电压薄膜交通传感器
大家好，我是【广州工控传感★科技】压电薄膜交通传感器事业部，张工。
压电薄膜交通传感器及应用
随着全球智能交通技术(ITS) 的发展，与其他众多的技术一样，一种压电薄膜交通传感器在过去数十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，在日益扩展的应用中选择。压电薄膜交通传感器检测车轴数、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)及机场滑行道监控。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。
电压电材料PVDF 是一种经特殊加工后能将动能转化成电能的材料。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（每一毫米厚的压电材料大约100,000V）。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- 氟偶接对) 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。
电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vwin 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的检测原理是对受力产生的信号积分。
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 ) 及机场滑行道监控等。
车 速 监 测
通常在每条车道上安装两条传感器，这便于分别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，在汽车以200 公里/ 小时的匀速行驶时，测量精度可达到1%。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
由于传感器是检测轮胎压过传感器的力，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+ 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。
轮胎是
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°～ 45° ) 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，通过斜埋压电薄膜交通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。
行驶中动态称重(WIM)
在美国、巴西、德国和韩国有大量应用。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%，当埋设在路面下永久性安装时，总重精度在±7%以内，适用于ASTME1318～94标准I类动态称重系统；当临时安装在路面时，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±7%，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，较成功的系统可达到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
压电薄膜交通传感器的另一个应用是收费站地磅。传感器可以记录高速行驶中车辆的数据。车速较低时，轴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。电压电薄膜交通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。
尽管压电薄膜交通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。该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。
电压电薄膜交通传感器为收费站地磅提供了一个非常有效的优势，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，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，因此是一个疲劳元件。电阻式传感器寿命为100 ～ 500 万轴次，而电压传感器却超过1 亿轴次。
闯红灯拍照
压电薄膜交通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，在车辆通过传感器移动6″ (150mm) 以前完成信号采集，信号采集与速度和车辆类型无关，可在交通流量高密度时使用，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。
用两条传感器确定车辆到达停车线前的车速，如果红灯已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第一次拍照后一定的时间内拍出，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。采用湿胶片或一次写入多次读取的数码影像方式，防止对证据进行数码纂改。
在美国的马里兰州霍华德县，由于安装了采用电压电薄膜交通传感器的闯红灯拍照系统，在一年内闯红灯事件减少了53%，只有3.2% 提出由法庭审判，90% 的法庭审判证明事主违章。在一个有相机的交叉路口，冲突由1992 年的15 次/ 年减少到1998 年的8 次/ 年。20 架相机，发出了21000 次罚款通知。
触发器
选择压电薄膜交通传感器作闯红灯拍照触发器的原理与它们在速度照相机中的应用相同。在照片中可以看到车辆仍压在传感器上。传感器以有线方式连接到照相机上，针对每一车道传送信息。即使在两条相邻车道上，两辆车紧挨着，传到照相机控制器的数据将是该传感器所在车道的数据。传感器不像固定的雷达装置那样很难区分相邻车辆，因此，压电薄膜交通传感器适用于多车道。收到罚单的人可以很清楚地看到展现在他们眼前的证据，证明他们确实是闯了红灯并违反了车速规定。
交通信息采集和统计( 道路监控)
压电薄膜交通传感器的应用已扩展成一门技术，并更可靠，价格合理。这项技术起源于美国的联邦高速公路署(FHWA) 长期道路性能工程(LTPP)。在这个项目下，部分道路的交通负载，类型和重量被监控，以确定道路的磨损、类型和等级。在这种方式下，通常采用的是周期信息采集，而几乎没有实时的数据采集。
目前，由于我国的高速公路建设尚在起步阶段，有些路段由于超载严重，在设计使用年限结束之前就过早损坏，造成养护费用上升。多数管理部门将主要精力集中在收费( 尤其是不停车收费) 标准的制定和系统的技术问题方面，这在目前是必须的，但是随着车流量的增加，道路负荷的加重，交通事故将增加，道路堵塞时间将加长，对道路破损的修复次数将增加，对道路状态的监测将变得越来越重要。
如果将网络技术、视频技术及埋在路面下的地感线圈和压电薄膜交通传感器相结合，实现交通信息的短周期采集，将车流量、车轴数、车速、轴距、车辆分类、载重量等信息收集并加以分析，由自动化交通信息调查系统针对路面负荷情况给业主提供维护方案，同时也为公路规划、设计、维护和决策提供可靠、全面的数据，加拿大多伦多401 高速公路交通管理系统就是一个典型的例子。
在最近五年里，压电薄膜交通传感器在性能方面显著地提高，而价格却不断降低。以安装价格来说，它只比地感线圈稍高一些，却比地感线圈多提供许多有效信息，诸如改善了的车速，车辆分类等。另外增加了行驶中称重功能以确定和监控车辆的重量。它与地感线圈相结合，将使交通信息的采集更精确更全面。因此，应该考虑将电压薄膜交通传感器这种先进的技术广泛应用于智能交通系统(ITS) 中。
压电薄膜交通传感器特性
1. 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)。均匀的高幅电压输出，与市场上已有的计数器和车辆分类器兼容。
2. 大信号
●●轮胎压过传感器时产生可靠的信号；
●●高输出-- 可探测小型车辆，摩托车，甚至自行车 ;
●●良好的动态范围-- 适用于大小型车辆 ;
●●减少了弯曲波；
●●减少了路面变形噪音;
●●高信噪比易于信号处理;
●●高电容-- 能驱动长电缆 ;
●●可检测低速车辆；
●●200公斤轮载，在以时速55英里行驶时，输出最小 250mV信号。
3. 易搬运
●●刚性好，不易下垂；
●●盘卷在一个 600x600mm的盒子中，卷曲直径不小于 300mm就不会损坏；
●●强度高，搬运时不易损坏。
4. 最小的路面破坏
●●安装切口仅为 20mm×40mm，并可与路面轮廓一致，最终安装完成后与路面平齐。（见下图）
5. 易安装
●●用快速固化环氧树脂，丙烯酸树脂或聚氨酯安装；无需使用加热器。
6. 省材料
●●较小切口意味着耗用更少的灌封材料。
7. 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，对因路面变形，邻近车道及车辆所产生的噪声具有10：1 的固有抗噪比。
9. 耐用性
●●传感器与电缆之间采用三层密封同轴接头；
●●只要传感器弯曲半径大于 300mm，便不会损坏；
●●可承受正常搬运条件；经过 4 千万次等效单轴负载测试，
10. 多用途
●●既可用于路面上也可用于路面下；
●●既可永久安装也可临时安装；
●●既可用于水泥路也可用于沥青路；
●●可采用多种灌封技术：环氧胶，丙烯酸树脂或填充聚氨酯。
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