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  隨著全球智能交通技術(shù) (ITS) 的發(fā)展，與其它眾多的技術(shù)一樣，一種壓電電纜交通傳感器在過(guò)去數(shù)十年里取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。它為用戶(hù)提供的不僅是良好的性能，高度的可靠性，簡(jiǎn)易的安裝方法，還有逐步降低的價(jià)格。它獨(dú)一無(wú)二的特性使其在日益擴(kuò)展的應(yīng)用中成為理想的選擇。

  美國(guó) MEAS 公司經(jīng)過(guò)多年研究，開(kāi)發(fā)出了一種壓電電纜交通傳感器，該傳感器被廣泛用于檢測(cè)車(chē)軸數(shù)、軸距，車(chē)速監(jiān)控，車(chē)型分類(lèi)，動(dòng)態(tài)稱(chēng)重(WIM)，收費(fèi)站地磅，闖紅燈拍照，停車(chē)區(qū)域監(jiān)控，交通信息采集(道路監(jiān)控)及機(jī)場(chǎng)滑行道監(jiān)控。壓電電纜交通傳感器的長(zhǎng)處是可獲取精確的、具體的數(shù)據(jù)，如精確的速度信號(hào)、觸發(fā)信號(hào)和分類(lèi)信息及長(zhǎng)期反饋交通信息統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

  檢 測(cè) 原 理

  壓電材料 PVDF 是一種經(jīng)特殊加工后能將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能的材料。壓電電纜交通傳感器由金屬編織芯線、壓電材料和金屬外殼制成同軸結(jié)構(gòu)。在制造過(guò)程中，將壓電材料置于一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)中極化（每一毫米厚的壓電材料大約100,000V）。無(wú)護(hù)套電纜的電暈場(chǎng)也采用這種電場(chǎng)。極化場(chǎng)使非結(jié)晶聚合體變成半晶體的形式，同時(shí)又保留了許多聚合體的柔韌特性。

  壓電材料在受機(jī)械沖擊或振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生電荷。在原子層，偶極子 ( 氫 - 氟偶對(duì) ) 的排列順序被打亂，并試圖使其恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)。這個(gè)偶極子被打亂的結(jié)果就是有一個(gè)電子流形成，就像海綿中的水，當(dāng)你擠壓一塊濕海綿時(shí)，水會(huì)從海綿中流出來(lái)，當(dāng)你松開(kāi)時(shí)，水又被吸回去，這同壓電傳感器十分相似。當(dāng)有壓力施加到傳感器上時(shí)，就產(chǎn)生了電荷 ( 電壓 )，而當(dāng)去掉負(fù)載時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相反極性的信號(hào)。它產(chǎn)生的電壓可以相當(dāng)高，但傳感器產(chǎn)生的電流卻比較小。

  壓電電纜交通傳感器的檢測(cè)原理與其說(shuō)是在車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)采集信息，倒不如說(shuō)是在輪胎經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)采集信息。感應(yīng)線圈只能顯示出一個(gè)大金屬物體經(jīng)過(guò)了線圈，只能提供車(chē)輛的有限的特征信息，而壓電電纜交通傳感器檢測(cè)經(jīng)過(guò)傳感器的輪胎，產(chǎn)生一個(gè)與施加到傳感器上的壓力成正比的模擬信號(hào)，并且輸出的周期與輪胎停留在傳感器上的時(shí)間相同。每當(dāng)一個(gè)輪胎經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)，傳感器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的電子脈沖。壓電電纜交通傳感器在行駛中稱(chēng)重的檢測(cè)原理是對(duì)受力產(chǎn)生的信號(hào)積分。

應(yīng) 用 范 圍

  壓電電纜交通傳感器主要應(yīng)用于行駛中稱(chēng)重 (WIM)，計(jì)軸數(shù)，測(cè)軸距，車(chē)輛分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，車(chē)速監(jiān)測(cè)，闖紅燈拍照，泊車(chē)區(qū)域監(jiān)控，收費(fèi)站地磅，交通信息采集和統(tǒng)計(jì) ( 道路監(jiān)控 ) 及機(jī)場(chǎng)滑行道監(jiān)控等。

車(chē) 速 監(jiān) 測(cè)

  通常在每條車(chē)道上安裝兩條傳感器，這便于分別采集每條車(chē)道的數(shù)據(jù)。使用兩個(gè)傳感器可計(jì)算出車(chē)輛的速度。當(dāng)輪胎經(jīng)過(guò)傳感器A時(shí)，啟動(dòng)電子時(shí)鐘，當(dāng)輪胎經(jīng)過(guò)傳感器B時(shí)，時(shí)鐘停止。兩個(gè)傳感器之間的距離一般是3米，或比 3 米短一些 ( 可根據(jù)需要確定 )。傳感器之間的距離已知，將兩個(gè)傳感器之間的距離除以?xún)蓚�(gè)傳感器信號(hào)的時(shí)間周期，就可得出車(chē)速。根據(jù)德國(guó) PTB 的報(bào)告，在汽車(chē)以 200公里 / 小時(shí)的勻速行駛時(shí)，測(cè)量精度可達(dá)到 1%。

  傳感器可以區(qū)分差別很小的車(chē)輛，這一點(diǎn)使其可與速度相機(jī)觸發(fā)器在固定地點(diǎn)一同使用。通常都安裝 2 條傳感器作為一組，有的國(guó)家也安裝 3 條 ( 增加了校驗(yàn) )。當(dāng)輪胎經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)，根據(jù)從 A 到 B，再?gòu)?B 到 C，最終從A 到 C 的時(shí)間，計(jì)算出車(chē)速。然后對(duì)這幾個(gè)車(chē)速進(jìn)行對(duì)比，它們都應(yīng)在規(guī)定的范圍內(nèi)，通常不超過(guò) 2%。如果車(chē)輛超過(guò)了規(guī)定的時(shí)速，在前輪經(jīng)過(guò)最后一個(gè)傳感器時(shí)，立刻給車(chē)輛拍照，并計(jì)算出車(chē)速。在第一張照片拍攝后的固定時(shí)間進(jìn)行第二次拍照，這樣觀測(cè)儀可以校驗(yàn)車(chē)速。即使在車(chē)流量很高的情況下，也可得到各個(gè)車(chē)道的信息。傳感器可以交錯(cuò)安裝，以便照相機(jī)有穩(wěn)定的焦點(diǎn)，從而使得照片清晰可讀。

  通過(guò)車(chē)速監(jiān)測(cè)既可以對(duì)超速車(chē)輛罰款，又可以根據(jù)車(chē)流量建立可變限速標(biāo)志和可變情報(bào)板。在車(chē)流量較高時(shí)，設(shè)置較低的限速；流量較低時(shí)，設(shè)置較高的限速，建立動(dòng)態(tài)的管理系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)路面管理智能化。

車(chē)輛分類(lèi)統(tǒng)計(jì)

  壓電電纜交通傳感器的主要用途是車(chē)型分類(lèi)，車(chē)速數(shù)據(jù)可被轉(zhuǎn)換為可靠的分類(lèi)數(shù)據(jù)。不同的國(guó)家使用不同的分類(lèi)表對(duì)車(chē)輛分類(lèi)。在美國(guó)，F(xiàn)HWA 把車(chē)輛定義為從摩托車(chē)到多用途拖車(chē)的 13 種類(lèi)型 ( 見(jiàn)高速公路動(dòng)態(tài)稱(chēng)重WIM) 系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及用戶(hù)要求與試驗(yàn)方法 ASTM1318--94)。車(chē)輛的類(lèi)型是根據(jù)軸數(shù)和軸距確定的。

軸數(shù)

  由于傳感器是檢測(cè)輪胎壓過(guò)傳感器的力，因此即使在車(chē)量靠得很近時(shí)也很容易測(cè)出軸數(shù)，但在車(chē)流密集、低速及車(chē)型相似時(shí)，不能區(qū)分所計(jì)軸數(shù)是同一輛車(chē)還是兩輛車(chē)，而電感線圈不能計(jì)軸數(shù)，因而用電感線圈 + 壓電傳感器的方案既可測(cè)得軸數(shù)又可測(cè)得車(chē)數(shù)。配置方案既可以是傳感器+線圈+傳感器,也可以是線圈+傳感器+線圈,為獲取車(chē)速信號(hào)并進(jìn)行其它計(jì)算，兩個(gè)方案都可以，但前一個(gè)配置較好。

輪距

  有些國(guó)家如南韓，車(chē)輛的分類(lèi)需要檢測(cè)輪距。我國(guó)車(chē)輛的種類(lèi)很多，存在同軸距不同輪距的問(wèn)題，如解放車(chē)和黃河車(chē)，其載重能力的差別很大。如果檢測(cè)器能分辨輪距，將增加系統(tǒng)的覆蓋率和準(zhǔn)確性。將傳感器以一定角度斜埋就可解決這個(gè)問(wèn)題。

輪胎數(shù)

  其他國(guó)家車(chē)輛分類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)，如巴西是以雙輪胎作為等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)的。為了探測(cè)雙輪胎，通常在與車(chē)流方向成一定角度 ( 一般是 30°～ 45° ) 再加裝一個(gè)傳感器。當(dāng)雙輪胎經(jīng)過(guò)斜埋的傳感器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)雙峰脈沖，通過(guò)電路的處理可識(shí)別雙輪胎信號(hào)。垂直車(chē)流安裝的傳感器仍用來(lái)正常探測(cè)車(chē)速，軸數(shù)，并與斜埋傳感器計(jì)數(shù)進(jìn)行比較。

  根據(jù)交通部發(fā)布的《超限運(yùn)輸車(chē)輛行駛公路管理規(guī)定》，動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)應(yīng)具備識(shí)別單、雙輪胎的能力，通過(guò)斜埋壓電電纜交通傳感器就可解決這個(gè)問(wèn)題。

  由于車(chē)流量的快速增長(zhǎng)，ETC( 電子不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng) ) 成為業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的焦點(diǎn)。我國(guó)一直采用的是按噸位和按客車(chē)座位數(shù)分類(lèi)，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)行駛的車(chē)輛種類(lèi)復(fù)雜，按這種分類(lèi)法在 ETC 系統(tǒng)中引入自動(dòng)分類(lèi)十分困難。按軸距和軸數(shù)分類(lèi)，再考慮載重，應(yīng)是比較合理的方法。建立合理的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)是解決 ETC 問(wèn)題的關(guān)鍵。

  制定標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)是檢測(cè)手段。應(yīng)結(jié)合視頻技術(shù)，壓電電纜交通傳感器及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)針對(duì)車(chē)輛的軸數(shù)、軸距、輪數(shù)、長(zhǎng)、寬、高等物理特性設(shè)計(jì)車(chē)型識(shí)別系統(tǒng)。這需要管理部門(mén)，系統(tǒng)集成商及器件供應(yīng)商的有機(jī)組合才能實(shí)現(xiàn)。

行駛中動(dòng)態(tài)稱(chēng)重 (WIM)

  在美國(guó)、巴西、德國(guó)和韓國(guó)有大量應(yīng)用。其主要用途是高速公路車(chē)輛超重超載監(jiān)測(cè)的預(yù)選和橋梁超載警告系統(tǒng)，即判斷正在高速行駛中的車(chē)輛，尤其是駛過(guò)橋梁的車(chē)輛是否超載，由視頻系統(tǒng)拍下車(chē)牌號(hào)記錄在案，然后再由執(zhí)法機(jī)構(gòu)用精度較高的低速稱(chēng)重系統(tǒng)判斷超載量并根據(jù)超載量罰款 。

  性能符合 ASTME1318 ～ 94 動(dòng)態(tài)稱(chēng)重標(biāo)準(zhǔn)，傳感器長(zhǎng)度方向上的輸出一致性小于 ±10%，當(dāng)埋設(shè)在路面下永久性安裝時(shí)，總重精度在±10%以?xún)?nèi)，適用于ASTME1318～94標(biāo)準(zhǔn)I類(lèi)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)；當(dāng)臨時(shí)安裝在路面時(shí)，總重精度在 ±15%以?xún)?nèi)，適用于 ASTME1318 ～ 94標(biāo)準(zhǔn) II 類(lèi)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)。

  傳感器精度與車(chē)輛振動(dòng)有關(guān)，與輪胎壓在傳感器上的面積有關(guān)，與溫度有關(guān)，需要溫度補(bǔ)償。尤其是道路質(zhì)量對(duì)系統(tǒng)精度影響很大，用在水泥路面較好，壽命長(zhǎng)于瀝青路面，用于動(dòng)態(tài)稱(chēng)重的道路質(zhì)量應(yīng)符合 ASTM 的有關(guān)規(guī)定。通常可以保證的精度是 ±10%，個(gè)別成功的系統(tǒng)精度可達(dá) 1 ～ 2%。速度范圍可以從 5 公里 / 小時(shí)到200 公里 / 小時(shí)，較成功的系統(tǒng)在可達(dá)到 10 米 / 分鐘 (0.6 公里 / 小時(shí) )。重量下限是自行車(chē)，上限經(jīng)受了 50 萬(wàn)次60KN單輪胎實(shí)驗(yàn)，等效于 70噸 ( 美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的 9 類(lèi)車(chē)輛 )，實(shí)測(cè)中水泥實(shí)驗(yàn)路段被壓壞。

收費(fèi)站地磅

  壓電電纜交通傳感器的另一個(gè)應(yīng)用是收費(fèi)站地磅。傳感器可以記錄高速行駛中車(chē)輛的數(shù)據(jù)。車(chē)速較低時(shí)，軸傳感器與電路的接口很關(guān)鍵，壓電傳感器對(duì)低頻信號(hào)會(huì)衰減，低頻衰減由傳感器的電容和電路輸入阻抗決定。壓電電纜交通傳感器電路部分的另一個(gè)改進(jìn)就是允許傳感器在 10米 / 分鐘 (0.6 公里 / 小時(shí) ) 的速度時(shí)應(yīng)用。

  盡管壓電電纜交通傳感器能探測(cè)出壓上傳感器然后從傳感器上移開(kāi)的輪胎，但它不能檢測(cè)靜止在傳感器上的車(chē)輛。在一個(gè)非常小的距離內(nèi)可以同時(shí)應(yīng)用多個(gè)傳感器，以防止錯(cuò)誤的計(jì)數(shù)，并改善計(jì)數(shù)的校驗(yàn)。該傳感器十分適合在收費(fèi)站自動(dòng)分類(lèi)車(chē)道上使用，因?yàn)樵谀抢镘?chē)速的變化很大。

  壓電電纜交通傳感器為收費(fèi)站地磅提供了一個(gè)非常有效的優(yōu)勢(shì)，傳感器的壽命比普通的電阻式地磅要長(zhǎng)得多。由于傳感器的固態(tài)結(jié)構(gòu)，傳感器沒(méi)有可移動(dòng)部分。傳感器中可見(jiàn)的變形在微米 (μm) 范圍內(nèi)，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(gè)疲勞元件。電阻式傳感器壽命為 100 ～ 500 萬(wàn)軸次，而壓電傳感器卻超過(guò) 1 億軸次。

闖紅燈拍照

  壓電電纜交通傳感器也可作為闖紅燈照相機(jī)的觸發(fā)器。在交叉路口的紅燈線前安裝兩個(gè)傳感器，傳感器與紅燈線的最小距離一般為 2 米。兩條傳感器的間距為 1 米或小于 1 米，可安裝在地感線圈的上方， 所有數(shù)據(jù)由前輪采集，在車(chē)輛通過(guò)傳感器移動(dòng) 6″ (150mm) 以前完成信號(hào)采集，信號(hào)采集與速度和車(chē)輛類(lèi)型無(wú)關(guān)，可在交通流量高密度時(shí)使用，照相機(jī)控制器與紅綠燈控制器相連，以便只在紅燈時(shí)完成動(dòng)作。

  用兩條傳感器確定車(chē)輛到達(dá)停車(chē)線前的車(chē)速，如果紅燈已亮并且車(chē)速大于預(yù)置值，就會(huì)自動(dòng)拍下第一張照片。第一張照片證明紅燈已亮，而且車(chē)輛在紅燈亮?xí)r未超越停車(chē)線，并可證明車(chē)速及已亮紅燈的時(shí)間。第二張照片根據(jù)車(chē)速在第一次拍照后一定的時(shí)間內(nèi)拍出，一般來(lái)說(shuō)為 1 至 2 秒。第二張照片證明事實(shí)上車(chē)輛越過(guò)了停車(chē)線進(jìn)入交叉路口并闖了紅燈。   

  在美國(guó)，因?yàn)殡[私的緣故，大部分照片都是在汽車(chē)尾部拍攝的，然后給車(chē)輛開(kāi)罰單，方式與停車(chē)罰單類(lèi)似。注冊(cè)的車(chē)主會(huì)收到罰單，其中包括兩張照片，并把車(chē)牌照號(hào)的部分放大。雖然數(shù)碼相機(jī)已被接受，但大部分系統(tǒng)還是采用 35mm 或更大規(guī)格的濕膠片來(lái)拍攝。采用濕膠片或一次寫(xiě)入多次讀取的數(shù)碼影像方式，防止對(duì)證據(jù)進(jìn)行數(shù)碼纂改。

  在美國(guó)的馬里蘭州霍華德縣，由于安裝了采用壓電電纜交通傳感器的闖紅燈拍照系統(tǒng)，在一年內(nèi)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(gè)有相機(jī)的交叉路口，沖突由1992年的 15次 / 年減少到 1998年的 8 次 / 年。20架相機(jī)，發(fā)出了 21000次罰款通知。

觸發(fā)器

  選擇壓電電纜交通傳感器作闖紅燈拍照觸發(fā)器的原理與它們?cè)谒俣日障鄼C(jī)中的應(yīng)用相同。在照片中可以看到車(chē)輛仍壓在傳感器上。傳感器以有線方式連接到照相機(jī)上，針對(duì)每一車(chē)道傳送信息。即使在兩條相鄰車(chē)道上，兩輛車(chē)緊挨著，傳到照相機(jī)控制器的數(shù)據(jù)將是該傳感器所在車(chē)道的數(shù)據(jù)。傳感器不像固定的雷達(dá)裝置那樣很難區(qū)分相鄰車(chē)輛，因此，壓電電纜交通傳感器適用于多車(chē)道。收到罰單的人可以很清楚地看到展現(xiàn)在他們眼前的證據(jù)，證明他們確實(shí)是闖了紅燈并違反了車(chē)速規(guī)定。

交通信息采集和統(tǒng)計(jì) ( 道路監(jiān)控 )

  壓電電纜交通傳感器的應(yīng)用已擴(kuò)展成一門(mén)技術(shù)，并更可靠，價(jià)格合理。這項(xiàng)技術(shù)起源于美國(guó)的聯(lián)邦高速公路署(FHWA)長(zhǎng)期道路性能工程(LTPP)。在這個(gè)項(xiàng)目下，部分道路的交通負(fù)載，類(lèi)型和重量被監(jiān)控，以確定道路的磨損、類(lèi)型和等級(jí)。在這種方式下，通常采用的是周期信息采集，而幾乎沒(méi)有實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集。

  目前，由于我國(guó)的高速公路建設(shè)尚在起步階段，有些路段由于超載嚴(yán)重，在設(shè)計(jì)使用年限結(jié)束之前就過(guò)早損壞，造成養(yǎng)護(hù)費(fèi)用上升。多數(shù)管理部門(mén)將主要精力集中在收費(fèi)(尤其是不停車(chē)收費(fèi))標(biāo)準(zhǔn)的制定和系統(tǒng)的技術(shù)問(wèn)題方面，這在目前是必需的，但是隨著車(chē)流量的增加，道路負(fù)荷的加重，交通事故將增加，道路堵塞時(shí)間將加長(zhǎng)，對(duì)道路破損的修復(fù)次數(shù)將增加，對(duì)道路狀態(tài)的監(jiān)測(cè)將變得越來(lái)越重要。

如果將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、視頻技術(shù)及埋在路面下的地感線圈和壓電電纜交通傳感器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)交通信息的短周期采集，將車(chē)流量、車(chē)軸數(shù)、車(chē)速、軸距、車(chē)輛分類(lèi)、載重量等信息收集并加以分析，由自動(dòng)化交通信息調(diào)查系統(tǒng)針對(duì)路面負(fù)荷情況給業(yè)主提供維護(hù)方案，同時(shí)也為公路規(guī)劃、設(shè)計(jì)、維護(hù)和決策提供可靠、全面的數(shù)據(jù)，加拿大多倫多 401高速公路交通管理系統(tǒng)就是一個(gè)典型的例子。

  在最近五年里，壓電電纜交通傳感器在性能方面顯著地提高，而價(jià)格卻不斷降低。以安裝價(jià)格來(lái)說(shuō)，它只比地感線圈稍高一些，卻比地感線圈多提供許多有效信息，諸如改善了的車(chē)速，車(chē)輛分類(lèi)等。另外增加了行駛中稱(chēng)重功能以確定和監(jiān)控車(chē)輛的重量。它與地感線圈相結(jié)合，將使交通信息的采集更精確更全面。因此，應(yīng)該考慮將壓電電纜交通傳感器這種先進(jìn)的技術(shù)廣泛應(yīng)用于智能交通系統(tǒng) (ITS) 中。

  MEAS 的壓電電纜交通傳感器已獲得美國(guó)聯(lián)邦高速公路署批準(zhǔn)，用于聯(lián)邦基金項(xiàng)目，并且已經(jīng)由德國(guó) PTB 及英國(guó)權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測(cè)和批準(zhǔn)，同時(shí)還在全球 60 多個(gè)國(guó)家安裝，包括北美、南美、澳大利亞、歐洲、非洲和亞洲等。

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