基于压电传感器的交通违章检测系统设计.docx
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基于压电传感器的交通违章检测系统设计
淮海工学院
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：
成绩：
签名：
日期：
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。
⒈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
⒉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：
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）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：
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：
RoadtraxBL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、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：
4~6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。
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。
⒈压电控制器
该控制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-TRAC100系统发生故障,可从计算机中下载已有设置来恢复系统。
技术参数
1）整车称重精度：
>93%（速度范围：
20—180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，车悬长，车速，车间距时间
8）工作温度：
-40--+70℃
9）工作电压：
85—250AC
10）尺寸：
430*280*170毫米
11）重量：
7公斤
⒉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：
85—250AC
6）尺寸：
430*140*170毫米
7）重量：
2.5公斤
（压电膜作为加速计）
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-10
1
2
压电控制器
英国TDC
HI-TRAC100
1
3
线圈传感器
浙江润鑫
CX-02
4
4
压电传感器
美国MSI
ROADTRAX
8
一类，3.5米
5
温度传感器
浙江润鑫
CA-CW-10
1
6
户外机箱
浙江润鑫
定制
1
可选室内型
7
UPS供电系统
深圳山特
MT1000PRO-S
1
可选太阳能
8
无线通讯模块
深圳宏电
H7920
1
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展的强大动力，而现代科学技术的突飞猛进则为其发展提供了坚强后盾。
另外，让我觉得有所收获的是，通过本次课程设计让我回顾了过去所学的知识，对过去那些零散的知识点有了新的体会。
刚开始做设计的时候，由于自己的理论知识基础不好，在实验过程遇到了许多的难题，也使我感到理论知识的重要性。
但是我并没有气垒，在设计实验中发现问题，自己看书，独立思考，最终解决问题，从而也就加深我对课本理论知识的理解，达到了“双赢”的效果。
过去的学习只是简单地了解一块知识点，从来没有想过要怎样将他们结合在一起，但是通过课程设计，让我学会了怎样运用所学。
同时，通过课程设计也锻炼了我查阅资料的能力。
比如，我们并未在课程中系统的学习过压电传感器的各种应用，但是通过到专业的电子网站查找，我了解到了过去没有的知识，也算是对自己的提升。
课程设计过程中培养了我在实践中研究问题，分析问题和解决问题的能力以及培养了良好的工程素质和科学道德，例如团队精神、交流能力、独立思考、测试前沿信息的捕获能力等;提高了自己动手能力，培养理论联系实际的作风，增强创新意识。
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