全球智能交通技术(ITS)和许多技术一样,美国的发展MSI传感器公司开发和生产的压电传感器在过去几年取得了巨大的发展。它不仅为用户提供了良好的性能、高可靠性、简单的安装方法,而且还逐渐降低了价格。其独特的特点使其成为日益扩展的应用程序的理想选择。
压电传感器的特点
电容式传感器:无法检测静止在传感器上的车辆。只能检测动态信号,内阻高,低频时信号衰减大。低速时应考虑高电路输入阻抗。速度范围取决于电路设计,一般为5公里/小时至200公里/小时,成功系统达到10米/分钟(0.6公里/小时)。
无源传感器:无需供电即可在前置放大器前长距离传输。
寿命长: 超过4千万次ESAL(等效单轴负载)安装质量可达1亿次(ESAL)。
大信号: 200英里的速度行驶时,200公斤轮载最小输出250英里mV信号。
动态特性好: 可测自行车、摩托车、汽车和重型卡车。
高信噪声比:传感器的平面结构是宽度比为6:1,使非受力方向的躁声最小。包括路面和相邻车道车辆的躁声。
最小路面损坏:安装切口仅为19mmx19mm。可与路面轮廓一致.
易于搬运:6000盘卷mmx600mm的纸盒内, 卷曲直径不小于3000mm不会损坏。
一次安装可获得多种信号,如轴数、重量、速度、轴距、与电感线圈配合,实现行驶中的称重(WIM),车辆分类统计,车速监测,闯红灯拍照。
压电传感器的应用范围
压电传感器主要用于行驶中的称重(WIM),车辆分类统计、轴数、轴距测量、速度监控、红灯照片、停车场监控、收费站磅、交通信息收集统计(道路监控)和机场滑行道。
一. 行驶中称重(WIM)
在美国、巴西、德国、日本德国、日本和韩国。其主要用途是高速公路车辆超载监测的预选和桥梁超载警告系统。它不仅判断高速行驶中的车辆,特别是通过桥梁的车辆是否超载,构使用高精度低速称重系统判断超载,根据超载罚款。
性能符合ASTME1318-94动态称重标准,传感器长度方向4动态称重标准±7%埋在路面下永久安装时,总重精度为±适用于10%以内ASTM—E1318-94标准I类动态称重系统;路面临时安装时,总重精度为±适用于15%以内ASTMEl318-94标准II类动态称重系统。
传感器的精度与车辆振动和跳动有关,与传感器上轮胎压力的面积有关,与温度有关,需要温度补偿。特别是道路质量对系统精度有很大的影响,用于水泥路面,寿命比沥青路面长,动态称重道路质量应符合要求ASTM有关规定。通常可以保证的精度是±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,低速系统可以达到10米/分钟(0.6公里/小时)。重量下限为自行车,上限为50万次,600次KN单轮胎试验等效于70吨(美国标准的9类车辆),水泥试验段在试验中被压碎。
二、 车辆分类统计
压电传感器的主要用途是车型分类,速度数据可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进行分类。在美国,FHWA将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、用户要求和测试方法ASTMl318-94)。根据轴数和轴距确定车辆类型。
轴距:由于车速在3米或小于3米的距离内基本均匀,通过传感器通过车轴时建立的信号时差乘以车速,得出轴距。
轴数:由于传感器检测到轮胎压力,即使车辆数量非常接近,也很容易测量轴数,但当车流密集、低速、车型相似时,无法区分轴数是同一辆车还是两辆车,电感线圈无法计算轴数,因此使用电感线圈 压电传感器的方案可以测量轴数和车数。配置方案可以是传感器 线圈 传感器,也可以是线圈十传感器十线圈,为了获得速度信号芹菜进行其他计算,两种方案都可以,但前一种配置更好。
轮距:在南韩等一些国家,车辆分类需要检测轮距。我国车辆种类繁多,存在解放车、黄河车等同轴距不同轮距的问题。如果检测器能够区分轮距,系统的覆盖率和准确性将会增加。这个问题可以通过将传感器埋在一定角度来解决。
轮胎数量:巴西等其他国家的车辆分类标准以双轮胎为等级划分标准。为了探测双轮胎,传感器通常安装在一定角度(通常是30度到45度)。当双轮胎通过斜埋传感器时,会产生双峰脉冲,通过电路处理可以识别双轮胎信号。垂直车流安装的传感器仍用于正常检测速度、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条例》,动态称重系统应具备识别单个和双轮胎的能力,这个问题可以通过斜埋压轴传感器来解决。
由于交通流量的快速增长,ETC(电子不停车收费系统)已成为业内人士关注的焦点。我国一直采用吨位和乘用车座位数的分类。现在国内行驶的车辆种类复杂,按照这种分类方法ETC自动分类很难引入系统。按轴距和轴数分类,再考虑载荷,应该是比较合理的方法。建立合理的分类标准是解决办法ETC问题的关键。
制定标准的基础是检测手段。压电轴传感器和网络技术应结合视频技术,根据车辆的轴数、轴距、轮数、长度、宽度和高物理特性设计车型识别系统。这需要管理部门、系统集成商和设备供应商的有机组合。
三、速度监测
两个传感器通常安装在每条车道上,以便分别收集每条车道的数据。使用两个传感器来计算车辆的速度。当轮胎通过传感器A时,启动电子时钟,当轮胎通过传感器B时,时钟停止。两个传感器之间的距离一般为3米,或比3米短(可根据需要确定)。已知传感器之间的距离,除以两个传感器信号的时间周期外,可以得到速度。根据德国PTB当汽车以200公里/小时的匀速行驶时,测量精度可达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。一般安装两个传感器作为一组,有的国家也安装三个(增加验证)。当轮胎通过传感器时,根据从A到B,再从B到C,最终从A到C计算速度的时间。然后比较这些速度,它们应该在规定的范围内,通常不超过2%。如果车辆超过规定的速度,当前轮通过最后一个传感器时,立即拍照并计算速度。在第一张照片拍摄后的固定时间拍摄第二张照片,使观测器能够检查速度。即使在交通流量高的情况下,也可以获得各车道的信息。传感器可以交错安装,使相机焦点稳定,使照片清晰可读。
超速车辆不仅可以通过速度监控被罚款,还可以根据交通流量建立可变限速标志和可变情报板。当交通流量较高时,设置较低的限速;当交通流量较低时,设置较高的限速,建立动态管理系统,实现智能路面管理。
四.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.以6公里/小时)的速度应用。
虽然压力轴传感器可以检测到压力上传感器并从传感器上移动的轮胎,但它不能检测到静止在传感器上的车辆。多个传感器可以同时应用于非常小的距离。为了防止错误的计数,芹菜改进了计数的验证。压力传感器非常适合在收费站自动分类车道上使用,因为速度变化很大。
压电轴传感器为收费站地磅提供了非常有效的优势,其使用寿命比普通电阻地磅长得多。压电轴传感器由于传感器的固体结构,没有可移动部分。微米传感器中可见的变形(um)在范围内,电阻地磅通常在橡胶套中变形几毫米,导致疲劳元件。电阻传感器的使用寿命为100-500万轴次,而压电传感器的使用寿命超过1亿轴次。
五.闯红灯拍照
压轴传感器也可用作闯红灯相机的触发器。两个传感器安装在交叉口的红灯线前,传感器与红灯线的最小距离一般为2米。两个传感器之间的间距为1米或小于1米,可安装在地感线圈上方,所有数据均由前轮采集,车辆移动6'(150mm)在完成信号采集之前,信号采集与速度和车辆类型无关。它可以用于高密度交通流量。相机控制器与红绿灯控制器连接,仅在红灯时完成动作。
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亮了,红灯亮的时候车辆没有超过停车线,可以证明红灯亮的速度和时间。第二张照片是根据速度在此后固定时间内拍摄的,一般为1-2秒。第二张照片证明,事实上,车辆穿过停车线进入交叉口并闯红灯。
在美国,由于隐私,大部分照片都是在车尾拍摄的,然后以类似停车罚单的方式给车辆开罚单。注册车主将收到包括两张照片在内的罚单,并牌号码。虽然数码相机已经被接受,但大多数系统仍然使用35毫米或更大规格的湿胶片。在使用湿胶片或一次写入多次读取的数字图像时,初步证据对违规者不利。这样就防止了对证据进行数码串改。
在美国马里兰州霍华德县,一年内闯红灯事件减少了53%,只有3个,因为它安装了一个带有压电轴传感器的闯红灯摄影系统.2%提出法庭审判,90%的法庭审判证明事主违反规定。冲突从1992年的15次/年减少到1998年的8次/年。发出21000次罚款通知的20台像机。
六、触发器
闯红灯相机触发器选择压电传感器的原因与其在速度相机中的应用相同。在照片中,车辆仍在传感器上方。传感器以有线的方式连接到相机,并将信息具体到某个车道。即使在两条相邻的车道上,两辆车紧挨着,传输到相机控制器的数据也将是传感器所在车道的数据。与固定雷达装置不同,传感器很难区分相邻车辆,因此压电传感器适用于多车道。收到罚单的人被证实确实闯红灯或违反了速度规定,因为他们可以清楚地看到展示在他们面前的证据。
七、 收集和统计交通信息(道路监控)
压轴传感器的应用已经扩展成一种更可靠、更合理的技术。该技术起源于美国联邦高速公路局(FHWA)长期道路性能工程(LTPP)。在本项目下,监测部分道路的交通负荷、类型和重量,以确定道路的磨损、类型和等级。,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。这在目前是必需的,但是随着车流量的增加,道路负荷的加重,交通事故将增加,道路的塞车时间将加长,对道路的破损修复期将缩短,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轴传感器相结合,实现交通信息的短周期采集,将车流量、车轴数、车速、轴距、分类信息,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对路面负荷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,压电轴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,它只比感应线圈稍高一些,却比感应线圈多提供许多有效信息,诸如改善了的速度信息,车辆分类等。另外增加了行驶中称重能力以确定和监控车辆的重量。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(ITS)中