Book-CH5 磁頻車輛檢測技術

智能運輸檢測技術任課教師：李曉峰

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郵箱：xfengli@第五章磁頻車輛檢測技術1.環(huán)形線圈（感應）車輛檢測器2.地磁車輛檢測器3.磁頻車輛檢測器的應用范圍2磁頻車輛檢測技術是指以電磁感應為檢測參數(shù)、以磁頻車輛檢測器為檢測設備的可以檢測車輛通過或存在于檢測區(qū)域的技術。磁頻車輛檢測技術屬于固定型檢測技術，其獲得交通參數(shù)的基本方法都是通過分析車輛經(jīng)過檢測區(qū)域后引發(fā)的傳感器的脈沖信號的方法對交通流信息進行檢測。使用磁頻車輛檢測技術采集動態(tài)交通流信息的設備主要有環(huán)形線圈式車輛檢測器、地磁式車輛檢測器、電磁式車輛檢測器、微型線圈檢測器、磁成像檢測器、摩擦電檢測器、磁力檢測器等，其中環(huán)形線圈檢測器應用最為廣泛。概述概述

環(huán)形線圈感應式檢測器（以下簡稱線圈檢測器）自應用以來，在世界各地的城市交通控制系統(tǒng)中，一直是首選的車流量信息檢測手段。環(huán)形線圈檢測器主要應用于交通流數(shù)據(jù)信息采集系統(tǒng)、交通信號控制系統(tǒng)、交通誘導及停車管理系統(tǒng)。檢測需求大多是交通流量、流向、車速、車道占有率以及車長、排隊長度等，這些都可以通過不同的感應線圈的設置方式來實現(xiàn)。環(huán)形線圈檢測器是容易設置和安裝，其主要應用在道口收費、交通控制、停車場及車輛計數(shù)等方面。第一節(jié)環(huán)形線圈（感應）車輛檢測器一、環(huán)形線圈車輛檢測器工作原理環(huán)形線圈車輛檢測器是一種基于電磁感應原理的車輛檢測技術，其傳感器是一個埋在路面下、通過一定工作電流的環(huán)形線圈。當車輛通過線圈或停在線圈上時，車輛引起線圈回路電感量的變化，檢測器檢測出變化量就可以檢測出車輛的存在，從而達到檢測交通流信息的目的。1.環(huán)形線圈檢測器結構

環(huán)形線圈式車輛檢測器通常由環(huán)形線圈傳感器、傳輸饋線、信號檢測處理單元（檢測電路及調諧電路）及背板框架4部分組成。信號檢測處理單元的檢測電路包括檢測信號放大單元、數(shù)據(jù)處理單元和通信接口；信號檢測處理單元的調諧電路由調諧電容、調諧電阻及環(huán)形線圈構成。2.檢測原理

有電流通過環(huán)形線圈時，周圍就會產(chǎn)生磁場，如式(5_1)所示。ψ=L?i

(5-1)式中：

ψ—

總磁通量；

L—電感，H；

i—電流。線圈車輛檢測器與埋在道路中間的線圈連接，車輛經(jīng)過線圈后使，車體產(chǎn)生感應電流，這一感應電流使得線圈電感量減少。當車輛進入線圈磁場范圍時，檢測器便可由諧振電路的電感量變化，檢測器內部電路振蕩頻率隨著線圈電感量的變化而變化，CPU通過計數(shù)脈沖數(shù)量判斷電路振蕩頻率的變化從而判斷車輛的有無，然后計算相關的交通參數(shù)。金屬線圈具有一定的電感，其電感的大小取決于它的周長、截面、匝數(shù)及周圍介質的情況。線圈截面越大或匝數(shù)越多，單位電流所產(chǎn)生的磁通鏈越大，電感也就越大。當線圈截面積固定不變時，匝數(shù)越多，電感越大，反之亦然。一般情況，線圈長2m，寬1.3m,線圈匝數(shù)為4匝。當交變電流通過環(huán)形線圈時，將產(chǎn)生一個交變磁場。環(huán)形線圈作為電感元件，同電容器并聯(lián)組成振蕩器的諧振回路。該諧振器的諧振頻率就與環(huán)形線圈的電感量的平方根成反比。

3.環(huán)形線圈檢測器分類環(huán)形線圈檢測器主要分通過型環(huán)形線圈檢測器和存在型環(huán)形線圈檢測器兩類。通過型環(huán)形線圈檢測器的檢測線圈是無源地磁感應線圈，即環(huán)形線圈無源激勵。當汽車從環(huán)形線圈上方通過時，因汽車系鋼鐵制成（鐵磁材料），必然干擾環(huán)形線圈周圍的地磁場，改變線圈周圍的磁力線分布，從而導致磁通量發(fā)生變化。由于這一變化，根據(jù)法拉第電磁感應原理，即線圈兩端有感應電動勢產(chǎn)生。存在型環(huán)形線圈檢測器屬于有源激勵檢測。它需要在環(huán)形線圈兩端加上一個具有一定振蕩頻率的激勵源。環(huán)形線圈檢測器可檢測：

流量、占有率、車速、排隊長度等，用于流量檢測時，線圈長度應盡可能地小于車間距；對于車速和占有率檢測，在實際應用中，大多采用兩個技術參數(shù)完全相同的線圈，既可用來檢測車速，又可用來檢測占有率。二、環(huán)形線圈檢測電路原理1.環(huán)形線圈的調諧電路在環(huán)形線圈檢測器電路中，環(huán)形線圈是此電路的電感元件，電容則決定于檢測單元中的電容器。當電流通過環(huán)形線圈時，在其周圍形成一個電磁場，當車輛通過環(huán)形線圈或停在環(huán)形線圈上時，車輛自身鐵質切割磁通線，將導致環(huán)形線圈回路電感量的變化，線圈電感量的變化，引起車輛檢測器的LC振蕩電路的振蕩頻率和相位相應也發(fā)生變化。因此，檢測器通過檢測該電感變化量就可以檢測出車輛的存在。簡化后的環(huán)形線圈并聯(lián)諧振電路：由式（5-3)可知，并聯(lián)諧振電路的諧振頻率完全由電路本身的參數(shù)決定。車輛出現(xiàn)時，電感量減少，諧振頻率f。增大。環(huán)形線圈的調諧回路在無車輛通過或存在時，處于諧振狀態(tài)。此時，外施電源（電流源或電壓源）的頻率與回路固有的諧振頻率相等，阻抗角為零，相位差為零。當有車輛通過時，諧振電路的電感L下降，諧振頻率f。增加，外施頻率恒定不變，此時諧振電路失諧，阻抗角不等于零，即電感量的變化導致諧振電路頻率、相位和阻抗的變化，所以檢測上述3個參數(shù)的任一參數(shù)的變化即可檢測出車輛通過或存在的狀況。2.環(huán)形線圈車輛檢測方案由于電感量的變化表現(xiàn)為調諧電路頻率的變化、相位的變化和阻抗的變化，檢測電感變化量一般來說有3種方式：第一種是利用相位鎖存器和鑒相器，對相位的變化進行檢測；第二種方式是利用由環(huán)形線圈構成回路的渦合電路對其振蕩頻率進行檢測；第三種是利用電壓倍壓器和檢波器對環(huán)形線圈諧振電路的阻抗變化進行檢測。(1).相位變化的檢測。

采用鎖相環(huán)技術和雙振蕩器方案，即采用兩個振蕩器結構，主振蕩器作為基準振蕩器，通過鎖相環(huán)技術提供穩(wěn)定的基準電壓，從而使振蕩器反應車輛通過的信息。環(huán)形線圈通過饋線與檢測器的變壓器相連，在電路工作時，環(huán)形線圈周圍就有主振頻率電流通過，并在環(huán)的周圍建立交變電磁場。在電路中還有一個由晶振產(chǎn)生的頻率穩(wěn)定的參考信號，把主振蕩器的信號和參考信號一同送入鑒相器中，當主振信號與參考信號的頻率不同時，鑒相器就會輸出控制電壓。因此，可以調整主振蕩器的工作頻率，使之逐步與參考信號的頻率相一致，最后全鎖定在參考頻率上。當有車輛通過環(huán)形線圈時，由于環(huán)的電感量發(fā)生變化，使主振蕩器的工作頻率就有了變化的趨勢，但在鎖相環(huán)的作用下，主振頻率仍然保持與參考信號頻率一致。此時，鑒相器的輸出電壓發(fā)生了變化，并且使從振頻率也發(fā)生了變化。用單片機連續(xù)采集從振頻率的信號，并計算它的工作頻率，當從振頻率的值大于一定的門檻值時，就可以判斷出有車輛經(jīng)過環(huán)形線圈。(2).頻率變化的檢測。頻率變化的檢測就是對整個諧振回路的振蕩頻率進行檢測。其工作原理是檢測單元同環(huán)形線圈與饋線線路組成一個耦合電路，當電流通過環(huán)形線圈時，在其周圍形成一個電磁場。在正常情況下，在機動車輛未處在環(huán)形線圈所在位置的時候，耦合電路振蕩頻率保持恒定，單片機在單位時間段測得的脈沖個數(shù)基本保持不變；幸機動車輛經(jīng)過環(huán)形線圈所在位置上方時，在金屬車體中感應出渦流電流，渦流電流又產(chǎn)生與環(huán)路相耦但方向相反的電磁場，即互感。由此導致渦合電路振蕩頻率的變化，使得單片機在單