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- 壓電傳感器在智能交通系統(tǒng)中的應(yīng)用-壓電薄膜軸傳感器
- 來(lái)源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2014/8/26
4. 壓電薄膜軸傳感器
4.1 壓電薄膜軸傳感器的發(fā)展歷程及其特點(diǎn)
20世紀(jì)60年代，美國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在鯨魚的骨和腱內(nèi)存在著微弱的壓電效應(yīng)，于是開始了對(duì)其它有可能具有壓電效應(yīng)的有機(jī)材料的研究工作。1969年Kawai（凱沃）發(fā)現(xiàn)在極化的含氟聚合物聚偏氟乙烯（PVDF）中有很高的壓電能力，其它材料如尼龍和PVC也都具有壓電效應(yīng)，但沒(méi)有一種能像PVDF及其共聚物一樣呈現(xiàn)出那么高的壓電效應(yīng)。
PVDF壓電薄膜通常很薄，不但柔軟、密度低、靈敏度極好，而且還具有很強(qiáng)的機(jī)械韌性，其柔順性比壓電陶瓷高出10倍。可以說(shuō)是一種柔性、質(zhì)輕、韌度高的塑料膜，可制成較大面積和多種厚度。它可以直接貼附在機(jī)件表面，而不會(huì)影響機(jī)件的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，非常適用于需要大帶寬和高靈敏度的應(yīng)變傳遞。作為一種執(zhí)行器件，聚合物很低的聲阻抗，使其可以有效的向空氣和其它氣體中傳送能量。PVDF壓電薄膜傳感元件，在美國(guó)已形成具有一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，有較大的發(fā)展空間。 汽車的加速度計(jì)、座位占據(jù)感應(yīng)器、汽油液位計(jì)、輪胎轉(zhuǎn)速器、防盜感應(yīng)器等；智能交通系統(tǒng)的車輛軸數(shù)、軸距、輪胎數(shù)計(jì)量，車速監(jiān)測(cè)、車道控制，停車區(qū)域監(jiān)控，動(dòng)態(tài)稱重等都有應(yīng)用。
4.2 共聚物壓電薄膜的壓電效應(yīng)與特性參數(shù)
共聚物聚偏氟乙烯（PVDF）是一種經(jīng)特殊加工后能將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能的聚合體材料，具有很高的壓電性能。應(yīng)用此種壓電材料制成的傳感器，當(dāng)受到機(jī)械沖擊或振動(dòng)時(shí)，壓電材料原子層的偶極子（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)果就是一個(gè)電子流的形成而產(chǎn)生電荷，這就是PVDF的壓電效應(yīng)[5]。此壓電效應(yīng)是可逆的，它可以把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，也可以把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。即當(dāng)有外載荷施加到傳感器上時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電荷（電壓），而當(dāng)卸去外載荷時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)極性相反的信號(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。
PVDF壓電薄膜具有密度低、材質(zhì)輕、靈敏度高、機(jī)械韌性好等特點(diǎn)，可制成多種厚度和較大面積。作為一種傳感器它的主要特性參數(shù)如下：
（1）頻帶寬：0.001Hz～109Hz；
（2）動(dòng)態(tài)范圍廣：10-8～109Psi（磅/平方英寸）；
（3）聲阻抗低：與水、人體組織和粘膠體系接近；
（4）彈性柔順性好；
（5）高電壓輸出：在同樣受載條件下，比壓電陶瓷高10倍；
（6)高介電強(qiáng)度：可耐強(qiáng)電場(chǎng)作用(75V/μm），此電場(chǎng)強(qiáng)度大部分陶瓷都退極化；
（7）機(jī)械強(qiáng)度高，耐沖擊、振動(dòng)性能好；
（8）穩(wěn)定性高：耐潮濕、耐多數(shù)化學(xué)品、耐氧化劑、耐強(qiáng)紫外線和核輻射；
（9）可加工成特定形狀；
（10）可以用市售膠粘合。
4.3 PVDF壓電薄膜軸傳感器的檢測(cè)原理與技術(shù)性能
PVDF壓電薄膜軸傳感器是由鍍銀銅絲編織成的扁平芯線，纏繞在芯線上的在強(qiáng)電場(chǎng)中極化的薄膜（或涂層）和0.4mm的黃銅管外護(hù)套制成的同軸“線纜”式結(jié)構(gòu)。在制造過(guò)程中，將PVDF材料置于一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)中進(jìn)行極化，數(shù)量級(jí)為一毫米厚的壓電材料大約100000V。極化場(chǎng)使非結(jié)晶聚合體變成半晶體形式，同時(shí)又保留了許多聚合體的柔韌特性。
共聚物PVDF壓電薄膜軸傳感器的檢測(cè)原理，與其說(shuō)是在車輛經(jīng)過(guò)時(shí)采集信息，不如說(shuō)是在車輛輪胎壓過(guò)軸傳感器時(shí)采集信息。即輪胎壓過(guò)壓電薄膜軸傳感器時(shí)，便產(chǎn)生一個(gè)與輪胎壓力成正比的模擬信號(hào)，并且輸出的周期與輪胎停留在軸傳感器上的時(shí)間相同。每當(dāng)一個(gè)輪胎經(jīng)過(guò)軸傳感器時(shí)，軸傳感器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的電子脈沖。由此不難得出，壓電薄膜軸傳感器用于公路行駛車輛動(dòng)態(tài)稱重的檢測(cè)原理是對(duì)動(dòng)態(tài)載荷產(chǎn)生信號(hào)的積分。 共聚物
PVDF壓電薄膜軸傳感器的技術(shù)特性如下：
（1）無(wú)源傳感器：可在前置放大器前長(zhǎng)距離傳送而不需要供電；
（2）工作壽命長(zhǎng)：等效軸載荷可超過(guò)四千萬(wàn)次，如果安裝質(zhì)量好可達(dá)1億次；
（3）輸出信號(hào)大：200kg輪載荷，55英里/小時(shí)（88.5km/h）時(shí)，最小輸出信號(hào)250mv；
（4）動(dòng)態(tài)特性好：軸傳感器6∶1寬厚比的扁平結(jié)構(gòu)，使非受載方向的噪聲最小，包括路面噪聲和車道車輛的噪聲；
（5）對(duì)路面破壞最小：安裝軸傳感器切口僅為19×19mm，并可以與路面輪廓一致；
（6）一次安裝可獲取多種信號(hào)：可測(cè)量軸數(shù)、軸距、車速、動(dòng)態(tài)稱重、車輛分類統(tǒng)計(jì)等。
4.4 共聚物PVDF壓電薄膜軸傳感器的應(yīng)用
共聚物PVDF壓電薄膜軸傳感器主要用于智能高速公路管理系統(tǒng)，公路車輛超限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和橋梁、遂道保護(hù)預(yù)警系統(tǒng)等。檢測(cè)項(xiàng)目為軸數(shù)、軸距、輪胎數(shù)測(cè)量，車速測(cè)量，車輛動(dòng)態(tài)稱重等。
4.4.1 車速監(jiān)測(cè)
在車輛行駛道路上安裝A、B兩條永久性的軸傳感器，一般A、B軸傳感器的距離為3m（可根據(jù)需要確定）。當(dāng)行駛車輛的輪胎經(jīng)過(guò)軸傳感器A時(shí)，電子時(shí)鐘起動(dòng)，經(jīng)過(guò)軸傳感器B時(shí)，時(shí)鐘停止，此時(shí)距離和時(shí)間已知，就可求出車輛行駛速度。根據(jù)德國(guó)PTB的報(bào)告，汽車以200km/h的速度行駛時(shí)，測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)1%。
有的國(guó)家在行車道上安裝A、B、C三條軸傳感器，車輪從軸傳感器A到B，再到C，最終從軸傳感器AB、BC和AC三個(gè)間距中，可計(jì)算出3個(gè)車輛行駛速度，然后對(duì)3個(gè)車速進(jìn)行對(duì)比，它們都應(yīng)在規(guī)定的范圍內(nèi)，之間的誤差通常不超過(guò)2%。
4.4.2 軸距測(cè)量
由于車速在A、B軸傳感器3m間距內(nèi)基本是勻速，用車軸經(jīng)過(guò)軸傳感器時(shí)建立的信號(hào)時(shí)間差乘以車速，就可得出軸距。
4.4.3 軸數(shù)測(cè)量
由于軸傳感器是檢測(cè)輪胎壓過(guò)時(shí)的力，因此即使輪胎靠得很近時(shí)，也很容易計(jì)量出軸數(shù)。但當(dāng)車輛密集、低速行駛及車型相似時(shí)，很難區(qū)分所計(jì)軸數(shù)是同一輛車的還是兩輛車的，而電感線圈只能感受不能計(jì)量軸數(shù)。因而用電感線圈+壓電薄膜軸傳感器的方案即可測(cè)得車數(shù)又能計(jì)量軸數(shù)。一般多采用軸傳感器+電感線圈+軸傳感器的方案，來(lái)獲取車速信號(hào)并進(jìn)行軸數(shù)等其它計(jì)算。
4.4.4 輪胎數(shù)測(cè)量
盡管世界上各國(guó)的車輛分類標(biāo)準(zhǔn)有所不同，但都有自己國(guó)家在用車型的特點(diǎn)，有些國(guó)家是以雙輪胎作為車輛等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)。為了檢測(cè)雙輪胎，通常在與行車方向成300～450角再加裝一條壓電薄膜軸傳感器。當(dāng)雙輪胎經(jīng)過(guò)斜埋的軸傳感器時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生雙峰脈沖，通過(guò)電路處理即可識(shí)別雙輪胎信號(hào)。垂直行車方向安裝的軸傳感器仍用來(lái)檢測(cè)車速、軸數(shù)，并與斜埋的軸傳感器計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。
4.4.5 輪距測(cè)量
我國(guó)的車輛種類很多，存在同軸距而不同輪距的問(wèn)題，如果檢測(cè)系統(tǒng)能分辨輪距，將增加系統(tǒng)的覆蓋率和準(zhǔn)確度。將壓電薄膜軸傳感器以一定角度斜埋路面就可完成輪距測(cè)量任務(wù)。
4.4.6 車輛分類統(tǒng)計(jì)
壓電薄膜軸傳感器的主要用途是車型分類，根據(jù)所用車輛的種類，不同國(guó)家制定了不同的車型分類表，對(duì)行駛車輛進(jìn)行分類。車輛的類型是根據(jù)檢測(cè)的軸數(shù)、軸距、輪距等數(shù)據(jù)確定。
4.4.7 動(dòng)態(tài)稱重（WIM）
公路車輛行駛中稱重主要是用于整車或軸載超限監(jiān)測(cè)的預(yù)選和橋梁超載警告系統(tǒng)。壓電薄膜軸傳感器用于動(dòng)態(tài)稱重時(shí)，必須采用永久性的安裝方式，按工藝要求的安裝程序?qū)⑤S傳感器埋在路面內(nèi)，必須確保軸傳感器筆直平整，并使支架頂部、灌封材料與路面平齊，灌封材料應(yīng)完全包住軸傳感器及引線的連接區(qū)域。軸傳感器的稱量準(zhǔn)確度與車輛振動(dòng)、輪胎壓在軸傳感器上的面積、環(huán)境溫度等有關(guān)。尤其是道路質(zhì)量對(duì)動(dòng)態(tài)稱重準(zhǔn)確度影響較大，用在水泥路面較好，工作壽命長(zhǎng)于瀝青路面。車輛行駛速度范圍可以從5km/h到200km/h，較成功的系統(tǒng)在低速端可達(dá)到10m/min（0.6km/h）。動(dòng)態(tài)稱量準(zhǔn)確度為±10%，個(gè)別成功的系統(tǒng)可達(dá)1～2%。
4.4.8 不停車電子收費(fèi)系統(tǒng)（ETC）
我國(guó)現(xiàn)行的公路車輛收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，一直采用傳統(tǒng)的按客車座位數(shù)分類，收費(fèi)效率低，制約了車流量的提高，是極待解決的問(wèn)題。由于行駛車輛種類繁多，按現(xiàn)行分類方法在不停車電子收費(fèi)系統(tǒng)中，引入自動(dòng)分類法十分困難。如按軸距、軸數(shù)分類，再考慮整車重量，應(yīng)是比較合理的方法。建立合理的車輛分類標(biāo)準(zhǔn)是解決ETC問(wèn)題的關(guān)鍵。制訂標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)是各參數(shù)的檢測(cè)手段，應(yīng)將壓電薄膜軸傳感器技術(shù)與視頻技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，針對(duì)車輛的軸數(shù)、軸距、輪數(shù)，長(zhǎng)、寬、高等物理特性設(shè)計(jì)車型識(shí)別系統(tǒng)。
4.4.9 道路監(jiān)控
隨著智能高速公路管理系統(tǒng)和交通信息采集統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的發(fā)展，壓電薄膜軸傳感器的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，并形成了一門專業(yè)技術(shù)。近年來(lái)我國(guó)高速公路里程僅次于美國(guó)居世界第二位，極需對(duì)公路的交通負(fù)載、車輛類型和軸載、車載進(jìn)行監(jiān)控，以確定道路的磨損類型和等級(jí)。在這種方式下，通常應(yīng)用的是周期信息采集。由于我國(guó)高速公路車輛流量大且超限嚴(yán)重，加重了道路負(fù)荷，在設(shè)計(jì)使用年限之初就出現(xiàn)龜裂、塌陷、車轍而過(guò)早損壞，使道路破壞修復(fù)次數(shù)增加，造成養(yǎng)護(hù)費(fèi)用上升，因此對(duì)公路狀態(tài)的監(jiān)測(cè)變得越來(lái)越重要。利用網(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薄膜軸傳感器組成的檢測(cè)系統(tǒng)，就能實(shí)現(xiàn)交通信息的短期或長(zhǎng)期采集，將車流量、車軸數(shù)、車速、軸距、車輛分類、載重量等信息進(jìn)行收集分析，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)。
結(jié)論
本文介紹的美國(guó)MSI公司研制的共聚物PVDF壓電薄膜軸傳感器，以及瑞士Kastler（奇石樂(lè)）公司研制的壓電石英晶體動(dòng)態(tài)稱重傳感器，已在世界許多國(guó)家的智能高速公路管理系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)公路車輛稱重系統(tǒng)、高速公路超限監(jiān)測(cè)預(yù)選、橋梁超載報(bào)警、遂道保護(hù)和自動(dòng)電子收費(fèi)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。壓電薄膜軸傳感器和壓電石英稱重傳感器，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度之快，測(cè)量與監(jiān)控參數(shù)之多，安裝、調(diào)試、使用之方便，是以傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變式稱重傳感器為基礎(chǔ)的各種動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)無(wú)法比擬的。
在最近五年里，壓電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)，它只比感應(yīng)線圈稍高一些，卻比感應(yīng)線圈多提供許多有效信息，諸如改善了的速度信息，車輛分類等。另外增加了行駛中稱重能力以確定和監(jiān)控車輛的重量。它與感應(yīng)線圈相結(jié)合，將使交通信息的采集更精確更全面。顯然，壓電傳感器作為一種技術(shù)，應(yīng)該考慮將其廣泛應(yīng)用于智能運(yùn)輸系統(tǒng)(ITS)中。
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