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共聚物压电薄膜轴传感器及应用
来源:薄膜压力传感器 | 发布时间:2014/11/12 22:25:26 | 浏览次数：
共聚物压电薄膜轴传感器及应用随着全球智能交通技术的发展，与众多的技术一样，一种共聚物压电轴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MSI公司经过多年研究后开发出了一种共聚物压电轴传感器，其长处是获取精确具体的数据，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 。目前已在全球超过30个国家安装了3万多条，并获得美国联邦高速公路署批准用于联邦基金项目，已经由德国PTB及英国权威机构检测和批准。 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%。 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。通常装2条传感器，有的国家也安装3个传感器（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。 通过车速监测即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，较低时设置较高的限速，建立动态的管理系统，使路面的管理实现智能化。 车辆分类统计 压电薄膜共聚物轴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。在不同的国家使用不同的分类表对车辆分类，车辆的类型是根据轴数和轴距等确定。 --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：由于传感器是检测压过轮胎的力，因此即使在车量靠的很近时也很容易测出轴数，但在车流密集和低速及车型相似时，不能区分所计轴数是同一辆车还是两辆车，但电感线圈不能计轴数，因而用电感线圈加上压电传感器的方案即可测得轴数又可测得车数。配置方案即可以是传感器＋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即可解决这个问题。 --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°~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，通过斜埋压电轴传感器即可解决这个问题。 由于车流量的快速增长，不停车收费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是十分困难的。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、压电轴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的组合才能实现。 行驶中称重(WIM) 在美国、巴西、德国、日本、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。 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，寿命长于沥清路面，用于动态称重的道路质量应符合ASTM有关规定。通常可以保证的精度是±10%，极各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60千牛单轮胎实验，等效于70吨（美国标准的9类车辆），实测中压坏了水泥实验路段。 收费站地磅 压电轴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。压电轴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。 尽管压电轴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。 压电轴传感器为收费站地磅提供了一个非常有效的优势，压电轴传感器的寿命比普通的电阻式地磅要长的多。由于传感器的固态结构，压电轴传感器没有可移动部分。传感器中可见的变形在微米范围内，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 压电轴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150毫米以前完成信号采集，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。在美国的马里兰州霍华德县，由于安装了采用压电轴传感器的闯红灯拍照系统，在一年内闯红灯事件减少了53%。 交通信息采集和统计 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轴传感器相结合，就可实现交通信息的短周期采集，将车流量、车轴数、车速、轴距、分类信息、载重量等信息收集并加以分析，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近五年来，压电轴传感器在性能方面显著提高，而价格却不断降低。以安装价格来说，它只比感应线圈稍高一些，却比感应线圈多提供许多有效信息。它与感应线圈相结合，将使交通信息的采集更精确、更全面。显然，压电轴传感器作为一种技术，应该考虑将其广泛应用于智能运输系统中。
 
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