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共聚物壓電薄膜軸傳感器及應用
來源:薄膜壓力傳感器壓力分布 | 發布時間:2014/11/12 22:25:26 | 瀏覽次數：
共聚物壓電薄膜軸傳感器及應用隨著全球智能交通技術的發展，與眾多的技術一樣，一種共聚物壓電軸傳感器在過去數年里取得了長足的發展。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。它獨一無二的特性使其在日益擴展的應用中成為理想的選擇。 美國MSI公司經過多年研究后開發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據，如精確的速度信號、觸發信號和分類信息及長期反饋交通信息統計數據 。目前已在全球超過30個國家安裝了3萬多條，并獲得美國聯邦高速公路署批準用于聯邦基金項目，已經由德國PTB及英國權威機構檢測和批準。 車速監測 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據。使用兩個傳感器可計算出車輛的速度。當輪胎經過傳感器A時，啟動電子時鐘，當輪胎經過傳感器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，測量精度可達到1%。 壓電傳感器可以區分差別很小的車輛，這一點使其可與速度相機觸發器在固定地點一同使用。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）。當輪胎經過傳感器時，根據從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行對比，它們都應在規定的范圍內，通常不超過2%。如果車輛超過了規定的時速，在前輪經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行第二次拍照，這樣觀測儀可以校驗車速。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，以便照相機有穩定的焦點，從而使得照片清晰可讀。 通過車速監測即可以對超速車輛罰款，又可以根據車流量建立可變限速標志和可變情報板。在車流量較高時，設置較低的限速，較低時設置較高的限速，建立動態的管理系統，使路面的管理實現智能化。 車輛分類統計 壓電薄膜共聚物軸傳感器的主要用途是車型分類，車速數據可被轉換為可靠的分類數據。在不同的國家使用不同的分類表對車輛分類，車輛的類型是根據軸數和軸距等確定。 --軸距：由于車速在3米或小于3米的距離內，基本上是均速，用車軸經過傳感器時建立的信號時間差乘以車速，就得出軸距。 --軸數：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，但在車流密集和低速及車型相似時，不能區分所計軸數是同一輛車還是兩輛車，但電感線圈不能計軸數，因而用電感線圈加上壓電傳感器的方案即可測得軸數又可測得車數。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，將增加系統的覆蓋率和準確性。將傳感器以一定角度斜埋即可解決這個問題。 --輪胎數：其他國家車輛分類的標準如巴西是以雙輪胎作為等級劃分標準的。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。當雙輪胎經過斜埋的傳感器時，會產生一個雙峰脈沖，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，并與斜埋傳感器計數進行比較。根據交通部發布的《超限運輸車輛行駛公路管理規定》，動態稱重系統應具備識別單、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，不停車收費成為業內人士關注的焦點，我國一直采用的是按噸位和按客車座位數分類，現在國內行駛的車輛種類復雜，按這種分類法在ETC系統中引入自動分類是十分困難的。按軸距和軸數分類，再考慮載重，應是比較合理的方法。建立合理的分類標準是解決ETC問題的關鍵。 制定標準的基礎是檢測手段，應結合視頻技術、壓電軸傳感器及網絡技術針對車輛的軸數、軸距、輪數、長、寬、高等物理特性，設計車型識別系統。這需要管理部門、系統集成商及器件供應商的有機的組合才能實現。 行駛中稱重(WIM) 在美國、巴西、德國、日本、韓國有大量應用，其主要用途是高速公路車輛超重超載監測的預選和橋梁超載警告系統，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，由視頻系統拍下車牌號記錄在案，然后再由執法機構用精度較高的低速稱重系統判斷超載量并根據超載量罰款。 傳感器精度與車輛振動和跳動有關，與輪胎壓在傳感器上的面積有關，與溫度有關，需要溫度補償，尤其是道路質量對系統精度影響很大，用在水泥路面較好，壽命長于瀝清路面，用于動態稱重的道路質量應符合ASTM有關規定。通�？梢员ＷC的精度是±10%，極各別成功的系統精度可達1~2%。 速度范圍可以從5公里/小時到200公里/小時，較成功的系統在低速端達到10米/分鐘（0.6公里/小時）。重量下限是自行車，上限經受了50萬次60千牛單輪胎實驗，等效于70噸（美國標準的9類車輛），實測中壓壞了水泥實驗路段。 收費站地磅 壓電軸傳感器的一個應用就是收費站地磅。傳感器可以記錄高速行駛中車輛的數據。車速較低時軸傳感器與電路的接口很關鍵，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就是允許傳感器在10米/分鐘（0.6公里/小時）的速度時應用。 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可以同時應用多個傳感器，以防止錯誤的計數，并改善計數的校驗。壓電傳感器十分適合在收費站自動分類車道上使用，因為在那里車速的變化很大。 壓電軸傳感器為收費站地磅提供了一個非常有效的優勢，壓電軸傳感器的壽命比普通的電阻式地磅要長的多。由于傳感器的固態結構，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，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的觸發器。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，所有數據由前輪采集，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，與車輛類型無關，可在高密度交通流量時使用，照相機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，在一年內闖紅燈事件減少了53%。 交通信息采集和統計 如果將網絡技術、視頻技術及埋在路面下的地感線圈和壓電軸傳感器相結合，就可實現交通信息的短周期采集，將車流量、車軸數、車速、軸距、分類信息、載重量等信息收集并加以分析，給業主提供維護方案，同時也為公路規劃、設計、維護和決策提供可靠全面的數據。加拿大多倫多401高速公路交通管理系統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，它只比感應線圈稍高一些，卻比感應線圈多提供許多有效信息。它與感應線圈相結合，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，應該考慮將其廣泛應用于智能運輸系統中。
 
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