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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(guò)去數(shù)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，還有逐步降低的價(jià)格。它獨(dú)一無(wú)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)MEAS公司經(jīng)過(guò)多年研究，開(kāi)發(fā)出了一種壓電薄膜交通傳感器，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。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)。

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(guò)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(wú)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(lái)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(lái)，當(dāng)你松開(kāi)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。

        壓電薄膜交通傳感器的檢測(cè)原理與其說(shuō)是在車輛經(jīng)過(guò)時(shí)采集信息，倒不如說(shuō)是在輪胎經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(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(wú)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℃～80℃ 。 

12) 溫度靈敏度: 0.2%/℃ (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(wú)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(guò)4千萬(wàn)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88.5公里行駛時(shí)，輸出 更小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 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(yùn)：盤(pán)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(jiàn)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

        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。

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(guò)傳感器A時(shí)，啟動(dòng)電子時(shí)鐘，當(dāng)輪胎經(jīng)過(guò)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，當(dāng)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(guò)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(guò)2%。如果車輛超過(guò)了規(guī)定的時(shí)速，在前輪經(jīng)過(guò)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(guò)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(jiàn)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)基本上是勻速，用車軸經(jīng)過(guò)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)壓過(guò)輪胎的力，因此即使在車輛靠得很近時(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(wèn)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(wèn)題。

輪胎數(shù)

        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°～50°)再加裝一個(gè)傳感器。當(dāng)雙輪胎經(jīng)過(guò)斜埋的傳感器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)雙峰脈沖，通過(guò)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(lái)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(guò)斜埋壓電傳感器就可解決這個(gè)問(wèn)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(wèn)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(mén)，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)。

行駛中稱重( WIM ) 

        在美國(guó)、巴西、德國(guó)、日本和韓國(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(guò)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%，埋設(shè)在路面下永久性安裝時(shí)，總重精度在±10%以內(nèi)，適用于ASTME1318～94標(biāo)準(zhǔn) I 類動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)；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)和跳動(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±10%，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)在低速端達(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(wàn)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

        壓電傳感器的一個(gè)應(yīng)用就是收費(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)，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。壓電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。 

        盡管壓電傳感器能探測(cè)出壓上傳感器然后從傳感器上移開(kāi)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)，并完善計(jì)數(shù)的校驗(yàn)。壓電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?/span>

        壓電傳感器為收費(fèi)站地磅提供了一個(gè)優(yōu)勢(shì)，壓電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)，壓電傳感器沒(méi)有可移動(dòng)部分。傳感器中可見(jiàn)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(gè)疲勞元件。電阻式傳感器壽命為100—500萬(wàn)軸次，而壓電傳感器卻超過(guò)1億軸次。

闖紅燈拍照

        壓電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 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(dòng)6″(150mm)以前完成信號(hào)采集，信號(hào)采集與速度無(wú)關(guān)，與車輛類型無(wú)關(guān)，可在高密度交通流量時(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。

        用兩條傳感器確定停車線前的車速，如果紅燈亮并且車速大于預(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 超過(guò)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)車速在這以后固定的時(shí)間內(nèi)拍出，一般來(lái)說(shuō)為1至2秒。第二張照片證明事實(shí)上車輛越過(guò)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(kāi)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(lái)拍攝的。初步證據(jù)在采用一次寫(xiě)入多次讀取的數(shù)碼影像方式時(shí)對(duì)違章者是不利的。這樣就防止了對(duì)證據(jù)進(jìn)行數(shù)碼串改。 

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智能交通傳感器及其應(yīng)用.pdf