传感器的创新应用.docx

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传感器的创新应用

《集成传感器技术》

考核论文

题目：

传感器的创新性应用

摘要

介绍了光敏传感器在汽车车灯上的创新设计，使汽车前照灯在不同路况实现自动控制，该设计利用3DU型光敏传感器构成控制电路，控制汽车前车灯的自动转换，从而达到将车灯亮度控制在一个安全适宜的范围内的目的。

该系统能够根据周边环境的变化适时自动地调整自身的配光方式，提供更适合的照明范围、照明距离和照明角度，提高驾驶的安全性及舒适度。

另外，还简述了几种传感器在其他领域的创新性应用设想。

关键词：

传感器光敏传感器汽车

引言

通过学习张老师的《集成传感器技术》这门课程，我对传感器有了一定的初步认识，了解到了多种传感器的原理、应用领域及其发展趋势，特别是对传感器的一些创新性应用很感兴趣，并萌发出了一些新的想法。

本文具体介绍了光敏传感器在汽车车灯上的应用，同时也简述了传感器在其他领域的一些创新应用设计的设想。

21世纪，人类全面进入信息电子化的时代。

作为现代信息技术的三大核心技术之一的传感器技术，将是21世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点。

因此我们必须重视传感器技术的发展，加快产业化的进程，大力开发传感器在各种领域的创新性应用。

整个论文内容主要分为以下几个部分：

1.光敏传感器在汽车车灯上的创新性应用；

2.传感器的一些创新应用设计；

3.总结；

4.参考文献。

第一部分光敏传感器在汽车车灯上的创新应用

一、市场分析

随着现代测量、控制和自动化技术的发展，传感器技术越来越受到人们的重视。

特别是近年来，由于科学技术、经济发展及生态平衡的需要，传感器在各个领域中的作用也日益显著。

在工业生产自动化、能源、交通等方面所开发的各种传感器，不仅代替了人的感官功能，并且在检测人的感官所不能感受的参数方面创造了十分有利的条件。

其在汽车行业的作用也日益重要，利用传感器制作的智能汽车就综合了汽车行业与传感器行业的优点，其通过安装在汽车前端的传感器，以一定的周期扫描，将扫描的结果经过信号处理后，自动判断前方障碍物，从而驱动汽车本身动力装置等实现自动控制。

这只是传感器在汽车行业的一个应用，随着科技的不断进步，越来越多的汽车问题得以借用传感器技术得以解决。

汽车前照灯是安全驾驶重要的一环，人们对前照灯的各方面要求越来越高，然而传统的前照灯只具有近光和远光2种固定照明模式，不能满足客户需求。

如汽车在转弯时，由于传统前照灯的照明角度限制，存在照明暗区，会影响司机对弯道上障碍物的判断;雨天行驶时，地面的积水会反射迎面车辆前照灯的光线，造成司机眩目等。

由于这些问题的存在，使得夜间发生车祸的概率是白天的2倍。

为了解决现存的这些问题，一种新的前照灯系统——自适应前照灯系统（AFS）被提上开发日程。

该系统能够根据周边环境的变化适时自动地调整自身的配光方式，提供更适合的照明范围、照明距离和照明角度，提高驾驶的安全性及舒适度。

二、光敏传感器

光敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，主要有：

光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。

它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。

光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。

光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术[3]中占有非常重要的地位。

最简单的光敏传感器是光敏电阻，当光子冲击接合处就会产生电流。

1．光电效应

光电器件的物理基础是光电效应。

光电效应通常分为外光电效应和内部光电效应两大类。

①外光电效应

在光线作用下，物体内部的电子一处物体表面，向外发射的现象称为外光电效应。

我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子的能量由下式确定

E=hv

若物体中电子吸收的入射光子能能量足以克服溢出功A0时，电子就溢出物体表面，产生光电子发射。

故要使电子逸出，则光子的能量hv必须超过逸出功A0，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能,即

hv=1/2mv02+A0

上式即为爱因斯坦光电效应方程。

②内光电效应

受光照的物体导电率产生了变化，或产生了光生电动势的效应叫内光电效应。

2.光敏电阻

光敏电阻原理：

光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件,它是构成光电式传感器最主要的部件。

光电器件响应快、结构简单、使用方便,而且有较高的可靠性,因此在自动检测、计算机和控制系统中,应用非常广泛。

光电器件工作的物理基础是光电效应。

在光线作用下,物体的电导性能改变的现象称为内光电效应,如光敏电阻等就属于这类光电器件。

在光线作用下,能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应,如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。

在光线作用下,能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应,如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。

在光线作用下,能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应,即阻挡层光电效应,如光电池、光敏晶体管等就属于这类光电器件。

三、AFS技术

AFS由传感器组、传输通路、处理单元和执行机构4部分组成。

AFS自1992年起被列为欧共体尤尼卡（EUREKA）的1403号项目，欧洲的各大汽车公司和美国、日本的部分公司都参与了此项目。

2003年，意大利玛涅蒂马瑞利车灯公司在汽车上安装了动态调节灯，为AFS奠定了基础。

法国的VALEO也开发了自己的AFS。

德国Hella公司取得了最为丰硕的成果。

目前，不少豪华汽车，诸如宝马W5系、奔驰E级、奥迪A8、凌志R系列等，已经加装了部分功能的AFS系统。

国内在AFS上起步较晚，上海小糸车灯有限公司、沈阳北方汽车大灯自动转向器厂和天津欧华汽车研发中心等一些机构在进行自主研发，但还没有批量生产，也缺乏核心知识产权。

AFS是一种智能式前照灯系统，它能根据周围环境的变化主动对前照灯做出调整以适应环境。

下面将针对不同的环境分6种照明模式对AFS的功能进行详细阐述。

1.默认照明模式

默认模式下，AFS的前照灯不做任何水平与垂直方向的调整，但会根据光敏传感器感知光线的变化而自动打开或关闭前照灯。

如当白天车辆穿过隧道和桥梁或遇到恶劣天气时，前照灯会自动打开以补充照明。

当黄昏时分，光线强度下降到一定大小时，前照灯也会自动打开，似乎可以感知夜晚的即将到来;相反，当黎明到来，光线强度升高到一定大小时，前照灯会自动关闭。

2.高速公路照明模式

当汽车在公路上行驶发现危险时，司机的第一反应就是制动，司机发现紧急情况到刹车发生制动作用的这段时间称为反应时间，反应时间内车辆以初始速度行驶的距离称为反应距离，从刹车发生制动作用直至汽车停止这段时间内车辆行驶的距离称为制动距离，反应距离和制动距离都与汽车的初始速度成正比。

刹车距离为反应距离与制动距离总和，且刹车距离必须在前照灯的照明区域内才能保证汽车的安全行驶。

车辆在高速公路上行驶时，车速很快，车辆密度相对较低且侧向干扰较少，所以要求前照灯照得更远、更窄，且要求车速越高，光型越长，这样才能提前发现前方障碍物，避免交通事故的发生。

当车辆进入高速公路且速度>70km/h时，AFS通过车速传感器。

车速传感器检测电控汽车的车速，控制电脑用这个输入信号来控制发动机怠速，自动变速器的变扭器锁止，自动变速器换档及发动机冷却风扇的开闭和巡航定速等其它功能。

或GPS获知此信息，然后通过调高近光灯的水平高度予以实现。

而且随着车速的加快，近光灯也会调得越高，以保证能在安全刹车距离之外发现危险。

图1为进入高速公路前后的前照灯的灯光光型分布图，从图1中可以看出，AFS工作时车辆的照明效果明显比未工作时好。

图1AFS高速公路模式对比图。

3.乡村照明模式

乡村道路岔路口多，且光线较暗，不便及时发现边缘障碍物。

部分道路还凹凸不平、起伏不定，造成车身倾斜，如图2所示，车身倾斜对前照灯照射俯仰角度影响很大。

图2车身倾斜对照明产生的影响

是否进入乡村照明模式由光敏传感器和车身高度传感器或GPS来判断。

以右行国家为例，当汽车进入乡村时，左右近光灯的驱动功率均增大，从而增加亮度以补充照明，且右灯的灯光要偏转一定角度，以照射到边缘路面，效果如下图所示。

若遇到起伏不平的路况，则AFS会根据前轴和后轴高度差的变化量来自动调整前照灯的投射俯仰角度，尽量使光轴回复到原先的水平状态，以能达到良好的照明效果，又不会对迎面车辆的司机造成眩目。

4.城市照明模式

对于城市公路来说，照明条件较好，且车流人流密度都明显增大，防止眩目就显得尤为重要。

眩光分为直接眩光和反射眩光，这里主要为直接眩光。

一般要求，在会车时，射向对面驾驶员的光照强度不要超过1000cd。

是否进入城市照明模式由光敏传感器和车速传感器或GPS来进行判断。

当光强达到阈值，且车速不超过60km/h时，城市道路照明模式便自动开启，左右近光灯的驱动功率均减小以降低亮度，且前照灯在垂直方向上会向下偏转一定角度，从而降低射进对面驾驶员眼中的光照强度。

下图为进入城市前后的照明效果对比图。

5.弯道照明模式

当汽车在弯道上行驶时，因为前照灯的光线和车辆的行驶方向一致，所以不可避免会存在照明暗区，极易因为不能及时发现弯道上的障碍物而引发交通事故。

是否进入弯道照明模式由汽车的方向盘转角传感器和车速传感器或GPS来判断。

当转向角超过12°并且车速超过30km/h时开始工作，当转向角<9°或车速<5km/h时停止工作。

当AFS获知车辆进入弯道时，前照灯会旋转一定角度，给弯道以足够的照明，效果对比图如下图所示。

为了正面照明的需要，AFS并不是同时控制左右近光灯的，如果车辆向右转弯，则右灯向右侧旋转，如果向左转弯，则左灯向左侧旋转。

同时，左右近光灯的最大调节角度也是不同的，对于交通法规规定靠右行驶的国家，右侧近光灯变化角度最大为5°，左侧为15°。

由1.2节高速公路照明模式分析可知，只有刹车距离在前照灯的照明区域内才能保证汽车的安全行驶，所以要求前照灯旋转后能照射到的弯道上的最大直线距离大于或等于刹车距离，由此不难得出前照灯需要旋转的角度φ。

如下图所示，不难看出：

其中，x为安全刹车距离，且x=Vt+S，V表示初始车速，t为反应时间，S表示制动距离，R表示弯道半径。

6.恶劣天气照明模式

6.1阴雨天气照明方式

阴雨天气时，地面的积水会将行驶车辆打在地面上的光线，反射至对面会车司机的眼睛中，使其眩目，如下图所示。

法国的一项民意调查表明，83%的驾驶员认为，夜晚的反射眩光比直接眩光更令人感到不安，所以必须设法降低阴雨天气产生的反射眩光。

由雨量传感器获得的数据即可判断当前是否下雨，并能够进一步获知雨量的大小。

一般汽车前面距离为5～25m的路面可以产生反射眩光，AFS可根据雨量大小适当降低前照灯的高度，对此范围内的照度进行限制，从而避免反射眩光对车辆前方60m范围内的驾驶员造成眩目。

6.2雾霾天气照明方式

雾霾天气时，前照灯光线产生漫射且前照灯上布满小水珠，使前照灯的亮度和穿透力降低，导致前方景像难以看清，司机的能见度很低，给交通带来很大不便。

由雾传感器感知雾的大小和光敏传感器感知光线的强弱从而启动AFS。

AFS会提高前照灯的驱动功率和抬高前照灯的垂直高度，而且还会启动车灯清洗装置，冲洗前照灯上的小水珠，以增强前照灯光束的亮度和穿透力，从而提高前方道路的能见度与清晰度。

6.3沙尘暴天气照明方式

沙尘暴天气和下雾天气情况类似，虽然此时不存在小水珠，但是在沙尘暴天气下会有大风，使前照灯上布满灰尘，且四周随时可能刮来不明物体。

由风速传感器、风速传感器（airvelocitytransducer）：

是将空气的流动速度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置。

第二部分传感器的一些创新应用设计

1.自动雨刮器

雨量传感器能估算在一定时间内落在风档玻璃上的雨水量,根据雨量传感器信号决定需要的刮雨间隔。

本装置由一个发射二极管和一个接收器组成。

当天气干燥时，有一束光始终从一个传感器传到另一个传感器（光束的传播率为百分之百）。

如果玻璃湿了（光束的传播率不到百分之百），光束的方向就会发生偏移，偏移程度和雨水量成正比。

其工作原理是，到达接收器的光越少，刮雨速度就越快。

必须注意的是，当你取下点火开关钥匙以后，要将系统复原。

当刮雨时间延长时（七个来回以上），雨水探测器将自动点亮前大灯（依据车型而定）优势:

可提高主动安全性和驾驶的舒适性。

雨水传感器控制的雨刮系统能根据雨滴的密集程度自动调节雨刮器的刮雨速度，给你的驾驶带来最大程度的便利。

2.安全输液警报器

平时医院里用的静脉输液器装置，每当容器中液体接近滴完时，护士、病人或家属都要随时观察液体的进度，以防液体滴完，空气进入血管。

可以设计一种安全输液控制器，使其在液体接近滴完时，发出鸣叫声，几秒钟后将通气孔堵住，这时液体容器中的空气压力不再增加，液体静止不再进入血管，达到安全为病人输液的目的。

3.防止酒后驾车装置设计

酒后驾车容易引发交通事故，给社会、行人、驾驶者及家人等带来痛苦和伤害。

因此可以设计一种功能全面的能够防止酒后驾车的装置，要求驾驶员在驾驶车辆之前必须通过酒精检测，方可启动车辆，对酒精检测不合格及未经酒精检测的，自动关闭车辆点火线路。

酒精检测安全带装置

4.燃气灶房干烧装置设计

在城市家庭普遍采用燃气灶做饭、炒菜烧菜，但是经常会发生由于疏忽遗忘等原因造成的干烧，引起火灾等事故。

利用检测技术可以实现在发生干烧情况时，自动切断气源，并发出报警提醒信号。

5.公交投币箱假硬币检测仪

公共交通为解决城市人群的出行提供了很大的便利，很多城市公交车已经无人售票，而是采用刷卡或投币方式。

但是由于公交车司机不可能对投币进行真伪鉴定，造成了有些人投假硬币甚至游戏币来蒙混过关，给公交企业带来很大的经济损失。

如果能够在投币箱的投币口装一台能够检测硬币真假的仪器，就能解决这个问题了

假硬币与真硬币相比，差别主要体现在材料、重量、尺寸、加工质量等方面。

综合比较，我们可以采用电涡流式传感器检测硬币的材料差异来实现自动检测硬币真假。

6.教室节电装置

高校教室一般采用开放式管理，学生基本上无固定的班级教室，无固定的座位。

因此，白天长明灯，晚上人走不关灯，人少灯全开的浪费现象在高校司空见惯。

虽然现在学生的节约意识不断增强，但是仍不能保证每个人都做到自觉关灯。

由于教室的照明灯数量多，使用时间长，因而造成的用电浪费很惊人。

在教室节电装置的设计上，其实并不需要精确控制，比如只有一个人在教室时，不能只亮一盏灯，而是应点亮这一局部区域的照明，否则周围光线环境会不利于阅读，而且过于黑暗的环境也会给学生带来心理压力。

因而在节电装置的设计上，既要考虑节电控制的可行性，又要考虑人性化。

因而考虑利用红外热释电传感器实现教室节电装置设计。

第三部分总结

人体为从外界获取信息，必须借助于感觉器官，但是单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。

为适应这种情况，就需要传感器。

因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。

当今世界已进入信息时代，在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。

现代科学技术的发展，进入了许多新领域：

例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到cm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到s的瞬间反应。

此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。

显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。

许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。

一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。

由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。

世界各国都十分重视这一领域的发展。

因此，我们要更加注重传感器在各个领域的创新性应用设计，大力加强研究。

相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。

参考文献

[1]周乐挺《传感器与检测技术》高等教育出版社，2009，（05）

[2]王君，凌振宝.《传感器原理及应用》吉林大学，2008.

[3]王化祥，张淑英.传感器原理及应用（修订版）天津:

天津大学出版社，2005.

[4]徐同举新型传感器传感器基础[M].北京:

机械工业出版社，1987.

[5]何希才，薛永毅.传感器及其应用实例.北京：

机械工业出版社，2004..

[6]连英，王晓红.光纤传感器在机械设备检测中的应用[J].光机电信息.2006.

[7]张开逊.现代传感技术在信息科学中的地位[J].工业计量.2006

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