智能交通傳感器及其應(yīng)用
隨著全球智能交通技術(shù)(ITS)的發(fā)展，與眾多的技術(shù)一樣，壓電薄膜交通傳感器在
過去數(shù)年里取得了長足的發(fā)展。它為用戶提供的不僅是良好的性能，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(kuò)展的應(yīng)用中成為
理想的選擇。
美國 MEAS 公司經(jīng)過多年研究，開發(fā)出了一種壓電薄膜交通傳感器，該傳感器被用
于檢測車軸數(shù)、軸距、車速監(jiān)控、車型分類、動態(tài)稱重(WIM)、收費站地磅、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。壓電薄膜交通傳感器的長
處是可獲取精確的、具體的數(shù)據(jù)，如精確的速度信號、觸發(fā)信號和分類信息及長期反饋
交通信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
檢測原理
壓電材料是一種經(jīng)特殊加工后能將動能轉(zhuǎn)化成電能的材料。一些聚合體材料，例如
共聚物P(VDF-TrFE)使這一特性有了很大提高。
壓電薄膜交通傳感器由金屬編織芯線、壓電材料和金屬外殼制成同軸結(jié)構(gòu)。在制造
過程中，將壓電材料置于一個強(qiáng)電場中極化，數(shù)量級為每一毫米厚的壓電材料大約
100000V。無護(hù)套電纜的電暈場也采用這種電場。極化場使非結(jié)晶聚合體變成半晶體的
形式，同時又保留了許多聚合體的柔韌特性。
壓電材料在受機(jī)械沖擊或振動時產(chǎn)生電荷。在原子層，偶極子(氫-氟偶對)的排列
順序被打亂，并試圖使其恢復(fù)原來的狀態(tài)。這個偶極子被打亂的結(jié)果就是有一個電子流
形成。就像海綿中的水，當(dāng)你擠壓一塊濕海綿時，水會從海綿中流出來，當(dāng)你松開時，
水又被吸回去，這同壓電傳感器十分相似。當(dāng)有壓力施加到傳感器上時，就產(chǎn)生了電荷
(電壓)，而當(dāng)去掉負(fù)載時，就會產(chǎn)生一個相反極性的信號。它產(chǎn)生的電壓可以相當(dāng)高，
但傳感器產(chǎn)生的電流卻比較小。
壓電薄膜交通傳感器的檢測原理與其說是在車輛經(jīng)過時采集信息，倒不如說是在輪胎經(jīng)
過傳感器時采集信息。感應(yīng)線圈只能顯示出一個大金屬物體經(jīng)過了線圈，只能提供車輛
的有限的特征信息。而壓電薄膜交通傳感器檢測經(jīng)過傳感器的輪胎，產(chǎn)生一個與施加到
傳感器上的壓力成正比的模擬信號，并且輸出的周期與輪胎停留在傳感器上的時間相
同。每當(dāng)一個輪胎經(jīng)過傳感器時，傳感器就會產(chǎn)生一個新的電子脈沖。壓電薄膜交通傳
感器在行駛中稱重(WIM)的檢測原理是對受力產(chǎn)生的信號積分 。
產(chǎn)品特性
1) 芯線：16AWG扁平編織鍍銀銅芯線。
2) 壓電材料：極化壓電聚合物涂層P(VDF～TrFE)。
3) 外護(hù)套： 0.4mm黃銅管，CDA～260，ASTM B587～88。
4) 外形尺寸： 6.6mm寬×1.6mm厚。
5) 絕緣電阻：芯線與屏蔽層間的絕緣電阻: >500MOhm。
6) 壓電常數(shù)： >20pC/N (標(biāo)稱值)。
7) 無源信號電纜：RG58型(HDPE)，采用地下/直埋外層護(hù)套。電纜外徑為4.75mm，
額定電容為89pF/m。
8) 包裝：傳感器的包裝為每箱 2條，包裝箱尺寸 600×550×75mm。
9) 安裝支架：隨傳感器附送安裝支架，每150mm配1個支架。
10) 輸出一致性：傳感器長度方向的輸出一致性在用于動態(tài)稱重(WIM)時為±7%，用
于其它用途，如車輛分類統(tǒng)計、車速監(jiān)測、闖紅燈拍照等時為±20%。
11) 工作溫度范圍: -40℃～80℃ 。
12) 溫度靈敏度: 0.2%/℃ (取決于封灌材料)產(chǎn)品特點
電容式傳感器：不能檢測靜止在傳感器上的車輛。只能檢測動態(tài)信號，內(nèi)阻很高，
在低頻時信號衰減很大，低速時應(yīng)考慮采用較高的電路輸入阻抗，速度范圍取決于電路
設(shè)計，一般為5公里/小時到200公里/小時，較成功的系統(tǒng)達(dá)到10米/分鐘( 0.6公里/
小時)。
(cid:153) 無源傳感器：可在前置放大器前長距離傳送而不需要供電。
(cid:153) 壽命長：超過 4 千萬次 ESAL(等效單軸負(fù)載)，如果安裝質(zhì)量好，可達(dá)一億次
(ESAL)。
(cid:153) 大信號：200公斤輪載，在以時速88.5公里行駛時，輸出最小250mV信號。
(cid:153) 動態(tài)特性好： 可測自行車，摩托車，小汽車及重型貨車。
(cid:153) 高信噪比：傳感器的扁平結(jié)構(gòu)（即寬厚比為 6:1）使非受力方向的噪聲最小，
包括路面噪聲和鄰車道車輛的噪聲。
(cid:153) 最小的路面破壞：安裝切口僅為19mm×19mm，并可與路面輪廓一致。
(cid:153) 易搬運：盤卷在600mm×600mm的紙盒內(nèi), 卷曲直徑不小于300mm就不會損壞。
一次安裝獲取多種信號：如軸數(shù)、重量、車速、軸距，與電感線圈配合(見后附典
型配置圖)，從而實現(xiàn)行駛中稱重(WIM)、車輛分類統(tǒng)計、車速監(jiān)測、闖紅燈拍照。
應(yīng)用范圍
壓電薄膜交通傳感器主要應(yīng)用于行駛中稱重(WIM)，計軸數(shù)，測軸距，車輛分類統(tǒng)
計，車速監(jiān)測，闖紅燈拍照，泊車區(qū)域監(jiān)控，收費站地磅，交通信息采集和統(tǒng)計(道路
監(jiān)控 )，及機(jī)場滑行道。
車速監(jiān)測
通常在每條車道上安裝兩條傳感器，這便于分別地采集每條車道的數(shù)據(jù)。使用兩
個傳感器可計算出車輛的速度。當(dāng)輪胎經(jīng)過傳感器A時，啟動電子時鐘，當(dāng)輪胎經(jīng)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(jù)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(jù)德國PTB的報告，當(dāng)汽車以200公里/小時的勻速行駛時，
測量精度可達(dá)到1%。
壓電傳感器可以區(qū)分差別很小的車輛，這一點使其可與速度相機(jī)觸發(fā)器在固定地點一同
使用。通常都安裝2條傳感器作為一組，有的國家也安裝3條(增加了校驗)。當(dāng)輪胎經(jīng)
過傳感器時，根據(jù)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(jìn)行對比，它們都應(yīng)在規(guī)定的范圍內(nèi)，通常不超過2%。如果車輛超過了規(guī)定
的時速，在前輪經(jīng)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(jìn)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(jī)有穩(wěn)定的焦點，
從而使得照片清晰可讀。
通過車速監(jiān)測既可以對超速車輛罰款，又可以根據(jù)車流量建立可變限速標(biāo)志和可變情報
板。在車流量較高時，設(shè)置較低的限速；流量較低時，設(shè)置較高的限速，建立動態(tài)的管
理系統(tǒng)，從而實現(xiàn)路面管理智能化。
車輛分類統(tǒng)計
壓電薄膜交通傳感器的主要用途是車型分類，車速數(shù)據(jù)可被轉(zhuǎn)換為可靠的分類數(shù)據(jù)。不
同的國家使用不同的分類表對車輛分類。在美國，F(xiàn)HWA把車輛定義為從摩托車到多用途
拖車的 13 種類型［見高速公路動態(tài)稱重(WIM)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及用戶要求與試驗方法
ASTM1318—94］。車輛的類型是根據(jù)軸數(shù)和軸距確定的。
軸 距由于車速在3米或小于3米的距離內(nèi)基本上是勻速，用車軸經(jīng)過傳感器時建立的信號時
間差乘以車速，就得出軸距。
軸 數(shù)
由于傳感器是檢測壓過輪胎的力，因此即使在車輛靠得很近時也很容易測出軸數(shù)，但在
車流密集、低速及車型相似時，不能區(qū)分所計軸數(shù)是同一輛車還是兩輛車，而電感線圈
不能計軸數(shù)，因而用電感線圈+壓電傳感器的方案既可測得軸數(shù)又可測得車數(shù)。配置方
案既可以是傳感器+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(jìn)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(tǒng)的覆蓋率和準(zhǔn)確性。將傳感器以一定角度斜埋就可解決這個問題。
輪胎數(shù)
其他國家車輛分類的標(biāo)準(zhǔn)，如巴西是以雙輪胎作為等級劃分標(biāo)準(zhǔn)的。為了探測雙輪胎，

智能交通傳感器（Intelligent Transportation Sensor,ITS）是一種集成了先進(jìn)的信息技術(shù)和傳感器技術(shù)，在交通運輸領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的設(shè)備。這類傳感器主要包括但不限于車輛檢測器、車牌識別系統(tǒng)、紅綠燈控制系統(tǒng)、雷達(dá)測速器、視頻監(jiān)控攝像頭以及無線通信模塊等。 它們能夠?qū)崟r采集道路交通流量、車流速度、車輛類型、行駛方向、違章行為等數(shù)據(jù)，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將這些信息傳輸至交通管理中心或云端平臺。通過對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可以實現(xiàn)對道路交通狀況的精確感知與預(yù)測，進(jìn)而支持交通信號優(yōu)化、道路管理決策、擁堵預(yù)警、事故預(yù)防與應(yīng)急響應(yīng)等多種智能化交通管理功能。 例如，智能交通信號控制系統(tǒng)可以根據(jù)實時監(jiān)測的交通流量情況動態(tài)調(diào)整紅綠燈時序，以最大程度地提高道路通行效率并減少交通擁堵；而車輛檢測器則能幫助規(guī)劃路線，為駕駛員提供準(zhǔn)確的導(dǎo)航建議，同時也有助于智能公共交通系統(tǒng)的調(diào)度和優(yōu)化。 總之，智能交通傳感器作為現(xiàn)代智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，對于提升城市交通安全、改善交通流動性、節(jié)約能源及環(huán)境保護(hù)等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。