压电传感器用于车辆测速和承重车型识别

Posted 2021-12-28 Mr Robot

压电材料做成压电薄膜交通传感器,即把压电材料、金属编织芯线、金属外壳做成同轴结构, 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 , 极化场使非结晶的聚合体变成半晶体的形式, 同时又保留了聚合体的柔韧性。当有压力施加到高分子压电交通传感器上时, 就产生了电荷, 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。高分子压电交通传感器的检测原理是在轮胎经过传感器时采集信息, 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。它的优点在于感测冲击或振动范围宽, 从地表振动造成的微弱压力信号到高速重型卡车轴的冲击均可。
把压电传感器产生的这些电子脉冲送给配套的仪器仪表, 分析其波形情况, 得到车速、车型数据, 再将车速、车型数据与国家标准的车辆分类数据表作一个比对, 转换为可靠的分类数据。车辆的类型是根据轴数和轴距确定的。这样就可以判定车辆的车速、载荷分布、车型。轴距: 由于车速在3m 或< 3m 的距离基本上是均速, 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轮胎的力, 因此即使在车量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, 也可以是线圈十传感器十线圈, 为获取车速信号进行其它计算, 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, 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°到45°) 再加装一个传感器。当双轮胎经过斜埋的高分子压电传感器时, 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, 通过斜埋压电轴传感器就可解决这个问题。
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3m , 或比3m 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2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, 在汽车以200km öh 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, 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。例如: 如图所示, 两根高分子压电电缆相距L =2m , 平行埋于柏油公路的路面下约50mm , 它可以用来测量车速, 判定载荷情况, 并根据存储在计算机内部的国家标准的车辆分类数据表, 判定汽车的车型。现在有一辆肇事车辆冲过测速传感器, 在两根PVDF 压电电缆上输出号。
(1) 估算车速为多少km öh ?
由图可知, 波形的横轴上每格表示25m s 的时间, 纵轴上每格表示200mV 的电压。汽车前轮经过第一根压电电缆时, 产生A 波的第一个脉冲, 前轮经过第二根压电电缆时, 产生B 波的第一个脉冲; 汽车后轮经过第一根压电电缆时, 产生A 波的第二个脉冲, 后轮经过第二根压电电缆时,产生B 波的第二个脉冲。因此, 车速就等于两根压电电缆的间距L 除以前轮由第一根压电电缆走到第二根压电电缆所用的时间或后轮由第一根压电电缆到第二根压电电缆所


(2) 如何估算汽车前后轮间距d?
在(1) 中已估算出车速的情况下, 前后轮的间距就等于车速乘以前轮压第一根压电电缆开始到后轮压第一根压电电缆结束所用的时间或前轮压第二根压电电缆开始到后轮压第二根压电电缆结束所用的时间。即A 波两脉冲信号之间的时间或B 波两脉冲信号之间的时间。按前者计算, 即:

(3) 如何判定载荷情况?
从图上我们也可以看到, 载重量越大, 压电传感器输出脉冲的电压幅度越大, 同一辆车, 前后轮经过同一根压电电缆产生的两个脉冲电压幅度也是不一样的。前轮经过压电电缆时产生的电子脉冲信号电压幅度较小, 后轮经过压电电缆时产生的电子脉冲信号电压幅度较大。据此, 可观察车辆的载荷情况。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。