车辆检测用传感器及应用项目报告

车辆检测用传感器及应用浙江省重点科技创新团队支持项目一、项目基本情况项目名称：车辆检测用传感器及应用计划编号：2012R10010-08计划类别：浙江省重点科技创新团队自主设计项目负责人：白茹总经费：45万元，其中省拨经费25万元，自筹经费15万元执行时间：2011年04月-2014年06月二、预期目标完成情况1.提交车辆监测用一维巨磁阻传感器芯片10个，二维巨磁阻传感器芯片5个；2.完成基于巨磁阻传感器是检测节点的研制；3.完成基于磁阻传感器的智能交通信息采集示范系统一套4.发表学术论文6篇，申请发明专利3项1.完成了一维巨磁阻传感芯片和单片封装的二维巨磁电阻传感芯片；2.完成了基于磁电阻传感器的检测节点的研制；3.完成了基于巨磁阻传感器的智能车辆检测系统，通过与东方微磁科技有限公司和中船重工第七一O研究所的合作，所研制的无线智能车位信息采集与管理系统已在武汉市等地示范应用，销售额超过3000万元。；4.已发表学术论文10，其中SCI/EI收录5篇；申请专利6项、其中发明专利3项。预期目标:实际完成:完成了项目预期目标！三、项目研究内容与研究方法本项目研究车辆检测用传感器及其应用。主要研究内容包括：a）用于车辆监测用的巨磁阻传感器芯片的研制；b）研制基于巨磁阻传感器芯片的车辆检测传感器节点；c）完成基于磁阻传感器的无线智能车辆信息采集示范系统。图1无线车辆检测系统的总体框图1、车辆检测用GMR传感器芯片设计与制备图2巨磁阻传感器芯片：a）电桥结构；b）封装后芯片；c）磁场响应曲线巨磁阻传感器芯片采用由四个GMR磁敏电阻组成的惠斯通电桥结构，灵敏度高、线性度好，其灵敏度为3.67mV/V/Oe，饱和磁场约为±5Oe。通常情况下，车辆对地磁场的扰动小于0.5Oe，大约在0.2Oe，采用该巨磁阻传感器可以足够用来检测车位车辆和道路车辆信息。本项目采用的巨磁阻传感芯片共有三类：平面封装一维巨磁阻传感芯片，封装集成的二维巨磁阻传感芯片以及垂直封装的一维巨磁阻传感芯片，芯片结构及性能如下：车辆检测用二维GMR传感器芯片设计与制备图3巨磁阻传感器芯片：a）电桥结构；b）二维芯片封装结构；c）磁场响应曲线本项目所研制的二维GMR传感器灵敏度高、线性度好，其灵敏度为3.67mV/V/Oe，饱和磁场约为±5Oe，结合垂直封装的GMR传感芯片制成三轴传感器，可以用来检测位车辆和道路车辆信息。VoutR1R4R2R3垂直封装结构的GMR传感器芯片设计与制备图4巨磁阻传感器芯片：a）电桥结构；b）二维芯片封装结构；c）磁场响应曲线所采用的直插式巨磁阻传感器如图4所示，采用的是TO-94直插式垂直封装形式，测量范围±4Oe，灵敏度2.6mV/V/Oe。该单轴巨磁阻传感器敏感轴方向为Z轴方向。相比于由两个一维巨磁阻传感器组成的两轴的巨磁阻传感器节点而言，三轴巨磁阻传感器节点可以进一步提高检测的精度和准确度，减少误判。VoutR1R4R2R3系统总体设计车位信息的传递车位信息的采集车位信息的显示2、基于GMR传感芯片的无线车辆检测系统车辆检测系统总体设计图如图所示，无线车辆检测系统由协调器节点、路由器节点和数据采集节点组成，虽然它们的功能各不相同，但是硬件结构基本相似。基于两轴巨磁阻传感器节点的无线车位探测系统；基于两轴巨磁阻传感器节点的无线车辆检测系统；基于三轴巨磁阻传感器节点的无线车位检测系统。2、基于GMR传感芯片的无线车辆检测系统基于两轴巨磁阻传感器节点的无线车位探测系统；基于两轴巨磁阻传感器节点的无线车辆检测系统；基于三轴巨磁阻传感器节点的无线车位检测系统。2、基于GMR传感芯片的无线车辆检测系统基于两轴巨磁阻传感器节点的无线车位探测系统；传感节点硬件框图电源管理模块数据采集模块GMR传感器放大电路滤波电路RF收发模块CC2530RF收发器复位电路无线车位探测器结构框图硬件设计电源管理模块数据采集模块GMR传感器放大电路滤波电路RF收发模块CC2530RF收发器复位电路无线车位探测器结构框图无线车位探测器实物图基于两轴巨磁阻传感器节点的无线车位探测系统；（a）网格图（b）实体图c）磁场分布图图6测量车辆底部磁场强度分布基于两轴巨磁阻传感器节点的无线车位探测系统；基于两轴巨磁阻传感器节点的无线车位探测系统；无线车位演示系统实物图本项目研制的无线车位探测器可以灵敏地检测到车辆对地磁场的扰动，从而判断车位上是否有车辆停靠。该探测器体积小、安装方便、组网简单，可用于交通流量统计、车位管理等领域。基于两轴巨磁阻传感器节点的无线车位探测系统；上位机显示界面基于两轴巨磁阻传感器节点的无线车位探测系统；基于两轴巨磁阻传感器节点的无线车辆检测系统；基于三轴巨磁阻传感器节点的无线车位检测系统。2、基于GMR传感芯片的无线车辆检测系统基于两轴巨磁阻传感器节点的无线车辆检测系统；无线车辆检测系统设计框图检测节点硬件总体框图基于两轴巨磁阻传感器节点的无线车辆检测系统；系统软件设计总体方案车辆检测系统实物图检测节点2嵌入式网关检测节点1协调器节点系统工作界面X轴传感器Y轴传感器上位机浏览器访问界面（a）由南向北经过时(b)由北向南经过时(c)由南向北快速经过时基于两轴巨磁阻传感器节点的无线车辆检测系统；图实测车辆经过时的检测结果基于两轴巨磁阻传感器节点的无线车位探测系统；基于两轴巨磁阻传感器节点的无线车辆检测系统；基于三轴巨磁阻传感器节点的无线车位检测系统。2、基于GMR传感芯片的无线车辆检测系统数据采集模块RF收发模块CC2530RF收发器复位电路电源管理模块放大电路滤波电路GMR传感器传感节点硬件框图基于三轴巨磁阻传感器节点的无线车位检测系统图a）ZigBee无线车位探测器网络实物图；b）车位管理系统上位机显示界面本项目研制的无线车位探测器可以灵敏地检测到车辆对地磁场的扰动，从而判断车位上是否有车辆停靠。该探测器体积小、安装方便、组网简单，可用于交通流量统计、车位管理等领域。车位探测器的探测准确度取决于停车角度、停车位置及车辆的相互干扰等因素，在这一方面还需要做进一步的工作。基于三轴巨磁阻传感器节点的无线车位检测系统图无线车位检测节点的输出结果（a）X轴输出（b)Y轴输出(c)Z轴输出基于三轴巨磁阻传感器节点的无线车位检测系统图无线车辆检测节点的道路车辆检测输出结果（a）X轴输出（b)Y轴输出(c)Z轴输出基于三轴巨磁阻传感器节点的无线车位检测系统实验数据采集车型分类采集基于所研制的GMR传感芯片，结合Zigbee无线技术，研制了无线车辆检测系统，并对车位车辆检测管理以及道路车辆检测实际测试，结果表明测试系统可灵敏地检测到车辆波形信息。理论上，通过脉冲、脉宽和幅度等特征信息提取和分析建立基础数据库，可用于车位管理和道路车辆流量统计、测速和分类等。3、基于GMR传感器的无线车辆检测系统三、产业化或效益目前基于巨磁阻传感器的无线车位检测系统研究成果被东方微磁科技有限公司和中船重工第七一O研究所采用实现成果转化，联合开发的无线车位检测系统应用到武汉等地，产值超过3000万元。四、成果目录基于本项目研究，争取到相关科研经费包括：横向合作项目1项：项目名称：基于GMR传感器的无线车位检测系统（KYH043113051）：项目来源：中船重工集团第七一O研究所；项目经费：16.72万元；项目执行期：2013.10-2015.12，项目负责人：白茹。纵向科研项目1项：项目名称：基于巨磁阻（GMR）车辆检测系统关键技术研究（GK130905207007）；项目来源：2013年浙江省公益性项目；项目经费：10万元。（负责人为磁电子中心教师朱礼尧）浙江省大学生科技创新新苗计划1项，项目名称：基于GMR传感器的车辆检测技术研究（2010R407041），项目执行期：2011.04-2013.12，项目经费：1万元，指导老师：钱正洪，白茹。本项目获得资助以来，晋升副高级职称1人；培养博士研究生3名，其中获得学位2名；培养硕士研究生6名，其中获得学位4名。白茹，女，项目总体负责人，2013年晋升为副研究员；钱正洪，男，教授，巨磁阻传感芯片设计；孙宇澄，男，博士研究生（毕业），巨磁阻材料与传感芯片的性能研究；李健平，男，博士研究生（毕业），巨磁阻传感芯片的性能测试；朱华辰，男，博士研究生（在读），巨磁阻传感芯片的封装测试；张星波，男，硕士研究生（毕业），基于巨磁阻传感器的无线车位探测系统；吕海洋，男，硕士研究生（毕业），基于巨磁阻传感器的无线车辆探测系统；邹初建，男，硕士研究生（毕业），三轴巨磁阻传感芯片的无线车辆检测系统；窦珂，女，硕士研究生（毕业），基于巨磁阻传感器的齿轮传感器研究；刘建林，男，硕士研究生（在读），巨磁电阻传感芯片的稳定性测试；冀亮，男，硕士研究生（在读），巨磁电阻传感节点的制版。四、成果目录项目执行期间，发表学术论文10篇，其中SCI、EI收录5篇：1.RuBai,ZhenghongQian,JianpingLi,YuchengSun,HuachenZhu,LingweiLi,YuanLi,DexuanHuo,YiangziPeng,ExchangeCouplinginCrPtMn-basedTop-pinningSpinValves.JournalofInorganicMaterials,28:977-981,2013.2.RuBai,ZhenghongQian,YuchengSun,JianpingLi,HuachenZhu,LingweiLi,YuanLi,Dexuanhuo,ChangmaoYang,HongliangZhan,EffectsofDifferentRelevantLayersonMagneticPropertiesofBottomSyntheticIrMnSpinValves,KeyEngineeringMaterials,562-565:1467,2013.3.JianpingLi,ZhenghongQian,YuchengSun,RuBai,andJianguoZhu,OutputCharacteristicsofTwo-DimensionalSpinValveChip.IEEESensorsJOURNAL,13(12):4944-4947,2013.4.YuchengSun,ZhenghongQian,RuBai,JianpingLi,JianguoZhu.CharacterizationofintegratedGMRsensorwithangularvariation,AdvancedMaterialsResearch，662:746-749(2013).5.HuachenZhu,ZhenghongQian,a,RuBai,JianpingLi,TheOmnipolarIntegratedMagneticSwitchBasedonGMR,,KeyEngineeringMaterials,562-565:1234,2013.6.钱正洪，白茹，孙宇澄，龚天平，张星波，吕海洋，詹宏良，杨昌茂，黄春奎，李健平，朱华辰，高性能GMR传感器研制、应用及产业化，仪器仪表学报，33（8）增刊，179-183（2012）。7.张星波，钱正洪，白茹等.基于巨磁阻传感器的无线车位探测器，机电工程.2012,29(12):1477-1479,1484.8.吕海洋，钱正洪，白茹等.基于GMR传感器的ZigBee无线车辆检测系统设计[J].传感器与微系统，2013，32（4）：127-130.9.邹初建，钱正洪，白茹，朱礼尧，刘洋，吕海洋，张星波,基于三轴GMR传感器的无线车位检测系统的研制，仪表技术与传感器，2014年第9期。10.窦珂，钱正洪，于晓东，白茹等.宽测量间距巨磁阻齿轮转速传感器的研制.仪表技术与传感器.2012，358：13-15。四、成果目录申请发明专利3项，实用型新专利3项，其中授权1项：1.发明人：钱正洪，白茹，吕海洋；发明专利名称：在立体交叉路口精确判定车辆行驶路线的装置；专利申请号：20