智能运输系统讲义传感

智能运输系统讲义传感第1页，共25页，2023年，2月20日，星期五1.了解传感器的一般组成

2.了解ITS中常用的传感器类别

3.了解在ITS中常用的传感技术及其检测、控制原理1．

环形线圈检测器、雷达检测器、超声波检测器、红外检测器等工作原理和适用性2．

视频图像检测器和CCD摄像机的作用和特点

传感技术是ITS最重要的支撑技术之一，其工作原理的理解是难点，但不要求深入理解，有兴趣的同学可参阅有关课程。第2页，共25页，2023年，2月20日，星期五2.3传感器技术1.传感器的含义

国家标准GB7665—87对传感器下的定义是：能感受到规定的被测量量并依据一定的规律转换成可用于输出信号的器件或装置。传感器的涵义有广义和狭义之分，广义的传感器是指能感知某一物理量（或化学量，生物量，.…..）的信息，并能将它转化为有用的信息的装置。狭义的传感器是指能将各种非电量转化成电信号的部件。这是因为现代化技术中电信号是最适合传输、转换、处理和定量运算的物理量。特别是在电子计算机作为处理信号的基本工具的时代，总是力图把各种被测量量通过传感器最终转换成电信号进行处理。在大多数情况下，传感器是指狭义的传感器。

在现代化科学技术的发展过程中，非电量（例如压力、力矩、应变、位移、速度、流量、液位等）的测量技术（传感技术）已经成为各应用领域的重要组成部分。但传感技术最主要的应用领域是自动检测和自动控制。它将诸如温度、压力、流量等参量转化为电量，然后通过电的方法，进行测量和控制。因此，传感器是一种获得信息的手段，它获得信息正确与否，关系到整个测量系统的精度。第3页，共25页，2023年，2月20日，星期五2.传感器的组成

传感器一般是利用物理、化学和生物等学科的某些效应或原理按照一定的制造工艺研制出来的。因此，传感器的组成将随不同的情况而有较大差异。

但是，总的来说，传感器是由敏感元件、传感元件和其他辅助部件组成，如下图。

传感器的组成

第4页，共25页，2023年，2月20日，星期五敏感元件是直接感受非电量，并按一定规律转换成与被测量有确定关系的其他量（一般仍为非电量），例如应变式压力传感器的弹性膜片就是敏感元件，它的作用是将压力转换成膜片的变形。

传感元件又称变换器，一般情况下，它不直接感受被测量，而是将敏感元件输出的量转换成为电量输出的元件。如应力式压力传感器的应变片，它的作用是将弹性膜片的变形转换成电阻值的变化，电阻应变片就是传感元件。

这种划分并无严格的界限，并不是所有的传感器必须包含敏感元件和传感元件。如果敏感元件直接输出的是电量，它同时兼为传感元件；如果传感元件能直接感受被测非电量并输出与之成确定关系的电量，此时，传感器就是敏感元件。例如压电晶体，热电偶，热敏电阻，光电器件等。

信号调节与转换电路一般是指能把传感元件输出的电信号转换成为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。信号调节与转换的电路选择要视传感元件的类型而定，常用的电路有弱信号放大器、电桥、振荡器、阻抗变换器等。

辅助电路通常包括电源，有些传感器系统常采用电池供电。第5页，共25页，2023年，2月20日，星期五3.传感器分类

传感器一般是根据物理学、化学、生物学等特性、规律和效应设计而成的。由某一原理设计的传感器可以同时测量多种非电量，而有时一种非电量又可用几种不同的传感器测量，因此传感器的分类方法有很多，一般可按如下几种方法分类：（1）按输入物理量分

按输入物理量的性质进行分类，如速度传感器、温度传感器、位移传感器等。这种分类方法是按输入物理量命名的。其优点是比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途使用。但是这种分类方法是将原理互不相同的传感器归为一类，很难找出每种传感器在转换机理上有何共性和差异。第6页，共25页，2023年，2月20日，星期五（2）按工作原理分

这种分类方法是以工作原理，将物理和化学等学科的原理和、规律和效应作为分类依据，如电压式、热电式、电阻式、光电式、电感式等。

这种分类方法的优点是对于传感器的工作原理比较清楚，类别少，利于对传感器进行深入分析和研究。（3）按能量的关系分

根据能量的观点分类，可将传感器分为有源传感器和无源传感器。前者将非电能量转换为电能量，称之为能量转换型传感器。通常配合有电压测量电路和放大器，如压电式、热电式、电磁式等。无缘传感器又称能量控制型传感器。它本身不是一个换能器，被测非电量仅对传感器中能量起控制或调节作用。所以，它们必须有辅助电源，这类传感器有电阻式、电容式、电感式等。（4）按输出的信号的性质分

分为模拟式和数字式传感器，即传感器的输出量为模拟量或数字量。数字传感器便于与计算机连用，且抗干扰性强，例如盘式角压数字传感器，光栅传感器等。第7页，共25页，2023年，2月20日，星期五2.3.4ITS中常用的传感器

ITS是一个汇集了众多高科技的大系统，传感器技术是其中一个重要的组成部分。

ITS中常用的传感器主要包括以下几类：（1）磁性传感器

磁性传感器主要根据磁性物理量的变化情况，通过对磁性标记的反应，来测量有关的物理量。如通过埋设在路表的磁钉与镶嵌在汽车底盘的磁性传感器相互作用力大小的测量可以检测出车辆对于车道中心的偏移。（2）图像传感器

图像传感器主要是指有关的图像处理设备，用以辨别道路的标线、检测前后的车辆和检测道路上的障碍物等。如CCD摄像机就是一种图像传感器，它将拍摄到的图像传输到图像处理中心，经过处理后，可得到车辆偏离程度和与前面车辆的距离等数据。第8页，共25页，2023年，2月20日，星期五（3）雷达

雷达是根据多普勒效应原理工作的。如安装在车上或道路上的雷达检测器发射一微波束，当遇到车辆或其他障碍时，波束反射回天线，利用车辆进入检测区和离开检测区时所产生的两个脉冲，即可换算成所需的交通参数，如车速、交通量等。（4）超声波传感器

超声波传感器的工作原理是这样的，首先由传感器发射一束能量到检测区，然后接受反射回来的能量束，通过有关的换能装置，将能量束转换成所需的数据，依据此数据判别被检测物是否存在或与传感器的相对位置等。（5）红外传感器

红外传感器使用发射、接收器，发射光束并接收反射光束，通过反射频率的变化进行对所需数据的检测。第9页，共25页，2023年，2月20日，星期五传感器在ITS中主要应用在以下几个方面：（1）车辆检测

车辆检测传感器用来检测车辆的存在或通过。这类传感器分成三大类：·

磁频车辆检测器包括感应（环形）线圈检测器、磁性检测器、地磁检测器、微型线圈检测器、磁成像检测器和摩擦电检测器等。·

波频车辆检测器包括雷达（微波）检测器、超声波检测器、光电检测器和红外检测器等。·

视频车辆检测器实际是由车辆检测技术、摄像机和计算机图像处理技术结合构成的视频车辆检测系统。这是更先进的车辆检测技术。

现将常用车辆检测器进一步简介如下：·

环形线圈检测器

环形线圈检测器是磁性检测器的一种变形应用，一般原理是将一个或一组

感应线圈埋在路面层内，线圈内的电流产生磁场，当有车辆通过时，车辆的金属部件干扰磁场，由检测器的电子装置进行检测。通过多组环形线圈检测器的输出信号，就可以确定车道的占有率、车速、交通量。（视频：环形线圈检测器参考美国“TransGuide”）

第10页，共25页，2023年，2月20日，星期五环形线圈检测器是目前应用最广泛的一种检测器，我国也引进和生产了多种

类型的感应线圈检测器。感应线圈检测器根据传感器原理的不同可以分为以下两种：

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谐振电路感应线圈

大多数感应线圈属于这一类，由一个感应线圈和振荡电路里的可变电容组成。电路的频率调节使电路与固定频率的振荡器产生共振，当有汽车通过时，感应线圈的电感发生变化，从而引起振荡电路频率的变化。定值振荡器和电路之间的频率差驱动另外一个电路，使其闭合成为一个继电器，最后产生信号或脉冲就可以计数了。·

相移式感应线圈检测器

当车辆通过时，引起感应线圈的电感变化，可以由测定一个电阻（感应线圈也就是这个电阻的组成部分之一）的电压和电流之间的相位移动办法确定，从而达到检测的目的。第12页，共25页，2023年，2月20日，星期五

雷达检测器

雷达检测器是根据多普勒效应原理来工作的，将激光束（激光是一种亮度高、单色性好和相干性好的电磁波）以不同的形式照到流体或固体上，由于流体或固体的运动产生多普勒效应，用光电检测器测出多普勒频移，即可测出流体或固体的速度。当用雷达测车辆的速度时，发射激光并且遇到车辆后反射回来，发射波和反射波的频率差和车辆行驶的速度成正比，从而测得车辆的速度。如果雷达发射电磁波和反射波的频率分别为f

和f‘

，车辆的速度为v，电磁波传播速度为c，电磁波和车辆运行方向之间的交角为φ，则频率差为：⊿f=2vfcosФ/c测到这个频差后，从仪表上直接读到速度的值。

一般分为连续波雷达检测器和导向型雷达检测器:

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连续波雷达检测器

原理是利用悬挂在车道上方一定距离的检测器，向下方车道发射已知频率的无线电波并且接受反射波，通过反射波和接受频率差异来检测通过的车辆。

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导向型雷达检测器

原理是把无线电波以一定的频率输送到埋置在车道下的传送线中，当上面有汽车通行时，检测器测出变化并且计数。

这两种检测器都具有很好的精度，并且不会受到行车的作用发生磨损。目前，引进、使用和研制较多，效果较好。

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超声波检测器

超声波是一种机械波，它的频率高于20kHz。超声波具有波长短、绕射现象小、方向性好、能定向传播的特性。超声波传感器是实现声电转换的装置，又称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器即能发射超声波信号又能接受发射出去的超声波回波，并能转换为电信号。超声波检测器的原理是这样的，首先由传感器发射一束能量到检测区，然后接受反射回来的能量束，通过有关的换能装置，将能量转换成所需要的数据，依据此数据判别被检测物是否存在或与传感器的位置。有脉冲型、谐振型和连续波型超声检测器。

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脉冲式检测器

这种形式的检测器悬挂在车道的上方，向车道下方发射超声波能的脉冲，并且接受回波。当有车辆从下方通过时，从车顶反射回波而不是从路面反射回波，缩短了回波的路程，从而检测车辆的到达。

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谐振波型检测器

在车道两边分别安装相向对立的发射器和接受器，从发射器发射谐振型超声波，此超声波横越车道被车道对面的接受器接受，当车辆通过时就截断了波束，从而检测出车辆。

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连续波型超声检测器

检测器发射一个连续的超声波能的波束射向驶近的车辆，由于多普勒效应引起来车反射能频率的变化，于是就能检测车辆的存在。第15页，共25页，2023年，2月20日，星期五红外检测器

红外技术在最近四十年中已经发展成为一门新兴的技术科学。红外光的波长从0.1μm到100μm，红外光是太阳光谱的一部分。红外光的最大特点是具有光热效应，能辐射热量，它是光谱中最大光热效应区。红外光和所有的电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉和吸收等特性。红外光的热效应对不同的物体是各不相同的，热能强度也不一样，例如对黑体（能全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体）、镜体（能全部反射红外辐射的物体）、透明体（能全部穿透红外辐射的物体）和灰体（能部分反射或吸收红外辐射的物体）将产生不同的光热效应。红外传感器是将红外辐射量变化转换成电量变化的装置，一般由光学系统、敏感元件、前置放大器和信号调节器组成。红外传感器是根据热电效应和光子效应制成的。

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在交通检测技术方面，一般分为主动式和被动式:·

主动式

和光电检测器的原理相似，不过它使用半导体红外线发生器作为传感器。

主动式红外检测器·

被动式

其原理是利用无车辆的路面的红外线能辐射强度与路上有汽车通过时的红外线辐射强度的变化，由红外线接受器检测出来。

被动式红外检测器第17页，共25页，2023年，2月20日，星期五光电检测器

物质在光的作用下释放电子的现象称为光电效应。被释放的电子称为光电子，光电子在外电场中运动所形成的电流称为光电流。光电效应具有以下的实验规律：①光电流的大小和入射光的强度成正比；②光电子的初动能只与入射光的频率有关，和入射光的强度无关；③当入射光的频率低于某一极限值时，无论光的强度多大和照射时间多长，均无光电子产生；④从光照开始到光电子释放，整个过程只需要10-9秒的时间。

光电传感器是一种将光量的变化转换为电量的变化的传感器，它的物理基础就是光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两种。外光电效应是指在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。基于外光电效应的电器元件有光电管、光电倍增管等。内光电效应是指当光照射在物体表面上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的效应的现象。

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应用在交通检测中的光电传感器可以分光束切断型和光束反射型两种:·

光束切断型原理是发出一道光束穿过车行道射到光敏管（光电管）上，当有汽车通过时就切断光束，光敏管测出后即激发计数器计数。·

光束反射型原理是一道光束从路面反射到光敏管上，当有汽车通过时，使光束从汽车上反射，这种特别的反光射在光敏管上被测出后，就激发计数器计数。

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视频图像检测器

视频图像检测器利用电视图像摄像机提供图像信息对交通状况进行确认。右图是视频图像摄像机和视频图像检测器示意图。

第19页，共25页，2023年，2月20日，星期五第20页，共25页，2023年，2月20日，星期五第21页，共25页，2023年，2月20日，星期五CCD是电荷耦合器件的简称，CCD摄像机是以电荷为信号，不同于大多数传感器是以电流或电压为信号。CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。因此，CCD的工作过程主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。CCD有两种基本类型：一是电荷包存储在半导体和绝缘体之间的界面，并沿着界面传输，这种类型器件称为表面沟道CCD（简称SCCD）；二是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内沿着一定的方向传输，这类器件称为体沟道或埋沟道器件（简称BCCD）。CCD摄像机通过电子束或CCD的自扫描系统，将按照空间位置分布的图像分解成与像束对应的时间信号。而电视接受机或电视监视器以完全相同的方式利用电子束从左到右，同时从上到下的扫描，将电视图像在屏幕上显示出来。

CCD彩色摄像机有寿命长、能够经受强光照射而不破坏、工作电压低、不怕振动、体积小、重量轻等优点，因而使用非常广泛。第22页，共25页，2023年，2月20日，星期五还有一些其它类型的交通检测器：

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电容式检测器

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机械性电容检测器

原理是车辆通过时车轮的压力改变了两个重叠起来的柔性金属面的间隔，从而引起它们之间的静电耦合变化，最终电容的变化就被适当的检测出来。

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非机械性电容检测器

两个电极之间的电容由于车辆金属物的干扰产生变化，这种变化可以用机械性电容检测器检测出来。·

压电式检测器

利用车轮产生的压力，通过适当的机械连接，使压电部件受力而输出电压，从