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共聚物壓電薄膜軸傳感器及應(yīng)用
來源:薄膜壓力傳感器壓力分布 | 發(fā)布時間:2014/11/12 22:25:26 | 瀏覽次數(shù)：
共聚物壓電薄膜軸傳感器及應(yīng)用隨著全球智能交通技術(shù)的發(fā)展，與眾多的技術(shù)一樣，一種共聚物壓電軸傳感器在過去數(shù)年里取得了長足的發(fā)展。它為用戶提供的不僅僅是良好的性能、高度的可靠性、簡易的安裝方法，還有逐步降低的價格。它獨(dú)一無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MSI公司經(jīng)過多年研究后開發(fā)出了一種共聚物壓電軸傳感器，其長處是獲取精確具體的數(shù)據(jù)，如精確的速度信號、觸發(fā)信號和分類信息及長期反饋交通信息統(tǒng)計數(shù)據(jù) 。目前已在全球超過30個國家安裝了3萬多條，并獲得美國聯(lián)邦高速公路署批準(zhǔn)用于聯(lián)邦基金項(xiàng)目，已經(jīng)由德國PTB及英國權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測和批準(zhǔn)。 車速監(jiān)測 通常在每條車道上安裝兩條傳感器，這便于分別采集每條車道的數(shù)據(jù)。使用兩個傳感器可計算出車輛的速度。當(dāng)輪胎經(jīng)過傳感器A時，啟動電子時鐘，當(dāng)輪胎經(jīng)過傳感器B時，時鐘停止。兩個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，將兩個傳感器之間的距離除以兩個傳感器信號的時間周期，就可得出車速。根據(jù)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(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。通常裝2條傳感器，有的國家也安裝3個傳感器（增加了校驗(yàn)）。當(dāng)輪胎經(jīng)過傳感器時，根據(jù)從A到B，再從B到C，最終從A到C的時間，計算出車速。然后對這幾個車速進(jìn)行對比，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)定的時速，在前輪經(jīng)過最后一個傳感器時，立刻給車輛拍照，并計算出車速。在第一張照片拍攝后的固定時間進(jìn)行第二次拍照，這樣觀測儀可以校驗(yàn)車速。即使在車流量很高的情況下，也可得到各個車道的信息。傳感器可以交錯安裝，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)測即可以對超速車輛罰款，又可以根據(jù)車流量建立可變限速標(biāo)志和可變情報板。在車流量較高時，設(shè)置較低的限速，較低時設(shè)置較高的限速，建立動態(tài)的管理系統(tǒng)，使路面的管理實(shí)現(xiàn)智能化。 車輛分類統(tǒng)計 壓電薄膜共聚物軸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)。在不同的國家使用不同的分類表對車輛分類，車輛的類型是根據(jù)軸數(shù)和軸距等確定。 --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)過傳感器時建立的信號時間差乘以車速，就得出軸距。 --軸數(shù)：由于傳感器是檢測壓過輪胎的力，因此即使在車量靠的很近時也很容易測出軸數(shù)，但在車流密集和低速及車型相似時，不能區(qū)分所計軸數(shù)是同一輛車還是兩輛車，但電感線圈不能計軸數(shù)，因而用電感線圈加上壓電傳感器的方案即可測得軸數(shù)又可測得車數(shù)。配置方案即可以是傳感器＋線圈＋傳感器，也可以是線圈＋傳感器＋線圈，為獲取車速信號并進(jìn)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(tǒng)的覆蓋率和準(zhǔn)確性。將傳感器以一定角度斜埋即可解決這個問題。 --輪胎數(shù)：其他國家車輛分類的標(biāo)準(zhǔn)如巴西是以雙輪胎作為等級劃分標(biāo)準(zhǔn)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）再加裝一個傳感器。當(dāng)雙輪胎經(jīng)過斜埋的傳感器時，會產(chǎn)生一個雙峰脈沖，通過電路的處理可識別雙輪胎信號。垂直車流安裝的傳感器仍用來正常探測車速、軸數(shù)，并與斜埋傳感器計數(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》，動態(tài)稱重系統(tǒng)應(yīng)具備識別單、雙輪胎的能力，通過斜埋壓電軸傳感器即可解決這個問題。 由于車流量的快速增長，不停車收費(fèi)成為業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的焦點(diǎn)，我國一直采用的是按噸位和按客車座位數(shù)分類，現(xiàn)在國內(nèi)行駛的車輛種類復(fù)雜，按這種分類法在ETC系統(tǒng)中引入自動分類是十分困難的。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。 制定標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)是檢測手段，應(yīng)結(jié)合視頻技術(shù)、壓電軸傳感器及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)針對車輛的軸數(shù)、軸距、輪數(shù)、長、寬、高等物理特性，設(shè)計車型識別系統(tǒng)。這需要管理部門、系統(tǒng)集成商及器件供應(yīng)商的有機(jī)的組合才能實(shí)現(xiàn)。 行駛中稱重(WIM) 在美國、巴西、德國、日本、韓國有大量應(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。 傳感器精度與車輛振動和跳動有關(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)量對系統(tǒng)精度影響很大，用在水泥路面較好，壽命長于瀝清路面，用于動態(tài)稱重的道路質(zhì)量應(yīng)符合ASTM有關(guān)規(guī)定。通常可以保證的精度是±10%，極各別成功的系統(tǒng)精度可達(dá)1~2%。 速度范圍可以從5公里/小時到200公里/小時，較成功的系統(tǒng)在低速端達(dá)到10米/分鐘（0.6公里/小時）。重量下限是自行車，上限經(jīng)受了50萬次60千牛單輪胎實(shí)驗(yàn)，等效于70噸（美國標(biāo)準(zhǔn)的9類車輛），實(shí)測中壓壞了水泥實(shí)驗(yàn)路段。 收費(fèi)站地磅 壓電軸傳感器的一個應(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)。車速較低時軸傳感器與電路的接口很關(guān)鍵，壓電傳感器對低頻信號會衰減，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改進(jìn)就是允許傳感器在10米/分鐘（0.6公里/小時）的速度時應(yīng)用。 盡管壓電軸傳感器能探測出壓上傳感器然后從傳感器上移開的輪胎，但它不能檢測靜止在傳感器上的車輛。在一個非常小的距離內(nèi)可以同時應(yīng)用多個傳感器，以防止錯誤的計數(shù)，并改善計數(shù)的校驗(yàn)。壓電傳感器十分適合在收費(fèi)站自動分類車道上使用，因?yàn)樵谀抢镘囁俚淖兓艽蟆? 壓電軸傳感器為收費(fèi)站地磅提供了一個非常有效的優(yōu)勢，壓電軸傳感器的壽命比普通的電阻式地磅要長的多。由于傳感器的固態(tài)結(jié)構(gòu)，壓電軸傳感器沒有可移動部分。傳感器中可見的變形在微米范圍內(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。 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150毫米以前完成信號采集，信號采集與速度無關(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，以便只在紅燈時完成動作。在美國的馬里蘭州霍華德縣，由于安裝了采用壓電軸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%。 交通信息采集和統(tǒng)計 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軸傳感器相結(jié)合，就可實(shí)現(xiàn)交通信息的短周期采集，將車流量、車軸數(shù)、車速、軸距、分類信息、載重量等信息收集并加以分析，給業(yè)主提供維護(hù)方案，同時也為公路規(guī)劃、設(shè)計、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)就是一個典型的例子近五年來，壓電軸傳感器在性能方面顯著提高，而價格卻不斷降低。以安裝價格來說，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。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，壓電軸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)中。
 
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