基于壓電傳感器的交通違章檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、淮海工學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告書課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 課程名稱：傳感器原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)題 目：基于壓電傳感器的交通違章檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系 （院）： 電子工程學(xué)院測控系 學(xué) 期： 2015-2016-1 專業(yè)班級(jí)： 測控 131 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 評(píng)語：評(píng)語：成績：成績：簽名：日期：基于壓電傳感器的交通違章檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于壓電傳感器的交通違章檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)目的 1. 能較全面地鞏固和應(yīng)用“傳感器及檢測技術(shù)”課程中所學(xué)的基本理論和基本方法，并初步掌握小型數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法。2. 通過傳感器及檢測技術(shù)課程設(shè)計(jì)，掌握傳感器及檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法和設(shè)計(jì)原則及相應(yīng)的硬件調(diào)試的方法。進(jìn)一步理解傳感器及檢測系統(tǒng)的

2、設(shè)計(jì)和應(yīng)用。 3. 培養(yǎng)獨(dú)立思考、獨(dú)立準(zhǔn)備資料、獨(dú)立設(shè)計(jì)規(guī)定功能的數(shù)字系統(tǒng)的能力。4. 培養(yǎng)書寫綜合設(shè)計(jì)報(bào)告的能力。二、具體設(shè)計(jì)要求 壓電式交通信息調(diào)查系統(tǒng)是一種滿足交通流量調(diào)查和動(dòng)態(tài)稱重調(diào)查的多用途系統(tǒng)。系統(tǒng)是一種在不中斷交通的情況下記錄交通信息的高性價(jià)比的設(shè)備。 系統(tǒng)概述：這種系統(tǒng)在每一車道安裝 2 條壓電軸載稱重傳感器及 1 個(gè)地感應(yīng)線圈。系統(tǒng)控制器設(shè)備安裝在路邊機(jī)箱內(nèi)并與道路上傳感器連接?？刂破骺杀O(jiān)測到車輛通過壓電傳感器時(shí)所產(chǎn)生的信號(hào)，此信號(hào)可以用來計(jì)算軸負(fù)荷，車速及車輛軸距,并進(jìn)一步計(jì)算出車型、車速、軸載等指標(biāo)。地感線圈的信號(hào)主要用以判定車輛的存在信息，也可用來判定車輛底盤長度,同時(shí)

3、還可以被系統(tǒng)用于區(qū)分前后車輛之間的間隔 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求：當(dāng)正常行駛的車輛，其輪胎壓過鋪設(shè)在車道路面中的壓電膜稱重傳感器時(shí)，會(huì)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，通過信號(hào)線纜傳向路側(cè)的中央數(shù)據(jù)采集控制器。中央數(shù)據(jù)采集控制器通過高速 A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)程序處理，計(jì)算出車輛的觸發(fā)時(shí)間、軸載荷及車輛總重；通過前后布置的兩條壓電膜稱重傳感器進(jìn)一步計(jì)算出車輛的行駛速度；安裝在道路兩側(cè)的激光傳感器能夠檢測車高，輔助判斷車型；兩條壓電膜傳感器之間的線圈檢測器，通過內(nèi)部電路處理，能夠檢測車輛的底盤高度等特征信息，并提供車輛收尾信號(hào)。

4、車輛收尾以后，中央數(shù)據(jù)采集控制器對(duì)車輛的軸距、車長、車輛底盤高度、車高等信息進(jìn)行集中處理，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、打包，按照交通運(yùn)輸部規(guī)定的數(shù)據(jù)處理周期將統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)上傳。三、總體實(shí)現(xiàn)原理和方案設(shè)計(jì)壓電傳感器分類及特點(diǎn)：壓電傳感器分類及特點(diǎn)： 圖 1 壓電傳感器是利用壓電陶瓷片的壓電效應(yīng)，將應(yīng)力（或應(yīng)變）轉(zhuǎn)換成電壓（或電荷），再通過放大器進(jìn)行放大和輸出的裝置。壓電陶瓷是其中的關(guān)鍵部件，從信號(hào)變換角度來看，壓電陶瓷片相當(dāng)于一個(gè)電荷發(fā)生器。壓電傳感器是有將外界力傳遞到壓電陶瓷片的力學(xué)系統(tǒng)、壓電陶瓷片和將電荷傳遞到儀表的測量電路三部分構(gòu)成。 圖 2壓電介質(zhì)可分為三類:(1)石英晶體(天然，單晶休);

5、(2)壓電陶瓷(人工制造，多晶體);(3)高分子壓電材料。1.石英晶體石英晶體是一種天然形成的性能極為優(yōu)異的單晶體壓電材料。它具有穩(wěn)定性好、可靠性高、響應(yīng)速度快、壓電常數(shù)自然變化率低(在 20-200時(shí)，僅為-0.0001/攝氏度 )等特點(diǎn)，廣泛用于制作標(biāo)準(zhǔn)傳感器以及高精度傳感器。2.壓電陶瓷壓電陶瓷是一種人工合成的多晶體壓電材料，內(nèi)部具有大址微觀極化區(qū)。無外電場作用時(shí)，各極化區(qū)在晶體中呈雜散狀、極化方向各異，因此壓電陶瓷平時(shí)呈電中性。當(dāng)施加外電場時(shí)，極化方向統(tǒng)一，此時(shí)圍繞原子核的電子獲得動(dòng)能，脫離原子核束縛成為自由電子。這些自由電子和失去電子顯正電性的原子核在外電場作用下逐漸形成內(nèi)部微弱勢壘

6、電場。從電工學(xué)理論可知，微觀上所謂勢壘電場就是“兩側(cè)堆積電性各異電子組成的作用范圍”，宏觀上表現(xiàn)為壓電陶瓷表面呈現(xiàn)大量電荷。壓電陶瓷不同于自然界其他電介質(zhì)，在外電場失去時(shí)，其內(nèi)部極化區(qū)仍存有很強(qiáng)剩余極化強(qiáng)度，如沿極化方向施加外力，其表面也能產(chǎn)生電荷。換句話說，壓電陶瓷也具有壓電效應(yīng)。常用的壓電陶瓷有鉆欽酸鉛系列壓電陶瓷(PZT)、非鉛系壓電陶瓷等。3.高分子壓電材料高分子壓電材料是近年來發(fā)展較快的一種新型壓電材料。它的特點(diǎn)是壓電常數(shù)較高，如聚偏二氟乙烯(PVF2 或 PVDF)的壓電常數(shù)比壓電陶瓷高十幾倍，其輸出脈沖電壓可直接驅(qū)動(dòng) CMOS 集成門電路。這種材料質(zhì)地柔軟，可以拉伸成薄膜或套管狀

7、。另外，價(jià)格便宜，不易破碎，具有防水性。其測量范圍可達(dá) 80dB,頻響范圍從 0.1Hz 直至 10 九次方 Hz?？梢娝且环N較為理想的電聲材料。高分子壓電材料的工作溢度適用范圍為 100以下，機(jī)械強(qiáng)度較低，不耐紫外線照射。國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀：國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀：在我國壓電傳感器的研究與應(yīng)用明顯落后于世界先進(jìn)水平，自 70 年代以來，壓電傳感器的應(yīng)用主要是為了滿足航天技術(shù)發(fā)展的需要。改革開放之后，隨著引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)，國民經(jīng)濟(jì)進(jìn)入快階段，現(xiàn)代測量技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用成為必然。因此，壓電傳感器測術(shù)引起了一定程度的重視。但是，由于在壓電傳感器測量技術(shù)的研究與應(yīng)用上與國外發(fā)達(dá)國家相比，起步較晚，技術(shù)

8、基礎(chǔ)薄弱。直到目前壓電傳感器總體技術(shù)水平依然處于上述的第一發(fā)展階段。 國內(nèi)進(jìn)行智能傳感器研究的單位主要有：中科院合肥智能機(jī)械研究所傳感器技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(國家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目：安徽省自然科金資助項(xiàng)目；中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目)；中國科技大學(xué)；電子科學(xué)自動(dòng)化系；北京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系(國家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目)，華南理工大學(xué)機(jī)電工程系(廣州省重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目；廣州市重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目)；東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程系(973計(jì)劃項(xiàng)目)。通過幾年的努力，這些單位都在網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)和智能傳感器開發(fā)平臺(tái)的研究中取得了不同程度的成就。四、傳感器選用壓電傳感器為 ROADTRAX 型傳感器，其特點(diǎn)：Road

9、trax BL 型壓電薄膜交通傳感器設(shè)計(jì)成可永久性或臨時(shí)性安裝于道路面下以收集各類交通數(shù)據(jù)。傳感器獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其能以柔性外形直接安裝于道路面下并保持與路面輪廓一致。傳感器的扁平結(jié)構(gòu)對(duì)于路面彎曲，臨近車道以及接近車輛的彎曲波所產(chǎn)生的道路噪音具有良好的抑制能力。安裝時(shí)對(duì)路面的小切口減少了對(duì)路面的損壞，提高了安裝速度，也減少了安裝所需的灌漿量。圖 3交通傳感器是精量電子-MEAS 傳感器在壓電薄膜共聚合物軸類傳感器產(chǎn)品的基礎(chǔ)上開發(fā)出的兩款智能交通傳感器。該傳感器廣泛應(yīng)用于行駛中稱重(WIM)、車速監(jiān)控、闖紅燈拍照、車型分類、車軸數(shù)及軸距測量、收費(fèi)站地磅、停車區(qū)域監(jiān)控、交通信息采集 (道路監(jiān)控)及機(jī)場

10、滑行道等領(lǐng)域，具有性能優(yōu)異，工作可靠、安裝方便，成本低廉等特性，是在智能交通傳感器產(chǎn)品中的理想選擇。本系統(tǒng)所用的壓電傳感器為可以被用于檢測車軸數(shù)、軸距、軸荷、車速、輪距、輪胎數(shù)等各種參數(shù)，因而在車型分類、動(dòng)態(tài)稱重(WIM)、收費(fèi)站地磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通信息采集(道路監(jiān)控)及機(jī)場滑行道監(jiān)控等應(yīng)用實(shí)例中都有用武之地。壓電薄膜的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和工作原理造就了他在以下幾方面無與倫比的優(yōu)勢：精確的速度信號(hào)、可靠的觸發(fā)信號(hào)及詳盡實(shí)時(shí)的車輛統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)優(yōu)勢： 由于兩條與車道等寬的壓電稱重傳感器（3.5M）安裝與車道同寬，不會(huì)漏檢車輪影響檢測精度。而如用彎板式傳感器由于傳感器有固定的長度，對(duì)于寬度不

11、同的車道，傳感器就不能適配于所有車道。 由于壓電稱重傳感器對(duì)高速車輪壓力反應(yīng)靈敏，二傳感器對(duì)車輪壓過的時(shí)間檢測準(zhǔn)，所以系統(tǒng)對(duì)車速檢測準(zhǔn)確，帶來軸距計(jì)算準(zhǔn)確從而系統(tǒng)對(duì)車輛分型準(zhǔn)確，相比每車道二個(gè)地感線圈二條對(duì)接彎板式的結(jié)構(gòu)，車輛交調(diào)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確 圖 4線圈傳感器安裝于兩條壓電膜傳感器之間，由高溫導(dǎo)線繞制而成。在系統(tǒng)中主要用于識(shí)別車輛的底盤長度和高度等特征信息，并提供汽車通過信號(hào)圖 5技術(shù)參數(shù) 線芯：4 平方毫米高溫導(dǎo)線 外護(hù)套：雙層尼龍鎧裝 纏繞匝數(shù)：46 圈 開槽尺寸：2 米*1 米 開槽深度：60 毫米 工作溫度：-40 +80 相對(duì)濕度：0 98% 理論壽命：4000 萬次 等效軸載壓電壓電

12、式傳感器的等效電路。當(dāng) 壓電傳感器中的壓電晶體承受被測機(jī)械應(yīng)力 的作用時(shí)，在它的兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反 但電量相等的電荷。 其電容量為 圖 6壓電稱重傳感器輸出的電壓信號(hào)與車輛壓過的壓力相對(duì)稱的。信號(hào)由控制器轉(zhuǎn)換成電壓。此電壓信號(hào)用來決定軸被檢測到的時(shí)間，電壓的大小計(jì)算出相應(yīng)軸的重量。壓電稱重傳感器埋設(shè)的截面圖及車輛輪壓示意圖如下：圖 7每車道兩條壓電傳感器相距 3 米。地感線圈安裝為 2 米見方。線圈對(duì)稱在傳感器中間。同一車軸經(jīng)過兩條壓電傳感器的時(shí)間被 3 米來除可以得出此車的速度。 車的軸距是用分別通過一條壓電傳感器軸時(shí)間乘上速度來得出。通過兩條壓電傳感器分別計(jì)算的軸距的平均值運(yùn)算來提高檢

13、測精度。 當(dāng)車輛通過線圈中感應(yīng)區(qū)域時(shí)，安裝道路上地感應(yīng)線圈的感應(yīng)值發(fā)生改變（上圖中深藍(lán)色的長方框），引起控制器內(nèi)部感應(yīng)探測器震動(dòng)頻率的變化。這種頻率變化用于系統(tǒng)判定是否有車輛通過感應(yīng)線圈。道路安裝示意圖：圖 8五、其他各部分單元電路設(shè)計(jì)一套完整的設(shè)備，包括檢測器主機(jī)、壓電控制器、壓電傳感器、線圈傳感器、供電設(shè)備、通訊設(shè)備等子系統(tǒng)。壓電控制器該控制器接收壓電傳感器輸送的車輛尖峰信號(hào)，計(jì)算出軸距、車速、軸載等數(shù)據(jù)，提供給系統(tǒng)主控器。所有 HI-TRAC100 配置參數(shù)可使用 HI-COMM100 軟件進(jìn)行處理。這些設(shè)定可以存入數(shù)據(jù)中心服務(wù)器內(nèi)。一旦 HI-TRAC 100 系統(tǒng)發(fā)生故障,可從計(jì)算機(jī)

14、中下載已有設(shè)置來恢復(fù)系統(tǒng)。技技術(shù)術(shù)參參數(shù)數(shù)1）整車稱重精度： 93% （速度范圍：20180 公里/小時(shí)）2）最大稱重： 30 噸/軸3）過載能力： =路面承載力4）流量檢測精度：98%5）速度誤差: 1.5%6）軸距誤差： 2%7）每輛車可采集數(shù)據(jù)類型：單軸重，軸數(shù)，軸組重，總車重，等效單軸負(fù)載，軸間距，總軸距，車長，車懸長，車速，車間距時(shí)間 8）工作溫度： -40 - +70 9）工作電壓： 85250AC10）尺寸：430*280*170 毫米11）重量：7 公斤 主控制器該設(shè)備接收來自壓電控制器、線圈傳感器、路面溫度傳感器等多方面信息，計(jì)算出車輛類型、跟車率、占有率、重車率、平均車重、

15、平均軸載等統(tǒng)計(jì)信息，并根據(jù)系統(tǒng)的需求，將統(tǒng)計(jì)信息和單車信息發(fā)送到數(shù)據(jù)中心供評(píng)估和使用。1）流量檢測精度：98%2）車型檢測精度：95%3）地點(diǎn)車速檢測精度：95%4）工作溫度： -40 - +70 5）工作電壓： 85250AC6）尺寸：430*140*170 毫米7）重量：2.5 公斤（壓電膜作為加速計(jì)） 圖 94 個(gè)車道，用于交通流量調(diào)查和橋梁修護(hù)決策的系統(tǒng)配置清單。序號(hào)元件品牌規(guī)格型號(hào)數(shù)量備注1主機(jī)浙江潤鑫潤鑫-1012壓電控制器英國 TDCHI-TRAC10013線圈傳感器浙江潤鑫CX-0244壓電傳感器美國 MSIROADTRAX8一類，3.5 米5溫度傳感器浙江潤鑫CA-CW-10

16、16戶外機(jī)箱浙江潤鑫定制1可選室內(nèi)型7UPS 供電系統(tǒng)深圳山特MT1000PRO-S1可選太陽能8無線通訊模塊深圳宏電H79201可選通訊制式六、總電路原理圖 圖 10 圖 11八、總結(jié)與心得體會(huì)通過本次課程設(shè)計(jì)，讓我對(duì)傳感器及其應(yīng)用有了新的認(rèn)識(shí)，不僅僅只了解基礎(chǔ)的知識(shí)，也學(xué)會(huì)了如何使用一款傳感器制作能完成一定功能的器件。制作過程中查閱了很多資料，同時(shí)明白了傳感器在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活發(fā)揮著越來越重要的作用。人類社會(huì)對(duì)傳感器提出越來越高的要求是傳感器技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力，而現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)則為其發(fā)展提供了堅(jiān)強(qiáng)后盾。另外，讓我覺得有所收獲的是，通過本次課程設(shè)計(jì)讓我回顧了過去所學(xué)的知識(shí)，對(duì)過去那些零散的知識(shí)點(diǎn)有了新的體會(huì)。剛開始做設(shè)計(jì)的時(shí)候，由于自己的理論知識(shí)基礎(chǔ)不好，在實(shí)驗(yàn)過程遇到了許多的難題，也使我感到理論知識(shí)的重要性。但是我并沒有氣壘，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題，自己看書，獨(dú)立思考，最終解決問題，從而也就加深我對(duì)課本理論知識(shí)的理解，達(dá)到了“雙贏