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        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，壓電薄膜交通傳感器在過去數(shù)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(yīng)用中成為理想的選擇。

        美國MEAS公司經(jīng)過多年研究，開發(fā)出了一種壓電薄膜交通傳感器，該傳感器被用于檢測車軸數(shù)、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。壓電薄膜交通傳感器的長處是可獲取精確的、具體的數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)。

檢測原理

        壓電材料是一種經(jīng)特殊加工后能將動能轉(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。

        壓電薄膜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(jié)構(gòu)。在制造過程中，將壓電材料置于一個強電場中極化，數(shù)量級為每一毫米厚的壓電材料大約100000V。無護套電纜的電暈場也采用這種電場。極化場使非結(jié)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(chǎn)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(jié)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(chǎn)生了電荷(電壓)，而當去掉負載時，就會產(chǎn)生一個相反極性的信號。它產(chǎn)生的電壓可以相當高，但傳感器產(chǎn)生的電流卻比較小。

        壓電薄膜交通傳感器的檢測原理與其說是在車輛經(jīng)過時采集信息，倒不如說是在輪胎經(jīng)過傳感器時采集信息。感應(yīng)線圈只能顯示出一個大金屬物體經(jīng)過了線圈，只能提供車輛的有限的特征信息。而壓電薄膜交通傳感器檢測經(jīng)過傳感器的輪胎，產(chǎn)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(jīng)過傳感器時，傳感器就會產(chǎn)生一個新的電子脈沖。壓電薄膜交通傳感器在行駛中稱重(WIM)的檢測原理是對受力產(chǎn)生的信號積分 。

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 (標稱值)。 

7) 無源信號電纜：RG58型(HDPE)，采用地下/直埋外層護套。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個支架。

10) 輸出一致性：傳感器長度方向的輸出一致性在用于動態(tài)稱重(WIM)時為±7%，用于其它用途，如車輛分類統(tǒng)計、車速監(jiān)測、闖紅燈拍照等時為±20%。 

11) 工作溫度范圍: -40℃～80℃ 。 

12) 溫度靈敏度: 0.2%/℃ (取決于封灌材料)

產(chǎn)品特點

電容式傳感器：不能檢測靜止在傳感器上的車輛。只能檢測動態(tài)信號，內(nèi)阻很高，在低頻時信號衰減很大，低速時應(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，一般為5公里/小時到200公里/小時，較成功的系統(tǒng)達到10米/分鐘( 0.6公里/小時)。

無源傳感器：可在前置放大器前長距離傳送而不需要供電。

壽命長：超過4千萬次ESAL(等效單軸負載)，如果安裝質(zhì)量好，可達一億次(ESAL)。

大信號：200公斤輪載，在以時速88.5公里行駛時，輸出 更小250mV信號。

動態(tài)特性好： 可測自行車，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 更小，包括路面噪聲和鄰車道車輛的噪聲。 

更小的路面破壞：安裝切口僅為19mm×19mm，并可與路面輪廓一致。

易搬運：盤卷在600mm×600mm的紙盒內(nèi), 卷曲直徑不小于300mm就不會損壞。

        一次安裝獲取多種信號：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)，從而實現(xiàn)行駛中稱重(WIM)、車輛分類統(tǒng)計、車速監(jiān)測、闖紅燈拍照。

應(yīng)用范圍

        壓電薄膜交通傳感器主要應(yīng)用于行駛中稱重(WIM)，計軸數(shù)，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。

車速監(jiān)測

        通常在每條車道上安裝兩條傳感器，這便于分別地采集每條車道的數(shù)據(jù)。使用兩個傳感器可計算出車輛的速度。當輪胎經(jīng)過傳感器A時，啟動電子時鐘，當輪胎經(jīng)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(jù)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(jù)德國PTB的報告，當汽車以200公里/小時的勻速行駛時，測量精度可達到1%。 

        壓電傳感器可以區(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(jīng)過傳感器時，根據(jù)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(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)定的時速，在前輪經(jīng)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(jù)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(shè)置較低的限速；流量較低時，設(shè)置較高的限速，建立動態(tài)的管理系統(tǒng)，從而實現(xiàn)路面管理智能化。 

車輛分類統(tǒng)計

        壓電薄膜交通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)。不同的國家使用不同的分類表對車輛分類。在美國，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(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)基本上是勻速，用車軸經(jīng)過傳感器時建立的信號時間差乘以車速，就得出軸距。

軸  數(shù)

        由于傳感器是檢測壓過輪胎的力，因此即使在車輛靠得很近時也很容易測出軸數(shù)，但在車流密集、低速及車型相似時，不能區(qū)分所計軸數(shù)是同一輛車還是兩輛車，而電感線圈不能計軸數(shù)，因而用電感線圈+壓電傳感器的方案既可測得軸數(shù)又可測得車數(shù)。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(shù)

        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°～50°)再加裝一個傳感器。當雙輪胎經(jīng)過斜埋的傳感器時，會產(chǎn)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(shù)，并與斜埋傳感器計數(shù)進行比較。根據(jù)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(yīng)具備識別單、雙輪胎的能力，通過斜埋壓電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(nèi)人士關(guān)注的焦點。我國一直采用的是按噸位和按客車座位數(shù)分類，現(xiàn)在國內(nèi)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(shù)分類，再考慮載重，應(yīng)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(guān)鍵。

        制定標準的基礎(chǔ)是檢測手段。應(yīng)結(jié)合視頻技術(shù)，壓電薄膜交通傳感器及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)針對車輛的軸數(shù)、軸距、輪數(shù)、長、寬、高等物理特性設(shè)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(yīng)商的有機組合才能實現(xiàn)。

行駛中稱重( WIM ) 

        在美國、巴西、德國、日本和韓國有大量應(yīng)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(gòu)用精度較高的低速稱重系統(tǒng)判斷超載量并根據(jù)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±7%，埋設(shè)在路面下永久性安裝時，總重精度在±10%以內(nèi)，適用于ASTME1318～94標準 I 類動態(tài)稱重系統(tǒng)；臨時安裝在路面時，總重精度在±15%以內(nèi)，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和跳動有關(guān)，與輪胎壓在傳感器上的面積有關(guān)，與溫度有關(guān)，需要溫度補償。尤其是道路質(zhì)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(zhì)量應(yīng)符合ASTM的有關(guān)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)在低速端達到10米/分鐘（0.6公里/小時)。重量下限是自行車，上限經(jīng)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

        壓電傳感器的一個應(yīng)用就是收費站地磅。傳感器可以記錄高速行駛中車輛的數(shù)據(jù)。車速較低時，傳感器與電路的接口很關(guān)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(yīng)用。 

        盡管壓電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(nèi)可以同時應(yīng)用多個傳感器，以防止錯誤的計數(shù)，并完善計數(shù)的校驗。壓電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。

        壓電傳感器為收費站地磅提供了一個優(yōu)勢，壓電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(jié)構(gòu)，壓電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(nèi)，而電阻式地磅通常在橡膠套中有幾毫米的變形，因此而引入了一個疲勞元件。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 更小距離一般為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(shù)據(jù)由前輪采集，在車輛移動6″(150mm)以前完成信號采集，信號采集與速度無關(guān)，與車輛類型無關(guān)，可在高密度交通流量時使用，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。

        用兩條傳感器確定停車線前的車速，如果紅燈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 超過停車線，并可證明車速及已亮紅燈的時間。第二張照片根據(jù)車速在這以后固定的時間內(nèi)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(shù)碼相機已被接受，但大部分系統(tǒng)還是采用35mm或更大規(guī)格的濕膠片來拍攝的。初步證據(jù)在采用一次寫入多次讀取的數(shù)碼影像方式時對違章者是不利的。這樣就防止了對證據(jù)進行數(shù)碼串改。 

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智能交通傳感器及其應(yīng)用.pdf