，然后在半導(dǎo)體上覆蓋一層漆膜或壓入塑料封裝體內(nèi)，就制成一只光敏電阻。圖3-24光敏電阻

把光敏電阻

連接到如圖3-25所示電路中，在外加電壓的作用下，回路中電流，隨光敏電阻的阻值變化而變化，通過(guò)光照強(qiáng)弱可以改變光敏電阻的阻值，從而改變電路中電流的大小。圖3-25光敏電阻基本電路（1）光敏電阻（2發(fā)光二極管

發(fā)光二極管又稱(chēng)LED，其工作原理是利用固體材料的電致發(fā)光，半導(dǎo)體摻雜材料不同時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出的光顏色不同，有紅、綠、黃色等，它是一種將電能轉(zhuǎn)換為光能的器件。在P-N結(jié)加正向電壓時(shí)，電子與空穴結(jié)合過(guò)程中發(fā)射一定頻率的光信號(hào)。光敏二極管加反向電壓。電路符號(hào)如圖3-26所示。圖3-26發(fā)光二極管電路符號(hào)發(fā)光二極管（3）光敏二極管

光敏二極管結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，它們都有一個(gè)P-N結(jié)，并且都是單向?qū)щ姷姆蔷€(xiàn)性元件，一般光敏二極管封裝在透明玻璃外殼中，P-N結(jié)在管子的頂部，可以直接受到光的照射，為了提高轉(zhuǎn)換效率，增大受光面積，P-N結(jié)的面積比一般二極管大。圖3-27光敏二極管

光敏二極管加反向電壓，在電路中一般處于反向偏置狀態(tài)，無(wú)光照時(shí)反向電阻很大，反向電流很小，此反向電流稱(chēng)為暗電流。當(dāng)有光照在P-N結(jié)時(shí)，P-N結(jié)處產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，光生電子-空穴對(duì)在反向偏壓和P-N結(jié)內(nèi)電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng)，形成光電流，光電流隨入射光強(qiáng)度變化，光照越強(qiáng)，光電流越大。圖3-28光敏二極管工作原理（4）光敏三極管

光敏三極管在結(jié)構(gòu)上與一般三極管相似，與普通三極管不同的是，光敏三極管是將集電結(jié)作為光敏二極管，無(wú)論是NPN型還是PNP型，都用集電結(jié)做受光結(jié)。大多數(shù)光敏三極管的基極無(wú)引線(xiàn)，集電結(jié)加反向偏置技能電壓。玻璃封裝上有個(gè)小孔，讓光照射到基區(qū)，結(jié)構(gòu)上有單體型和集合型。圖3-29光敏三極管結(jié)構(gòu)

當(dāng)光照射在集電結(jié)上時(shí)，集電結(jié)附近產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，在外電場(chǎng)作用下光生電子被拉向集電極，基區(qū)留下正電荷（空穴），同時(shí)使基極與發(fā)射極之間的電壓升高，發(fā)射極便有大量電子經(jīng)基極流向集電極，形成三極管輸出電流，使光敏三極管具有電流增益，從而在集電極回路中得到一個(gè)放大了的信號(hào)電流。該電流信號(hào)在負(fù)載電阻上的輸出電壓為圖3-30光敏三極管電路符號(hào)及等效電路（3-17）2.光電式傳感器的應(yīng)用

（2）測(cè)量轉(zhuǎn)速和計(jì)數(shù)光電式傳感器可用于轉(zhuǎn)速的測(cè)量。3-31a的結(jié)構(gòu)是在圓盤(pán)上開(kāi)孔，被稱(chēng)作“投射式”，轉(zhuǎn)盤(pán)2固定在被測(cè)軸1上，被測(cè)軸1帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)2旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)盤(pán)上開(kāi)有一圈孔（或光柵）。光源3發(fā)出的光由透光器4匯聚，投向轉(zhuǎn)盤(pán)上孔所在的半徑處。如果轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)到孔對(duì)準(zhǔn)光源的方位，光線(xiàn)就穿過(guò)孔并被受光器5里面的光敏二極管或光敏三極管的光電元件6所接受，產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)脈沖，電脈沖的頻率等于單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的孔數(shù)，也就是和轉(zhuǎn)速成正比。

圖3-31b的結(jié)構(gòu)是在圓盤(pán)的外緣涂上黑白相間的條紋，被稱(chēng)作“反射式”所示，光源持續(xù)發(fā)光，圓盤(pán)的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反光與不反光交替出現(xiàn)，光敏二極管或光敏三極管的光電元件接受間斷的反光信號(hào)，進(jìn)而形成電脈沖頻率輸出。圖3-31光電式傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速和計(jì)數(shù)2.光電式傳感器的應(yīng)用

（2）測(cè)量轉(zhuǎn)速和計(jì)數(shù)光電式傳感器可用于計(jì)數(shù)，構(gòu)成計(jì)數(shù)器，用于變速器、傳動(dòng)軸的疲勞試驗(yàn)中，計(jì)數(shù)軸轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)。若在圖3-32中的投射式的圓盤(pán)上只開(kāi)一個(gè)孔或在反射式的圓盤(pán)的外緣只涂上一條白色的條紋，則軸轉(zhuǎn)一圈，受光器只接受一個(gè)光信號(hào)，通過(guò)計(jì)數(shù)光信號(hào)的個(gè)數(shù)，可計(jì)數(shù)軸轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)。圖3-32光電式傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速和計(jì)數(shù)2.光電式傳感器的應(yīng)用

（3）檢測(cè)汽車(chē)左右車(chē)輪的對(duì)稱(chēng)度和前后軸的平行度

檢測(cè)汽車(chē)左右車(chē)輪的對(duì)稱(chēng)度和前后軸的平行度如圖3-32所示，輪與車(chē)輪之間或車(chē)軸與車(chē)軸之間相互發(fā)光、受光，通過(guò)受光器上光敏元件感受到的光點(diǎn)位置，檢測(cè)汽車(chē)左右車(chē)輪的對(duì)稱(chēng)度和前后軸的平行度，判定車(chē)輪或車(chē)軸之間的相對(duì)位置是否正常。這種光電測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)光器發(fā)出的通常是不可見(jiàn)的紅外光線(xiàn)。圖3-32檢測(cè)汽車(chē)左右車(chē)輪的對(duì)稱(chēng)度和前后軸的平行度2.光電式傳感器的應(yīng)用

平板車(chē)尋跡行駛

平板車(chē)在企業(yè)的車(chē)間內(nèi)尋跡行駛，引導(dǎo)線(xiàn)為地面上白色或黃色或其它有色的引導(dǎo)平板車(chē)行駛的線(xiàn)；兩個(gè)光源和兩個(gè)受光器均在平板車(chē)上并分布在引導(dǎo)線(xiàn)的中心線(xiàn)的兩側(cè)，引導(dǎo)線(xiàn)的上方的光源發(fā)出的光經(jīng)引導(dǎo)線(xiàn)反射后，由光敏二極管或光敏三極管的受光器接收。如果平板車(chē)沿引導(dǎo)線(xiàn)行駛，則兩個(gè)受光器均接收到較穩(wěn)定的光信號(hào)；如果有一個(gè)光源發(fā)出的光不經(jīng)引導(dǎo)線(xiàn)反射，受光器接收的光的強(qiáng)度變?nèi)酰瑒t可判別平板車(chē)偏離引導(dǎo)線(xiàn)行駛，并可通過(guò)前輪轉(zhuǎn)向，使平板車(chē)回到沿引導(dǎo)線(xiàn)行駛。平板車(chē)尋跡行駛2.光電式傳感器的應(yīng)用光電式傳感器非接觸檢測(cè)3.9熱電式傳感器1.幾種熱電式傳感器

（1）熱電偶圖3-33熱電偶

兩種不同性質(zhì)的導(dǎo)體A和B，兩端緊密地連接在一起，形成一個(gè)回路。當(dāng)兩個(gè)結(jié)合點(diǎn)T0和T存在溫差時(shí)，則在導(dǎo)體A和B之間產(chǎn)生電勢(shì)差，形成一個(gè)原電池，稱(chēng)為熱電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而在回路中形成電流。由這兩種對(duì)偶導(dǎo)體材料組成并將溫度（實(shí)際上是T與T0的溫差）轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)的傳感器就稱(chēng)為熱電偶，這種效應(yīng)稱(chēng)為熱效應(yīng)。

如果在由A、B兩極構(gòu)成的熱電偶回路中接人中間電路，只要確保中間電路的兩端溫度相同，那么熱電偶的輸出熱電動(dòng)勢(shì)仍只取決于兩端的溫度差T-T0，和引入的中間電路無(wú)關(guān)，如圖3-34所示。在實(shí)際應(yīng)用中，中間電路可以是其他測(cè)量?jī)x表、電路或連接導(dǎo)線(xiàn)。圖3-34熱電偶兩極間接入中間電路的方式1.幾種熱電式傳感器

（2）熱電阻

熱電阻是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化測(cè)溫。熱電阻的熱敏元件是金屬導(dǎo)體電阻。一般來(lái)說(shuō)，金屬導(dǎo)體的電阻率隨著溫度的升高而增大。常用的熱電阻材料是鉑、銅、鎳、鐵等純金屬。為進(jìn)行低溫和超低溫測(cè)量，開(kāi)發(fā)了銦、錳、碳等材料熱電阻。

熱電阻傳感器一般用于測(cè)量的溫度范圍為-200~500℃。材料的電阻一溫度特性穩(wěn)定，其對(duì)應(yīng)關(guān)系一般是非線(xiàn)性的，試驗(yàn)結(jié)果的精度和重復(fù)性好。與熱電偶相比，不存在冷端溫度To的控制問(wèn)題。1.幾種熱電式傳感器

（3）熱敏電阻

熱敏電阻是利用的電阻隨溫度變化測(cè)溫。熱敏電阻的半導(dǎo)體材料通常是鈷、錳、鎳等金屬氧化物的混合燒結(jié)物。熱敏電阻的電阻率隨溫度的升高可能升高，也可能降低。

熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)主要在于溫度系數(shù)高，而且熱慣性很小，靈敏度高，適于動(dòng)態(tài)測(cè)量。缺點(diǎn)是溫度系數(shù)隨溫度變化而變化，也就是輸出電阻率與輸入溫度不成線(xiàn)性關(guān)系。

另外，熱敏電阻的自身電阻值很高，因此導(dǎo)線(xiàn)電阻對(duì)于測(cè)量的影響很小，這是優(yōu)點(diǎn)。但是，電阻值過(guò)高，使得通過(guò)不大的電流就會(huì)產(chǎn)生較大的發(fā)熱量和溫升，這種溫升是施加測(cè)量電流產(chǎn)生的、而不是被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生的，對(duì)測(cè)量來(lái)說(shuō)是一種誤差，因此要嚴(yán)格控制測(cè)量電流。2.熱電式傳感器的應(yīng)用

發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣溫度傳感器用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻制成，如圖3-35所示，熱敏電阻被包在殼體中，溫度升高，電阻呈非線(xiàn)性降低。發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液溫傳感器與進(jìn)氣溫度傳感器的結(jié)構(gòu)類(lèi)似。圖3-35進(jìn)氣溫度傳感器3.10圖像式傳感器

1.圖像式傳感器的工作原理及功能

圖像式傳感器的核心器件是電荷藕合器。它是一種大規(guī)模集成電路的半導(dǎo)體光敏器件。CCD是以半導(dǎo)體為襯底，在其上覆蓋一層Si02絕緣層，再在Si02表面排列金屬電極（也稱(chēng)像素或像元）而成，如圖3-36所示，各像素間縫隙很小，只有0.2~2μm。圖3-36CCD的結(jié)構(gòu)、光電轉(zhuǎn)換原理根據(jù)像素排列的方法不同，CCD可分為一維線(xiàn)陣式（如圖3-37所示）和二維面陣式（如圖3-38所示）。圖3-37線(xiàn)陣CCD圖像式傳感器圖3-38面陣CCD圖像式傳感器3.10圖像式傳感器圖3-36CCD的結(jié)構(gòu)、光電轉(zhuǎn)換原理

CCD器件有如下三種處理電荷的功能：1)光電變換功能（由光產(chǎn)生電荷）。當(dāng)光照射在CCD的像素上時(shí)，像素將產(chǎn)生電子形成電荷，光照越強(qiáng)，產(chǎn)生的電荷越多，如圖3-36所示。2)電荷存儲(chǔ)功能。當(dāng)某電極（像素）上加上一個(gè)正電壓時(shí)，由于電場(chǎng)作用，就會(huì)在該電極下產(chǎn)生“勢(shì)阱”，實(shí)現(xiàn)電荷在像素上存儲(chǔ)。

3)電荷轉(zhuǎn)移功能。CCD是采用“勢(shì)阱”，一個(gè)一個(gè)地分別獲得各個(gè)像素的電荷信息的。假如在第一個(gè)電極上加一個(gè)+5V的電壓，那么在此電極下就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“勢(shì)阱”，如果在第二個(gè)電極上加上+10V的電壓，電荷就會(huì)流入這個(gè)新的“勢(shì)阱”“桶”內(nèi)，如圖3-39所示。圖3-39CCD電荷轉(zhuǎn)移2.圖像式傳感器的應(yīng)用

（1）利用CCD圖像式傳感器檢測(cè)汽車(chē)車(chē)輪的定位參數(shù)

四組測(cè)量頭分別對(duì)著四個(gè)車(chē)輪，每個(gè)測(cè)量頭由三個(gè)傳感器總成組成，每個(gè)傳感器都包含一個(gè)激光器和一個(gè)CCD器件。三個(gè)激光器所發(fā)出的三條激光線(xiàn)分別射在被測(cè)車(chē)輪側(cè)壁的三個(gè)特定位置A、B、C上，再反射到CCD器件，得三個(gè)特定位置A、B、C到測(cè)量頭的距離

LA、LB、LC，由于車(chē)輪存在外傾角和前束角，因此車(chē)輪側(cè)壁上的三個(gè)特定位置距測(cè)量頭的距離

LA、LB、LC各不相等。可得被測(cè)參數(shù)：圖3-40車(chē)輪定位參數(shù)的測(cè)量（3-18）（3-19）2.圖像式傳感器的應(yīng)用2.圖像式傳感器的應(yīng)用車(chē)輪定位參數(shù)測(cè)試2.圖像式傳感器的應(yīng)用

（2）利用CCD圖像式傳感器進(jìn)行三維掃描測(cè)量

將激光線(xiàn)（也可用白光）射在被測(cè)物體上，利用CCD傳感器對(duì)被測(cè)物體上的激光線(xiàn)進(jìn)行攝像，影像在CCD上水平方向的位置，反映了被測(cè)形線(xiàn)上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)距CCD的距離，即被測(cè)形線(xiàn)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的x坐標(biāo)；影像在CCD上鉛垂方向上的位置即為被測(cè)形線(xiàn)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的z坐標(biāo)；將射在被測(cè)物體上的激光線(xiàn)自左向右間隔地移動(dòng)，每移動(dòng)一相等距離

就可得到一幅圖像，顯然激光線(xiàn)移動(dòng)的次數(shù)n與

的乘積即為被測(cè)點(diǎn)的y坐標(biāo)，如此便可得到密布在被測(cè)車(chē)門(mén)表面上各點(diǎn)的三維坐標(biāo)，再根據(jù)車(chē)門(mén)表面上各點(diǎn)的三維坐標(biāo)，可繪出車(chē)門(mén)曲面，并可與設(shè)計(jì)的曲面值比較，進(jìn)一步得測(cè)量誤差。圖3-41對(duì)汽車(chē)車(chē)門(mén)進(jìn)行三維掃描測(cè)量2.圖像式傳感器的應(yīng)用2.圖像式傳感器的應(yīng)用

（3）利用CCD圖像式傳感器測(cè)量車(chē)外物體的位置

單攝像頭為單目視覺(jué)傳感器，可獲得物體的平面圖像，單攝像頭的感光元件是CCD圖像式傳感器，為二維面陣式，獲得物體的二維點(diǎn)云，二維點(diǎn)云不能準(zhǔn)確反映物體的深度尺寸信息。汽車(chē)倒車(chē)影像顯示屏，通過(guò)安裝在車(chē)身上的攝像頭獲得車(chē)體后部的圖像。2.圖像式傳感器的應(yīng)用

兩個(gè)攝像頭或單目視覺(jué)傳感器構(gòu)成雙目視覺(jué)傳感器，可獲得物體的立體圖像，也即獲得物體的三維點(diǎn)云，該三維點(diǎn)云可用于物體的位置識(shí)別，能準(zhǔn)確反映物體的深度尺寸信息。智能汽車(chē)通過(guò)安裝在車(chē)頂?shù)任恢玫膬蓚€(gè)攝像頭或更多個(gè)攝像頭獲得車(chē)外人、物體等位置。雙目視覺(jué)傳感器是智能汽車(chē)識(shí)別人、物體等位置的基礎(chǔ)，也是智能汽車(chē)測(cè)試中圖像識(shí)別的基礎(chǔ)。雙目視覺(jué)傳感器測(cè)量物體的位置的原理主要基于三角法的原理，一個(gè)視覺(jué)傳感器或一個(gè)攝像頭獲得一幅平面圖像，兩個(gè)視覺(jué)傳感器或兩個(gè)攝像頭和被測(cè)物體之間構(gòu)成三角形，如圖3-43所示，獲兩幅相交的平面圖像，由于兩個(gè)視覺(jué)傳感器或兩個(gè)攝像頭之間的距離及角度是已知的，CCD芯片上的像素點(diǎn)陣是已知的，通過(guò)三角計(jì)算，可得物體上點(diǎn)a的三維坐標(biāo)，物體上多個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)構(gòu)成物體的三維點(diǎn)云，由該三維點(diǎn)云，可確定物體相對(duì)兩個(gè)視覺(jué)傳感器或兩個(gè)攝像頭的空間位置，并可確定物體的深度尺寸。圖3-42雙目視覺(jué)傳感器圖3-43雙目視覺(jué)傳感器測(cè)量物體位置的原理3.11軸角編碼器

1.絕對(duì)式編碼器

絕對(duì)式編碼器是一個(gè)四位二進(jìn)制直接編碼的碼盤(pán)示意圖。絕對(duì)式編碼器的每一個(gè)角位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼。一個(gè)公共電源的正端被接到碼盤(pán)所有的導(dǎo)電部分，另一端接至負(fù)載。四個(gè)電刷沿一固定的徑向安裝，它們分別與四個(gè)碼道（黑白相間的一圈為一個(gè)碼道）相接觸。電刷的引線(xiàn)分別接至各自負(fù)載的另一端。根據(jù)軸角位置狀態(tài)，電刷將分別輸出“1”電平或“0”電平。Cl對(duì)應(yīng)最高位、C4對(duì)應(yīng)最低位，軸轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)輸出的二進(jìn)制數(shù)為ClC2C3C4，每一個(gè)軸的轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)唯一的一個(gè)四位二進(jìn)制數(shù)的編碼。根據(jù)四位二進(jìn)制數(shù)的編碼，由測(cè)量的起始角位置和終止角位置，可確定轉(zhuǎn)角內(nèi)的編碼數(shù)，再根據(jù)每個(gè)四位二進(jìn)制數(shù)的編碼對(duì)應(yīng)的軸的轉(zhuǎn)角，可確定軸的轉(zhuǎn)角的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸的轉(zhuǎn)角的測(cè)量和控制。圖3-44二進(jìn)制絕對(duì)編碼器碼盤(pán)2.增量式編碼器

增量式編碼器只需3條碼道。光電元件也只需要3個(gè)。碼盤(pán)上最外圈碼道上只有一條透光的狹縫與光電元件A配合，它作為碼盤(pán)的基準(zhǔn)位置，所產(chǎn)生的脈沖將給計(jì)數(shù)系統(tǒng)提供一個(gè)初始的零位（清零）信號(hào)；中間一圈碼道稱(chēng)為增量碼道，它與光電元件B配合，用來(lái)產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖；最內(nèi)一圈碼道稱(chēng)為辨向碼道，它與光電元件C配合，用于辨識(shí)軸的轉(zhuǎn)向。

增量碼道和辨向碼道都等角距地分布著m個(gè)透光與不透光的扇形區(qū)，但彼此錯(cuò)開(kāi)半個(gè)扇形區(qū)即90°/m。

增量式編碼器是將角位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示角位移的大小。工作時(shí)，與A光電元件產(chǎn)生的零位脈沖配合，如果檢測(cè)到N個(gè)增量脈沖，則對(duì)應(yīng)角位移為360°N/m（N≤m），從而得到軸的轉(zhuǎn)角。圖3-45增量式編碼器圖3-46增量碼道與辨向碼道3.軸角編碼器的應(yīng)用

絕對(duì)式編碼器應(yīng)用于對(duì)伺服電機(jī)軸的轉(zhuǎn)角的測(cè)量和控制，設(shè)定測(cè)量的起始角位置，根據(jù)編碼，確定軸的轉(zhuǎn)角的大小。

增量編碼器用于測(cè)量平均轉(zhuǎn)速，其方法就是在給定的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)編碼器的輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，例如，一個(gè)每轉(zhuǎn)360脈沖的編碼器，若1s時(shí)間間隔輸出360個(gè)脈沖，則平均轉(zhuǎn)速為60r/min；若1s時(shí)間間隔輸出3600個(gè)脈沖，則平均轉(zhuǎn)速為600r/min。3.12超聲波傳感器

1.超聲波的特性

超過(guò)20kHz的稱(chēng)為超聲波。超聲波具有很高的穿透能力，在鋼材中甚至可穿透10m以上。

超聲波在均勻介質(zhì)中按直線(xiàn)方向傳播，但到達(dá)界面或遇到另一種介質(zhì)時(shí)，也像光波一樣產(chǎn)生反射和折射，并服從幾何光學(xué)的反射、折射定律。

超聲波在界面上反射能量與透射能量的變化，取決于兩種介質(zhì)的聲阻抗特性。介質(zhì)密度ρ與聲速c的乘積稱(chēng)為聲阻抗特性(Zc=ρc)，它是表征彈性介質(zhì)聲學(xué)性質(zhì)的一個(gè)重要參量。若兩介質(zhì)的聲阻抗差別越大，則反射的強(qiáng)度越大。

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，能量的衰減（損失）決定于波的擴(kuò)散、散射（或漫射）及吸收。所謂擴(kuò)散衰減，是超聲波隨著傳播距離的增加，引起聲能減弱。散射衰減是指超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其中一部分超聲波不再沿原有方向運(yùn)動(dòng)，形成向其它方向的散射；超聲波被介質(zhì)吸收后，將聲能直接轉(zhuǎn)換為熱能。

利用超聲波反射、折射、衰減等物理性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)結(jié)構(gòu)無(wú)損探傷以及液位、流量、溫度、粘度、厚度、距離等參數(shù)的測(cè)量。2.超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3-47所示，壓電晶片的兩面鍍銀，為圓形薄片，超聲波的頻率與壓電晶片的厚度成反比。壓電晶片的極板用導(dǎo)線(xiàn)與接線(xiàn)端連接，用于對(duì)外的電路連接。阻尼塊吸收聲能，降低機(jī)械品質(zhì)，避免無(wú)阻尼時(shí)電脈沖停止后壓電晶片繼續(xù)振蕩，導(dǎo)致脈沖寬度加長(zhǎng)，使分辨率變差。

超聲波傳感器的工作原理：超聲波發(fā)射器利用逆壓電效應(yīng)制成發(fā)射元件，將高頻電壓波動(dòng)或稱(chēng)高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換為壓電晶片的機(jī)械振動(dòng)，產(chǎn)生超聲波；超聲波接收器利用正壓電效應(yīng)制成接收元件，將超聲波引起壓電晶片的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為波動(dòng)的電信號(hào)。圖3-47超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)3.超聲波傳感器的型式

超聲波傳感器能產(chǎn)生超聲波信號(hào)和接收超聲波信號(hào)，有反射型、分立式反射型和透射型。反射型傳感器是將發(fā)送(TX)和接收(RX)元件制作在一起，發(fā)送器件和接收器件放置在被測(cè)物體的同一側(cè)，發(fā)送器件發(fā)送的超聲波通過(guò)被測(cè)物體反射后由接收器件接收，器件可同時(shí)完成超聲波的發(fā)射和接收。分立式反射型傳感器的發(fā)送(TX)和接收(RX)器件各自獨(dú)立，放置在被測(cè)物體的同一側(cè)。透射型傳感器的發(fā)送(TX)和接收(RX)器件各自獨(dú)立，分別放置在被測(cè)物體的兩側(cè)。a)反射型

b）分立式反射型

c)透射型圖3-48超聲波傳感器的型式4.超聲波傳感器的應(yīng)用

倒車(chē)?yán)走_(dá)就是利用超聲波測(cè)距原理工作，倒車(chē)?yán)走_(dá)是反射型超聲波傳感器，由安裝在車(chē)尾保險(xiǎn)杠上的反射型超聲波傳感器發(fā)送超聲波，撞擊障礙物后反射此超聲波，倒車(chē)?yán)走_(dá)主機(jī)內(nèi)的微電腦，根據(jù)超聲波在空氣中傳播的時(shí)間及聲速，計(jì)算出汽車(chē)與障礙物之間的距離d，再與安全距離比較，由報(bào)警器發(fā)出不同的報(bào)警聲。汽車(chē)與障礙物之間的距離圖3-50倒車(chē)?yán)走_(dá)的測(cè)距原理（3-20）圖3-49倒車(chē)?yán)走_(dá)3.13

激光雷達(dá)

1.激光雷達(dá)的工作原理激光雷達(dá)是利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。激光雷達(dá)工作時(shí)，先由激光發(fā)射二極管（激光發(fā)送器）對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖，經(jīng)目標(biāo)反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到激光接收器，被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上，根據(jù)激光在空氣中傳播的時(shí)間及光速，計(jì)算出汽車(chē)與障礙物之間的距離，反射型激光雷達(dá)的汽車(chē)與障礙物之間的距離計(jì)算公式見(jiàn)式（3-20），式中c的取光速。（3-20）2.激光雷達(dá)的類(lèi)型（1）根據(jù)工作方式的不同分類(lèi)機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)是指發(fā)射模塊和接收模塊存在宏觀轉(zhuǎn)動(dòng)的激光雷達(dá)，這一類(lèi)激光雷達(dá)在豎直方向上排布多束激光，通過(guò)不斷旋轉(zhuǎn)發(fā)射頭，將傳播速度遠(yuǎn)高于發(fā)射頭旋轉(zhuǎn)速度的多束激光線(xiàn)變成多個(gè)激光面，動(dòng)態(tài)掃描并動(dòng)態(tài)接收信息。圖3-50是一款經(jīng)典的機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)，通過(guò)底座固定在汽車(chē)上，激光雷達(dá)的上半部分在電機(jī)的帶動(dòng)下以固定轉(zhuǎn)速作360o轉(zhuǎn)動(dòng)，激光源（激光發(fā)射器）和激光接收器在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行激光的發(fā)射和接收，激光源產(chǎn)生的激光束被鏡子反射后射向目標(biāo)物，目標(biāo)物反射回的激光束經(jīng)過(guò)鏡子反射后被接收。伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)調(diào)整鏡子的姿態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射和接收激光束角度的調(diào)整，從而控制激光束的垂向張角與垂向分辨率。圖3-51機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)垂向張角2.激光雷達(dá)的類(lèi)型2.激光雷達(dá)的類(lèi)型固態(tài)激光雷達(dá)是指自身不存在任何移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)部件的激光雷達(dá)，這種激光雷達(dá)通過(guò)控制光源陣列中各光源發(fā)光的時(shí)間差，合成具有特定方向的主激光束，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同方向掃描的激光雷達(dá)。固態(tài)激光雷達(dá)精度高、體積小、生產(chǎn)成本低，但研發(fā)成本高。半固態(tài)激光雷達(dá)又稱(chēng)混合固態(tài)激光雷達(dá)，是一種非完全旋轉(zhuǎn)的激光雷達(dá)，采用固態(tài)激光光源，通過(guò)內(nèi)部玻璃片轉(zhuǎn)動(dòng)的方式改變，激光束的方向。這種激光雷達(dá)具備固態(tài)雷達(dá)的一般性能特點(diǎn)，如分辨率高、具備前向感知視野而非360o感知視野等。圖3-52固態(tài)激光雷達(dá)圖3-53半固態(tài)激光雷達(dá)2.激光雷達(dá)的類(lèi)型固態(tài)激光雷達(dá)2.激光雷達(dá)的類(lèi)型（2）根據(jù)線(xiàn)束數(shù)量的不同分類(lèi)單線(xiàn)激光雷達(dá)只有一條激光線(xiàn)，主要用于規(guī)避障礙物，其掃描速度快、分辨率強(qiáng)、可靠性高。但是，單線(xiàn)雷達(dá)只能平面式掃描，建立2D地圖，不能測(cè)量物體高度，有一定局限性。主要應(yīng)用于服務(wù)機(jī)器人身上，如我們常見(jiàn)的掃地機(jī)器人。多線(xiàn)激光雷達(dá)有多條激光線(xiàn)，并構(gòu)成激光線(xiàn)束。激光線(xiàn)有4線(xiàn)、8線(xiàn)、16線(xiàn)、32線(xiàn)、64線(xiàn)、128線(xiàn)等，分別有4、8、16、32、64、128條激光線(xiàn)線(xiàn)等，多線(xiàn)激光雷達(dá)在垂直方向上具有多個(gè)發(fā)射器和接收器，通過(guò)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，獲得多條線(xiàn)束。多線(xiàn)激光雷達(dá)用于構(gòu)建3D地圖等3D建模，線(xiàn)數(shù)越多，物體表面輪廓越完善，地圖的分辨率越高，當(dāng)然處理的數(shù)據(jù)量越大，對(duì)硬件要求越高。多線(xiàn)雷達(dá)主要應(yīng)用在智能汽車(chē)上。圖3-54多線(xiàn)激光雷達(dá)2.激光雷達(dá)傳感器的應(yīng)用

（1）激光雷達(dá)傳感器用于測(cè)量流速和車(chē)速

激光雷達(dá)傳感器可以測(cè)量風(fēng)洞氣流速度、大氣風(fēng)速和汽車(chē)速度等。

基于激光的傳播特性，激光傳感器具有測(cè)量速度快、精度很高的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，由于激光傳播容易受到傳播介質(zhì)的干擾并且鏡頭是否清潔、傳感器自身干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很大，導(dǎo)致激光傳感器在汽車(chē)輔助駕駛系統(tǒng)中表現(xiàn)并不十分理想。3.激光雷達(dá)的應(yīng)用

（2）激光SLAM

1）激光SLAM的基本原理

將激光雷達(dá)用于同步定位與地圖構(gòu)建，構(gòu)成激光SLAM。激光SLAM用于車(chē)輛導(dǎo)航。

激光SLAM的基本原理就是根據(jù)激光雷達(dá)獲取的一幀幀連續(xù)運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行點(diǎn)云拼接，從中推斷出激光雷達(dá)自身的運(yùn)動(dòng)以及周?chē)h(huán)境的情況。激光SLAM根據(jù)其所用的激光雷達(dá)的線(xiàn)束不同可細(xì)分為2D激光SLAM和3D激光SLAM。2.激光雷達(dá)傳感器的應(yīng)用

2）激光SLAM的組成

激光SLAM主要分為定位與建圖兩個(gè)部分，主要解決三個(gè)基本問(wèn)題：一是特征值提取問(wèn)題，環(huán)境中信息量非常大，不可能全部拿來(lái)用，則需要解決如何從周?chē)h(huán)境中提取出有用信息的問(wèn)題；二是數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)問(wèn)題，即不同時(shí)刻觀測(cè)到的環(huán)境信息之間的關(guān)系問(wèn)題；三是地圖表示問(wèn)題，即如何來(lái)描述周?chē)沫h(huán)境問(wèn)題。激光SLAM的框圖如圖3-55所示。圖3-55激光SLAM的框圖3.14

毫米波雷達(dá)

1.毫米波雷達(dá)的結(jié)構(gòu)及工作原理毫米波雷達(dá)的結(jié)構(gòu)如圖3-56所示，主要由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)、天線(xiàn)、處理器等組成，安裝在由雷達(dá)圓頂、機(jī)身、底板等構(gòu)成的盒中。毫米波雷達(dá)的工作原理如圖3-57所示，雷達(dá)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)，通過(guò)雷達(dá)天線(xiàn)以電磁波的形式輻射出去，遇到目標(biāo)后反射，再由雷達(dá)天線(xiàn)接收回波信號(hào)，傳輸給雷達(dá)接收機(jī)，處理器處理接收到的信號(hào)，根據(jù)發(fā)射頻率和反射回來(lái)的頻率的差異，得到目標(biāo)的距離、速度和方位角等信息。圖3-57毫米波雷達(dá)的工作原理圖3-56毫米波雷達(dá)的結(jié)構(gòu)3.14

毫米波雷達(dá)毫米波雷達(dá)等在智能汽車(chē)上的應(yīng)用

（1）毫米波雷達(dá)測(cè)距實(shí)際環(huán)境中的時(shí)間間隔受噪聲等因素影響，發(fā)射信號(hào)與動(dòng)態(tài)、靜態(tài)目標(biāo)反射信號(hào)的頻率不等，如圖3-58所示，反射信號(hào)的頻率差為，根據(jù)圖3-58及三角關(guān)系，得，再由式(3-20)得目標(biāo)距離：2.毫米波雷達(dá)的應(yīng)用（3-21)圖3-58毫米波雷達(dá)的測(cè)距和測(cè)速原理式中，是信號(hào)的調(diào)頻帶寬；是信號(hào)的發(fā)射周期。

（2）毫米波雷達(dá)測(cè)速

毫米波雷達(dá)測(cè)速一般根據(jù)多普勒原理，雷達(dá)電磁波經(jīng)由天線(xiàn)發(fā)射，遇到目標(biāo)后產(chǎn)生回波，回波的頻率隨目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度發(fā)生改變，并產(chǎn)生動(dòng)態(tài)與靜態(tài)目標(biāo)反射信號(hào)的頻率差。若目標(biāo)朝著雷達(dá)的方向運(yùn)動(dòng)，則反射電磁波的頻率會(huì)增加：若目標(biāo)背離雷達(dá)方向運(yùn)動(dòng)，則反射回來(lái)的電磁波頻率也會(huì)隨之減小。動(dòng)態(tài)與靜態(tài)目標(biāo)反射信號(hào)的頻率差為多普勒頻移或頻率差為，取發(fā)射信號(hào)的中心頻率為，根據(jù)圖3-58、多普勒原理及相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原理，可得目標(biāo)的相對(duì)移動(dòng)速度：2.毫米波雷達(dá)的應(yīng)用（3-22)多普勒原理圖3-58毫米波雷達(dá)的測(cè)距和測(cè)速原理

（3）毫米波雷達(dá)測(cè)角度

毫米波雷達(dá)測(cè)角度需要兩個(gè)或兩個(gè)以上并排放置的接收天線(xiàn)，目標(biāo)車(chē)輛的方位角

通過(guò)車(chē)載毫米波雷達(dá)接收天線(xiàn)1和接收天線(xiàn)2之間的幾何距離d，和兩個(gè)天線(xiàn)收到的反射回波的相位差

，采用三角函數(shù)計(jì)算得到2.毫米波雷達(dá)的應(yīng)用（3-23)圖3-59毫米波雷達(dá)的測(cè)角度原理3.15全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)

1.全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的組成

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)是由美國(guó)國(guó)防部建設(shè)的基于衛(wèi)星的無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。它能連續(xù)為世界各地的陸海空用戶(hù)包括汽車(chē)試驗(yàn)用戶(hù)提供連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度的三維位置、三維速度和時(shí)間信息。

GPS是由導(dǎo)航衛(wèi)星、地面監(jiān)控設(shè)備和GPS用戶(hù)組成的。圖3-60全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的組成1.全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的組成

（1）導(dǎo)航衛(wèi)星

導(dǎo)航衛(wèi)星有24顆，其中，21顆衛(wèi)星為工作衛(wèi)星，3顆為備用衛(wèi)星。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面上，即每個(gè)軌道面上有4顆衛(wèi)星，在距離地球約20000km的高空上進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每12h環(huán)繞地球一圈；最少只需其中4顆衛(wèi)星，就能迅速確定用戶(hù)端在地球上所處的位置及海拔高度；測(cè)試時(shí)，最少需要8顆衛(wèi)星，才能保證汽車(chē)測(cè)試精度。所能接收連接到的衛(wèi)星數(shù)越多，解碼出來(lái)的位置就越精確。導(dǎo)航衛(wèi)星的任務(wù)是接收和存儲(chǔ)來(lái)自地面監(jiān)控設(shè)備發(fā)送來(lái)的導(dǎo)航定位控制指令，通過(guò)微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在空中連續(xù)發(fā)送帶有時(shí)間和空間位置信息的無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航定位信息，供用戶(hù)的GPS接收機(jī)接收。圖3-60全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的組成1.全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的組成

（2）地面監(jiān)控設(shè)備

地面監(jiān)控設(shè)備由1個(gè)主控站、4個(gè)注入站和6個(gè)監(jiān)測(cè)站組成，它們的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星的控制。圖3-60全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的組成1.全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的組成

（3）GPS用戶(hù)GPS用戶(hù)是接收GPS導(dǎo)航定位信息的用戶(hù)，主要由GPS接收機(jī)和GPS數(shù)據(jù)處理軟件組成。

GPS接收機(jī)的主要功能是接收、追蹤和放大衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，獲取定位的觀測(cè)值，提取導(dǎo)航電文中的廣播星歷以及衛(wèi)星時(shí)鐘改正參數(shù)等。接收機(jī)通過(guò)記錄衛(wèi)星信號(hào)傳播到用戶(hù)所經(jīng)歷的時(shí)間，再將其乘以光速，得到或測(cè)量出已知空間位置的衛(wèi)星到用戶(hù)接收機(jī)之間的距離。

GPS數(shù)據(jù)處理軟件的主要功能是對(duì)GPS接收機(jī)獲取的衛(wèi)星測(cè)量記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并對(duì)處理的結(jié)果進(jìn)行平差計(jì)算、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)和分析綜合處理，計(jì)算出用戶(hù)所在位置的三維坐標(biāo)、速度、方向和精確時(shí)刻等。圖3-60全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的組成2.全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的工作原理

GPS定位的基本原理是三球交匯原理，用戶(hù)位置在A點(diǎn)，用戶(hù)到衛(wèi)星O1的距離是R1，到衛(wèi)星O2的距離是R2，到衛(wèi)星O3的距離是R3，如圖3-61所示。以衛(wèi)星為球心，用戶(hù)到衛(wèi)星的距離可以表示為圖3-61全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的工作原理（3-24）

如果有3顆衛(wèi)星，則可以解出方程，然而，實(shí)際上由于大氣層電離層的干擾，用戶(hù)接收機(jī)的時(shí)鐘不是十分準(zhǔn)確，不與衛(wèi)星同步，所以衛(wèi)星與用戶(hù)之間的距離R不是真實(shí)距離，稱(chēng)為偽距。設(shè)接收機(jī)和GPS的時(shí)鐘差為t，光速為c，則公式改為（3-25）2.全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的工作原理

室外無(wú)遮蓋環(huán)境下，GPS定位精度高。GPS相對(duì)定位精度在50km以?xún)?nèi)可達(dá)10~6m，100~500km可達(dá)10~7m，1000km可達(dá)10~9m。

GPS也存在諸多不足，比如，受天氣和位置的影響較大。當(dāng)遭遇不佳天氣或者接收器上空存在遮蓋時(shí)，會(huì)屏蔽GPS信號(hào)，定位精度就會(huì)受到相當(dāng)大的影響，甚至無(wú)法進(jìn)行定位服務(wù)。此外，GPS更新頻率低，并不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)計(jì)算的要求。GPS的定位精度，影響GPS在汽速測(cè)速、測(cè)制動(dòng)距離中的應(yīng)用，產(chǎn)生一定的測(cè)試誤差。圖3-61全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的工作原理3.16北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)

1.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的組成

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶(hù)段三部分組成。

（1）空間段

北斗系統(tǒng)空間段由若干地球靜止軌道衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和中圓地球軌道衛(wèi)星三種軌道衛(wèi)星組成混合導(dǎo)航星座。

（2）地面段

北斗系統(tǒng)地面段包括主控站、時(shí)間同步/注入站和監(jiān)測(cè)站等若干地面站。

（3）用戶(hù)段

北斗系統(tǒng)用戶(hù)段包括北斗兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的芯片、模塊、天線(xiàn)等基礎(chǔ)產(chǎn)品，以及終端產(chǎn)品、應(yīng)用系統(tǒng)與應(yīng)用服務(wù)等。圖3-62北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的組成2.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的區(qū)別

（1）BDS是一個(gè)有源系統(tǒng)

用戶(hù)在定位過(guò)程中必須發(fā)射信號(hào)，具備通信能力，這是它與GPS系統(tǒng)最大