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- 智能交通傳感器應(yīng)用指南
- 來源：傳感器信息網(wǎng) 發(fā)表于 2010/7/5
隨著全球智能交通技術(shù)(ITS)的發(fā)展，與眾多的技術(shù)一樣，一種共聚物壓電軸傳感器在過去數(shù)年里取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。它為用戶提供的不僅僅是良好的性能，高度的可靠性，簡(jiǎn)易的安裝方法，還有逐步降低的價(jià)格。它獨(dú)一無二的特性使其在日益擴(kuò)展的應(yīng)用中成為理想的選擇。
美國(guó)MSI公司經(jīng)過多年研究，開發(fā)出了一種共聚物壓電軸傳感器，該傳感器被用于檢測(cè)車軸數(shù)、軸距，車速監(jiān)控，車型分類，動(dòng)態(tài)稱重(WIM)，收費(fèi)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(jī)場(chǎng)滑行道。共聚物壓電軸傳感器的長(zhǎng)處是可獲取精確的、具體的數(shù)據(jù)，如精確的速度信號(hào)、觸發(fā)信號(hào)和分類信息及長(zhǎng)期反饋交通信息統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) 。
檢測(cè)原理
壓電材料是一種經(jīng)特殊加工后能將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能的材料。一些聚合體材料，例如共聚物P(VDF-TrFE)使這一特性有了很大提高。
壓電傳感器由金屬編織芯線、壓電材料和金屬外殼制成同軸結(jié)構(gòu)。在制造過程中，將壓電材料置于一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)中極化，數(shù)量級(jí)為每一毫米厚的壓電材料大約 100000V。無護(hù)套電纜的電暈場(chǎng)也采用這種電場(chǎng)。極化場(chǎng)使非結(jié)晶聚合體變成半晶體的形式，同時(shí)又保留了許多聚合體的柔韌特性。
壓電材料在受機(jī)械沖擊或振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生電荷。在原子層，偶極子(氫-氟偶對(duì))的排列順序被打亂，并試圖使其恢復(fù)原來的狀態(tài)。這個(gè)偶極子被打亂的結(jié)果就是有一個(gè)電子流形成。就像海綿中的水，當(dāng)你擠壓一塊濕海綿時(shí)，水會(huì)從海綿中流出來，當(dāng)你松開時(shí)，水又被吸回去，這同壓電傳感器十分相似。當(dāng)有壓力施加到傳感器上時(shí)，就產(chǎn)生了電荷(電壓)，而當(dāng)去掉負(fù)載時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相反極性的信號(hào)。它產(chǎn)生的電壓可以相當(dāng)高，但傳感器產(chǎn)生的電流卻比較小。
共聚物壓電軸傳感器的檢測(cè)原理與其說是在車輛經(jīng)過時(shí)采集信息，倒不如說是在輪胎經(jīng)過傳感器時(shí)采集信息。感應(yīng)線圈只能顯示出一個(gè)大金屬物體經(jīng)過了線圈，只能提供車輛的有限的特征信息。而壓電傳感器檢測(cè)經(jīng)過傳感器的輪胎，產(chǎn)生一個(gè)與施加到傳感器上的壓力成正比的模擬信號(hào)，并且輸出的周期與輪胎停留在傳感器上的時(shí)間相同。每當(dāng)一個(gè)輪胎經(jīng)過傳感器時(shí)，傳感器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的電子脈沖。共聚物壓電薄膜傳感器在行駛中稱重(WIM)的檢測(cè)原理是對(duì)受力產(chǎn)生的信號(hào)積分 。
產(chǎn)品特性
1)芯線：16AWG扁平編織鍍銀銅芯線。
2)壓電材料：極化壓電聚合物涂層P(VDF~TrFE) 。
3)外護(hù)套： 0.4mm黃銅管,CDA-260,ASTM B587-88。
4)外形尺寸： 6.6mm寬×1.6mm厚。
5) 絕緣電阻：芯線與屏蔽層間的絕緣電阻: >500MOhm。
6)壓電常數(shù)： >20pC/N(標(biāo)稱值)。
7)無源信號(hào)電纜：RG58型(HDPE)，采用地下/直埋外層護(hù)套。電纜外徑為4.75mm
額定電容為89pF/m。
8)包裝：傳感器的包裝為每箱2條，包裝箱尺寸600×550×75mm。
9) 安裝支架：隨傳感器附送安裝支架，每150mm配1個(gè)支架。
10)輸出一致性：傳感器長(zhǎng)度方向的輸出一致性在用于動(dòng)態(tài)稱重(WIM)時(shí)為±7%，用于其它用途，如車輛分類統(tǒng)計(jì)、車速監(jiān)測(cè)、闖紅燈拍照等時(shí)為±20%。
11)工作溫度范圍: -40°C ~80°C
12)溫度靈敏度: 0.2%/°C (取決于封灌材料)
產(chǎn)品特點(diǎn)
電容式傳感器：不能檢測(cè)靜止在傳感器上的車輛。只能檢測(cè)動(dòng)態(tài)信號(hào)，內(nèi)阻很高，在低頻時(shí)信號(hào)衰減很大，低速時(shí)應(yīng)考慮采用較高的電路輸入阻抗，速度范圍取決于電路設(shè)計(jì)，一般為5公里/小時(shí)到200公里/小時(shí)，較成功的系統(tǒng)達(dá)到10米/分鐘(0.6公里/小時(shí))。
無源傳感器：可在前置放大器前長(zhǎng)距離傳送而不需要供電。
壽命長(zhǎng): 超過4千萬次ESAL(等效單軸負(fù)載)，如果安裝質(zhì)量好，可達(dá)一億次(ESAL)。
大信號(hào)： 200公斤輪載，在以時(shí)速55英里行駛時(shí)，輸出最小250mV信號(hào)。
動(dòng)態(tài)特性好： 可測(cè)自行車，摩托車，小汽車及重型貨車。
高信噪比：傳感器的扁平結(jié)構(gòu)（即寬厚比為6:1）使非受力方向的噪聲最小，包括路面噪聲和相鄰車道車輛的噪聲。
最小的路面破壞：安裝切口僅為19mm×19mm，并可與路面輪廓一致。
易搬運(yùn)：盤卷在600mm×600mm的紙盒內(nèi)， 卷曲直徑不小于300mm就不會(huì)損壞。
一次安裝獲取多種信號(hào)：如軸數(shù)、重量、車速、軸距，與電感線圈配合(見后附典型配置圖)，從而實(shí)現(xiàn)行駛中稱重(WIM)、車輛分類統(tǒng)計(jì)、車速監(jiān)測(cè)、闖紅燈拍照。
應(yīng)用范圍
共聚物壓電薄膜軸傳感器主要應(yīng)用于行駛中稱重(WIM)，計(jì)軸數(shù)，測(cè)軸距，車輛分類統(tǒng)計(jì)，車速監(jiān)測(cè)，闖紅燈拍照， 泊車區(qū)域監(jiān)控，收費(fèi)站地磅，交通信息采集和統(tǒng)計(jì)(道路監(jiān)控 )，及機(jī)場(chǎng)滑行道。
車速監(jiān)測(cè)
通常在每條車道上安裝兩條傳感器，這便于分別地采集每條車道的數(shù)據(jù)。使用兩個(gè)傳感器可計(jì)算出車輛的速度。當(dāng)輪胎經(jīng)過傳感器A時(shí)，啟動(dòng)電子時(shí)鐘，當(dāng)輪胎經(jīng)過傳感器B時(shí)，時(shí)鐘停止。兩個(gè)傳感器之間的距離一般是3米，或比3米短一些(可根據(jù)需要確定)。傳感器之間的距離已知，將兩個(gè)傳感器之間的距離除以兩個(gè)傳感器信號(hào)的時(shí)間周期，就可得出車速。根據(jù)德國(guó)PTB的報(bào)告，在汽車以200公里/小時(shí)的勻速行駛時(shí)，測(cè)量精度可達(dá)到1%。
壓電傳感器可以區(qū)分差別很小的車輛，這一點(diǎn)使其可與速度相機(jī)觸發(fā)器在固定地點(diǎn)一同使用。通常都安裝2條傳感器作為一組，有的國(guó)家也安裝3條(增加了校驗(yàn))。當(dāng)輪胎經(jīng)過傳感器時(shí)，根據(jù)從A到B，再?gòu)腂到C，最終從A到C的時(shí)間，計(jì)算出車速。然后對(duì)這幾個(gè)車速進(jìn)行對(duì)比，它們都應(yīng)在規(guī)定的范圍內(nèi)，通常不超過2%。如果車輛超過了規(guī)定的時(shí)速，在前輪經(jīng)過最后一個(gè)傳感器時(shí)，立刻給車輛拍照，并計(jì)算出車速。在第一張照片拍攝后的固定時(shí)間進(jìn)行第二次拍照，這樣觀測(cè)儀可以校驗(yàn)車速。即使在車流量很高的情況下，也可得到各個(gè)車道的信息。傳感器可以交錯(cuò)安裝，以便照相機(jī)有穩(wěn)定的焦點(diǎn)，從而使得照片清晰可讀。
通過車速監(jiān)測(cè)既可以對(duì)超速車輛罰款，又可以根據(jù)車流量建立可變限速標(biāo)志和可變情報(bào)板。在車流量較高時(shí)，設(shè)置較低的限速；流量較低時(shí)，設(shè)置較高的限速，建立動(dòng)態(tài)的管理系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)路面管理智能化。
車輛分類統(tǒng)計(jì)
壓電薄膜共聚物軸傳感器的主要用途是車型分類，車速數(shù)據(jù)可被轉(zhuǎn)換為可靠的分類數(shù)據(jù)。不同的國(guó)家使用不同的分類表對(duì)車輛分類。在美國(guó)，F(xiàn)HWA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(dòng)態(tài)稱重(WIM)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及用戶要求與試驗(yàn)方法ASTM1318--94)。車輛的類型是根據(jù)軸數(shù)和軸距確定的。
軸距
由于車速在3米或小于3米的距離內(nèi)基本上是均速，用車軸經(jīng)過傳感器時(shí)建立的信號(hào)時(shí)間差乘以車速，就得出軸距。
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