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- 智能交通傳感器應(yīng)用指南
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2010/3/15
- 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。共聚物壓電軸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。
共聚物壓電軸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。共聚物壓電薄膜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°C ~80°C
12)溫度靈敏度: 0.2%/°C (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55英里行駛時，輸出最小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：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
共聚物壓電薄膜軸傳感器主要應(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，在汽車以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)基本上是均速，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，因此即使在車量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°--45°)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，通過斜埋壓電軸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)，壓電軸傳感器及網(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(yù)選和橋梁超載警告系統(tǒng)，既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
壓電軸傳感器的一個應(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，軸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。壓電軸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。
盡管壓電軸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)，并改善計數(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。
壓電軸傳感器為收費站地磅提供了一個非常有效的優(yōu)勢，壓電軸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)，壓電軸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
壓電軸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(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(yù)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(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35毫米或更大規(guī)格的濕膠片來拍攝的。初步證據(jù)在采用濕膠片或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。
在美國的馬里蘭州霍華德縣，由于安裝了采用壓電軸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。在有一個像機的第一個交叉路口，沖突由1992年的15次/年減少到1998年的8次/年。20臺像機，發(fā)出21000次罰款通知。
觸發(fā)器
選擇壓電傳感器作闖紅燈照相機觸發(fā)器的原因與它們在速度照相機中的應(yīng)用相同。在照片中可以看到車輛仍在傳感器的上方。傳感器以有線方式連接到照相機上，將信息具體到某一車道。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(shù)據(jù)將是該傳感器所在車道的數(shù)據(jù)。傳感器不象固定的雷達裝置那樣很難區(qū)分相鄰車輛，因此，壓電傳感器適用于多車道。收到罰單的人被再確認他們確實是闖了紅燈或違反了車速規(guī)定，因為他們可以很清楚地看到展現(xiàn)在他們眼前的證據(jù)。
交通信息采集和統(tǒng)計(道路監(jiān)控)
壓電軸傳感器的應(yīng)用已擴展成一門技術(shù)，并更可靠，價格合理。這項技術(shù)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(shù)據(jù)采集。
目前，由于我國的高速公路建設(shè)尚在起步階段，有些路段由于超載嚴重，在設(shè)計使用年限之前就過早損壞，造成養(yǎng)護費用上升，多數(shù)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(shù)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，道路的塞車時間將加長，對道路的破損修復期將縮短，次數(shù)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(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軸傳感器相結(jié)合，實現(xiàn)交通信息的短周期采集，將車流量、車軸數(shù)、車速、軸距、分類信息，載重量等信息收集并加以分析，由自動化交通信息調(diào)查系統(tǒng)對路面負荷給業(yè)主提供維護方案，同時也為公路規(guī)劃、設(shè)計、維護和決策提供可靠、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)就是一個典型的例子。
在最近五年里，壓電軸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，它只比感應(yīng)線圈稍高一些，卻比感應(yīng)線圈多提供許多有效信息，諸如改善了的速度信息，車輛分類等。另外增加了行駛中稱重能力以確定和監(jiān)控車輛的重量。它與感應(yīng)線圈相結(jié)合，將使交通信息的采集更精確更全面。顯然，壓電軸傳感器作為一種技術(shù)，應(yīng)該考慮將其廣泛應(yīng)用于智能運輸系統(tǒng)(ITS)中。
客戶
共聚物壓電軸傳感器已在全球超過30個國家安裝超過30000條,并獲得美國聯(lián)邦高速公路署批準用于聯(lián)邦基金項目。已經(jīng)由德國PTB及英國權(quán)威機構(gòu)檢測和批準。
American Traffic Systems
Digital Systems Engineering
Golden River
International Road Dynamics
Monitron
Peek Traffic
Robot Foto
Traffipax
Diamond Traffic
Electronic Control Measure
International Traffic Corporation
Mikros
PAT
Redflex
Traffic Safety Systems
Truvello
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