基于压电传感器的交通违章检测系统设计

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1、淮海工学院 课程设计报告书课程设计报告书 课程名称：传感器原理及应用课程设计 题 目：基于压电传感器的交通违章检测 系统设计 系 （院）： 电子工程学院测控系 学 期： 2015-2016-1 专业班级： 测控 131 姓 名： 学 号： 评语：评语： 成绩：成绩： 签名： 日期： 基于压电传感器的交通违章检测系统设计基于压电传感器的交通违章检测系统设计 一、设计目的 1. 能较全面地巩固和应用“传感器及检测技术”课程中所学的基本理论和 基本方法，并初步掌握小型数字系统设计的基本方法。 2. 通过传感器及检测技术课程设计，掌握传感器及检测系统设计的方 法和设计原则及相应的硬件调试的方法。进一步

2、理解传感器及检测系统的设计 和应用。 3. 培养独立思考、独立准备资料、独立设计规定功能的数字系统的能力。 4. 培养书写综合设计报告的能力。 二、具体设计要求 压电式交通信息调查系统是一种满足交通流量调查和动态称重调查的多用 途系统。系统是一种在不中断交通的情况下记录交通信息的高性价比的设备。 系统概述： 这种系统在每一车道安装 2 条压电轴载称重传感器及 1 个地感应线圈。系 统控制器设备安装在路边机箱内并与道路上传感器连接。控制器可监测到车辆 通过压电传感器时所产生的信号，此信号可以用来计算轴负荷，车速及车辆轴 距,并进一步计算出车型、车速、轴载等指标。地感线圈的信号主要用以判定车 辆的

3、存在信息，也可用来判定车辆底盘长度,同时还可以被系统用于区分前后车 辆之间的间隔 系统设计要求： 当正常行驶的车辆，其轮胎压过铺设在车道路面中的压电膜称重传感器时， 会产生一个与施加到传感器上的压力成正比的模拟信号，并且输出的周期与轮 胎停留在传感器上的时间相同，通过信号线缆传向路侧的中央数据采集控制器。 中央数据采集控制器通过高速 A/D 转换器将模拟信号转换成数字信号，经程序 处理，计算出车辆的触发时间、轴载荷及车辆总重；通过前后布置的两条压电 膜称重传感器进一步计算出车辆的行驶速度；安装在道路两侧的激光传感器能 够检测车高，辅助判断车型；两条压电膜传感器之间的线圈检测器，通过内部 电路处

4、理，能够检测车辆的底盘高度等特征信息，并提供车辆收尾信号。车辆 收尾以后，中央数据采集控制器对车辆的轴距、车长、车辆底盘高度、车高等 信息进行集中处理，并对数据进行存储、打包，按照交通运输部规定的数据处 理周期将统计的数据通过网络上传。 三、总体实现原理和方案设计 压电传感器分类及特点：压电传感器分类及特点： 图 1 压电传感器是利用压电陶瓷片的压电效应，将应力（或应变）转换成电压 （或电荷），再通过放大器进行放大和输出的装置。压电陶瓷是其中的关键部 件，从信号变换角度来看，压电陶瓷片相当于一个电荷发生器。压电传感器是 有将外界力传递到压电陶瓷片的力学系统、压电陶瓷片和将电荷传递到仪表的 测量

5、电路三部分构成。 图 2 压电介质可分为三类:(1)石英晶体(天然，单晶休);(2)压电陶瓷(人工制造， 多晶体);(3)高分子压电材料。 1.石英晶体 石英晶体是一种天然形成的性能极为优异的单晶体压电材料。它具有稳定性 好、可靠性高、响应速度快、压电常数自然变化率低(在 20-200时，仅为- 0.0001/摄氏度 )等特点，广泛用于制作标准传感器以及高精度传感器。 2.压电陶瓷 压电陶瓷是一种人工合成的多晶体压电材料，内部具有大址微观极化区。 无外电场作用时，各极化区在晶体中呈杂散状、极化方向各异，因此压电陶瓷 平时呈电中性。当施加外电场时，极化方向统一，此时围绕原子核的电子获得 动能，脱

6、离原子核束缚成为自由电子。这些自由电子和失去电子显正电性的原 子核在外电场作用下逐渐形成内部微弱势垒电场。从电工学理论可知，微观上 所谓势垒电场就是“两侧堆积电性各异电子组成的作用范围”，宏观上表现为 压电陶瓷表面呈现大量电荷。 压电陶瓷不同于自然界其他电介质，在外电场失去时，其内部极化区仍存有很 强剩余极化强度，如沿极化方向施加外力，其表面也能产生电荷。换句话说， 压电陶瓷也具有压电效应。 常用的压电陶瓷有钻钦酸铅系列压电陶瓷(PZT)、非铅系压电陶瓷等。 3.高分子压电材料 高分子压电材料是近年来发展较快的一种新型压电材料。它的特点是压电 常数较高，如聚偏二氟乙烯(PVF2 或 PVDF)

7、的压电常数比压电陶瓷高十几倍，其 输出脉冲电压可直接驱动 CMOS 集成门电路。 这种材料质地柔软，可以拉伸成薄膜或套管状。另外，价格便宜，不易破碎， 具有防水性。其测量范围可达 80dB,频响范围从 0.1Hz 直至 10 九次方 Hz。可见 它是一种较为理想的电声材料。 高分子压电材料的工作溢度适用范围为 100以下，机械强度较低，不耐紫外 线照射。 国内外发展现状：国内外发展现状： 在我国压电传感器的研究与应用明显落后于世界先进水平，自 70 年代以来， 压电传感器的应用主要是为了满足航天技术发展的需要。改革开放之后，随着 引进国外先进技术和管理经验，国民经济进入快阶段，现代测量技术的发

8、展与 应用成为必然。因此，压电传感器测术引起了一定程度的重视。但是，由于在 压电传感器测量技术的研究与应用上与国外发达国家相比，起步较晚，技术基 础薄弱。直到目前压电传感器总体技术水平依然处于上述的第一发展阶段。 国内进行智能传感器研究的单位主要有：中科院合肥智能机械研究所传感 器技术国家重点实验室(国家“863”计划资助项目：安徽省自然科金资助项目； 中国博士后科学基金资助项目)；中国科技大学；电子科学自动化系；北京大学 计算机科学技术系(国家“863”计划资助项目)，华南理工大学机电工程系(广 州省重点攻关项目；广州市重点攻关项目)；东南大学仪器科学与工程系(973 计划项目)。通过几年的

9、努力，这些单位都在网络化测控系统和智能传感器开发 平台的研究中取得了不同程度的成就。 四、传感器选用 压电传感器为 ROADTRAX 型传感器，其特点： Roadtrax BL 型压电薄膜交通传感器设计成可永久性或临时性安装于道路面下 以收集各类交通数据。传感器独特的结构使其能以柔性外形直接安装于道路面 下并保持与路面轮廓一致。传感器的扁平结构对于路面弯曲，临近车道以及接 近车辆的弯曲波所产生的道路噪音具有良好的抑制能力。安装时对路面的小切 口减少了对路面的损坏，提高了安装速度，也减少了安装所需的灌浆量。 图 3 交通传感器是精量电子-MEAS 传感器在压电薄膜共聚合物轴类传感器产品 的基础上

10、开发出的两款智能交通传感器。该传感器广泛应用于行驶中称重(WIM)、 车速监控、闯红灯拍照、车型分类、车轴数及轴距测量、收费站地磅、停车区 域监控、交通信息采集 (道路监控)及机场滑行道等领域，具有性能优异，工作 可靠、安装方便，成本低廉等特性，是在智能交通传感器产品中的理想选择。 本系统所用的压电传感器为可以被用于检测车轴数、轴距、轴荷、车速、 轮距、轮胎数等各种参数，因而在车型分类、动态称重(WIM)、收费站地磅、闯 红灯拍照、停车区域监控、交通信息采集(道路监控)及机场滑行道监控等应用 实例中都有用武之地。压电薄膜的独特结构和工作原理造就了他在以下几方面 无与伦比的优势：精确的速度信号、

11、可靠的触发信号及详尽实时的车辆统计数 据。 系统优势： 由于两条与车道等宽的压电称重传感器（3.5M）安装与车道同宽，不会 漏检车轮影响检测精度。而如用弯板式传感器由于传感器有固定的长度，对于 宽度不同的车道，传感器就不能适配于所有车道。 由于压电称重传感器对高速车轮压力反应灵敏，二传感器对车轮压过的时 间检测准，所以系统对车速检测准确，带来轴距计算准确从而系统对车辆分型 准确，相比每车道二个地感线圈二条对接弯板式的结构，车辆交调数据更准确 图 4 线圈传感器安装于两条压电膜传感器之间，由高温导线绕制而成。在系统 中主要用于识别车辆的底盘长度和高度等特征信息，并提供汽车通过信号 图 5 技术参

12、数 线芯：4 平方毫米高温导线 外护套：双层尼龙铠装 缠绕匝数：46 圈 开槽尺寸：2 米*1 米 开槽深度：60 毫米 工作温度：-40 +80 相对湿度：0 98% 理论寿命：4000 万次 等效轴载 压电压电式传感器的等效电路。当 压电传感器中的压电晶体承受被测机 械应力 的作用时，在它的两个极面上出现极性相反 但电量相等的电荷。 其电 容量为 图 6 压电称重传感器输出的电压信号与车辆压过的压力相对称的。信号由控制 器转换成电压。此电压信号用来决定轴被检测到的时间，电压的大小计算出相 应轴的重量。压电称重传感器埋设的截面图及车辆轮压示意图如下： 图 7 每车道两条压电传感器相距 3 米

13、。地感线圈安装为 2 米见方。线圈对称在 传感器中间。同一车轴经过两条压电传感器的时间被 3 米来除可以得出此车的 速度。 车的轴距是用分别通过一条压电传感器轴时间乘上速度来得出。通过两条 压电传感器分别计算的轴距的平均值运算来提高检测精度。 当车辆通过线圈中感应区域时，安装道路上地感应线圈的感应值发生改变 （上图中深蓝色的长方框），引起控制器内部感应探测器震动频率的变化。这 种频率变化用于系统判定是否有车辆通过感应线圈。 道路安装示意图： 图 8 五、其他各部分单元电路设计 一套完整的设备，包括检测器主机、压电控制器、压电传感器、线圈传感 器、供电设备、通讯设备等子系统。 压电控制器 该控制

14、器接收压电传感器输送的车辆尖峰信号，计算出轴距、车速、轴载 等数据，提供给系统主控器。 所有 HI-TRAC100 配置参数可使用 HI-COMM100 软件进行处理。这些设定 可以存入数据中心服务器内。一旦 HI-TRAC 100 系统发生故障,可从计算机中下 载已有设置来恢复系统。 技技术术参参数数 1）整车称重精度： 93% （速度范围：20180 公里/小时） 2）最大称重： 30 吨/轴 3）过载能力： =路面承载力 4）流量检测精度：98% 5）速度误差: 1.5% 6）轴距误差： 2% 7）每辆车可采集数据类型： 单轴重，轴数，轴组重，总车重，等效单轴负载，轴间距，总轴距，车长，

15、 车悬长，车速，车间距时间 8）工作温度： -40 - +70 9）工作电压： 85250AC 10）尺寸：430*280*170 毫米 11）重量：7 公斤 主控制器 该设备接收来自压电控制器、线圈传感器、路面温度传感器等多方面信息， 计算出车辆类型、跟车率、占有率、重车率、平均车重、平均轴载等统计信息， 并根据系统的需求，将统计信息和单车信息发送到数据中心供评估和使用。 1）流量检测精度：98% 2）车型检测精度：95% 3）地点车速检测精度：95% 4）工作温度： -40 - +70 5）工作电压： 85250AC 6）尺寸：430*140*170 毫米 7）重量：2.5 公斤 （压电膜

16、作为加速计） 图 9 4 个车道，用于交通流量调查和桥梁修护决策的系统配置清单。 序号元件品牌规格型号数量备注 1主机浙江润鑫润鑫-101 2压电控制器英国 TDCHI-TRAC1001 3线圈传感器浙江润鑫CX-024 4压电传感器美国 MSIROADTRAX8一类，3.5 米 5温度传感器浙江润鑫CA-CW-101 6户外机箱浙江润鑫定制1可选室内型 7UPS 供电系统深圳山特MT1000PRO-S1可选太阳能 8无线通讯模块深圳宏电H79201可选通讯制式 六、总电路原理图 图 10 图 11 八、总结与心得体会 通过本次课程设计，让我对传感器及其应用有了新的认识，不仅仅只了解基础的知识， 也学会了如何使用一款传感器制作能完成一定功能的器件。制作过程中查阅了很多资料， 同时明白了传感器在科学技术领域、工农业生产及日常生活发挥着越来越重要的作用。人 类社会对传感器提出越来越高的要求是传感器技术发