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智能交通传感器及其应用

2019-02-15 11:08:52

        随着全球智能交通技术(ITS)的发展,与众多的技术一样,压电薄膜交通传感器在过去数年里取得了长足的发展。它为用户提供的不仅是良好的性能,高度的可靠性,简易的安装方法,还有逐步降低的价格。它独一无二的特性使其在日益扩展的应用中成为理想的选择。

        美国MEAS公司经过多年研究,开发出了一种压电薄膜交通传感器,该传感器被用于检测车轴数、轴距、车速监控、车型分类、动态称重(WIM)、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通信息采集(道路监控)及机场滑行道。压电薄膜交通传感器的长处是可获取精确的、具体的数据,如精确的速度信号、触发信号和分类信息及长期反馈交通信息统计数据。

检测原理

        压电材料是一种经特殊加工后能将动能转化成电能的材料。一些聚合体材料,例如共聚物P(VDF-TrFE)使这一特性有了很大提高。

        压电薄膜交通传感器由金属编织芯线、压电材料和金属外壳制成同轴结构。在制造过程中,将压电材料置于一个强电场中极化,数量级为每一毫米厚的压电材料大约100000V。无护套电缆的电晕场也采用这种电场。极化场使非结晶聚合体变成半晶体的形式,同时又保留了许多聚合体的柔韧特性。

        压电材料在受机械冲击或振动时产生电荷。在原子层,偶极子(氢-氟偶对)的排列顺序被打乱,并试图使其恢复原来的状态。这个偶极子被打乱的结果就是有一个电子流形成。就像海绵中的水,当你挤压一块湿海绵时,水会从海绵中流出来,当你松开时,水又被吸回去,这同压电传感器十分相似。当有压力施加到传感器上时,就产生了电荷(电压),而当去掉负载时,就会产生一个相反极性的信号。它产生的电压可以相当高,但传感器产生的电流却比较小。

        压电薄膜交通传感器的检测原理与其说是在车辆经过时采集信息,倒不如说是在轮胎经过传感器时采集信息。感应线圈只能显示出一个大金属物体经过了线圈,只能提供车辆的有限的特征信息。而压电薄膜交通传感器检测经过传感器的轮胎,产生一个与施加到传感器上的压力成正比的模拟信号,并且输出的周期与轮胎停留在传感器上的时间相同。每当一个轮胎经过传感器时,传感器就会产生一个新的电子脉冲。压电薄膜交通传感器在行驶中称重(WIM)的检测原理是对受力产生的信号积分 。


产品特性

1) 芯线:16AWG扁平编织镀银铜芯线。

2) 压电材料:极化压电聚合物涂层P(VDF~TrFE)。

3) 外护套: 0.4mm黄铜管,CDA~260,ASTM B587~88。

4) 外形尺寸: 6.6mm宽×1.6mm厚。

5) 绝缘电阻:芯线与屏蔽层间的绝缘电阻: >500MOhm。

6) 压电常数: >20pC/N (标称值)。 

7) 无源信号电缆:RG58型(HDPE),采用地下/直埋外层护套。电缆外径为4.75mm,额定电容为89pF/m。

8) 包装:传感器的包装为每箱 2条,包装箱尺寸 600×550×75mm。

9) 安装支架:随传感器附送安装支架,每150mm配1个支架。

10) 输出一致性:传感器长度方向的输出一致性在用于动态称重(WIM)时为±7%,用于其它用途,如车辆分类统计、车速监测、闯红灯拍照等时为±20%。 

11) 工作温度范围: -40℃~80℃ 。 

12) 温度灵敏度: 0.2%/℃ (取决于封灌材料)


产品特点

电容式传感器:不能检测静止在传感器上的车辆。只能检测动态信号,内阻很高,在低频时信号衰减很大,低速时应考虑采用较高的电路输入阻抗,速度范围取决于电路设计,一般为5公里/小时到200公里/小时,较成功的系统达到10米/分钟( 0.6公里/小时)。

无源传感器:可在前置放大器前长距离传送而不需要供电。

寿命长:超过4千万次ESAL(等效单轴负载),如果安装质量好,可达一亿次(ESAL)。

大信号:200公斤轮载,在以时速88.5公里行驶时,输出最小250mV信号。

动态特性好: 可测自行车,摩托车,小汽车及重型货车。

高信噪比:传感器的扁平结构(即宽厚比为 6:1)使非受力方向的噪声最小,包括路面噪声和邻车道车辆的噪声。 

最小的路面破坏:安装切口仅为19mm×19mm,并可与路面轮廓一致。

易搬运:盘卷在600mm×600mm的纸盒内, 卷曲直径不小于300mm就不会损坏。


        一次安装获取多种信号:如轴数、重量、车速、轴距,与电感线圈配合(见后附典型配置图),从而实现行驶中称重(WIM)、车辆分类统计、车速监测、闯红灯拍照。

应用范围

        压电薄膜交通传感器主要应用于行驶中称重(WIM),计轴数,测轴距,车辆分类统计,车速监测,闯红灯拍照,泊车区域监控,收费站地磅,交通信息采集和统计(道路监控 ),及机场滑行道。

车速监测

        通常在每条车道上安装两条传感器,这便于分别地采集每条车道的数据。使用两个传感器可计算出车辆的速度。当轮胎经过传感器A时,启动电子时钟,当轮胎经过传感器B时,时钟停止。两个传感器之间的距离一般是3米,或比3米短一些(可根据需要确定)。传感器之间的距离已知,将两个传感器之间的距离除以两个传感器信号的时间周期,就可得出车速。根据德国PTB的报告,当汽车以200公里/小时的匀速行驶时,测量精度可达到1%。 

        压电传感器可以区分差别很小的车辆,这一点使其可与速度相机触发器在固定地点一同使用。通常都安装2条传感器作为一组,有的国家也安装3条(增加了校验)。当轮胎经过传感器时,根据从A到B,再从B到C,最终从A到C的时间,计算出车速。然后对这几个车速进行对比,它们都应在规定的范围内,通常不超过2%。如果车辆超过了规定的时速,在前轮经过最后一个传感器时,立刻给车辆拍照,并计算出车速。在第一张照片拍摄后的固定时间进行第二次拍照,这样观测仪可以校验车速。即使在车流量很高的情况下,也可得到各个车道的信息。传感器可以交错安装,以便照相机有稳定的焦点,从而使得照片清晰可读。

        通过车速监测既可以对超速车辆罚款,又可以根据车流量建立可变限速标志和可变情报板。在车流量较高时,设置较低的限速;流量较低时,设置较高的限速,建立动态的管理系统,从而实现路面管理智能化。 

车辆分类统计

        压电薄膜交通传感器的主要用途是车型分类,车速数据可被转换为可靠的分类数据。不同的国家使用不同的分类表对车辆分类。在美国,FHWA把车辆定义为从摩托车到多用途拖车的13种类型[见高速公路动态称重(WIM)系统的标准规范及用户要求与试验方法ASTM1318—94]。车辆的类型是根据轴数和轴距确定的。

轴  距

        由于车速在3米或小于3米的距离内基本上是匀速,用车轴经过传感器时建立的信号时间差乘以车速,就得出轴距。

轴  数

        由于传感器是检测压过轮胎的力,因此即使在车辆靠得很近时也很容易测出轴数,但在车流密集、低速及车型相似时,不能区分所计轴数是同一辆车还是两辆车,而电感线圈不能计轴数,因而用电感线圈+压电传感器的方案既可测得轴数又可测得车数。配置方案既可以是传感器+线圈+传感器,也可以是线圈+传感器+线圈,为获取车速信号并进行其它计算,两个方案都可以,但前一个配置较好。

轮  距

        有些国家如南韩,车辆的分类需要检测轮距,我国车辆的种类很多,存在同轴距不同轮距的问题,如解放车和黄河车,其载重能力的差别很大。如果检测器能分辨轮距,将增加系统的覆盖率和准确性。将传感器以一定角度斜埋就可解决这个问题。

轮胎数

        其他国家车辆分类的标准,如巴西是以双轮胎作为等级划分标准的。为了探测双轮胎,通常在与车流方向成一定角度 (一般是30°~50°)再加装一个传感器。当双轮胎经过斜埋的传感器时,会产生一个双峰脉冲,通过电路的处理可识别双轮胎信号。垂直车流安装的传感器仍用来正常探测车速,轴数,并与斜埋传感器计数进行比较。根据交通部发布的《超限运输车辆行驶公路管理规定》,动态称重系统应具备识别单、双轮胎的能力,通过斜埋压电传感器就可解决这个问题。

        由于车流量的快速增长,ETC (电子不停车收费系统)成为业内人士关注的焦点。我国一直采用的是按吨位和按客车座位数分类,现在国内行驶的车辆种类复杂,按这种分类法在ETC系统中引入自动分类十分困难。按轴距和轴数分类,再考虑载重,应是比较合理的方法。建立合理的分类标准是解决ETC问题的关键。

        制定标准的基础是检测手段。应结合视频技术,压电薄膜交通传感器及网络技术针对车辆的轴数、轴距、轮数、长、宽、高等物理特性设计车型识别系统。这需要管理部门,系统集成商及器件供应商的有机组合才能实现。

行驶中称重( WIM ) 

        在美国、巴西、德国、日本和韩国有大量应用,其主要用途是高速公路车辆超重超载监测的预选和桥梁超载警告系统,即判断正在高速行驶中的车辆,尤其是驶过桥梁的车辆是否超载,由视频系统拍下车牌号记录在案,然后再由执法机构用精度较高的低速称重系统判断超载量并根据超载量罚款 。 

        性能符合ASTME1318~94动态称重标准,传感器长度方向上的输出一致性小于±7%,埋设在路面下永久性安装时,总重精度在±10%以内,适用于ASTME1318~94标准 I 类动态称重系统;临时安装在路面时,总重精度在±15%以内,适用于ASTME1318~94标准 II 类动态称重系统。

        传感器精度与车辆振动和跳动有关,与轮胎压在传感器上的面积有关,与温度有关,需要温度补偿。尤其是道路质量对系统精度影响很大,用在水泥路面较好,寿命长于沥青路面,用于动态称重的道路质量应符合ASTM的有关规定。通常可以保证的精度是±10%,个别成功的系统精度可达1~2%。速度范围可以从5公里/小时到200公里/小时,较成功的系统在低速端达到10米/分钟(0.6公里/小时)。重量下限是自行车,上限经受了50万次60KN单轮胎实验,等效于70吨(美国标准的9类车辆),实测中水泥实验路段被压坏。 

收费站地磅

        压电传感器的一个应用就是收费站地磅。传感器可以记录高速行驶中车辆的数据。车速较低时,传感器与电路的接口很关键,压电传感器对低频信号会衰减,低频衰减由传感器的电容和电路输入阻抗决定。压电传感器电路部分的另一个改进就是允许传感器在10米/分钟(0.6公里/小时)的速度时应用。 

        尽管压电传感器能探测出压上传感器然后从传感器上移开的轮胎,但它不能检测静止在传感器上的车辆。在一个非常小的距离内可以同时应用多个传感器,以防止错误的计数,并改善计数的校验。压电传感器十分适合在收费站自动分类车道上使用,因为在那里车速的变化很大。

        压电传感器为收费站地磅提供了一个非常有效的优势,压电传感器的寿命比普通的电阻式地磅要长得多。由于传感器的固态结构,压电传感器没有可移动部分。传感器中可见的变形在微米(μm)范围内,而电阻式地磅通常在橡胶套中有几毫米的变形,因此而引入了一个疲劳元件。电阻式传感器寿命为100—500万轴次,而压电传感器却超过1亿轴次。

闯红灯拍照

        压电传感器也可作为闯红灯照相机的触发器。在交叉路口的红灯线前安装两个传感器,传感器与红灯线的最小距离一般为2米。两条传感器的间距为1米或小于1米,可安装在地感线圈的上方,所有数据由前轮采集,在车辆移动6″(150mm)以前完成信号采集,信号采集与速度无关,与车辆类型无关,可在高密度交通流量时使用,照相机控制器与红绿灯控制器相连,以便只在红灯时完成动作。

        用两条传感器确定停车线前的车速,如果红灯亮并且车速大于预置值,就会自动拍下第一张照片。第一张照片证明红灯已亮,而且车辆在红灯亮时未超越停车线,并可证明车速及已亮红灯的时间。第二张照片根据车速在这以后固定的时间内拍出,一般来说为1至2秒。第二张照片证明事实上车辆越过了停车线进入交叉路口并闯了红灯。 

        在美国,因为隐私的缘故,大部分照片都是在汽车尾部拍摄的,然后给车辆开罚单,方式与停车罚单类似。注册的车主会收到罚单,其中包括两张照片,并把车牌照号的部分放大。虽然数码相机已被接受,但大部分系统还是采用35mm或更大规格的湿胶片来拍摄的。初步证据在采用一次写入多次读取的数码影像方式时对违章者是不利的。这样就防止了对证据进行数码串改。 

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