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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(fù)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(dāng)你擠壓一塊濕海綿時，水會從海綿中流出來，當(dāng)你松開時，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，就產(chǎn)生了電荷(電壓)，而當(dāng)去掉負(fù)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(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(dāng)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(biāo)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(fù)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(dāng)輪胎經(jīng)過傳感器A時，啟動電子時鐘，當(dāng)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(dāng)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，如巴西是以雙輪胎作為等級劃分標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(fù)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(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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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?xí)r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(rèn)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(fù)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(yán)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(fù)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(fù)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(zhǔn)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(zhǔn)。
American Traffic Systems
Digital Systems Engineering
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Monitron
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Traffipax
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