電壓薄膜交通傳感器

大家好，我是【廣州工控傳感★科技】壓電薄膜交通傳感器事業(yè)部，張工。

壓電薄膜交通傳感器及應(yīng)用

隨著全球智能交通技術(shù)(ITS) 的發(fā)展，與其他眾多的技術(shù)一樣，一種壓電薄膜交通傳感器在過去數(shù)十年里取得了長(zhǎng)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(jiǎn)易的安裝方法，在日益擴(kuò)展的應(yīng)用中選擇。壓電薄膜交通傳感器檢測(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)滑行道監(jiān)控。壓電薄膜交通傳感器的長(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)。

電壓電材料PVDF 是一種經(jīng)特殊加工后能將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能的材料。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(gè)強(qiáng)電場(chǎng)中極化（每一毫米厚的壓電材料大約100,000V）。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- 氟偶接對(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。

電壓電薄膜交通傳感器的檢測(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，而壓電薄膜交通傳感器檢測(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。壓電薄膜交通傳感器在行駛中稱重的檢測(cè)原理是對(duì)受力產(chǎn)生的信號(hào)積分。

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(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)滑行道監(jiān)控等。

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%。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(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。

軸數(shù)

由于傳感器是檢測(cè)輪胎壓過傳感器的力，因此即使在車量靠得很近時(shí)也很容易測(cè)出軸數(shù)，但在車流密集、低速及車型相似時(shí)，不能區(qū)分所計(jì)軸數(shù)是同一輛車還是兩輛車，而電感線圈不能計(jì)軸數(shù)，因而用電感線圈+ 壓電傳感器的方案既可測(cè)得軸數(shù)又可測(cè)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(hào)并進(jìn)行其它計(jì)算，兩個(gè)方案都可以，但前一個(gè)配置較好。

輪距

有些國(guó)家如南韓，車輛的分類需要檢測(cè)輪距。我國(guó)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(cè)器能分辨輪距，將增加系統(tǒng)的覆蓋率和準(zhǔn)確性。將傳感器以一定角度斜埋就可解決這個(gè)問題。

輪胎是

其他國(guó)家車輛分類的標(biāo)準(zhǔn)，如巴西是以雙輪胎作為等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)的。為了探測(cè)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(gè)傳感器。當(dāng)雙輪胎經(jīng)過斜埋的傳感器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)雙峰脈沖，通過電路的處理可識(shí)別雙輪胎信號(hào)。垂直車流安裝的傳感器仍用來正常探測(cè)車速，軸數(shù)，并與斜埋傳感器計(jì)數(shù)進(jìn)行比較。根據(jù)交通部發(fā)布的《超限運(yùn)輸車輛行駛公路管理規(guī)定》，動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)應(yīng)具備識(shí)別單、雙輪胎的能力，通過斜埋壓電薄膜交通傳感器就可解決這個(gè)問題。

由于車流量的快速增長(zhǎng)，ETC( 電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)) 成為業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的焦點(diǎn)。我國(guó)一直采用的是按噸位和按客車座位數(shù)分類，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)行駛的車輛種類復(fù)雜，按這種分類法在ETC 系統(tǒng)中引入自動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)是解決ETC 問題的關(guān)鍵。

制定標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)是檢測(cè)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(duì)車輛的軸數(shù)、軸距、輪數(shù)、長(zhǎng)、寬、高等物理特性設(shè)計(jì)車型識(shí)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(jī)組合才能實(shí)現(xiàn)。

行駛中動(dòng)態(tài)稱重(WIM)

在美國(guó)、巴西、德國(guó)和韓國(guó)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(cè)的預(yù)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(hào)記錄在案，然后再由執(zhí)法機(jī)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(dòng)態(tài)稱重標(biāo)準(zhǔn)，傳感器長(zhǎng)度方向上的輸出一致性小于±7%，當(dāng)埋設(shè)在路面下永久性安裝時(shí)，總重精度在±7%以內(nèi)，適用于ASTME1318～94標(biāo)準(zhǔn)I類動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)；當(dāng)臨時(shí)安裝在路面時(shí)，總重精度在±15% 以內(nèi)，適用于ASTME1318 ～ 94 標(biāo)準(zhǔn)II 類動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)。

傳感器精度與車輛振動(dòng)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(bǔ)償。尤其是道路質(zhì)量對(duì)系統(tǒng)精度影響很大，用在水泥路面較好，壽命長(zhǎng)于瀝青路面，用于動(dòng)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±7%，個(gè)別成功的系統(tǒng)精度可達(dá)1～2%。速度范圍可以從5公里/小時(shí)到200 公里/ 小時(shí)，較成功的系統(tǒng)可達(dá)到10 米/ 分鐘(0.6 公里/ 小時(shí))。重量下限是自行車，上限經(jīng)受了50 萬次60KN 單輪胎實(shí)驗(yàn)，等效于70 噸( 美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的9 類車輛)，實(shí)測(cè)中水泥實(shí)驗(yàn)路段被壓壞。

收費(fèi)站地磅

壓電薄膜交通傳感器的另一個(gè)應(yīng)用是收費(fèi)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(shí)，軸傳感器與電路的接口很關(guān)鍵，壓電傳感器對(duì)低頻信號(hào)會(huì)衰減，低頻衰減由傳感器的電容和電路輸入阻抗決定。電壓電薄膜交通傳感器電路部分的另一個(gè)改進(jìn)就是允許傳感器在10 米/ 分鐘(0.6 公里/ 小時(shí)) 的速度時(shí)應(yīng)用。

盡管壓電薄膜交通傳感器能探測(cè)出壓上傳感器然后從傳感器上移開的輪胎，但它不能檢測(cè)靜止在傳感器上的車輛。在一個(gè)非常小的距離內(nèi)可以同時(shí)應(yīng)用多個(gè)傳感器，以防止錯(cuò)誤的計(jì)數(shù)，并改善計(jì)數(shù)的校驗(yàn)。該傳感器十分適合在收費(fèi)站自動(dòng)分類車道上使用，因?yàn)樵谀抢镘囁俚淖兓艽蟆?/p>

電壓電薄膜交通傳感器為收費(fèi)站地磅提供了一個(gè)非常有效的優(yōu)勢(shì)，傳感器的壽命比普通的電阻式地磅要長(zhǎng)得多。由于傳感器的固態(tài)結(jié)構(gòu)，傳感器沒有可移動(dòng)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，因此是一個(gè)疲勞元件。電阻式傳感器壽命為100 ～ 500 萬軸次，而電壓傳感器卻超過1 億軸次。

闖紅燈拍照

壓電薄膜交通傳感器也可作為闖紅燈照相機(jī)的觸發(fā)器。在交叉路口的紅燈線前安裝兩個(gè)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(shù)據(jù)由前輪采集，在車輛通過傳感器移動(dòng)6″ (150mm) 以前完成信號(hào)采集，信號(hào)采集與速度和車輛類型無關(guān)，可在交通流量高密度時(shí)使用，照相機(jī)控制器與紅綠燈控制器相連，以便只在紅燈時(shí)完成動(dòng)作。

用兩條傳感器確定車輛到達(dá)停車線前的車速，如果紅燈已亮并且車速大于預(yù)置值，就會(huì)自動(dòng)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?xí)r未超越停車線，并可證明車速及已亮紅燈的時(shí)間。第二張照片根據(jù)車速在第一次拍照后一定的時(shí)間內(nèi)拍出，一般來說為1 至2 秒。第二張照片證明事實(shí)上車輛越過了停車線進(jìn)入交叉路口并闖了紅燈。

在美國(guó)，因?yàn)殡[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(cè)的車主會(huì)收到罰單，其中包括兩張照片，并把車牌照號(hào)的部分放大。雖然數(shù)碼相機(jī)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(shù)碼影像方式，防止對(duì)證據(jù)進(jìn)行數(shù)碼纂改。

在美國(guó)的馬里蘭州霍華德縣，由于安裝了采用電壓電薄膜交通傳感器的闖紅燈拍照系統(tǒng)，在一年內(nèi)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(gè)有相機(jī)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(jī)，發(fā)出了21000 次罰款通知。

觸發(fā)器

選擇壓電薄膜交通傳感器作闖紅燈拍照觸發(fā)器的原理與它們?cè)谒俣日障鄼C(jī)中的應(yīng)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(jī)上，針對(duì)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(jī)控制器的數(shù)據(jù)將是該傳感器所在車道的數(shù)據(jù)。傳感器不像固定的雷達(dá)裝置那樣很難區(qū)分相鄰車輛，因此，壓電薄膜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(xiàn)在他們眼前的證據(jù)，證明他們確實(shí)是闖了紅燈并違反了車速規(guī)定。

交通信息采集和統(tǒng)計(jì)( 道路監(jiān)控)

壓電薄膜交通傳感器的應(yīng)用已擴(kuò)展成一門技術(shù)，并更可靠，價(jià)格合理。這項(xiàng)技術(shù)起源于美國(guó)的聯(lián)邦高速公路署(FHWA) 長(zhǎng)期道路性能工程(LTPP)。在這個(gè)項(xiàng)目下，部分道路的交通負(fù)載，類型和重量被監(jiān)控，以確定道路的磨損、類型和等級(jí)。在這種方式下，通常采用的是周期信息采集，而幾乎沒有實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集。

目前，由于我國(guó)的高速公路建設(shè)尚在起步階段，有些路段由于超載嚴(yán)重，在設(shè)計(jì)使用年限結(jié)束之前就過早損壞，造成養(yǎng)護(hù)費(fèi)用上升。多數(shù)管理部門將主要精力集中在收費(fèi)( 尤其是不停車收費(fèi)) 標(biāo)準(zhǔn)的制定和系統(tǒng)的技術(shù)問題方面，這在目前是必須的，但是隨著車流量的增加，道路負(fù)荷的加重，交通事故將增加，道路堵塞時(shí)間將加長(zhǎng)，對(duì)道路破損的修復(fù)次數(shù)將增加，對(duì)道路狀態(tài)的監(jiān)測(cè)將變得越來越重要。

如果將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、視頻技術(shù)及埋在路面下的地感線圈和壓電薄膜交通傳感器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)交通信息的短周期采集，將車流量、車軸數(shù)、車速、軸距、車輛分類、載重量等信息收集并加以分析，由自動(dòng)化交通信息調(diào)查系統(tǒng)針對(duì)路面負(fù)荷情況給業(yè)主提供維護(hù)方案，同時(shí)也為公路規(guī)劃、設(shè)計(jì)、維護(hù)和決策提供可靠、全面的數(shù)據(jù)，加拿大多倫多401 高速公路交通管理系統(tǒng)就是一個(gè)典型的例子。

在最近五年里，壓電薄膜交通傳感器在性能方面顯著地提高，而價(jià)格卻不斷降低。以安裝價(jià)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(jié)合，將使交通信息的采集更精確更全面。因此，應(yīng)該考慮將電壓薄膜交通傳感器這種先進(jìn)的技術(shù)廣泛應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)(ITS) 中。

壓電薄膜交通傳感器特性

1. 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))。均勻的高幅電壓輸出，與市場(chǎng)上已有的計(jì)數(shù)器和車輛分類器兼容。

2. 大信號(hào)

●●輪胎壓過傳感器時(shí)產(chǎn)生可靠的信號(hào)；

●●高輸出-- 可探測(cè)小型車輛，摩托車，甚至自行車 ;

●●良好的動(dòng)態(tài)范圍-- 適用于大小型車輛 ;

●●減少了彎曲波；

●●減少了路面變形噪音;

●●高信噪比易于信號(hào)處理;

●●高電容-- 能驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)電纜 ;

●●可檢測(cè)低速車輛；

●●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)。

3. 易搬運(yùn)

●●剛性好，不易下垂；

●●盤卷在一個(gè) 600x600mm的盒子中，卷曲直徑不小于 300mm就不會(huì)損壞；

●●強(qiáng)度高，搬運(yùn)時(shí)不易損壞。

4. 最小的路面破壞

●●安裝切口僅為 20mm×40mm，并可與路面輪廓一致，最終安裝完成后與路面平齊。（見下圖）

5. 易安裝

●●用快速固化環(huán)氧樹脂，丙烯酸樹脂或聚氨酯安裝；無需使用加熱器。

6. 省材料

●●較小切口意味著耗用更少的灌封材料。

7. 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，對(duì)因路面變形，鄰近車道及車輛所產(chǎn)生的噪聲具有10：1 的固有抗噪比。

9. 耐用性

●●傳感器與電纜之間采用三層密封同軸接頭；

●●只要傳感器彎曲半徑大于 300mm，便不會(huì)損壞；

●●可承受正常搬運(yùn)條件；經(jīng)過 4 千萬次等效單軸負(fù)載測(cè)試，

10. 多用途

●●既可用于路面上也可用于路面下；

●●既可永久安裝也可臨時(shí)安裝；

●●既可用于水泥路也可用于瀝青路；

●●可采用多種灌封技術(shù)：環(huán)氧膠，丙烯酸樹脂或填充聚氨酯。