传感器技术在交通检测中的应用

道路交通控制原理及应用课程作业传感器技术在交通检测领域的应用交通信息是城市交通规划和交通管理的重要基础信息，通过全面、丰富、实时的交通信息不但可以把握城市道路交通的发展现状，而且可以对未来发展进行预测。因此，交通信息采集与处理技术无论对城市的规划、路网建设、交通管理，还是对未来智能交通系统功能的实现都非常重要。动态交通信息采集系统的目标是全面、自动、连续地从路网上获得不同地点和路段上的交通流信息。而要实现这一目标，就离不开信息传感器。一、传感器的涵义及组成国家标准（GB7665—1987）对传感器下的定义是：能感受到规定的被测量的量，并依据一定的规律转换成可用于输出信号的器件或装置。在现代科学技术的发展过程中，非电量（例如压力、力矩、应变、位移、速度、流量、液位等）的测量技术（传感技术）已经成为各领域的重要组成部分，但传感技术最主要的应用领域是自动检测和自动控制，它将诸如温度、压力、流量等非电量变化为电量，然后通过电的方法进行测量和控制。因此，传感器是一种获得信息的手段，它获得的信息正确与否，关系到整个测量系统的精度。传感器一般是利用物理、化学、生物等学科的某些反应或原理，按照一定的制造工艺研制出来的。因此，传感器的组成将随不同的情况而有较大差异。但是，总的来说，传感器是由敏感元件、传感元件、信号调节与转换电路和辅助电路组成。敏感元件是直接感受非电量，并按一定规律转换成与被测量有确定关系的其他量（一般仍为非电量）的元件。传感元件又称变换器，一般情况下，它不直接感受被测量，而是将敏感元件输出的量转换成为电量输出。这种划分并无严格的界限，并不是所有的传感器都必须包含敏感元件和传感元件。如果敏感元件直接输出的是电量，它同时兼作为传感元件。信号调节与转换电路一般是指把传感元件输出的电信号转换成为便于显示、记录、处理和控制的有用信号的电路。辅助电路通常包括电源，有些传感器系统采用电池供电。二、交通检测中常见的传感器技术1、红外线传感器红外传感器是波束检测装置的一种，有主动和被动两种形式。主动式发射器和接收器分别为半导体激光器和光电二极管，将两者对中，水平安装在车道旁边。无车通过时，接收器接收细束线状红外光，有信号输出；车辆通过时，遮断光束，接收器无输出，通-断转换是对车辆的检测信号。新型主动反射式红外检测器的原理为：在相同的红外光辐射下，反射物的大小、材料和结构不同，反射能量就不一样。被动式红外检测没有发射器，只有接收器。接收器感受路面和车辆以红外波长为主的辐射能量。路面和车体的材料温度和表面光洁度都不一样，它们的辐射能量也必然不相等。现代红外测温的分辨率已达到0.1%℃，因此区分道路和车辆己不存在困难。2、环行线圈检测器目前,道路检测交通流状态用的最多的传感器件是环形线圈，它可以检测交通量、车速、占有率、车头时距、车长、长车比和车辆存在等多个项目。环形线圈检测原理如图所示。线圈由专用电缆绕几匝(一般为4匝)及其馈线构成，它通过一个变压器接到被恒流源支持的调谐回路，有源环形线圈构成LC调谐回路的电感部分，并在线圈周围的空间产生电磁场。当含有铁金属的车体进入线圈磁场范围，车辆铁构件内产生自成闭回路的感应电涡流，此涡流又产生与原有磁场方向相反的新磁场，导致线圈的总电感变小，引起调谐频率偏离原有数值，从而发出车辆通过或存在的信号。3、超声波传感器超声波传感器是一种在道路上应用较多的检测器，它利用车辆形状对超声波波前的影响来实现检测。超声波车辆检测器的探头具有发射和接受双重功能，被设置于道路的正上方或斜上方，向路面发射超声波，并接受来自车辆的反射波。超声波车辆检测器的工作原理可分为两种：传播时间差法和多普勒法。传播时间差法这是一种将超声波分割成脉冲射向路面然后接受其反射波的方法。当有车辆时，超声波会经车辆反射提前返回，检测出超前于地面的反射波，就表明车辆存在或通过。泊车超声波探测器多普勒法是将超声波探头向空间发射超声波同时接收信号，如果有移动物体，那么接收到的反射波信号就会呈现多普勒效应。利用此方法可检测正在驶近或在远离的车辆，而不能检测处于检测范围内的静止车辆。4、微波交通检测器前面介绍的超声、红外和光学检测器有一共同的严重缺点是穿透云雾、雨滴和雪花的能力很弱，无法在这些气候条件下进行检测。而波长3cm左右的电磁波对云、雨的透射率达70%一90%。为此，人们利用成熟的雷达测距、测速和成像技术开发出微波交通检测器。微波检测器检测区发射小功率以不同中心频率连续调制微波，中心频率大于1OGHz(波长约3cm)，宽度45MHz，进行分区扫描，获得被测物的反射回波。扫描区域的数量和大小可由软件控制，最多可分为8个区，每区长度2一10m(可调)，宽度为2m(覆盖一个车道)；每区还可进一步细分为2一4个小区，供测速使用。检测器最多可检测8个车道的交通量、平均车速、占有率、按长度划分的车型和排队长度等参数。检测器面对高速公路车道行驶方向布设，称为前视检测。通常将一条车道划分为一个检测区，配置一台检测器。检测车速时，需要在检测区内沿行驶方向细分成几个窄区，并设定窄区间的距离长度；对通过窄区的车辆计时，就可测出车速及其他交通参数。前视可延长纵向区(车道)监测长度，以提供更精确的数据。检测区及窄区的划分均由软件设定，修改软件可重新设定。因此，可应用于高速公路监测，城市交通检测，城市交通信号控制和区域交通事件报警等不同场合。检测器沿车道横向布置，称为侧视检测，可同时得出个车道的交通流状态变量的实时数据。在城市道路十字路口，可以采用多个探头对四个道口的车辆检测和处理，对监视和控制路口交通效果良好。5、视频车辆检测器视频车辆检测器是运用视频图像处理和计算机图形识别技术于近年开发出来的新产品，它可以取代环形线圈，进行高效益的广域视频监视并现场实时采集各种交通参数。在需要重点监测的路段，安装一台或多台(如4台)数字式摄像机，将一定范围的交通图像，经过一个图像处理硬件，输入计算机显示器；通过互动控制软件,用鼠标操作在屏幕交通图像上，设定和叠加检测区，其尺寸、数量可随时调校。操作设定一旦建立，车辆经过检测区，就会产生检测信号，经过分析和处理(软件)，可得到交通量、平均车速、占有率、车头间距随和排队长度等各种参数。在软件支持下，还可对不同检测区的信号进行逻辑处理(与、或、非等)，对交通情况作出正确判断。在具有交通事件门限值和算法软件的配合下，可对交通事件的发生作出判别，发出预警信号。与其他交通控制软件结合，还可对城市交叉路口的交通信号控制，作出决策。由于检测元件是在屏幕上画出来的，在布置上有很大的灵活性，检测项目也可视需要而增设，功能存在巨大开发潜力。视频车辆检测器由摄像机、联接箱、计算机(附外设)和专用软件等组成。其中联接箱用来接收多个摄像机拍摄的交通图像，传输给计算机或加以存储。视频车辆检测器可以在-34一+74摄氏度和95%相对湿度下工作。6、压电传感器压电传感器可检测轴数、轴载和车速，其主要特点是体积小，使用方便。压电传感器的工作原理为压电效应，由套管形压电聚合体，其内外均镀以金属层，形成一条可弯曲变形的压电电缆。当沿径向施加外力时，在两金属表面产生符号相反的电荷，电荷量与外力成正比。压电传感器的输出能量非常微弱，为了减小检测量误差，一般先将信号送到具有高输入阻抗的前置放大器(电压或电荷放大器)，然后再进行一般的放大、检波等处理，最终输出指示信号。市场供应管形压电检测器，压电电缆被凝结在挤压成性的工程塑料壳体内，壳体连同壳座一并埋设在车道路面下。当车轮滚过检测器时，检测器承受载荷而输出信号，每通过一根车轴，就会出现一个脉冲，故常用来监测车辆的轴数。脉冲的峰值越高，轴载也越大。因此，也可检测轴载和车载。隔一定距离埋设两根压电检测器，测出时间和已知距离，车速也就被测出。压电传感器主要适用于动态称重、车辆分类统计、车速检测、计轴数、测轴距、闯红灯拍照、泊车区域监控、收费站地磅、交通信息采集和统计。三、传感器技术的未来发展趋势传感器技术发展整体呈现高精度、微型化、集成化、数字化、声表面波传感器、微加工技术等特点。同时还将朝着加速开发新型材料、高可靠性、宽温度范围、微功耗及无源化的方向发展。多传感器信息融合，MEMS技术进一步的发展，敏感材料与智能材料系统的应用，纳米机械装置和传感器、化学传感器等新传感器的不断涌现，未来传感器产业将终将发展成为网络化传感器趋向。