- 壓電電纜傳感器原理及在智能交通中的應用
- 來源：賽斯維傳感器網 發(fā)表于 2010/6/11
隨著全球智能交通技術 (ITS) 的發(fā)展，與其它眾多的技術一樣，一種壓電電纜交通傳感器在過去數十年里取得了長足的發(fā)展。它為用戶提供的不僅是良好的性能，高度的可靠性，簡易的安裝方法，還有逐步降低的價格。它獨一無二的特性使其在日益擴展的應用中成為理想的選擇。
美國 MEAS 公司經過多年研究，開發(fā)出了一種壓電電纜交通傳感器，該傳感器被廣泛用于檢測車軸數、軸距，車速監(jiān)控，車型分類，動態(tài)稱重(WIM)，收費站地磅，闖紅燈拍照，停車區(qū)域監(jiān)控，交通信息采集(道路監(jiān)控)及機場滑行道監(jiān)控。壓電電纜交通傳感器的長處是可獲取精確的、具體的數據，如精確的速度信號、觸發(fā)信號和分類信息及長期反饋交通信息統(tǒng)計數據。
檢 測 原 理
壓電材料 PVDF 是一種經特殊加工后能將動能轉化成電能的材料。壓電電纜交通傳感器由金屬編織芯線、壓電材料和金屬外殼制成同軸結構。在制造過程中，將壓電材料置于一個強電場中極化（每一毫米厚的壓電材料大約100,000V）。無護套電纜的電暈場也采用這種電場。極化場使非結晶聚合體變成半晶體的形式，同時又保留了許多聚合體的柔韌特性。
壓電材料在受機械沖擊或振動時產生電荷。在原子層，偶極子 ( 氫 - 氟偶對 ) 的排列順序被打亂，并試圖使其恢復原來的狀態(tài)。這個偶極子被打亂的結果就是有一個電子流形成，就像海綿中的水，當你擠壓一塊濕海綿時，水會從海綿中流出來，當你松開時，水又被吸回去，這同壓電傳感器十分相似。當有壓力施加到傳感器上時，就產生了電荷 ( 電壓 )，而當去掉負載時，就會產生一個相反極性的信號。它產生的電壓可以相當高，但傳感器產生的電流卻比較小。
壓電電纜交通傳感器的檢測原理與其說是在車輛經過時采集信息，倒不如說是在輪胎經過傳感器時采集信息。感應線圈只能顯示出一個大金屬物體經過了線圈，只能提供車輛的有限的特征信息，而壓電電纜交通傳感器檢測經過傳感器的輪胎，產生一個與施加到傳感器上的壓力成正比的模擬信號，并且輸出的周期與輪胎停留在傳感器上的時間相同。每當一個輪胎經過傳感器時，傳感器就會產生一個新的電子脈沖。壓電電纜交通傳感器在行駛中稱重的檢測原理是對受力產生的信號積分。
應 用 范 圍
壓電電纜交通傳感器主要應用于行駛中稱重 (WIM)，計軸數，測軸距，車輛分類統(tǒng)計，車速監(jiān)測，闖紅燈拍照，泊車區(qū)域監(jiān)控，收費站地磅，交通信息采集和統(tǒng)計 ( 道路監(jiān)控 ) 及機場滑行道監(jiān)控等。
車 速 監(jiān) 測
通常在每條車道上安裝兩條傳感器，這便于分別采集每條車道的數據。使用兩個傳感器可計算出車輛的速度。當輪胎經過傳感器A時，啟動電子時鐘，當輪胎經過傳感器B時，時鐘停止。兩個傳感器之間的距離一般是3米，或比 3 米短一些 ( 可根據需要確定 )。傳感器之間的距離已知，將兩個傳感器之間的距離除以兩個傳感器信號的時間周期，就可得出車速。根據德國 PTB 的報告，在汽車以 200公里 / 小時的勻速行駛時，測量精度可達到 1%。
傳感器可以區(qū)分差別很小的車輛，這一點使其可與速度相機觸發(fā)器在固定地點一同使用。通常都安裝 2 條傳感器作為一組，有的國家也安裝 3 條 ( 增加了校驗 )。當輪胎經過傳感器時，根據從 A 到 B，再從 B 到 C，最終從A 到 C 的時間，計算出車速。然后對這幾個車速進行對比，它們都應在規(guī)定的范圍內，通常不超過 2%。如果車輛超過了規(guī)定的時速，在前輪經過最后一個傳感器時，立刻給車輛拍照，并計算出車速。在第一張照片拍攝后的固定時間進行第二次拍照，這樣觀測儀可以校驗車速。即使在車流量很高的情況下，也可得到各個車道的信息。傳感器可以交錯安裝，以便照相機有穩(wěn)定的焦點，從而使得照片清晰可讀。
通過車速監(jiān)測既可以對超速車輛罰款，又可以根據車流量建立可變限速標志和可變情報板。在車流量較高時，設置較低的限速；流量較低時，設置較高的限速，建立動態(tài)的管理系統(tǒng)，從而實現路面管理智能化。
車輛分類統(tǒng)計
壓電電纜交通傳感器的主要用途是車型分類，車速數據可被轉換為可靠的分類數據。不同的國家使用不同的分類表對車輛分類。在美國，FHWA 把車輛定義為從摩托車到多用途拖車的 13 種類型 ( 見高速公路動態(tài)稱重WIM) 系統(tǒng)的標準規(guī)范及用戶要求與試驗方法 ASTM1318--94)。車輛的類型是根據軸數和軸距確定的。
軸數
由于傳感器是檢測輪胎壓過傳感器的力，因此即使在車量靠得很近時也很容易測出軸數，但在車流密集、低速及車型相似時，不能區(qū)分所計軸數是同一輛車還是兩輛車，而電感線圈不能計軸數，因而用電感線圈 + 壓電傳感器的方案既可測得軸數又可測得車數。配置方案既可以是傳感器+線圈+傳感器,也可以是線圈+傳感器+線圈,為獲取車速信號并進行其它計算，兩個方案都可以，但前一個配置較好。
輪距
有些國家如南韓，車輛的分類需要檢測輪距。我國車輛的種類很多，存在同軸距不同輪距的問題，如解放車和黃河車，其載重能力的差別很大。如果檢測器能分辨輪距，將增加系統(tǒng)的覆蓋率和準確性。將傳感器以一定角度斜埋就可解決這個問題。
輪胎數
其他國家車輛分類的標準，如巴西是以雙輪胎作為等級劃分標準的。為了探測雙輪胎，通常在與車流方向成一定角度 ( 一般是 30°～ 45° ) 再加裝一個傳感器。當雙輪胎經過斜埋的傳感器時，會產生一個雙峰脈沖，通過電路的處理可識別雙輪胎信號。垂直車流安裝的傳感器仍用來正常探測車速，軸數，并與斜埋傳感器計數進行比較。
根據交通部發(fā)布的《超限運輸車輛行駛公路管理規(guī)定》，動態(tài)稱重系統(tǒng)應具備識別單、雙輪胎的能力，通過斜埋壓電電纜交通傳感器就可解決這個問題。
由于車流量的快速增長，ETC( 電子不停車收費系統(tǒng) ) 成為業(yè)內人士關注的焦點。我國一直采用的是按噸位和按客車座位數分類，現在國內行駛的車輛種類復雜，按這種分類法在 ETC 系統(tǒng)中引入自動分類十分困難。按軸距和軸數分類，再考慮載重，應是比較合理的方法。建立合理的分類標準是解決 ETC 問題的關鍵。
制定標準的基礎是檢測手段。應結合視頻技術，壓電電纜交通傳感器及網絡技術針對車輛的軸數、軸距、輪數、長、寬、高等物理特性設計車型識別系統(tǒng)。這需要管理部門，系統(tǒng)集成商及器件供應商的有機組合才能實現。
行駛中動態(tài)稱重 (WIM)
在美國、巴西、德國和韓國有大量應用。其主要用途是高速公路車輛超重超載監(jiān)測的預選和橋梁超載警告系統(tǒng)，即判斷正在高速行駛中的車輛，尤其是駛過橋梁的車輛是否超載，由視頻系統(tǒng)拍下車牌號記錄在案，然后再由執(zhí)法機構用精度較高的低速稱重系統(tǒng)判斷超載量并根據超載量罰款 。
性能符合 ASTME1318 ～ 94 動態(tài)稱重標準，傳感器長度方向上的輸出一致性小于 ±10%，當埋設在路面下永久性安裝時，總重精度在±10%以內，適用于ASTME1318～94標準I類動態(tài)稱重系統(tǒng)；當臨時安裝在路面時，總重精度在 ±15%以內，適用于 ASTME1318 ～ 94標準 II 類動態(tài)稱重系統(tǒng)。
傳感器精度與車輛振動有關，與輪胎壓在傳感器上的面積有關，與溫度有關，需要溫度補償。尤其是道路質量對系統(tǒng)精度影響很大，用在水泥路面較好，壽命長于瀝青路面，用于動態(tài)稱重的道路質量應符合 ASTM 的有關規(guī)定。通�？梢员ＷC的精度是 ±10%，個別成功的系統(tǒng)精度可達 1 ～ 2%。速度范圍可以從 5 公里 / 小時到200 公里 / 小時，較成功的系統(tǒng)在可達到 10 米 / 分鐘 (0.6 公里 / 小時 )。重量下限是自行車，上限經受了 50 萬次60KN單輪胎實驗，等效于 70噸 ( 美國標準的 9 類車輛 )，實測中水泥實驗路段被壓壞。
收費站地磅
壓電電纜交通傳感器的另一個應用是收費站地磅。傳感器可以記錄高速行駛中車輛的數據。車速較低時，軸傳感器與電路的接口很關鍵，壓電傳感器對低頻信號會衰減，低頻衰減由傳感器的電容和電路輸入阻抗決定。壓電電纜交通傳感器電路部分的另一個改進就是允許傳感器在 10米 / 分鐘 (0.6 公里 / 小時 ) 的速度時應用。
盡管壓電電纜交通傳感器能探測出壓上傳感器然后從傳感器上移開的輪胎，但它不能檢測靜止在傳感器上的車輛。在一個非常小的距離內可以同時應用多個傳感器，以防止錯誤的計數，并改善計數的校驗。該傳感器十分適合在收費站自動分類車道上使用，因為在那里車速的變化很大。
壓電電纜交通傳感器為收費站地磅提供了一個非常有效的優(yōu)勢，傳感器的壽命比普通的電阻式地磅要長得多。由于傳感器的固態(tài)結構，傳感器沒有可移動部分。傳感器中可見的變形在微米 (μm) 范圍內，而電阻式地磅通常在橡膠套中有幾毫米的變形，因此是一個疲勞元件。電阻式傳感器壽命為 100 ～ 500 萬軸次，而壓電傳感器卻超過 1 億軸次。
闖紅燈拍照
壓電電纜交通傳感器也可作為闖紅燈照相機的觸發(fā)器。在交叉路口的紅燈線前安裝兩個傳感器，傳感器與紅燈線的最小距離一般為 2 米。兩條傳感器的間距為 1 米或小于 1 米，可安裝在地感線圈的上方， 所有數據由前輪采集，在車輛通過傳感器移動 6″ (150mm) 以前完成信號采集，信號采集與速度和車輛類型無關，可在交通流量高密度時使用，照相機控制器與紅綠燈控制器相連，以便只在紅燈時完成動作。
用兩條傳感器確定車輛到達停車線前的車速，如果紅燈已亮并且車速大于預置值，就會自動拍下第一張照片。第一張照片證明紅燈已亮，而且車輛在紅燈亮時未超越停車線，并可證明車速及已亮紅燈的時間。第二張照片根據車速在第一次拍照后一定的時間內拍出，一般來說為 1 至 2 秒。第二張照片證明事實上車輛越過了停車線進入交叉路口并闖了紅燈。
在美國，因為隱私的緣故，大部分照片都是在汽車尾部拍攝的，然后給車輛開罰單，方式與停車罰單類似。注冊的車主會收到罰單，其中包括兩張照片，并把車牌照號的部分放大。雖然數碼相機已被接受，但大部分系統(tǒng)還是采用 35mm 或更大規(guī)格的濕膠片來拍攝。采用濕膠片或一次寫入多次讀取的數碼影像方式，防止對證據進行數碼纂改。
在美國的馬里蘭州霍華德縣，由于安裝了采用壓電電纜交通傳感器的闖紅燈拍照系統(tǒng)，在一年內闖紅燈事件減少了 53%，只有 3.2% 提出由法庭審判，90% 的法庭審判證明事主違章。在一個有相機的交叉路口，沖突由1992年的 15次 / 年減少到 1998年的 8 次 / 年。20架相機，發(fā)出了 21000次罰款通知。
觸發(fā)器
選擇壓電電纜交通傳感器作闖紅燈拍照觸發(fā)器的原理與它們在速度照相機中的應用相同。在照片中可以看到車輛仍壓在傳感器上。傳感器以有線方式連接到照相機上，針對每一車道傳送信息。即使在兩條相鄰車道上，兩輛車緊挨著，傳到照相機控制器的數據將是該傳感器所在車道的數據。傳感器不像固定的雷達裝置那樣很難區(qū)分相鄰車輛，因此，壓電電纜交通傳感器適用于多車道。收到罰單的人可以很清楚地看到展現在他們眼前的證據，證明他們確實是闖了紅燈并違反了車速規(guī)定。
交通信息采集和統(tǒng)計 ( 道路監(jiān)控 )
壓電電纜交通傳感器的應用已擴展成一門技術，并更可靠，價格合理。這項技術起源于美國的聯(lián)邦高速公路署(FHWA)長期道路性能工程(LTPP)。在這個項目下，部分道路的交通負載，類型和重量被監(jiān)控，以確定道路的磨損、類型和等級。在這種方式下，通常采用的是周期信息采集，而幾乎沒有實時的數據采集。
目前，由于我國的高速公路建設尚在起步階段，有些路段由于超載嚴重，在設計使用年限結束之前就過早損壞，造成養(yǎng)護費用上升。多數管理部門將主要精力集中在收費(尤其是不停車收費)標準的制定和系統(tǒng)的技術問題方面，這在目前是必需的，但是隨著車流量的增加，道路負荷的加重，交通事故將增加，道路堵塞時間將加長，對道路破損的修復次數將增加，對道路狀態(tài)的監(jiān)測將變得越來越重要。
如果將網絡技術、視頻技術及埋在路面下的地感線圈和壓電電纜交通傳感器相結合，實現交通信息的短周期采集，將車流量、車軸數、車速、軸距、車輛分類、載重量等信息收集并加以分析，由自動化交通信息調查系統(tǒng)針對路面負荷情況給業(yè)主提供維護方案，同時也為公路規(guī)劃、設計、維護和決策提供可靠、全面的數據，加拿大多倫多 401高速公路交通管理系統(tǒng)就是一個典型的例子。
在最近五年里，壓電電纜交通傳感器在性能方面顯著地提高，而價格卻不斷降低。以安裝價格來說，它只比地感線圈稍高一些，卻比地感線圈多提供許多有效信息，諸如改善了的車速，車輛分類等。另外增加了行駛中稱重功能以確定和監(jiān)控車輛的重量。它與地感線圈相結合，將使交通信息的采集更精確更全面。因此，應該考慮將壓電電纜交通傳感器這種先進的技術廣泛應用于智能交通系統(tǒng) (ITS) 中。
MEAS 的壓電電纜交通傳感器已獲得美國聯(lián)邦高速公路署批準，用于聯(lián)邦基金項目，并且已經由德國 PTB 及英國權威機構檢測和批準，同時還在全球 60 多個國家安裝，包括北美、南美、澳大利亞、歐洲、非洲和亞洲等。
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