2. 壓電傳感器的基本原理及其分類

　　2.1 壓電傳感器的基本原理

　　壓電傳感器是利用某些電介質(zhì)受力后產(chǎn)生的壓電效應(yīng)制成的傳感器。所謂壓電效應(yīng)是指某些電介質(zhì)在受到某一方向的外力作用而發(fā)生形變（包括彎曲和伸縮形變）時(shí)，由于內(nèi)部電荷的極化現(xiàn)象，會(huì)在其表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。

　　2.2 壓電傳感器的分類

　　壓電材料可分為壓電單晶、壓電多晶和有機(jī)壓電材料。壓電式傳感器中用得最多的是屬于壓電多晶的各類壓電陶瓷和壓電單晶中的石英晶體。其他壓電單晶還有適用于高溫輻射環(huán)境的鈮酸鋰以及鉭酸鋰、鎵酸鋰、鍺酸鉍等[2]。在智能交通系統(tǒng)中具有代表性的傳感器有：壓電石英傳感器和壓電薄膜軸傳感器。

　　2.3 壓電傳感器的特點(diǎn)

　　無源傳感器:可在前置放大器前長(zhǎng)距離傳送而不需要供電。
　　壽命長(zhǎng): 超過4千萬次ESAL(等效單軸負(fù)載)安裝質(zhì)量好可達(dá)一億次(ESAL)。
　　大信號(hào): 200公斤輪載,在55英里速度行駛時(shí),輸出最小250mV信號(hào)。
　　動(dòng)態(tài)特性好: 可測(cè)自行車,摩托車,小汽車及重型貨車。
　　高信噪比:傳感器的扁平結(jié)構(gòu)即寬厚比為6:1使非受力方向的躁聲最小。包括路面躁聲和相鄰車道車輛的躁聲最小。
　　最小的路面破壞:安裝切口僅為19mmx19mm。并可與路面輪廓一致.
　　易搬運(yùn):盤卷在600mmx600mm的紙盒內(nèi), 卷曲直徑不小于300mm就不會(huì)損壞。

　　2.4 壓電傳感器的應(yīng)用范圍

　　壓電傳感器主要應(yīng)用于行駛中稱重(WIM)，車輛分類統(tǒng)計(jì)，計(jì)軸數(shù)，測(cè)軸距，車速監(jiān)測(cè)，闖紅燈拍照，泊車區(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)以及機(jī)場(chǎng)滑行道。

　　2.4.1 行駛中稱重(WIM)

　　在美國(guó)、巴西、德國(guó)、日本和韓國(guó)有大量應(yīng)用，其主要用途是高速公路車輛超重超載監(jiān)測(cè)的預(yù)選和橋梁超載警告系統(tǒng)，既判斷正在高速行駛中的車輛，尤其是駛過橋梁的車輛是否超載，由視頻系統(tǒng)拍下車牌號(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重系統(tǒng)判斷超載量并根據(jù)超載量罰款。  

　　2.4.2 車輛分類統(tǒng)計(jì)

　　壓電傳感器的主要用途是車型分類，車速數(shù)據(jù)可被轉(zhuǎn)換為可靠的分類數(shù)據(jù)。不同的國(guó)家使用不同的分類表對(duì)車輛分類。在美國(guó)，F(xiàn)HWA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(dòng)態(tài)稱重(WIM)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及用戶要求與試驗(yàn)方法ASTMl318-94)。車輛的類型是根據(jù)軸數(shù)和軸距確定的。

　　軸距：由于車速在3米或小于3米的距離內(nèi)基本上是均速，用車軸經(jīng)過傳感器時(shí)建立的
信號(hào)時(shí)間差乘以車速，就得出軸距。

　　軸數(shù)：由于傳感器是檢測(cè)壓過輪胎的力，因此即使在車量靠得很近時(shí)也很容易測(cè)出軸數(shù)，但在車流密集、低速及車型相似時(shí)，不能區(qū)分所計(jì)軸數(shù)是同一輛車還是兩輛車，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)得車數(shù)。配置方案既可以是傳感器+線圈+傳感器，也可以是線圈十傳感器十線圈，為獲取車速信號(hào)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，車輛的分類需要檢測(cè)輪距，我國(guó)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(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可解決這個(gè)問題。

　　輪胎數(shù)：其他國(guó)家車輛分類的標(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，通常在與車流方向成一定角度(一般是30度到45度)再加裝一個(gè)傳感器。當(dāng)雙輪胎經(jīng)過斜埋的傳感器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)雙峰脈沖，通過電路的處理可識(shí)別雙輪胎信號(hào)。垂直車流安裝的傳感器仍用來正常探測(cè)車速，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)輸車輛行駛公路管理規(guī)定”，動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)應(yīng)具備識(shí)別單、雙輪胎的能力，通過斜埋壓電軸傳感器就可解決這個(gè)問題。

　　由于車流量的快速增長(zhǎng)，ETC(電子不停車收費(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座位數(shù)分類，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)行駛的車輛種類復(fù)雜，按這種分類法在ETC系統(tǒng)中引入自動(dòng)分類十分困難。按軸距和軸數(shù)分類，再考慮載重，應(yīng)是比較合理的方法。建立合理的分類標(biāo)準(zhǔn)是解決ETC問題的關(guān)鍵。 
2.4.3 車速監(jiān)測(cè)
通常在每條車道上安裝兩條傳感器，這便于分別地采集每條車道的數(shù)據(jù)。使用兩個(gè)傳感器可計(jì)算出車輛的速度。當(dāng)輪胎經(jīng)過傳感器A時(shí)，啟動(dòng)電子時(shí)鐘，當(dāng)輪胎經(jīng)過傳感器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兩個(gè)傳感器信號(hào)的時(shí)間周期，就可得出車速。根據(jù)德國(guó)PTB的報(bào)告，在汽車以200公里／小時(shí)的勻速行駛時(shí)，測(cè)量精度可達(dá)到1％。

　　壓電傳感器可以區(qū)分差別很小的車輛，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)過傳感器時(shí)，根據(jù)從A到B，再?gòu)腂到C，最終從A到C的時(shí)間，計(jì)算出車速。然后對(duì)這幾個(gè)車速進(jìn)行對(duì)比，它們都應(yīng)在規(guī)定的范圍內(nèi)，通常不超過2％。如果車輛超過了規(guī)定的時(shí)速，前輪經(jīng)過最后一個(gè)傳感器時(shí)，立刻給車輛拍照，并計(jì)算出車速。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)車速。即使在車流量很高的情況下，也可得到各個(gè)車道的信息。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。

　　通過車速監(jiān)測(cè)既可以對(duì)超速車輛罰款，又可以根據(jù)車流量建立可變限速標(biāo)志和可變情報(bào)板。在車流量較高時(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。

　　2.4.4 收費(fèi)站地磅

　　壓電軸傳感器的一個(gè)應(yīng)用就是收費(fèi)站地磅。傳感器可以記錄高速行駛中車輛的數(shù)據(jù)。車速較低時(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。壓電軸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。

　　盡管壓電軸傳感器能探測(cè)出壓上傳感器然后從傳感器上移開的輪胎，但它不能檢測(cè)靜止在傳感器上的車輛。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)，改善計(jì)數(shù)的校驗(yàn)。壓電傳感器十分適合在收費(fèi)站自動(dòng)分類車道上使用，因?yàn)樵谀抢镘囁俚淖兓�很大�?

　　壓電軸傳感器為收費(fèi)站地磅提供了一個(gè)非常有效的優(yōu)勢(shì)，壓電軸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)，壓電軸傳感器沒有可移動(dòng)部分。傳感器中可見的變形在微米(um)范圍內(nèi)，而電阻式地磅通常在橡膠套中有幾毫米的變形，因此而引入了一個(gè)疲勞元件。電阻式傳感器壽命為100-500萬軸次，而壓電傳感器卻超過1億軸次。
 
　　2.4.5 闖紅燈拍照

　　壓電軸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，在車輛移動(dòng)6’’(150mm)以前完成信號(hào)采集，信號(hào)采集與速度無關(guān)，與車輛類型無關(guān)，可在高密度交通流量時(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。

　　用兩條傳感器確定停車線前的車速，如果紅燈亮并且車速大于預(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，而且車輛在紅燈亮?xí)r未超越停車線，并可證明車速及已亮紅燈的時(shí)間。第二張照片根據(jù)車速在這以后固定的時(shí)間內(nèi)拍出，一般來說為1至2秒。第二張照片證明事實(shí)上車輛越過了停車線進(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尾部拍攝的，然后給車輛開罰單，方式與停車罰單類似。注冊(cè)的車主會(huì)收到罰單，其中包括兩張照片，并把車牌照號(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35毫米或更大規(guī)格的濕膠片來拍攝的。初步證據(jù)在采用濕膠片或一次寫入多次讀取的數(shù)碼影像方式時(shí)對(duì)違章者是不利的。這樣就防止了對(duì)證據(jù)進(jìn)行數(shù)碼串改。

　　2.4.6 觸發(fā)器

　　選擇壓電傳感器作闖紅燈照相機(jī)觸發(fā)器的原因與它們?cè)谒俣日障鄼C(jī)中的應(yīng)用相同。在照片中可以看到車輛仍在傳感器的上方。傳感器以有線方式連接到照相機(jī)上，將信息具體到某一車道。即使在兩條相鄰車道上，兩輛車緊挨著，傳到照相機(jī)控制器的數(shù)據(jù)將是該傳感器所在車道的數(shù)據(jù)。傳感器不象固定的雷達(dá)裝置那樣很難區(qū)分相鄰車輛，因此，壓電傳感器適用于多車道。收到罰單的人被再確認(rèn)他們確實(shí)是闖了紅燈或違反了車速規(guī)定，因?yàn)樗麄兛梢院芮宄�地看到展現(xiàn)在他們眼前的證據(jù)。

　2.4.7 交通信息采集和統(tǒng)計(jì)(道路監(jiān)控)

　　壓電軸傳感器的應(yīng)用已擴(kuò)展成一門技術(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，類型和重量被監(jiān)控，以確定道路的磨損、類型和等級(jí)。在這種方式下，通常采用的是周期信息采集，而幾乎沒有實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集。 （未完待續(xù)）

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