压电传感器在智能交通系统中的应用
传感器原理及工程应用设计(论文)
压电传感器在
智能交通系统中的应用
摘要
共聚物PVDF压电薄膜轴传感器,以及压电石英晶体动态称重传感器,已在世界许多国家的智能高速公路管理系统、动态公路车辆称重系统、高速公路超限监测预选、桥梁超载报警、遂道保护和自动电子收费系统中得到广泛应用。压电薄膜轴传感器和压电石英称重传感器,其动态响应速度之快,测量与监控参数之多,安装、调试、使用之方便,是以传统电阻应变式称重传感器为基础的各种动态称重系统无法比拟的。
关键词:压电传感器 压电石英传感器 压电薄膜轴传感器 智能交通系统
目录
摘要 .................................................... I 前言 ................................................... III 1. 绪论 ................................................. 1
2. 压电传感器的基本原理及其分类 ......................... 2
2.1 压电传感器的基本原理 ............................... 2
2.2 压电传感器的分类 ................................... 2
2.3 压电传感器的特点 ................................... 2
2.4 压电传感器的应用范围 ............................... 2
3. 压电石英称重传感器 ................................... 6
3.1 压电石英传感器的发展历程 ........................... 6
3.2 石英晶体的压电效应 ................................. 6
3.2 石英晶体的压电效应 ................................. 6
3.3 压电石英称重传感器的工作原理 ....................... 7
3.4 压电石英称重传感器的结构与特点 ..................... 9
3.5 压电石英称重传感器在动态公路车辆称重中的应用 ...... 10
4. 压电薄膜轴传感器 .................................... 12
4.1 压电薄膜轴传感器的发展历程及其特点 ................ 12
4.2 共聚物压电薄膜的压电效应与特性参数 ................ 12
4.3 PVDF压电薄膜轴传感器的检测原理与技术性能 ......... 13
4.4 共聚物PVDF压电薄膜轴传感器的应用 ................. 14 结论 .................................................... I 参考文献 ................................................ I
前言
目前,由于我国的高速公路建设尚在起步阶段,有些路段由于超载严重,在设计使用年限之前就过早损坏,造成养护费用上升,多数管理部门将主要精力集中在收费(尤其是不停车收费)标准的制定和系统的技术问题方面。这在目前是必需的,但是随着车流量的增加,道路负荷的加重,交通事故将增加,道路的塞车时间将加长,对道路的破损修复期将缩短,次数将增加,对道路状态的监测将变得越来越重要。
针对这种现象本文介绍了美国MSI公司研制的共聚物PVDF压电薄膜轴传感器,以及瑞士Kastler(奇石乐)公司研制的压电石英晶体动态称重传感器,已在世界许多国家的智能高速公路管理系统、动态公路车辆称重系统、高速公路超限监测预选、桥梁超载报警、遂道保护和自动电子收费系统中得到广泛应用。压电薄膜轴传感器和压电石英称重传感器,其动态响应速度之快,测量与监控参数之多,安装、调试、使用之方便,是以传统的电阻应变式称重传感器为基础的各种动态称重系统无法比拟的。
1. 绪论
新技术革命的到来,世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中,首先要解决的就是要获取准确可靠的信息,通常人们为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官,在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况,就需要传感器,传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。因此可以说,传感器是人类五官的延长,又称之为电五官。
传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说,从茫茫的太空,到浩瀚的海洋,以至各种复杂的工程系统,几乎每一个现代化项目,都离不开各种各样的传感器。
传感器种类繁多,可以用不同的观点对传感器进行分类:它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应);它们的用途;它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等[1]。20世纪90年代公路车辆轴载超限越来越严重,已成为世界难题。在公路车辆轴载超载预判,桥梁超载报警和轴载动态称重计量中,迫切需要体积小、高度低、重量轻,刚度大,固有频率高,动态范围广,灵敏度高的动态称重传感器和动态公路车辆称重系统。其中物理传感器中的压电传感器就具备上述特点,近年来在智能交通系统中的应用越来越广泛。
2. 压电传感器的基本原理及其分类
2.1 压电传感器的基本原理
压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器。所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变(包括弯曲和伸缩形变)时,由于内部电荷的极化现象,会在其表面产生电荷的现象。
2.2 压电传感器的分类
压电材料可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。压电式传感器中用得最多的是属于压电多晶的各类压电陶瓷和压电单晶中的石英晶体。其他压电单晶还有适用于高温辐射环境的铌酸锂以及钽酸锂、镓酸锂、锗酸铋等[2]。在智能交通系统中具有代表性的传感器有:压电石英传感器和压电薄膜轴传感器。
2.3 压电传感器的特点
无源传感器:可在前置放大器前长距离传送而不需要供电。
寿命长: 超过4千万次ESAL(等效单轴负载)安装质量好可达一亿次(ESAL)。
大信号: 200公斤轮载,在55英里速度行驶时,输出最小250mV信号。
动态特性好: 可测自行车,摩托车,小汽车及重型货车。
高信噪比:传感器的扁平结构即宽厚比为6:1使非受力方向的躁声最小。包括路面躁声和相邻车道车辆的躁声最小。
最小的路面破坏:安装切口仅为19mmx19mm。并可与路面轮廓一致.
易搬运:盘卷在600mmx600mm的纸盒内, 卷曲直径不小于300mm就不会损坏。
2.4 压电传感器的应用范围
压电传感器主要应用于行驶中称重(WIM),车辆分类统计,计轴数,测轴距,车速监测,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(道路监控)以及机场滑行道。
2.4.1 行驶中称重(WIM)
在美国、巴西、德国、日本和韩国有大量应用,其主要用途是高速公路车辆超重超载监测的预选和桥梁超载警告系统,既判断正在高速行驶中的车辆,尤其是驶过桥梁的车辆是否超载,由视频系统拍下车牌号记录在案,然后再由执法机构用精度较高的低速称重系统判断超载量并根据超载量罚款。
2.4.2 车辆分类统计
压电传感器的主要用途是车型分类,车速数据可被转换为可靠的分类数据。不同的国家使用不同的分类表对车辆分类。在美国,FHWA把车辆定义为从摩托车到多用途拖车的13种类型(见高速公路动态称重(WIM)系统的标准规范及用户要求与试验方法ASTMl318-94)。车辆的类型是根据轴数和轴距确定的。
轴距:由于车速在3米或小于3米的距离内基本上是均速,用车轴经过传感器时建立的信号时间差乘以车速,就得出轴距。
轴数:由于传感器是检测压过轮胎的力,因此即使在车量靠得很近时也很容易测出轴数,但在车流密集、低速及车型相似时,不能区分所计轴数是同一辆车还是两辆车,而电感线圈不能计轴数,因而用电感线圈+压电传感器的方案既可测得轴数又可测得车数。配置方案既可以是传感器+线圈+传感器,也可以是线圈十传感器十线圈,为获取车速信号进行其它计算,两个方案都可以,但前一个配置较好。
轮距:有些国家如南韩,车辆的分类需要检测轮距,我国车辆的种类很多,存在同轴距不同轮距的问题,如解放车和黄河车,其载重能力的差别很大。如果检测器能分辨轮距,将增加系统的覆盖率和准确性。将传感器以一定角度斜埋可解决这个问题。
轮胎数:其他国家车辆分类的标准,如巴西是以双轮胎作为等级划分标准的。为了探测双轮胎,通常在与车流方向成一定角度(一般是30度到45度)再加装一个传感器。当双轮胎经过斜埋的传感器时,会产生一个双峰脉冲,通过电路的处理可识别双轮胎信号。垂直车流安装的传感器仍用来正常探测车速,轴数,并与斜埋传感器计数进行比较。根据交通部发布的“超限运输车辆行驶公路管理规定”,动态称重系统应具备识别单、双轮胎的能力,通过斜埋压电轴传感器就可解决这个问题。
由于车流量的快速增长,ETC(电子不停车收费系统)成为业内人士关注的焦点。我国一直采用的是按吨位和按客车座位数分类,现在国内行驶的车辆种类复杂,按这种分类法在ETC系统中引入自动分类十分困难。按轴距和轴数分类,再考虑载重,应是比较合理的方法。建立合理的分类标准是解决ETC问题的关键。
2.4.3 车速监测
通常在每条车道上安装两条传感器,这便于分别地采集每条车道的数据。使用两个传感器可计算出车辆的速度。当轮胎经过传感器A时,启动电子时钟,当轮胎经过传感器B时,时钟停止。两个传感器之间的距离一般是3米,或比3米短一些(可根据需要确定)。传感器之间的距离已知,将两个传感器之间的距离除以两个传感器信号的时间周期,就可得出车速。根据德国PTB的报告,在汽车以200公里/小时的匀速行驶时,测量精度可达到1%。
压电传感器可以区分差别很小的车辆,这一点使其可与速度相机触发器在固定地点一同使用。通常都安装2条传感器作为一组,有的国家也安装3条(增加了校验)。当轮胎经过传感器时,根据从A到B,再从B到C,最终从A到C的时间,计算出车速。然后对这几个车速进行对比,它们都应在规定的范围内,通常不超过2%。如果车辆超过了规定的时速,前轮经过最后一个传感器时,立刻给车辆拍照,并计算出车速。在第一张照片拍摄后的固定时间进行第二次拍照,这样观测仪可以校验车速。即使在车流量很高的情况下,也可得到各个车道的信息。传感器可以交错安装,以便照相机有稳定的焦点,从而使得照片清晰可读。
通过车速监测既可以对超速车辆罚款,又可以根据车流量建立可变限速标志和可变情报板。在车流量较高时,设置较低的限速;流量较低时,设置较高的限速,建立动态的管理系统,从而实现路面管理智能化。
2.4.4 收费站地磅
压电轴传感器的一个应用就是收费站地磅。传感器可以记录高速行驶中车辆的数据。车速较低时,轴传感器与电路的接口很关键,压电传感器对低频信号会衰减,低频衰减由传感器的电容和电路输入阻抗决定。压电轴传感器电路部分的另一个改进就是允许传感器在10米/分钟(0.6公里/小时)的速度时应用。
尽管压电轴传感器能探测出压上传感器然后从传感器上移开的轮胎,但它不能检测静止在传感器上的车辆。在一个非常小的距离内可以同时应用多个传感器。以防止错误的计数,芹改善计数的校验。压电传感器十分适合在收费站自动分类车道上使用,因为在那里车速的变化很大。
压电轴传感器为收费站地磅提供了一个非常有效的优势,压电轴传感器的寿命比普通的电阻式地磅要长得多。由于传感器的固态结构,压电轴传感器没有可移动部分。传感器中可见的变形在微米(um)范围内,而电阻式地磅通常在橡胶套中有几毫米的变形,因此而引入了一个疲劳元件。电阻式传感器寿命为100-500万轴次,而压电传感器却超过1亿轴次。
2.4.5 闯红灯拍照
压电轴传感器也可作为闯红灯照相机的触发器。在交叉路口的红灯线前安装两个传感器,传感器与红灯线的最小距离一般为2米。两条传感器的间距为1米或小于1米,可安装在地感线圈的上方,所有数据由前轮采集,在车辆移动6’’(150mm)以前完成信号采集,信号采集与速度无关,与车辆类型无关,可在高密度交通流量时使用,照相机控制器与红绿灯控制器相连,以便只在红灯时完成动作。
用两条传感器确定停车线前的车速,如果红灯亮并且车速大于预置值,就会自动拍下第一张照片。第一张照片证明红灯已亮,而且车辆在红灯亮时未超越停车线,并可证明车速及已亮红灯的时间。第二张照片根据车速在这以后固定的时间内拍出,一般来说为1至2秒。第二张照片证明事实上车辆越过了停车线进入交叉路口并闯了红灯。
在美国,因为隐私的缘故,大部分照片都是在汽车尾部拍摄的,然后给车辆开罚单,方式与停车罚单类似。注册的车主会收到罚单,其中包括两张照片,并把车牌照号的部分放大。虽然数码相机已被接受,但大部分系统还是采用35毫米或更大规格的湿胶片来拍摄的。初步证据在采用湿胶片或一次写入多次读取的数码影像方式时对违章者是不利的。这样就防止了对证据进行数码串改。
2.4.6 触发器
选择压电传感器作闯红灯照相机触发器的原因与它们在速度照相机中的应用相同。在照片中可以看到车辆仍在传感器的上方。传感器以有线方式连接到照相机上,将信息具体到某一车道。即使在两条相邻车道上,两辆车紧挨着,传到照相机控制器的数据将是该传感器所在车道的数据。传感器不象固定的雷达装置那样很难区分相邻车辆,因此,压电传感器适用于多车道。收到罚单的人被再确认他们确实是闯了红灯或违反了车速规定,因为他们可以很清楚地看到展现在他们眼前的证据。
2.4.7 交通信息采集和统计(道路监控)
压电轴传感器的应用已扩展成一门技术,并更可靠,价格合理。这项技术起源于美国的联邦高速公路署(FHWA)长期道路性能工程(LTPP)。在这个项目下,部分道路的交通负载,类型和重量被监控,以确定道路的磨损、类型和等级。在这种方式下,通常采用的是周期信息采集,而几乎没有实时的数据采集。
3. 压电石英称重传感器
3.1 压电石英传感器的发展历程
20世纪80年代在汽车制造业中压电石英测力传感器用于测量汽车点火压力,汽车碰撞的冲击力。利用二分量测力传感器同时测量汽车检测平台的垂直力和水平力,将压电石英测力传感器埋在路面下,测量汽车轮胎与路面之间的接触力。
20世纪90年代公路车辆轴载超限越来越严重,已成为世界难题。瑞士Kastler(奇石乐)公司开发出可以埋在路面下的以石英晶体为敏感元件的工字梁型动态称重传感器,用于公路车辆轴载超载预判,桥梁超载报警,隧道保护和车辆轴载计量,取得了很好的应用效果。这种压电石英称重传感器已在美国、英国、德国、澳大利亚、韩国、日本等许多国家广泛应用。
3.2 石英晶体的压电效应
石英晶体(Quartz Crystal)是二氧化硅无水化合物,分子式为Si02,是各向异性的材料,通常用直角坐标轴来表征它的方向性。典型的石英晶体外形和直角坐标轴,X切割的石英晶体片如图1所示。Z轴是石英晶体的对称轴,在垂直于Z轴的平面上,通过相对两棱的直线叫X轴,由于石英晶体呈六角棱形,因此有三个X轴。与X轴和Z轴都垂直的是Y轴。X轴称为电轴,Y轴称为中性轴(或机械轴)Z轴称为光轴[3]。通常所说的X(或Y)切割,就是切割出来的石英晶体片的两个平面都与X(或Y)轴相垂直。
3.2 石英晶体的压电效应
石英晶体(Quartz Crystal)是二氧化硅无水化合物,分子式为Si02,是各向异性的材料,通常用直角坐标轴来表征它的方向性。典型的石英晶体外形和直角坐标轴,X切割的石英晶体片如图1所示。Z轴是石英晶体的对称轴,在垂直于Z轴的平面上,通过相对两棱的直线叫X轴,由于石英晶体呈六角棱形,因此有三个X轴。与X轴和Z轴都垂直的是Y轴。X轴称为电轴,Y轴称为中性轴(或机械轴)Z轴称为光轴。通常所说的X(或Y)切割,就是切割出来的石英晶体片的两个平面都与X(或Y)轴相
图1 石英晶体结构图
当石英晶体片沿X轴方向受一外力作用时,内部产生极化,在垂直于X轴的两个平面上产生等量的正负电荷,这种现象称为纵向压电效应。而在垂直于Y轴的平面上,沿着Y轴的方向施加外力时,在与X轴垂直的平面上产生电荷,这种现象称为横向压电效应。在Y切割(剪切型切割)石英晶体片中,当在垂直于Y轴的平面内,沿X轴方向受外力作用时,在受力表面产生电荷,这种现象称为剪切效应。石英晶体的压电效应是由于在外力作用下石英晶体内的硅原子和氧原子的位置产生相对变形,正电荷和负电荷的重心互相移位所至,产生的电荷由覆盖在石英晶体表面的电极板进行收集、传输。力值的计量就是直接利用这三个压电效应,制成单分量或多分量测力与称重传感器。
3.3 压电石英称重传感器的工作原理
压电石英称重传感器是利用石英晶体的纵向压电效应将重量信号转换成电信号的装置[4]。现以一个X切割的石英晶体圆片为例,计算它的电荷、电压。石英晶体圆片如图2所示。
设石英晶体圆片直径为d,厚度为t。当石英晶体圆片沿X轴方向受外力Fx作用时,在垂直于Fx的平面上产生电荷,而且其外力与产生的电荷存在线性关系。
图2 石英晶体圆片受力图
两个表面之间的电压Ux为:
Ux=Qx/Cx=d11Fx/Cx (V)
式中:Qx—石英晶体圆片垂直于Fx平面产生的电荷
d11—石英晶体的纵向压电模数,d11=2.31PC/N
Cx—石英晶体圆片的电容量
Cx=επd2/4t (F)
ε—石英晶体的介电系数。
将X切割的石英晶体片加工成称重传感器壳体所需要的外形和尺寸,按要求连同电极板一起装入壳体内,施加足够的预紧力后,采用圆膜片与壳体焊接密封。当称重传感器受外载荷作用时,石英晶体圆片产生电荷,由电极板收集传至信号输出插座,再由低噪声的同轴电缆传输到电荷放大器(带有电容反馈的运算放大器),经灵敏度归一化后,按比例的转换成电压输出。或放大器为重量信号的模拟—数字转换提供必要的驱动,并将此信号传输到计算机,然后用专用的软件将其转换为重量。为了减小电荷的泄漏,放大器的输入端要有很高的绝缘电阻,通常要求大于10TΩ。电荷放大器的量程(与转换系数有关)由反馈电容确定,通常称为量程电容。通过测得的电压值,就可得到所测载荷的大小。
利用石英晶体制造称重传感器时,石英晶体片有并联和串联连接两种方法。并联连接:两个压电石英晶体片按极化方向相反粘结,负电荷集中在中间的负电极板上,正电荷在两端的正电极板上。这时相当于两个电容器并联,输出电极板上的电荷和电容量将增加一倍,如图3所示。
图3 两个石英晶体片并联示意图
如果有n个石英晶体片按并联方式连接,此时的总输出电荷将增加n倍,电荷灵敏度也增加n倍,而电压灵敏度则与单个石英晶体片工作时相同。n个石英晶体片并联所产生的电荷为:
Qx=ndllFx (C)
串联连接:两个石英晶体片按极化方向相同粘结,于是在两个石英晶体片粘结处的中间电极板上正负电荷相互抵消,这时总电容量为单个石英晶体片工作时的一半,电压都增大一倍,而总电荷量则不变,如图4所示。
若n个石英晶体片串联连接,由于输出电压增加n倍,因此电压灵敏度也增加n倍,而电荷灵敏度则与单个石英晶体片工作时相同。
由此可得出,多个石英晶体片并联连接时,输出电荷量大,电荷灵敏度高;串联连接时,输出电压大,电压灵敏度高。
图4 两个石英晶体片串联示意图
3.4 压电石英称重传感器的结构与特点
单分量压电石英称重传感器的结构象一个承载垫圈,由带底座的外壳,两个X切割的石英晶体圆片,夹在两个圆片之间的电极板,带有密封膜片的上压头和信号输出插座组成,如图5
所示。
1石英晶体片 2.电极板 3.上压板 4.外壳 5.信号输出插座
图5 压电石英称重传感器结构图
石英晶体的排列为以其晶轴X指向电极板的并联连接,使其在外载荷作用下产生的电荷和灵敏度都增加一倍。在装配时,必须对石英晶体圆片施加足
够的预紧力,就是在较高的预紧力下使上压板与外壳成为一个坚实的整体,上压板的膜片与外壳采用电子束焊或激光焊对石英晶体圆片进行密封和保持预紧力。密封膜片必须具有柔软的线性弹簧特性。对石英晶体圆片施加预紧力进行装配时应作到:预紧力必须垂直于称重传感器表面;在石英晶体圆片上产生的应力应尽量均匀分布;预紧元件的刚度应远远小于称重传感器的刚度以保持较高的灵敏度。
压电石英称重传感器具有如下特点:
①量程范围广,测量范围达10的几次方,一个称重传感器即可完成全量程测量,频率响应范围能在低至接近零周,高达十千周范围内工作;
②量程与鉴别阈之比可达100000000,一般比值超过1000000。灵敏度高,测量值可到上百吨载荷,又能分辨出小至几公斤的动态力;
③刚度大,固有频率高(几十千赫以上),是同尺寸应变式称重传感器的8倍,动态响应快;
④时间老化率低,无热释电现象,工作可靠性高,寿命长;
⑤石英晶体的居里点高(573℃),对温度的敏感性低,灵敏度变化极小,长期稳定性好;
⑥石英晶体具有较好的线性,在一般情况下无滞后,组装成称重传感器其动态测量的综合误差优于1%;
⑦结构紧凑,体积小,高度低,重量轻,可用多个石英晶体片组装大型称重传感器;
⑧用多分量称重传感器进行称重计量时,抗交叉干扰能力强,交叉干扰达到800Hz时,测量误差仍然低于10%,交叉干扰到400Hz时,测量误差小至2%以内;
⑨使用温度范围广,通常为-200℃~200℃;
⑩在使用时不用事先调整平衡,操作方便。
唯一的缺点是不能在长时间内进行静态测量。
3.5 压电石英称重传感器在动态公路车辆称重中的应用
石英晶体敏感元件及压电石英称重传感器在动态公路车辆称重中的应用主要有两种方式。一种是利用多个垫圈式压电石英称重传感器组装成薄形电子轮重、轴重秤或条形称重板。一种是利用多个石英晶体片和电极板直接安装在特制的梁式承载器内,形成专用的压电石英称重传感器,将其埋在公路表面截面为50×50mm的长槽内,形成动态公路车辆轴重秤。瑞士Kastler(奇石乐)公司研制的石英晶体动态称重传感器就是这种应用的典型代表。它的总体结构如同1m长的工字梁,所不同的是工字梁的腹板为圆形空心截面,实际上其空心是由平行于工字梁上下翼缘的两个平面形成的矩形通孔,它的结构如图6所示。
图6 梁式压电石英称重传感器
多个石英晶体片在梁式称重传感器内的安装及所施加的预紧力的大小,对称重传感器的性能影响较大,应有严格的装配要求和装配工艺。装配时首先沿梁式称重传感器的水平对称轴,对圆形腹板施加水平力P,使腹板变形,矩形通孔高度增大。在梁长1m的范围内,先插入电极板,再每隔50mm插入一个石英晶体片。然后卸掉水平力P,此时石英晶体片已被施加上预紧力,并得到了很好的保护和密封。利用称重传感器内部的沟槽从中间引出低噪声的同轴电缆,接入与其配套的动态称重仪表就可实现公路车辆动态称重。
压电石英梁式称重传感器在应用时必须埋在路面下,梁的上表面为载荷测量面,下表面安放在公路基础上为支撑面。由于在高速公路上行驶的车辆,在路面上产生的水平力可能与垂直力的大小相当。为保证动态称量的准确度,应对梁式称重传感器与路面采取隔离措施,尽量消除或减少水平力的影响,以获得高质量的信号脉冲形状和可重复的测量结果。例如:在梁式称重传感器埋入地面时,采用窄条柔软泡沫围绕上部整个周边,将称重传感器与水平力隔离,采用75%石英沙和25%环氧树脂混合物固定称重传感器本体等。由于压电石英梁式称重传感器测量表面的宽度比车辆轮胎的印迹窄,重量信号必须沿车轮接触长度积分。因此,称重传感器的性能主要取决于积分时段内信号质量的稳定性和称重传感器与路面相互作用的长期稳定性。为提高动态称重的准确度,一般都采用排列多个称重传感器求动态称量平均值的方法。
4. 压电薄膜轴传感器
4.1 压电薄膜轴传感器的发展历程及其特点
20世纪60年代,美国科学家发现在鲸鱼的骨和腱内存在着微弱的压电效应,于是开始了对其它有可能具有压电效应的有机材料的研究工作。1969年Kawai(凯沃)发现在极化的含氟聚合物聚偏氟乙烯(PVDF)中有很高的压电能力,其它材料如尼龙和PVC也都具有压电效应,但没有一种能像PVDF及其共聚物一样呈现出那么高的压电效应。
PVDF压电薄膜通常很薄,不但柔软、密度低、灵敏度极好,而且还具有很强的机械韧性,其柔顺性比压电陶瓷高出10倍。可以说是一种柔性、质轻、韧度高的塑料膜,可制成较大面积和多种厚度。它可以直接贴附在机件表面,而不会影响机件的机械运动,非常适用于需要大带宽和高灵敏度的应变传递。作为一种执行器件,聚合物很低的声阻抗,使其可以有效的向空气和其它气体中传送能量。PVDF压电薄膜传感元件,在美国已形成具有一定规模的产业,有较大的发展空间。 汽车的加速度计、座位占据感应器、汽油液位计、轮胎转速器、防盗感应器等;智能交通系统的车辆轴数、轴距、轮胎数计量,车速监测、车道控制,停车区域监控,动态称重等都有应用。
4.2 共聚物压电薄膜的压电效应与特性参数
共聚物聚偏氟乙烯(PVDF)是一种经特殊加工后能将动能转化成电能的聚合体材料,具有很高的压电性能。应用此种压电材料制成的传感器,当受到机械冲击或振动时,压电材料原子层的偶极子(氢—氟偶对)的排列顺序被打乱,并试图使其恢复原来的状态,这个偶极子被打乱的结果就是一个电子流的形成而产生电荷,这就是PVDF的压电效应[5]。此压电效应是可逆的,它可以把机械能转换为电能,也可以把电能转换为机械能。即当有外载荷施加到传感器上时,就会产生电荷(电压),而当卸去外载荷时,就会产生一个极性相反的信号。它产生的电压可以相当高,但传感器产生的电流却比较小。
PVDF压电薄膜具有密度低、材质轻、灵敏度高、机械韧性好等特点,可制成多种厚度和较大面积。作为一种传感器它的主要特性参数如下:
(1)频带宽:0.001Hz~109Hz;
(2)动态范围广:10-8~109Psi(磅/平方英寸);
(3)声阻抗低:与水、人体组织和粘胶体系接近;
(4)弹性柔顺性好;
(5)高电压输出:在同样受载条件下,比压电陶瓷高10倍;
(6)高介电强度:可耐强电场作用(75V/μm),此电场强度大部分陶瓷都退极化;
(7)机械强度高,耐冲击、振动性能好;
(8)稳定性高:耐潮湿、耐多数化学品、耐氧化剂、耐强紫外线和核辐射;
(9)可加工成特定形状;
(10)可以用市售胶粘合。
4.3 PVDF压电薄膜轴传感器的检测原理与技术性能
PVDF压电薄膜轴传感器是由镀银铜丝编织成的扁平芯线,缠绕在芯线上的在强电场中极化的薄膜(或涂层)和0.4mm的黄铜管外护套制成的同轴“线缆”式结构。在制造过程中,将PVDF材料置于一个强电场中进行极化,数量级为一毫米厚的压电材料大约100000V。极化场使非结晶聚合体变成半晶体形式,同时又保留了许多聚合体的柔韧特性。
共聚物PVDF压电薄膜轴传感器的检测原理,与其说是在车辆经过时采集信息,不如说是在车辆轮胎压过轴传感器时采集信息。即轮胎压过压电薄膜轴传感器时,便产生一个与轮胎压力成正比的模拟信号,并且输出的周期与轮胎停留在轴传感器上的时间相同。每当一个轮胎经过轴传感器时,轴传感器就会产生一个新的电子脉冲。由此不难得出,压电薄膜轴传感器用于公路行驶车辆动态称重的检测原理是对动态载荷产生信号的积分。 共聚物PVDF压电薄膜轴传感器的技术特性如下:
(1)无源传感器:可在前置放大器前长距离传送而不需要供电;
(2)工作寿命长:等效轴载荷可超过四千万次,如果安装质量好可达1亿次;
(3)输出信号大:200kg轮载荷,55英里/小时(88.5km/h)时,最小输出信号250mv;
(4)动态特性好:轴传感器6∶1宽厚比的扁平结构,使非受载方向的噪声最小,包括路面噪声和车道车辆的噪声;
(5)对路面破坏最小:安装轴传感器切口仅为19×19mm,并可以与路面轮廓一致;
(6)一次安装可获取多种信号:可测量轴数、轴距、车速、动态称重、车辆分类统计等。
4.4 共聚物PVDF压电薄膜轴传感器的应用
共聚物PVDF压电薄膜轴传感器主要用于智能高速公路管理系统,公路车辆超限监测系统和桥梁、遂道保护预警系统等。检测项目为轴数、轴距、轮胎数测量,车速测量,车辆动态称重等。
4.4.1 车速监测
在车辆行驶道路上安装A、B两条永久性的轴传感器,一般A、B轴传感器的距离为3m(可根据
需要确定)。当行驶车辆的轮胎经过轴传感器A时,电子时钟起动,经过轴传感器B时,时钟停止,此时距离和时间已知,就可求出车辆行驶速度。根据德国PTB的报告,汽车以200km/h的速度行驶时,测量准确度可达1%。
有的国家在行车道上安装A、B、C三条轴传感器,车轮从轴传感器A到B,再到C,最终从轴传感器AB、BC和AC三个间距中,可计算出3个车辆行驶速度,然后对3个车速进行对比,它们都应在规定的范围内,之间的误差通常不超过2%。
4.4.2 轴距测量
由于车速在A、B轴传感器3m间距内基本是匀速,用车轴经过轴传感器时建立的信号时间差乘以车速,就可得出轴距。
4.4.3 轴数测量
由于轴传感器是检测轮胎压过时的力,因此即使轮胎靠得很近时,也很容易计量出轴数。但当车辆密集、低速行驶及车型相似时,很难区分所计轴数是同一辆车的还是两辆车的,而电感线圈只能感受不能计量轴数。因而用电感线圈+压电薄膜轴传感器的方案即可测得车数又能计量轴数。一般多采用轴传感器+电感线圈+轴传感器的方案,来获取车速信号并进行轴数等其它计算。
4.4.4 轮胎数测量
尽管世界上各国的车辆分类标准有所不同,但都有自己国家在用车型的特点,有些国家是以双轮胎作为车辆等级划分标准。为了检测双轮胎,通常在与行车方向成300~450角再加装一条压电薄膜轴传感器。当双轮胎经过斜埋的轴传感器时,就会产生双峰脉冲,通过电路处理即可识别双轮胎信号。垂直行车方向安装的轴传感器仍用来检测车速、轴数,并与斜埋的轴传感器计量数据进行比较。
4.4.5 轮距测量
我国的车辆种类很多,存在同轴距而不同轮距的问题,如果检测系统能分辨轮距,将增加系统的覆盖率和准确度。将压电薄膜轴传感器以一定角度斜埋路面就可完成轮距测量任务。
4.4.6 车辆分类统计
压电薄膜轴传感器的主要用途是车型分类,根据所用车辆的种类,不同国家制定了不同的车型分类表,对行驶车辆进行分类。车辆的类型是根据检测的轴数、轴距、轮距等数据确定。
4.4.7 动态称重(WIM)
公路车辆行驶中称重主要是用于整车或轴载超限监测的预选和桥梁超载警告系统。压电薄膜轴传感器用于动态称重时,必须采用永久性的安装方式,按工艺要求的安装程序将轴传感器埋在路面内,必须确保轴传感器笔直平整,并使支架顶部、灌封材料与路面平齐,灌封材料应完全包住轴传感器及引线的连接区域。轴传感器的称量准确度与车辆振动、轮胎压在轴传感器上的面积、环境温度等有关。尤其是道路质量对动态称重准确度影响较大,用在水泥路面较好,工作寿命长于沥青路面。车辆行驶速度范围可以从5km/h到200km/h,较成功的系统在低速端可达到10m/min(0.6km/h)。动态称量准确度为±10%,个别成功的系统可达1~2%。
4.4.8 不停车电子收费系统(ETC)
我国现行的公路车辆收费标准,一直采用传统的按客车座位数分类,收费效率低,制约了车流量的提高,是极待解决的问题。由于行驶车辆种类繁多,按现行分类方法在不停车电子收费系统中,引入自动分类法十分困难。如按轴距、轴数分类,再考虑整车重量,应是比较合理的方法。建立合理的车辆分类标准是解决ETC问题的关键。制订标准的基础是各参数的检测手段,应将压电薄膜轴传感器技术与视频技术及网络技术结合起来,针对车辆的轴数、轴距、轮数,长、宽、高等物理特性设计车型识别系统。
4.4.9 道路监控
随着智能高速公路管理系统和交通信息采集统计系统的发展,压电薄膜轴传感器的应用范围不断扩大,并形成了一门专业技术。近年来我国高速公路里程仅次于美国居世界第二位,极需对公路的交通负载、车辆类型和轴载、车载进行监控,以确定道路的磨损类型和等级。在这种方式下,通常应用的是周期信息采集。由于我国高速公路车辆流量大且超限严重,加重了道路负荷,在设
计使用年限之初就出现龟裂、塌陷、车辙而过早损坏,使道路破坏修复次数增加,造成养护费用上升,因此对公路状态的监测变得越来越重要。利用网络技术、视频技术及埋在路面下的地感线圈和压电薄膜轴传感器组成的检测系统,就能实现交通信息的短期或长期采集,将车流量、车轴数、车速、轴距、车辆分类、载重量等信息进行收集分析,为公路规划、设计、维护和决策提供可靠、全面的数据。
结论
本文介绍的美国MSI公司研制的共聚物PVDF压电薄膜轴传感器,以及瑞士Kastler(奇石乐)公司研制的压电石英晶体动态称重传感器,已在世界许多国家的智能高速公路管理系统、动态公路车辆称重系统、高速公路超限监测预选、桥梁超载报警、遂道保护和自动电子收费系统中得到广泛应用。压电薄膜轴传感器和压电石英称重传感器,其动态响应速度之快,测量与监控参数之多,安装、调试、使用之方便,是以传统的电阻应变式称重传感器为基础的各种动态称重系统无法比拟的。
在最近五年里,压电传感器在性能方面显著地提高,而价格却不断降低。以安装价格来说,它只比感应线圈稍高一些,却比感应线圈多提供许多有效信息,诸如改善了的速度信息,车辆分类等。另外增加了行驶中称重能力以确定和监控车辆的重量。它与感应线圈相结合,将使交通信息的采集更精确更全面。显然,压电传感器作为一种技术,应该考虑将其广泛应用于智能运输系统(ITS)中
参考文献
[1] 殷淑英.传感器应用技术.北京:冶金工业出版社,2008.
[2] 朱自勤.传感器与检测技术.机械工业出版社,2005
[3] 刘君华.现代测试技术与系统应用.电子工业出版社,2005
[4] 刘九卿.压电石英称重传感器及其在动态公路上的应用.吉林工业大学,2007
[5] 刘九卿.压电薄膜轴传感器及其在智能交通系统中的应用.吉林工业大学,2008