智能车设计教程学习教案.pptx

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1、会计学1智能车设计智能车设计(shj)教程教程第一页，共55页。2.1 2.1 传感器系统传感器系统12.2 2.2 电路设计电路设计2 思考题思考题3第第第第2 2 2 2章章章章 智能汽车设计基础智能汽车设计基础智能汽车设计基础智能汽车设计基础(jch)(jch)(jch)(jch)硬件硬件硬件硬件第1页/共55页第二页，共55页。2.1 2.1 2.1 2.1 传感器系统传感器系统传感器系统传感器系统(xtng)(xtng)(xtng)(xtng)在工程上，系统中各种物理量都必须转换成一定规格的信号（电信号或气压信号）才能被检测、采集(cij)和显示。所谓传感器，即是将被测量按照一定的物

2、理或化学原理转换成某种规定的输出信号的装置或器件。第2页/共55页第三页，共55页。2.1 2.1 2.1 2.1 传感器系统传感器系统传感器系统传感器系统(xtng)(xtng)(xtng)(xtng)通常，传感器由敏感元件和转换元件组成。敏感元件能够随着被测量的变化而引起某种通常，传感器由敏感元件和转换元件组成。敏感元件能够随着被测量的变化而引起某种易被测量的信号的变化，而转换元件则将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量易被测量的信号的变化，而转换元件则将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分，具体的电量形式取决于敏感元件的原理。除此之外，由于转换元件的输出信

3、号的电信号部分，具体的电量形式取决于敏感元件的原理。除此之外，由于转换元件的输出信号一般都很微弱，为方便传输、转换、处理及显示，通常有信号调理转换电路、辅助电路等，将一般都很微弱，为方便传输、转换、处理及显示，通常有信号调理转换电路、辅助电路等，将转换元件输出的电信号进行放大或运算调制。因此，传感器的组成通常包括转换元件输出的电信号进行放大或运算调制。因此，传感器的组成通常包括(boku)(boku)敏感元件、敏感元件、转换元件、信号调理转换电路和辅助电路，如图转换元件、信号调理转换电路和辅助电路，如图2.12.1所示。随着半导体器件与集成技术的发展，所示。随着半导体器件与集成技术的发展，传感

4、器的信号调理转换电路与敏感元件、转换元件等一起集成在同一芯片上，安装在传感器的传感器的信号调理转换电路与敏感元件、转换元件等一起集成在同一芯片上，安装在传感器的壳体里。壳体里。第3页/共55页第四页，共55页。2.1 2.1 2.1 2.1 传感器系统传感器系统传感器系统传感器系统(xtng)(xtng)(xtng)(xtng)图2.1 传感器组成(z chn)方框图图2.1 传感器组成(z chn)方框图第4页/共55页第五页，共55页。2.1 2.1 传感器系统传感器系统(xtng)(xtng)智能汽车设计中涉及智能汽车设计中涉及(shj)(shj)到的传感器主要有三种：光电式传感器、图像

5、传感器到的传感器主要有三种：光电式传感器、图像传感器和测速传感器。和测速传感器。1 2.1.1 2.1.1 光电式传光电式传 感器感器2 2.1.2 2.1.2 图像传感器图像传感器3 2.1.3 2.1.3 测速传感器测速传感器第5页/共55页第六页，共55页。2.1.1 2.1.1 2.1.1 2.1.1 光电式传感器光电式传感器 光电式传感器是利用光电器件把光信号转换成电信号的装置。光电式传感器工作光电式传感器是利用光电器件把光信号转换成电信号的装置。光电式传感器工作时，先将被测量转换为光量的变化，然后通过光电器件再把光量的变化转换为相应的时，先将被测量转换为光量的变化，然后通过光电器件

6、再把光量的变化转换为相应的电量变化，从而实现电量变化，从而实现(shxin)(shxin)非电量的测量。光电式传感器的核心（敏感元件）是光非电量的测量。光电式传感器的核心（敏感元件）是光电器件，光电器件的基础是光电效应。电器件，光电器件的基础是光电效应。第6页/共55页第七页，共55页。2.1.1 2.1.1 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器的结构简单，响应速度快，可靠性较高，能实现参数的非接触测量，因此广泛地应用于各种工业自动化仪表中。光电式传感器可用来测量光学量或测量已先行转换为光学量的其他被测量，然后输出一定形式的电信号。在测量光学量时，光电器件是作为敏感元件

7、使用；而测量其他物理量时，它是作为转换元件使用。光电式传感器由光路及电路(dinl)两大部分组成，光路部分实现被测量信号对光量的控制和调制，电路(dinl)部分完成从光信号到电信号的转换。图2.2(a)所示为测量光量时的组成框图，图2.2(b)所示为测量其他物理量时的组成框图。第7页/共55页第八页，共55页。2.1.1 2.1.1 光电式传感器光电式传感器图2.2 光电式传感器的基本(jbn)组成第8页/共55页第九页，共55页。2.1.1 2.1.1 2.1.1 2.1.1 光电式传感器光电式传感器 1 1光电管的结构与工作原理光电管的结构与工作原理 光光电电管管有有真真空空光光电电管管和

8、和充充气气光光电电管管两两类类，两两者者在在结结构构上上比比较较相相似似，均均由由一一个个阴阴极极和和一一个个阳阳极极构构成成，并并且且密密封封在在一一只只真真空空玻玻璃璃管管内内。阴阴极极装装在在玻玻璃璃管管内内壁壁上上，其其上上涂涂有有光光电电发发射射材材料料。阳阳极极通通常常用用金金属属丝丝弯弯曲曲成成矩矩形形或或圆圆形形，置置于于玻玻璃璃管管的的中中央央。当当光光照照在在阴阴极极上上时时，中中央央阳阳极极可可收收集集从从阴阴极极上上逸逸出出的的电电子子，在在外外电电场场作作用用下下形形成成电电流流(dinli)(dinli)。充充气气光光电电管管的的灵灵敏敏度度好好，但但其其稳稳定定性

9、性较较差差、惰惰性性大大，容容易易受受温温度度影影响响。在在智智能能车车的的光光电电式式传传感感器器模模块块设设计计中中，由由于于要要求求温温度度影响小和灵敏度稳定，所以一般都采用真空式光电管。影响小和灵敏度稳定，所以一般都采用真空式光电管。第9页/共55页第十页，共55页。2.1.1 2.1.1 2.1.1 2.1.1 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 2 2主要性能主要性能 光光电电器器件件的的性性能能主主要要由由伏伏安安特特性性、光光照照特特性性、光光谱谱特特性性、响响应应时时间间、峰峰值值探探测测率率和和温温度度特特性性来来描描述述。其其中中，伏伏安安特特性性、光光照照

10、特特性性和和光光谱谱特特性性是是选选择择光光电电器器件件的的主要指标。主要指标。（1 1）光电管的伏安特性）光电管的伏安特性 在在一一定定(ydng)(ydng)的的光光照照射射下下，对对光光电电器器件件的的阴阴极极所所加加电电压压与与阳阳极极所所产产生生电电流流之之间的关系称为光电管的伏安特性。它是应用光电式传感器参数的主要依据。间的关系称为光电管的伏安特性。它是应用光电式传感器参数的主要依据。第10页/共55页第十一页，共55页。2.1.1 2.1.1 光电式传感器光电式传感器 （2 2）光电管的光照特性）光电管的光照特性 当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为

11、光电管当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之比）称为光电管的灵敏的光照特性。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之比）称为光电管的灵敏度。度。（3 3）光电管的光谱特性）光电管的光谱特性 一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率因此一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率因此(ync)(ync)它们它们可用于不同的光谱范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率，可用于不同的光谱范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率，并且强度相同，随着入射光

12、频率的不同，阴极发射的光电子的数量也不会相同，即同并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量也不会相同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。第11页/共55页第十二页，共55页。2.1.2 2.1.2 图像图像(t xin)(t xin)传感器传感器图图像像传传感感器器在在智智能能车车设设计计中中非非常常常常见见。智智能能车车路路径径识识别别模模块块中中的的摄摄像像头头的的重重要要组组成成部部分分就就是是(jish)(jish)图图像像传传感感器器。图图像像传传感感器器又又称称为为成成像

13、像器器件件或或摄摄像像器器件件，可可实实现现可可见见光光、紫紫外外线线、X X射射线线、近近红红外外光光等等的的探探测测，是是现现代代视视觉觉信信息息获获取取的的一一种种基基础础器器件件。因因其其能能实实现现信信息息的的获获取取、转转换换和和视视觉觉功功能能的的扩扩展展（光光谱谱拓拓宽宽、灵灵敏敏度度范范围围扩扩大大），能能给给出出直直观观、真真实实、多多层层次次、多多内内容容的的可视图像信息，图像传感器在现代科学技术中得到越来越广泛的应用。可视图像信息，图像传感器在现代科学技术中得到越来越广泛的应用。第12页/共55页第十三页，共55页。2.1.2 2.1.2 图像图像(t xin)(t x

14、in)传感器传感器 1 1CCDCCD图像传感器的分类图像传感器的分类 CCDCCD图图像像传传感感器器从从结结构构上上可可以以分分为为两两类类：一一类类是是用用于于获获取取线线图图像像的的，称称为为线线阵阵CCDCCD；另一类是用于获取面图像的，称为面阵；另一类是用于获取面图像的，称为面阵CCDCCD。（1 1）线阵）线阵CCDCCD图像传感器图像传感器 对对 于于 线线 阵阵 CCDCCD，它它 可可 以以 直直 接接(zhji)(zhji)接接 收收 一一 维维 光光 信信 息息，而而 不不 能能 直直 接接(zhji)(zhji)将将二二维维图图像像转转换换为为一一维维的的电电信信号号

15、输输出出，为为了了得得到到整整个个二二维维图图像像的的输输出，就必须用行扫描的方法来实现。出，就必须用行扫描的方法来实现。第13页/共55页第十四页，共55页。2.1.2 2.1.2 2.1.2 2.1.2 图像图像图像图像(t xin)(t xin)(t xin)(t xin)传感器传感器传感器传感器 （2 2）面阵）面阵CCDCCD图像传感器图像传感器 面阵面阵CCDCCD图像传感器的感光单元呈二维矩阵排列，图像传感器的感光单元呈二维矩阵排列，能检测二维平面图像。由于传输能检测二维平面图像。由于传输(chun sh)(chun sh)与读出与读出方式不同，面阵图像传感器有许多类型，常见的传

16、方式不同，面阵图像传感器有许多类型，常见的传输输(chun sh)(chun sh)方式有行传输方式有行传输(chun sh)(chun sh)、帧传输、帧传输(chun sh)(chun sh)和行间传输和行间传输(chun sh)(chun sh)三种。三种。2 2CCDCCD图像传感器的特性参数图像传感器的特性参数 CCD CCD图像器件的性能参数包括灵敏度、分辨率、图像器件的性能参数包括灵敏度、分辨率、信噪比、光谱响应、动态范围和暗电流等，信噪比、光谱响应、动态范围和暗电流等，CCDCCD器件器件性能的优劣可由上述参数来衡量。性能的优劣可由上述参数来衡量。第14页/共55页第十五页，共

17、55页。2.1.2 2.1.2 2.1.2 2.1.2 图像图像图像图像(t xin)(t xin)(t xin)(t xin)传感器传感器传感器传感器 （1 1）光电转换特性）光电转换特性 CCD CCD图像传感器的光电转换特性如图图像传感器的光电转换特性如图2.32.3所示。图中所示。图中x x轴表示轴表示(biosh)(biosh)曝光量，曝光量，y y轴表示轴表示(biosh)(biosh)输出信号幅值，输出信号幅值，QSATQSAT表示表示(biosh)(biosh)饱和输出电荷，饱和输出电荷，QDARKQDARK表示表示(biosh)(biosh)暗电荷输出，暗电荷输出，ESES表

18、示表示(biosh)(biosh)饱和曝光量。饱和曝光量。图2.3 CCD光电转换(zhunhun)特性第15页/共55页第十六页，共55页。2.1.2 2.1.2 图像图像(t xin)(t xin)传感器传感器 由图由图2.32.3可以看出，输出电荷与曝光量之间有一个线性工作区域，在曝光量不饱和可以看出，输出电荷与曝光量之间有一个线性工作区域，在曝光量不饱和时，输出电荷正比于曝光量，当曝光量达到饱和曝光量后，输出电荷达到饱和值，时，输出电荷正比于曝光量，当曝光量达到饱和曝光量后，输出电荷达到饱和值，并不随曝光量的增加并不随曝光量的增加(zngji)(zngji)而增加而增加(zngji)(

19、zngji)。曝光量等于光强乘以积分时间，。曝光量等于光强乘以积分时间，即即 (2.1)(2.1)式中，为光强；为积分时间，即起始脉冲的周期。暗电荷输出为无光照射时式中，为光强；为积分时间，即起始脉冲的周期。暗电荷输出为无光照射时CCDCCD的的输出电荷。一只良好的输出电荷。一只良好的CCDCCD传感器，应具有低的暗电荷输出。传感器，应具有低的暗电荷输出。第16页/共55页第十七页，共55页。2.1.2 2.1.2 2.1.2 2.1.2 图像图像图像图像(t xin)(t xin)(t xin)(t xin)传感器传感器传感器传感器 （2 2）灵敏度和灵敏度不均匀性）灵敏度和灵敏度不均匀性

20、CCD CCD图像传感器的灵敏度或称为量子效率，标志着器件光敏区的光电转换效率，用图像传感器的灵敏度或称为量子效率，标志着器件光敏区的光电转换效率，用在一定光谱范围内单位曝光量下器件输出的电流或电压表示。实际上，图在一定光谱范围内单位曝光量下器件输出的电流或电压表示。实际上，图2.32.3中中CCDCCD光光电转换特性曲线的斜率就是器件的灵敏度，即电转换特性曲线的斜率就是器件的灵敏度，即 (2.2)(2.2)理想情况下，理想情况下，CCDCCD器件受均匀光照时，输出信号幅度完全一样。实际上，由于半导器件受均匀光照时，输出信号幅度完全一样。实际上，由于半导体材料不均匀和工艺条件因素影响，在均匀光

21、照下，体材料不均匀和工艺条件因素影响，在均匀光照下，CCDCCD器件的输出幅度出现器件的输出幅度出现(chxin)(chxin)不均匀现象。不均匀现象。第17页/共55页第十八页，共55页。2.1.2 2.1.2 2.1.2 2.1.2 图像图像图像图像(t xin)(t xin)(t xin)(t xin)传感器传感器传感器传感器 （3 3）分辨率）分辨率 分辨率是用来表示分辨图像中明细细节的能力的。它通常有两种不同分辨率是用来表示分辨图像中明细细节的能力的。它通常有两种不同(b tn)(b tn)的表示方的表示方式：式：极限分辨率。一黑一白两个线条称为一个极限分辨率。一黑一白两个线条称为一

22、个“线对线对”，透过对应光的亮度为一明一暗。而极，透过对应光的亮度为一明一暗。而极限分辨率是指人眼能够分辨的最细线条数，通常用每毫米线对数（限分辨率是指人眼能够分辨的最细线条数，通常用每毫米线对数（1 P/mm1 P/mm）来表示。）来表示。调制传递函数。每毫米长度上所包含的线对数称为空间频率，其单位是调制传递函数。每毫米长度上所包含的线对数称为空间频率，其单位是1 P/mm1 P/mm。设调幅波。设调幅波信号的最大值为信号的最大值为 最小值为最小值为 ，平均值为，平均值为 ，振幅为，振幅为 ，如图，如图2.42.4所示，定义调制度所示，定义调制度 M M 为为 第18页/共55页第十九页，共

23、55页。2.1.2 2.1.2 图像图像(t xin)(t xin)传感器传感器(2.4)图2.4 调制度(zhd)的定义第19页/共55页第二十页，共55页。2.1.2 2.1.2 2.1.2 2.1.2 图像图像图像图像(t xin)(t xin)(t xin)(t xin)传感器传感器传感器传感器 调调幅幅波波信信号号通通过过器器件件传传递递输输出出后后，通通常常调调制制度度受受到到的的损损失失减减小小。一一般般来来说说，调调制制度度随随空空间间频频率率增增加加而而减减小小。为为了了客客观观地地表表示示(bi(bi osh)CCDosh)CCD传传 感感 器器 的的 分分 辨辨 率率，一

24、一 般般 采采 用用 调调 制制 传传 递递 函函 数数（Modulation Modulation Transfer Transfer Function,Function,MTFMTF）来来表表示示(bi(bi osh)osh)。MTFMTF的的定定义义为为：在在各各个个空空间间频频率率下下，CCDCCD器器件件的的输输出出信信号号的的调调制制度度与与输输入信号的调制度的比值，即入信号的调制度的比值，即 (2.5)(2.5)式中，式中，为空间频率。为空间频率。第20页/共55页第二十一页，共55页。2.1.2 2.1.2 2.1.2 2.1.2 图像图像图像图像(t xin)(t xin)(

25、t xin)(t xin)传感器传感器传感器传感器 MTF MTF能够客观地反映能够客观地反映CCDCCD器件对于不同频率的目标成像的清晰程度。随着器件对于不同频率的目标成像的清晰程度。随着(su zhe)(su zhe)空间频率的增加，空间频率的增加，MTFMTF值减小。值减小。当当MTFMTF减小到某一值时，图像就不能够清晰分辨，该值对应的空间频率为图像传感器能分辨的最高空间频率。减小到某一值时，图像就不能够清晰分辨，该值对应的空间频率为图像传感器能分辨的最高空间频率。（4 4）CCDCCD的噪声的噪声 CCD CCD的噪声源可归纳为三类：散粒噪声、暗电流噪声和转移噪声。的噪声源可归纳为三

26、类：散粒噪声、暗电流噪声和转移噪声。散粒噪声散粒噪声 光注入光敏区产生信号电荷的过程可以看成是独立、均匀连续发生的随机过程。单位时间内光产生的信号电荷数并光注入光敏区产生信号电荷的过程可以看成是独立、均匀连续发生的随机过程。单位时间内光产生的信号电荷数并非绝对不变，而是在一个平均值上作微小波动，这一微小波动的起伏便形成散粒噪声，又称为白噪声。非绝对不变，而是在一个平均值上作微小波动，这一微小波动的起伏便形成散粒噪声，又称为白噪声。第21页/共55页第二十二页，共55页。2.1.2 2.1.2 图像图像(t xin)(t xin)传感器传感器 暗电流噪声暗电流噪声 暗电流噪声可以分为两部分：其一

27、是耗尽层热激发产生的，可用泊暗电流噪声可以分为两部分：其一是耗尽层热激发产生的，可用泊松分布描述；其二是复合产生中心非均匀分布，特别是在某些单元松分布描述；其二是复合产生中心非均匀分布，特别是在某些单元位置上形成暗电流尖峰。由于位置上形成暗电流尖峰。由于(yuy)(yuy)器件工作时各个信号电荷包的器件工作时各个信号电荷包的积分地点不同，读出路径也不同，这些尖峰对各个电荷包贡献的电积分地点不同，读出路径也不同，这些尖峰对各个电荷包贡献的电荷量不等，于是形成很大的背景起伏，这就是常称的固定图像噪声荷量不等，于是形成很大的背景起伏，这就是常称的固定图像噪声的起因。的起因。转移噪声转移噪声 转移噪声

28、产生的主要原因有：转移损失引起的噪声、界面态俘获引转移噪声产生的主要原因有：转移损失引起的噪声、界面态俘获引起的噪声和体态俘获引起的噪声。输出结构采用浮置栅放大器，噪起的噪声和体态俘获引起的噪声。输出结构采用浮置栅放大器，噪声最小。声最小。第22页/共55页第二十三页，共55页。2.1.2 2.1.2 2.1.2 2.1.2 图像图像图像图像(t xin)(t xin)(t xin)(t xin)传感器传感器传感器传感器 3 3摄像头的工作摄像头的工作(gngzu)(gngzu)原理原理 摄摄像像头头以以隔隔行行扫扫描描的的方方式式采采样样图图像像，当当扫扫描描到到某某点点时时，就就通通过过图

29、图像像传传感感芯芯片片将将该该点点处处图图像像的的灰灰度度转转换换成成与与灰灰度度对对应应的的电电压压值值，然然后后将将此此电电压压值值通通过过视视频频信信号号端端输输出出。具具体体而而言言（参参见见图图2.52.5），摄摄像像头头连连续续地地扫扫描描图图像像上上的的一一行行，就就输输出出一一段段连连续续的的视视频频信信号号，该该电电压压信信号号的的高高低低起起伏伏正正反反映映了了该该行行图图像像的的灰灰度度变变化化情情况况。当当扫扫描描完完一一行行，视视频频信信号号端端就就输输出出一一个个低低于于最最低低视视频频信信号号电电压压的的电电平平（如如0.3 0.3 V V），并并保保持持一一段段

30、时时间间。这这样样相相当当于于紧紧接接着着每每行行图图像像对对应应的的电电压压信信号号之之后后会会有有一一个个电电压压“凹凹槽槽”，此此“凹凹槽槽”叫叫做行同步脉冲，它是扫描换行的标志。做行同步脉冲，它是扫描换行的标志。第23页/共55页第二十四页，共55页。2.1.2 2.1.2 2.1.2 2.1.2 图像图像图像图像(t xin)(t xin)(t xin)(t xin)传感器传感器传感器传感器 然后扫描新的一行，如此下去，直到扫描完该场的信号，接着会出现一段场消隐信号。其中然后扫描新的一行，如此下去，直到扫描完该场的信号，接着会出现一段场消隐信号。其中有若干个复合消隐脉冲（简称消隐脉冲

31、），在这些消隐脉冲中，有一个消隐脉冲远宽于其有若干个复合消隐脉冲（简称消隐脉冲），在这些消隐脉冲中，有一个消隐脉冲远宽于其他的消隐脉冲（即该消隐脉冲的持续时间远长于其他的消隐脉冲的持续时间），该消隐脉他的消隐脉冲（即该消隐脉冲的持续时间远长于其他的消隐脉冲的持续时间），该消隐脉冲又称为场同步脉冲，标志着新的一场冲又称为场同步脉冲，标志着新的一场(y chn)(y chn)的到来。摄像头每秒扫描的到来。摄像头每秒扫描2525帧图像，每帧图像，每帧又分奇、偶两场，故每秒扫描帧又分奇、偶两场，故每秒扫描5050场图像。场图像。第24页/共55页第二十五页，共55页。2.1.2 2.1.2 2.1.2

32、 2.1.2 图像图像图像图像(t xin)(t xin)(t xin)(t xin)传感器传感器传感器传感器图2.5 摄像头视频信号第25页/共55页第二十六页，共55页。2.1.2 2.1.2 2.1.2 2.1.2 图像图像图像图像(t xin)(t xin)(t xin)(t xin)传感器传感器传感器传感器通常，摄像头产品说明上会给出有效像素和分辨率，但通常不会具体介绍视频信号行的持续时间、行消隐脉冲的持续时间等参数，而这些参数又关系到图像采样的时序控制。因此需要(xyo)设计软、硬件方法对这些参数进行实际测量。表2.1给出了常见的1/3 OmniVision CMOS摄像头的时序参

33、数，以供参考。第26页/共55页第二十七页，共55页。2.1.2 2.1.2 2.1.2 2.1.2 图像图像图像图像(t xin)(t xin)(t xin)(t xin)传感器传感器传感器传感器 表表2.1 2.1 常见的常见的1/3 OmniVision CMOS1/3 OmniVision CMOS摄像头的时序摄像头的时序(sh(sh x)x)参数参数第27页/共55页第二十八页，共55页。2.1.3 2.1.3 2.1.3 2.1.3 测速传感器测速传感器 在智能汽车设计中，测速传感器的设计主要有两种方案：在智能汽车设计中，测速传感器的设计主要有两种方案：霍尔传感器和光电式脉冲编码器

34、。霍尔传感器和光电式脉冲编码器。1 1霍尔传感器霍尔传感器 霍尔传感器是基于霍尔效应原理，将电流、磁场、位移、霍尔传感器是基于霍尔效应原理，将电流、磁场、位移、压力、压差转速等被测量转换成电动势输出的一种压力、压差转速等被测量转换成电动势输出的一种(y zhn)(y zhn)传感器。虽然转换率低、温度影响大、要求转换精度较高时必传感器。虽然转换率低、温度影响大、要求转换精度较高时必须进行温度补偿，但霍尔传感器具有结构简单、体积小、坚固、须进行温度补偿，但霍尔传感器具有结构简单、体积小、坚固、频率响应宽（从直流到微波）、动态范围（输出电动势的变化）频率响应宽（从直流到微波）、动态范围（输出电动势

35、的变化）大、无触点、寿命长、可靠性高，以及易于微型化和集成电路大、无触点、寿命长、可靠性高，以及易于微型化和集成电路化等优点。化等优点。第28页/共55页第二十九页，共55页。2.1.3 2.1.3 测速传感器测速传感器测速传感器测速传感器 （1 1）霍尔效应原理）霍尔效应原理 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。如图产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。如图2.62.6所示，假设薄片为型半导体，磁场所示，假设薄片为型半导体，磁场方向垂直于薄片，磁感

36、应强度为。在薄片左右两端通以电流（称为控制电流），那么方向垂直于薄片，磁感应强度为。在薄片左右两端通以电流（称为控制电流），那么半导体中的载流子（电子）将沿着与电流的相反方向运动半导体中的载流子（电子）将沿着与电流的相反方向运动(yndng)(yndng)。由于外磁场的作。由于外磁场的作用，使电子受到磁场力（洛仑兹力）作用而发生偏转，结果在半导体的后端面上电子用，使电子受到磁场力（洛仑兹力）作用而发生偏转，结果在半导体的后端面上电子有所积累而带负电，前端面则因缺少电子而带正电，在前后两个端面之间形成电场。有所积累而带负电，前端面则因缺少电子而带正电，在前后两个端面之间形成电场。第29页/共55

37、页第三十页，共55页。2.1.3 2.1.3 2.1.3 2.1.3 测速传感器测速传感器测速传感器测速传感器图2.6 霍尔效应(xioyng)原理图第30页/共55页第三十一页，共55页。2.1.3 2.1.3 2.1.3 2.1.3 测速传感器测速传感器 这时，在半导体前后两个端面之间（即垂直于电流和磁场这时，在半导体前后两个端面之间（即垂直于电流和磁场的方向）建立的电场称为霍尔电场，相应的电势就称为霍尔电的方向）建立的电场称为霍尔电场，相应的电势就称为霍尔电势势 。利用霍尔效应制成的传感元件称为霍尔传感器，。利用霍尔效应制成的传感元件称为霍尔传感器，的的大小正比于控制电流和磁感应强度，即

38、大小正比于控制电流和磁感应强度，即 (2.6)(2.6)式中，式中，为霍尔系数为霍尔系数(xsh)(xsh)，其中，其中 为载流体的电阻为载流体的电阻率；率；为载流子的迁移率；为载流子的迁移率；为灵敏度，为灵敏度，。若磁场方向与元件平面成角度若磁场方向与元件平面成角度 时，则作用在元件上的有效磁时，则作用在元件上的有效磁场是其法线方向的分量，即场是其法线方向的分量，即 ，则有，则有 (2.7)(2.7)第31页/共55页第三十二页，共55页。2.1.3 2.1.3 2.1.3 2.1.3 测速传感器测速传感器 由式由式(2.6)(2.6)和式和式(2.7)(2.7)可以看出，霍尔电势可以看出，

39、霍尔电势 的大小正比于控制电流的大小正比于控制电流 和和磁感应强度磁感应强度 ，灵敏度，灵敏度 表示在单位磁感应强度和单位控制电流时输出表示在单位磁感应强度和单位控制电流时输出(shch)(shch)霍尔电势的大小，一般要求越大越好，元件的厚度霍尔电势的大小，一般要求越大越好，元件的厚度d d越薄，越薄，就越就越大，所以霍尔元件的厚度都很薄。当载流电流材料和几何尺寸确定后，霍尔大，所以霍尔元件的厚度都很薄。当载流电流材料和几何尺寸确定后，霍尔电势的大小只和控制电流电势的大小只和控制电流I I和磁感应强度和磁感应强度B B有关，因此霍尔式传感器可用来探有关，因此霍尔式传感器可用来探测磁场和电流，

40、由此可测量压力、振动等。测磁场和电流，由此可测量压力、振动等。第32页/共55页第三十三页，共55页。2.1.3 2.1.3 2.1.3 2.1.3 测速传感器测速传感器测速传感器测速传感器 （2 2）霍尔元件的基本结构）霍尔元件的基本结构 霍尔元件的结构很简单，由霍尔片、四根引线和壳体组成。霍尔元件的结构很简单，由霍尔片、四根引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，从中引出四根引线，其中霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，从中引出四根引线，其中两根引线上施加激励电压或电流，称为激励电极两根引线上施加激励电压或电流，称为激励电极(dinj)(dinj)（控（控制电极制电极(dinj)(di

41、nj)），另外两根引线称为霍尔输出引线，又称为），另外两根引线称为霍尔输出引线，又称为霍尔电极霍尔电极(dinj)(dinj)。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装的。环氧树脂封装的。（3 3）霍尔式转速传感器的结构）霍尔式转速传感器的结构 图图2.72.7是三种不同结构的霍尔式转速传感器。转盘的输入轴是三种不同结构的霍尔式转速传感器。转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，转盘随之转动，固定在与被测转轴相连，当被测转轴转动时，转盘随之转动，固定在转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁

42、通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。根据应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。根据磁性转盘上小磁铁数目多少，就可以确定传感器测量转速的分磁性转盘上小磁铁数目多少，就可以确定传感器测量转速的分辨率。辨率。第33页/共55页第三十四页，共55页。2.1.3 2.1.3 2.1.3 2.1.3 测速传感器测速传感器图2.7 三种不同结构(jigu)的霍尔式转速传感器 图2.7 三种不同(b tn)结构的霍尔式转速传感器第34页/共55页第三十五页，共55页。2.1.3 2.1.3 2.1.3 2.1.3 测速传感器测速传感器 2 2光电式脉冲编码器光电式脉冲

43、编码器 光电式脉冲编码器可将机械位移、转角或速度变化转光电式脉冲编码器可将机械位移、转角或速度变化转换成电脉冲输出，是精密数控采用的检测传感器。光电换成电脉冲输出，是精密数控采用的检测传感器。光电编码器的最大特点是非编码器的最大特点是非(shfi)(shfi)接触式，此外还具有精接触式，此外还具有精度高、响应快、可靠性高等特点。度高、响应快、可靠性高等特点。光电编码器采用光电方法，将转角和位移转换为各种光电编码器采用光电方法，将转角和位移转换为各种代码形式的数字脉冲，如图代码形式的数字脉冲，如图2.82.8所示光电式脉冲编码器，所示光电式脉冲编码器，在发光元件和光电接收元件中间，有一个直接装在

44、旋转在发光元件和光电接收元件中间，有一个直接装在旋转轴上的具有相当数量的透光扇形区的编码盘，在光源经轴上的具有相当数量的透光扇形区的编码盘，在光源经光学系统形成一束平行光投在透光和不透光区的码盘上光学系统形成一束平行光投在透光和不透光区的码盘上时，转动码盘，在码盘的另一侧就形成光脉冲，脉冲光时，转动码盘，在码盘的另一侧就形成光脉冲，脉冲光照射在光电元件上就产生与之对应的电脉冲信号。照射在光电元件上就产生与之对应的电脉冲信号。第35页/共55页第三十六页，共55页。2.1.3 2.1.3 2.1.3 2.1.3 测速传感器测速传感器 图图2.8 2.8 光电式脉冲光电式脉冲(michng)(mi

45、chng)编码器结构编码器结构第36页/共55页第三十七页，共55页。2.1.3 2.1.3 2.1.3 2.1.3 测速传感器测速传感器测速传感器测速传感器光电编码器的精度和分辨率取决于光电码盘的精度和分辨率，取决于刻线数。目前，已能生产径向线宽为6.710-8 rad的码盘，其精度达110-8，比接触式的码盘编码器的精度要高很多个数量级。如进一步采用光学分解(fnji)技术，可获得更多位的光电编码器。光电编码器按其结构的转动方式可分为直线型的线性编码器和转角型的轴角编码器两种类型，按脉冲信号的性质可分为有增量式和绝对式两种类型。第37页/共55页第三十八页，共55页。2.1.3 2.1.3

46、 2.1.3 2.1.3 测速传感器测速传感器测速传感器测速传感器增量式编码器码盘图案和光脉冲信号均匀，可将任意位置为基准点，从该点开始按一定量化单位检测。该方案(fng n)无确定的对应测量点，一旦停电则失掉当前位置，且速度不可超越计数器极限相应速度，此外由于噪声影响可能造成计数积累误差。该方案(fng n)的优点是其零点可任意预置，且测量速度仅受计数器容量限制。第38页/共55页第三十九页，共55页。2.1.3 2.1.3 测速传感器测速传感器绝对式编码器的码盘图案不均匀，编码器的码盘与码道位数相等，在相应位置(wi zhi)可输出对应的数字码。其优点是坐标固定，与测量以前状态无关，抗干扰

47、能力强，无累积误差，具有断电位置(wi zhi)保持，不读数时移动速度可超越极限相应速度，不需方向判别和可逆计数，信号并行传送等；其缺点是结构复杂、价格高。要想提高光电编码器的分辨率，需要提高码道数目或者使用减速齿轮机构组成双码盘机构，将任意位置(wi zhi)取作零位时需进行一定的运算。第39页/共55页第四十页，共55页。2.2 2.2 2.2 2.2 电路设计电路设计电路设计电路设计 1 2.2.1 2.2.1 电源系统电源系统2 2.2.2 2.2.2 电机驱动电机驱动 电路电路3 2.2.3 2.2.3 传感器接口传感器接口 电路电路 第40页/共55页第四十一页，共55页。2.2.

48、1 2.2.1 2.2.1 2.2.1 电源电源电源电源(dinyun)(dinyun)(dinyun)(dinyun)系统系统系统系统 在智能车设计中，电源关系到整个电路设计的稳定性和可靠性，是电路设计中非常关键的一个环节。本节将介绍在智能车设计中，电源关系到整个电路设计的稳定性和可靠性，是电路设计中非常关键的一个环节。本节将介绍直流稳压电源的基本原理和三端固定式正压集成直流稳压电源的基本原理和三端固定式正压集成(j chn(j chn)稳压器的典型电路设计。稳压器的典型电路设计。1 1直流稳压电源的基本原理直流稳压电源的基本原理 直流稳压电源电路一般由电源变压器、整流滤波器电路及稳压电路组

49、成，如图直流稳压电源电路一般由电源变压器、整流滤波器电路及稳压电路组成，如图2.92.9所示。所示。图图2.9 2.9 直流稳压电源电路直流稳压电源电路第41页/共55页第四十二页，共55页。2.2.1 2.2.1 2.2.1 2.2.1 电源电源电源电源(dinyun)(dinyun)(dinyun)(dinyun)系统系统系统系统 电源变压器的作用是将电源变压器的作用是将220 V220 V的交流电压变成整流电路的交流电压变成整流电路(dinl)(dinl)所需要低压的交流电压。整流电路所需要低压的交流电压。整流电路(dinl)(dinl)的作用是将交流电压的作用是将交流电压变换成脉动的直

50、流电压，它主要有半波整流和全波整流等方式，变换成脉动的直流电压，它主要有半波整流和全波整流等方式，通常由整流二极管构成的整流桥堆来执行。常见的整流二极管有通常由整流二极管构成的整流桥堆来执行。常见的整流二极管有1N40071N4007和和1N51481N5148等，桥堆有等，桥堆有RS210RS210等。滤波电路等。滤波电路(dinl)(dinl)的作用是的作用是将脉动直流中的纹波滤除获得纹波小的直流，常见的有滤波、滤将脉动直流中的纹波滤除获得纹波小的直流，常见的有滤波、滤波、波、型滤波等电路型滤波等电路(dinl)(dinl)，常选用的是滤波电路，常选用的是滤波电路(dinl)(dinl)。