壓電薄膜交通感測器

大家好，我是【廣州工控感測★科技】壓電薄膜交通感測器事業部，張工。

壓電薄膜交通感測器及應用

隨著全球智慧交通技術（ITS） 的發展，與其它眾多的技術一樣，一種壓電薄膜交通感測器在過去數十年裡取得了長足的發展。它為使用者提供的不僅是良好的效能，高度的可靠性，簡易的安裝方法，在日益擴充套件的應用中選擇。壓電薄膜交通感測器檢測車軸數、軸距，車速監控，車型分類，動態稱重（WIM），收費站地磅，闖紅燈拍照，停車區域監控，交通訊息採集（ 道路監控）及機場滑行道監控。壓電薄膜交通感測器的長處是可獲取精確的、具體的資料，如精確的速度訊號、觸發訊號和分類資訊及長期反饋交通訊息統計資料。

壓電材料PVDF 是一種經特殊加工後能將動能轉化成電能的材料。壓電薄膜交通感測器由金屬編織芯線、壓電材料和金屬外殼製成同軸結構。在製造過程中，將壓電材料置於一個強電場中極化（每一毫米厚的壓電材料大約100，000V）。無護套電纜的電暈場也採用這種電場。極化場使非結晶聚合體變成半晶體的形式，同時又保留了許多聚合體的柔韌特性。

壓電材料在受機械衝擊或振動時產生電荷。在原子層，偶極子（ 氫- 氟偶對） 的排列順序被打亂，並試圖使其恢復原來的狀態。這個偶極子被打亂的結果就是有一個電子流形成，就像海綿中的水，當你擠壓一塊溼海綿時，水會從海綿中流出來，當你鬆開時，水又被吸回去，這同壓電感測器十分相似。當有壓力施加到感測器上時，就產生了電荷（ 電壓），而當去掉負載時，就會產生一個相反極性的訊號。它產生的電壓可以相當高，但感測器產生的電流卻比較小。

壓電薄膜交通感測器的檢測原理與其說是在車輛經過時採集資訊，倒不如說是在輪胎經過感測器時採集資訊。感應線圈只能顯示出一個大金屬物體經過了線圈，只能提供車輛的有限的特徵資訊，而壓電薄膜交通感測器檢測經過感測器的輪胎，產生一個與施加到感測器上的壓力成正比的模擬訊號，並且輸出的週期與輪胎停留在感測器上的時間相同。每當一個輪胎經過感測器時，感測器就會產生一個新的電子脈衝。壓電薄膜交通感測器在行駛中稱重的檢測原理是對受力產生的訊號積分。

應 用 範 圍

壓電薄膜交通感測器主要應用於行駛中稱重（WIM），計軸數，測軸距，車輛分類統計，車速監測，闖紅燈拍照，泊車區域監控，收費站地磅，交通訊息採集和統計（ 道路監控 ） 及機場滑行道監控等。

車 速 監 測

通常在每條車道上安裝兩條感測器，這便於分別採集每條車道的資料。使用兩個感測器可計算出車輛的速度。當輪胎經過感測器A 時，啟動電子時鐘，當輪胎經過感測器B 時，時鐘停止。兩個感測器之間的距離一般是3 米，或比3 米短一些（ 可根據需要確定）。感測器之間的距離已知，將兩個感測器之間的距離除以兩個感測器訊號的時間週期，就可得出車速。根據德國PTB 的報告，在汽車以200 公里/ 小時的勻速行駛時，測量精度可達到1%。感測器可以區分差別很小的車輛，這一點使其可與速度相機觸發器在固定地點一同使用。通常都安裝2條感測器作為一組，有的國家也安裝3 條（ 增加了校驗）。當輪胎經過感測器時，根據從A 到B，再從B 到C，最終從A 到C 的時間，計算出車速。然後對這幾個車速進行對比，它們都應在規定的範圍內，通常不超過2%。如果車輛超過了規定的時速，在前輪經過最後一個感測器時，立刻給車輛拍照，並計算出車速。在第一張照片拍攝後的固定時間進行第二次拍照，這樣觀測儀可以校驗車速。即使在車流量很高的情況下，也可得到各個車道的資訊。感測器可以交錯安裝，以便照相機有穩定的焦點，從而使得照片清晰可讀。

透過車速監測既可以對超速車輛罰款，又可以根據車流量建立可變限速標誌和可變情報板。在車流量較高時，設定較低的限速；流量較低時，設定較高的限速，建立動態的管理系統，從而實現路面管理智慧化。

車輛分類統計

壓電薄膜交通感測器的主要用途是車型分類，車速資料可被轉換為可靠的分類資料。不同的國家使用不同的分類表對車輛分類。在美國，FHWA 把車輛定義為從摩托車到多用途拖車的13 種類型（ 見高速公路動態稱重WIM） 系統的標準規範及使用者要求與試驗方法ASTM1318——94）。車輛的型別是根據軸數和軸距確定的。

軸 距

由於車速在3 米或小於3 米的距離內基本上是均速，用車軸經過感測器時建立的訊號時間差乘以車速，就得出軸距。

軸數

由於感測器是檢測輪胎壓過感測器的力，因此即使在車量靠得很近時也很容易測出軸數，但在車流密集、低速及車型相似時，不能區分所計軸數是同一輛車還是兩輛車，而電感線圈不能計軸數，因而用電感線圈+ 壓電感測器的方案既可測得軸數又可測得車數。配置方案既可以是感測器+ 線圈+ 感測器， 也可以是線圈+ 感測器+ 線圈，為獲取車速訊號並進行其它計算，兩個方案都可以，但前一個配置較好。

輪距

有些國家如南韓，車輛的分類需要檢測輪距。我國車輛的種類很多，存在同軸距不同輪距的問題，如解放車和黃河車，其載重能力的差別很大。如果檢測器能分辨輪距，將增加系統的覆蓋率和準確性。將感測器以一定角度斜埋就可解決這個問題。

輪胎數

其他國家車輛分類的標準，如巴西是以雙輪胎作為等級劃分標準的。為了探測雙輪胎，通常在與車流方向成一定角度（ 一般是30°～ 45° ） 再加裝一個感測器。當雙輪胎經過斜埋的感測器時，會產生一個雙峰脈衝，透過電路的處理可識別雙輪胎訊號。垂直車流安裝的感測器仍用來正常探測車速，軸數，並與斜埋感測器計數進行比較。根據交通部發布的《超限運輸車輛行駛公路管理規定》，動態稱重系統應具備識別單、雙輪胎的能力，透過斜埋壓電薄膜交通感測器就可解決這個問題。

由於車流量的快速增長，ETC（ 電子不停車收費系統） 成為業內人士關注的焦點。我國一直採用的是按噸位和按客車座位數分類，現在國內行駛的車輛種類複雜，按這種分類法在ETC 系統中引入自動分類十分困難。按軸距和軸數分類，再考慮載重，應是比較合理的方法。建立合理的分類標準是解決ETC 問題的關鍵。

制定標準的基礎是檢測手段。應結合影片技術，壓電薄膜交通感測器及網路技術針對車輛的軸數、軸距、輪數、長、寬、高等物理特性設計車型識別系統。這需要管理部門，系統整合商及器件供應商的有機組合才能實現。

行駛中動態稱重（WIM）

在美國、巴西、德國和韓國有大量應用。其主要用途是高速公路車輛超重超載監測的預選和橋樑超載警告系統，即判斷正在高速行駛中的車輛，尤其是駛過橋樑的車輛是否超載，由影片系統拍下車牌號記錄在案，然後再由執法機構用精度較高的低速稱重系統判斷超載量並根據超載量罰款 。

效能符合ASTME1318～94動態稱重標準，感測器長度方向上的輸出一致性小於±7%，當埋設在路面下永久性安裝時，總重精度在±7%以內，適用於ASTME1318～94標準I類動態稱重系統；當臨時安裝在路面時，總重精度在±15% 以內，適用於ASTME1318 ～ 94 標準II 類動態稱重系統。

感測器精度與車輛振動有關，與輪胎壓在感測器上的面積有關，與溫度有關，需要溫度補償。尤其是道路質量對系統精度影響很大，用在水泥路面較好，壽命長於瀝青路面，用於動態稱重的道路質量應符合ASTM 的有關規定。通常可以保證的精度是±7%，個別成功的系統精度可達1～2%。速度範圍可以從5公里/小時到200 公里/ 小時，較成功的系統在可達到10 米/ 分鐘（0。6 公里/ 小時）。重量下限是腳踏車，上限經受了50 萬次60KN 單輪胎實驗，等效於70 噸（ 美國標準的9 類車輛），實測中水泥實驗路段被壓壞。

收費站地磅

壓電薄膜交通感測器的另一個應用是收費站地磅。感測器可以記錄高速行駛中車輛的資料。車速較低時，軸感測器與電路的介面很關鍵，壓電感測器對低頻訊號會衰減，低頻衰減由感測器的電容和電路輸入阻抗決定。壓電薄膜交通感測器電路部分的另一個改進就是允許感測器在10 米/ 分鐘（0。6 公里/ 小時） 的速度時應用。

儘管壓電薄膜交通感測器能探測出壓上感測器然後從感測器上移開的輪胎，但它不能檢測靜止在感測器上的車輛。在一個非常小的距離內可以同時應用多個感測器，以防止錯誤的計數，並改善計數的校驗。該感測器十分適合在收費站自動分類車道上使用，因為在那裡車速的變化很大。

壓電薄膜交通感測器為收費站地磅提供了一個非常有效的優勢，感測器的壽命比普通的電阻式地磅要長得多。由於感測器的固態結構，感測器沒有可移動部分。感測器中可見的變形在微米（μm） 範圍內，而電阻式地磅通常在橡膠套中有幾毫米的變形，因此是一個疲勞元件。電阻式感測器壽命為100 ～ 500 萬軸次，而壓電感測器卻超過1 億軸次。

闖紅燈拍照

壓電薄膜交通感測器也可作為闖紅燈照相機的觸發器。在交叉路口的紅燈線前安裝兩個感測器，感測器與紅燈線的最小距離一般為2 米。兩條感測器的間距為1 米或小於1 米，可安裝在地感線圈的上方， 所有資料由前輪採集，在車輛透過感測器移動6″ （150mm） 以前完成訊號採集，訊號採集與速度和車輛型別無關，可在交通流量高密度時使用，照相機控制器與紅綠燈控制器相連，以便只在紅燈時完成動作。

用兩條感測器確定車輛到達停車線前的車速，如果紅燈已亮並且車速大於預置值，就會自動拍下第一張照片。第一張照片證明紅燈已亮，而且車輛在紅燈亮時未超越停車線，並可證明車速及已亮紅燈的時間。第二張照片根據車速在第一次拍照後一定的時間內拍出，一般來說為1 至2 秒。第二張照片證明事實上車輛越過了停車線進入交叉路口並闖了紅燈。

在美國，因為隱私的緣故，大部分照片都是在汽車尾部拍攝的，然後給車輛開罰單，方式與停車罰單類似。註冊的車主會收到罰單，其中包括兩張照片，並把車牌照號的部分放大。雖然數碼相機已被接受，但大部分系統還是採用35mm 或更大規格的溼膠片來拍攝。採用溼膠片或一次寫入多次讀取的數碼影像方式，防止對證據進行數碼纂改。

在美國的馬里蘭州霍華德縣，由於安裝了採用壓電薄膜交通感測器的闖紅燈拍照系統，在一年內闖紅燈事件減少了53%，只有3。2% 提出由法庭審判，90% 的法庭審判證明事主違章。在一個有相機的交叉路口，衝突由1992 年的15 次/ 年減少到1998 年的8 次/ 年。20 架相機，發出了21000 次罰款通知。

觸發器

選擇壓電薄膜交通感測器作闖紅燈拍照觸發器的原理與它們在速度照相機中的應用相同。在照片中可以看到車輛仍壓在感測器上。感測器以有線方式連線到照相機上，針對每一車道傳送資訊。即使在兩條相鄰車道上，兩輛車緊挨著，傳到照相機控制器的資料將是該感測器所在車道的資料。感測器不像固定的雷達裝置那樣很難區分相鄰車輛，因此，壓電薄膜交通感測器適用於多車道。收到罰單的人可以很清楚地看到展現在他們眼前的證據，證明他們確實是闖了紅燈並違反了車速規定。

交通訊息採集和統計（ 道路監控）

壓電薄膜交通感測器的應用已擴充套件成一門技術，並更可靠，價格合理。這項技術起源於美國的聯邦高速公路署（FHWA） 長期道路效能工程（LTPP）。在這個專案下，部分道路的交通負載，型別和重量被監控，以確定道路的磨損、型別和等級。在這種方式下，通常採用的是週期資訊採集，而幾乎沒有實時的資料採集。

目前，由於我國的高速公路建設尚在起步階段，有些路段由於超載嚴重，在設計使用年限結束之前就過早損壞，造成養護費用上升。多數管理部門將主要精力集中在收費（ 尤其是不停車收費） 標準的制定和系統的技術問題方面，這在目前是必需的，但是隨著車流量的增加，道路負荷的加重，交通事故將增加，道路堵塞時間將加長，對道路破損的修復次數將增加，對道路狀態的監測將變得越來越重要。

如果將網路技術、影片技術及埋在路面下的地感線圈和壓電薄膜交通感測器相結合，實現交通訊息的短週期採集，將車流量、車軸數、車速、軸距、車輛分類、載重量等資訊收集並加以分析，由自動化交通訊息調查系統針對路面負荷情況給業主提供維護方案，同時也為公路規劃、設計、維護和決策提供可靠、全面的資料，加拿大多倫多401 高速公路交通管理系統就是一個典型的例子。

在最近五年裡，壓電薄膜交通感測器在效能方面顯著地提高，而價格卻不斷降低。以安裝價格來說，它只比地感線圈稍高一些，卻比地感線圈多提供許多有效資訊，諸如改善了的車速，車輛分類等。另外增加了行駛中稱重功能以確定和監控車輛的重量。它與地感線圈相結合，將使交通訊息的採集更精確更全面。因此，應該考慮將壓電薄膜交通感測器這種先進的技術廣泛應用於智慧交通系統（ITS） 中。

壓電薄膜交通感測器特性

1。 電容式感測器：

不能檢測靜止在感測器上的車輛，只能檢測動態訊號，內阻很高，在低頻時訊號衰減很大，低速時應考慮採用較高的電路輸入阻抗，速度範圍取決於電路設計，一般為5 公里/ 小時到200 公里/ 小時，較成功的系統達到10 米/ 分鐘（0。6 公里/ 小時）。均勻的高幅電壓輸出，與市場上已有的計數器和車輛分類器相容。

2。 大訊號

●●輪胎壓過感測器時產生可靠的訊號；

●●高輸出—— 可探測小型車輛，摩托車，甚至腳踏車 ；

●●良好的動態範圍—— 適用於大小型車輛 ；

●●減少了彎曲波；

●●減少了路面變形噪音；

●●高信噪比易於訊號處理；

●●高電容—— 能驅動長電纜 ；

●●可檢測低速車輛；

●●200公斤輪載，在以時速55英里行駛時，輸出最小 250mV訊號。

3。 易搬運

●●剛性好，不易下垂；

●●盤卷在一個 600x600mm的盒子中，捲曲直徑不小於 300mm就不會損壞；

●●強度高，搬運時不易損壞。

4。 最小的路面破壞

●●安裝切口僅為 20mm×40mm，並可與路面輪廓一致，最終安裝完成後與路面平齊。（見下圖）

5。 易安裝

●●用快速固化環氧樹脂，丙烯酸樹脂或聚氨酯安裝；無需使用加熱器。

6。 省材料

●●較小切口意味著耗用更少的灌封材料。

7。 高信噪比

●●感測器的扁平結構（即寬厚比為 6：1）使非受力方向的噪聲最小，對因路面變形，鄰近車道及車輛所產生的噪聲具有10：1 的固有抗噪比。

9。 耐用性

●●感測器與電纜之間採用三層密封同軸接頭；

●●只要感測器彎曲半徑大於 300mm，便不會損壞；

●●可承受正常搬運條件；經過 4 千萬次等效單軸負載測試，

10。 多用途

●●既可用於路面上也可用於路面下；

●●既可永久安裝也可臨時安裝；

●●既可用於水泥路也可用於瀝青路；

●●可採用多種灌封技術：環氧膠，丙烯酸樹脂或填充聚氨酯。