交通系统及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。
3.1.2.1 传感原理
按传感原理考虑，ITS中常用的传感器主要包括磁性传感器、图像传感器、雷达传感器、超声波传感器、红外传感器等。
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，如通过对埋设在路面的磁钉与镶嵌在汽车底盘的磁性传感器相互作用力的大小的测量可以检测出车辆相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，其用来辨别道路的标线、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及其与前面车辆的距离等数据。
3）雷达传感器
雷达传感器是根据多普勒效应原理工作的装置，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，利用车辆进人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其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器和接收器，发射光束并接收反射光束，通过反射频率的变化对所需数据进行检测。
交通用传感器的类型和原理很多，而且还在迅猛发展之中，这里不再赘述。
3.1.2.2 传感器在ITS中的应用
传感器在ITS中主要应用在车辆检测、车辆识别、车辆控制、环境信息检测、危险驾驶警告等方面。
1）车辆检测传感器
车辆检测传感器用来检测车辆的存在或通过情况，主要检测交通流信息，也称为车辆检测器，简称车检器。交通流信息是实现交通管理控制和交通诱导的重要基础交通信息，主要包括交通流量、交通速度等信息。车辆检测传感器可分成磁频车辆检测器、波频车辆检测器、视频车辆检测器三大类。磁频车辆检测器是通过检测车辆通过检测器时的磁场变化检测车辆的存在情况及其参数，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。下面对常用车辆检测器作进一步简介。
（1）环形线圈检测器。
环形线圈检测器是传统的车辆检测器，是目前应用非常广泛的一种检测设备。环形线圈检测器由感应线圈、传输馈线、检测处理单元三部分组成。其工作原理是检测单元、感应线圈与馈线线路共同组成一个电感电容调谐电路。当有电流通过感应线圈时，感应线圈周围会形成一个电磁场，车辆进人此电磁场时车身金属会感应出涡流电流，这使得磁场的磁力线减少，感应线圈的电感量也随之降低，导致整个电路的调谐频率上升，相位发生偏移。因此，环形线圈检测器从原理角度也常称为感应线圈检测器。检测处理单元根据磁场的变化检测车辆的存在情况，并计算出车辆的流量、速度、时间占有率和长度等交通参数。
环形线圈检测器是磁性检测器的一种变形应用，中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谐振电路感应线圈检测器和相移式感应线圈检测器两种。
大多数感应线圈属于谐振电路感应线圈，其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。对于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，其可以通过测定一个电阻（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来确定，从而达到检测的目的。
环形线圈检测器技术成熟，具有成本低、可靠性高、检测精度高、可全天候工作的优点。这种方法也有以下缺点：①线圈在安装或维护时必须直接埋人车道，这样交通会暂时受到阻碍；②埋置线圈的切缝软化了路面，容易使路面受损，尤其是在有信号控制的十字路口，车辆启动或者制动时损坏可能会更加严重；③感应线圈易受冰冻、路基下沉、盐碱等自然环境的影响；④感应线圈由于自身的测量原理所限制，当车流拥堵，车间距小于3m的时候，其检测精度大幅降低，甚至无法正常检测。
（2）磁阻检测器。
磁阻检测器利用异向磁阻AMR效应，通过高分辨率的磁阻传感器芯片，探测车辆对地球磁场的扰动情况，根据地球磁场的变化检测出车辆；也可以根据不同车辆对地磁产生的扰动不同来识别车辆类型。磁阻传感器体积小，检测灵敏度高，可采用路旁安装、埋人地面安装、车道上悬挂安装等多种方式，适应性高。磁阻传感器的便携性高，方便应用于临时检测交通流参数的场所。
（3）雷达检测器。
雷达检测器是根据多普勒效应原理来工作的传感装置。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。
雷达检测器一般分为连续波雷达检测器和导向型雷达检测器。连续波雷达检测器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。导向型雷达检测器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高的精度，并且不会受到行车的影响而发生磨损，其引进、使用和研制较多，效果较好。
（4）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。超声波传感器既能发射超声波信号又能接收发射出去的超声波回波，并能将之转换为电信号。超声波检测器的原理是：首先由传感器发射一束能量到检测区，然后接收反射回来的能量束，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其与传感器的位置。超声波检测器主要有脉冲波形检测器、谐振波型检测器和连续波型检测器。
脉冲波形检测器根据声波的传播和反射原理，通过测量发射波和反射波的时差变化检测车辆的存在情况。超声波发生器（探头）发射一束超声波，然后接收车辆或地面的反射波。没有车辆通过时，由于探头与地面的距离是一定的，所以探头发出超声波并接收反射波的时间也是固定的。当有车辆通过时，车辆本身的高度使探头接收到反射波的时间缩短，这就表明有车辆通过或存在。脉冲波形检测器发射单一的波束，只能实现车辆计数和分型的功能，不能测量车速信息。为了测量多车道的交通流信息，必须在每个车道上方安装超声波传感器。由于超声波传感器的安装位置位于车道上方，其安装、维护必须要中断交通。
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收器，从发射器发射的谐振波横越车道，被对面的接收器接受，车辆通过时截断了波束，从而使其检测出车辆。
连续波型检测器的原理和连续波型雷达检测器的原理相同，其向道路发射连续超声波束，当车辆驶近时，由于多普勒效应，反射的超声波频率将发生变化，根据频率的变化就能检测出车辆的存在情况。
（5）微波检测器。
微波检测器主要由微波发射、接收探头及其控制器、调制解调器等组成。微波车辆检测器通过发射中心频率为10.525GHz或24.125GHz的连续频率调制微波在检测路面投映成1个覆盖长度达60～70m的扇形微波检测区，当车辆通过这个微波监测区时会向检测器反射一个微波信号，检测器接收反射的微波信号，计算接收频率和时间的变化参数以得出车道交通流量、平均速度、车道占有率和长车流量等交通流基本信息。
微波检测器的安装方式可以分为正向安装和侧向安装两种。根据微波工作的原理，侧向安装只能检测车辆平均速度，正向安装则可检测车辆的实时速度，但正向安装只能检测单一车辆的交通流信息，要想检测多车道的车辆信息，需要安装多台检测设备，且正向安装需要安装悬挂门架，在道路中间施工需要中断交通，故微波检测器一般采用侧向安装模式。微波检测器具有可同时检测多个车道、检测精度高、安装方便、可全天候工作、维护方便等特点。新型的微波检测器包含数字双雷达系统，能够同时发射两个扇形微波检测区，能够精确检测多车道交通流量、车辆的实时速度、车长、类型等信息。
（6）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，并且接收回波。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情况。
（7）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，它是光谱中的最大光热效应区。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，例如它对黑体（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，一般分为主动式和被动式。
红外反射式检测器探头由一个红外发光管和一个红外接收管组成，其工作原理是由调制脉冲发生器产生调制脉冲，经红外探头向道路上辐射，当有车辆通过时，红外线脉冲从车体反射回来被探头的接收管接收，经红外解调器解调再通过选通、放大、整流和滤波后触发驱动器输出一个检测信号。红外检测器通常采用顶置或路侧式安装方式，具有快速准确、轮廓清晰的检测能力。其缺点是工作现场的灰尘、冰雾会影响系统的正常工作，另外不适用于每小时交通量超过1 000辆的双车道或多车道道路，其无法区别出同时通过光束的两辆车，这使得计数产生误差。
（8）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。光电效应具有以下实验规律：①光电流的大小和人射光的强度成正比；②光电子的初动能只与人射光的频率有关，和人射光的强度无关；③当人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 s。
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时，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。应用在交通检测中的光电传感器可以分为光束切断型和光束反射型两种。光束切断型的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。光束反射型的原理是一道光束从路面反射到光敏管上，当有汽车通过时，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。
（9）视频图像检测器。
视频检测技术是一种基于计算机视觉和图像处理技术，对路面运动目标物体进行检测分析的视频处理技术。视频车辆检测器是通过视频摄像机作传感器，通过分析摄像机拍摄的交通图像，在视频范围内划定虚拟线圈——检测区，运动物体进人检测区域导致背景灰度发生变化，从而感知运动目标的存在，实现对车辆、行人等运动目标的检测、定位、识别和跟踪，并对检测、跟踪和识别的交通运动目标的交通行为进行分析和判断，从而完成对交通流量、速度、占有率等交通数据信息的采集。
视频车辆检测器可安装在车道的上方和侧面，与传统的交通信息采集技术相比，采用单台摄像机和处理器就可检测多车道的交通信息，同时可以提供现场的视频图像，可根据需要移动检测线圈，具有直观可靠、安装调试维护方便、价格便宜等优点。其缺点是容易受恶劣天气、灯光、阴影等环境因素的影响，汽车的动态阴影也会带来干扰，在恶劣天气下正确检测率下降，甚至无法检测。灯光、阴影等环境因素会使误检率大幅上升。
视频检测技术目前还不如线圈检测技术成熟和稳定，其现阶段受到使用环境、检测算法、硬件平台等的制约，还存在一些自身的缺陷，有待进一步完善和提高。但是它具有不可取代的优越性，随着技术的不断发展、检测方法的不断更新，视频检测技术将会越来越多地在诸多方面取代其他检测方式，成为交通管理工作中获取交通信息的重要来源和手段。今后，随着对基于视频的车辆检测算法的研究的不断进展，立体视觉检测方式和多传感器检测方式将成为未来的发展趋势。
2）其他类型的交通检测器
其他类型的交通检测器，包括电容式检测器、压电式检测器、地震式检测器等。
电容式检测器分为机械性电容检测器和非机械性电容检测器。机械性电容检测器的原理是，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地检测出来。非机械性电容检测器是利用两个电极之间的电容随着车辆金属物的干扰产生变化，这种变化可以用非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，从而进行检测。
地震式检测器是利用车辆通过时使埋置的钢条产生振动的效果进行检测。
一些常用的车辆检测器的特点归纳于表3-1中。
表3-1 常用的车辆检测器的特点
表3-2所示为目前国内外常用的车辆检测技术的优缺点。
表3-2 目前国内外常用的车辆检测技术的优缺点
注：前面带“∗”的为摘自美国托休斯检测中心试验报告的内容，其余为综合相关资料的结论。
3.1.2.3 其他传感器
这里主要介绍车辆识别传感器、车辆控制传感器、环境信息检测传感器和危险驾驶警告传感器。
1）车辆识别传感器
感应线圈车辆检测器和视频车辆检测系统等用于车辆检测的传感器也可以应用于车辆的识别和分类。另外，用于车辆识别的传感器还有光学式传感器和平面音感微波式传感器等。
2）车辆控制传感器
车辆传感器有控制车辆运行、驾驶状态操纵、检测车辆运动和异常状态监控等作用。车辆运行控制包括变速器、制动器、发动机，以及对驱动力矩、转向进行控制的传感器，它们可控制车辆的运行。驾驶操纵控制包括对转向、加速、制动等进行控制的传感器，它们可检测操纵状态和完成驾驶员的操纵意图。车辆运动控制包括对车速、加速度、角速度、减速度等进行控制的传感器，它们可检测各种车辆的控制输人，也是辅助驾驶系统和各种信息提供辅助系统的重要组成部分。异常状态检测传感器包括对单侧车轮制动状态、燃油残留量、轮胎气压等进行检测的传感器。
3）环境信息检测传感器
这类传感器主要利用超声波、电波、光波等原理制成，用来检测车辆周围的车辆、行人、障碍物、路面形状和路面湿润状况等各种情况。其中，检测车辆周围环境和障碍物的激光传感器和磁性传感器是比较重要的两种传感器，它们是进行图像处理的基础。另外视频检测传感器也是重要的环境信息检测传感器，其关键是成像技术图像压缩、传输技术和图像处理技术。
4）危险驾驶警告传感器
危险驾驶主要是指当驾驶员处于瞌睡、过度疲劳、醉酒等状态时，容易引起交通事故。其中，瞌睡和饮酒过度直接导致的交通事故率很高。所以，实时检测驾驶员的异常状况并加以防止是非常重要的。判断驾驶员是否瞌睡时，通常利用传感器检测驾驶员的眼球运动、体温、脑电波、皮肤电位、心跳等来确定；判断驾驶员是否饮酒时，通常利用传感器检测车内的酒精含量是否超标来确定。
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