Book-CH5磁頻車輛檢測(cè)技術(shù)

1、任課教師任課教師：李曉峰李曉峰 Tel郵箱：郵箱：第第五五章章 磁頻車輛檢測(cè)技術(shù)磁頻車輛檢測(cè)技術(shù)1. 1. 環(huán)形線圈（感應(yīng)）車輛檢測(cè)器環(huán)形線圈（感應(yīng)）車輛檢測(cè)器2. 2. 地磁車輛檢測(cè)器地磁車輛檢測(cè)器3. 3. 磁頻車輛檢測(cè)器的應(yīng)用范圍磁頻車輛檢測(cè)器的應(yīng)用范圍2 磁頻車輛檢測(cè)技術(shù)是指以電磁感應(yīng)為檢測(cè)參數(shù)、以磁頻車輛檢測(cè)器為檢測(cè)設(shè)備的可以檢測(cè)車輛通過或存在于檢測(cè)區(qū)域的技術(shù)。 磁頻車輛檢測(cè)技術(shù)屬于固定型檢測(cè)技術(shù)，其獲得交通參數(shù)的基本方法都是通過分析車輛經(jīng)過檢測(cè)區(qū)域后引發(fā)的傳感器的脈沖信號(hào)的方法對(duì)交通流信息進(jìn)行檢測(cè)。 使用磁頻車輛檢測(cè)技術(shù)采集動(dòng)態(tài)交通流信息的設(shè)備主要有環(huán)形線

2、圈式車輛檢測(cè)器、 地磁式車輛檢測(cè)器、電磁式車輛檢測(cè)器、微型線圈檢測(cè)器、磁成像檢測(cè)器、摩擦電檢測(cè) 器、磁力檢測(cè)器等，其中環(huán)形線圈檢測(cè)器應(yīng)用最為廣泛。概述概述概述 環(huán)形環(huán)形線圈感應(yīng)式檢測(cè)器（以下簡(jiǎn)稱線圈檢測(cè)器）自應(yīng)用線圈感應(yīng)式檢測(cè)器（以下簡(jiǎn)稱線圈檢測(cè)器）自應(yīng)用以來，在世界各地的城市交以來，在世界各地的城市交 通控制系統(tǒng)中，一直是首選的車通控制系統(tǒng)中，一直是首選的車流量信息檢測(cè)手段流量信息檢測(cè)手段。環(huán)形環(huán)形線圈檢測(cè)器主要應(yīng)用于線圈檢測(cè)器主要應(yīng)用于交通流數(shù)據(jù)信息采集系統(tǒng)、交通交通流數(shù)據(jù)信息采集系統(tǒng)、交通信號(hào)控制系統(tǒng)、信號(hào)控制系統(tǒng)、 交通誘導(dǎo)及停車管理系統(tǒng)交通誘導(dǎo)及停車管理系統(tǒng)。 檢測(cè)檢測(cè)需求大多是交通

3、流量、流向、車速、車道占有率需求大多是交通流量、流向、車速、車道占有率 以及以及車長(zhǎng)、排隊(duì)長(zhǎng)度等，這些都可以通過不同的感應(yīng)線圈的設(shè)車長(zhǎng)、排隊(duì)長(zhǎng)度等，這些都可以通過不同的感應(yīng)線圈的設(shè)置方式來實(shí)現(xiàn)置方式來實(shí)現(xiàn)。 環(huán)形線圈檢測(cè)器是容易環(huán)形線圈檢測(cè)器是容易設(shè)置和設(shè)置和安裝安裝，其其主要應(yīng)用在道口收主要應(yīng)用在道口收費(fèi)、交通控制、停費(fèi)、交通控制、停 車場(chǎng)及車輛計(jì)數(shù)等方面。車場(chǎng)及車輛計(jì)數(shù)等方面。第一節(jié)第一節(jié) 環(huán)形線圈環(huán)形線圈（感應(yīng)）車輛檢測(cè)器（感應(yīng)）車輛檢測(cè)器一、環(huán)形線圈車輛檢測(cè)器工作原理 環(huán)形線圈車輛檢測(cè)器是一種基于電磁感應(yīng)原理的車輛檢測(cè)技術(shù)，其傳感器是一個(gè)埋 在路面下、通過一定工作電流的環(huán)形線圈。當(dāng)車輛

4、通過線圈或停在線圈上時(shí)，車輛引起線圈回路電感量的變化，檢測(cè)器檢測(cè)出變化量就可以檢測(cè)出車輛的存在，從而達(dá)到檢測(cè)交通流信息的目的。 1. 1. 環(huán)形環(huán)形線圈檢測(cè)器結(jié)構(gòu)線圈檢測(cè)器結(jié)構(gòu) 環(huán)形線圈式車輛檢測(cè)器通常由環(huán)形線圈傳感器、傳輸饋線、由環(huán)形線圈傳感器、傳輸饋線、信號(hào)檢測(cè)處理單元（檢信號(hào)檢測(cè)處理單元（檢 測(cè)電路及調(diào)諧電路）及背板框架測(cè)電路及調(diào)諧電路）及背板框架4 4部部分組成。分組成。信號(hào)檢測(cè)處理單元的檢測(cè)電路檢測(cè)電路包括檢測(cè)信 號(hào)放大單元、數(shù)據(jù)處理單元和通信接口；信號(hào)檢測(cè)處理單元的調(diào)諧電調(diào)諧電路路由調(diào)諧電容、調(diào) 諧電阻及環(huán)形線圈構(gòu)成。2. 2. 檢測(cè)檢測(cè)原理原理 有電流通過環(huán)形線圈時(shí)，周圍就會(huì)產(chǎn)生

5、磁場(chǎng)，如式 (5_1)所示。 = L i (5-1)式中： 總磁通量； L 電感，H； i電流。線圈車輛檢測(cè)器與埋在道路中間的線圈連接，車輛經(jīng)過線圈后使，車體 產(chǎn)生感應(yīng)電流，這一感應(yīng)電流使得線圈電感量減少。當(dāng)車輛進(jìn)入線圈磁場(chǎng)范圍時(shí)，檢測(cè)器便可由諧振電路的電感量變化，檢測(cè)器內(nèi)部電路振蕩頻率隨著線圈電感量的變化而變化，CPU通過計(jì)數(shù)脈沖數(shù)量判斷電路振蕩頻率的變化從而判斷車輛的有無，然后計(jì)算相關(guān)的交通參數(shù)。 金屬線圈具有一定的電感，其電感的大小取決于它的周長(zhǎng)、金屬線圈具有一定的電感，其電感的大小取決于它的周長(zhǎng)、截面、匝數(shù)及周圍介質(zhì)截面、匝數(shù)及周圍介質(zhì) 的情況。線圈截面越大或匝數(shù)越多，的情況。線圈截面

6、越大或匝數(shù)越多，單位電流所產(chǎn)生的磁通鏈越大，電感也就越大。當(dāng)單位電流所產(chǎn)生的磁通鏈越大，電感也就越大。當(dāng) 線圈截線圈截面積固定不變時(shí)，匝數(shù)越多，電感越大，反之亦然。一般面積固定不變時(shí)，匝數(shù)越多，電感越大，反之亦然。一般情況，線圈長(zhǎng)情況，線圈長(zhǎng)2m，寬，寬 1.3m,線圈匝數(shù)為線圈匝數(shù)為4匝。匝。 當(dāng)交變電流通過環(huán)形線圈時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)。環(huán)形當(dāng)交變電流通過環(huán)形線圈時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)。環(huán)形線圈作為電感元件，同電線圈作為電感元件，同電 容器并聯(lián)組成振蕩器的諧振回路。容器并聯(lián)組成振蕩器的諧振回路。該諧振器的諧振頻率就與環(huán)形線圈的電感量的該諧振器的諧振頻率就與環(huán)形線圈的電感量的平方根成反平方根

7、成反比比。 3.環(huán)形線圈檢測(cè)器分類 環(huán)形環(huán)形線圈檢測(cè)器主要分線圈檢測(cè)器主要分通過型環(huán)形線圈檢測(cè)器通過型環(huán)形線圈檢測(cè)器和和存在型環(huán)存在型環(huán)形線圈檢測(cè)器形線圈檢測(cè)器兩類。兩類。 通過型環(huán)形線圈檢測(cè)器通過型環(huán)形線圈檢測(cè)器的檢測(cè)線圈是無源地磁感應(yīng)線圈，的檢測(cè)線圈是無源地磁感應(yīng)線圈，即環(huán)形線圈無源激勵(lì)。當(dāng)即環(huán)形線圈無源激勵(lì)。當(dāng) 汽車從環(huán)形線圈上方通過時(shí)，汽車從環(huán)形線圈上方通過時(shí)，因汽車系鋼鐵制成（鐵磁材料），必然干擾環(huán)形線圈周圍因汽車系鋼鐵制成（鐵磁材料），必然干擾環(huán)形線圈周圍的的 地磁場(chǎng)，改變線圈周圍的磁力線分布，從而導(dǎo)致磁通地磁場(chǎng)，改變線圈周圍的磁力線分布，從而導(dǎo)致磁通量發(fā)生變化。由于這一變化，根據(jù)

8、量發(fā)生變化。由于這一變化，根據(jù) 法拉第電磁感應(yīng)原理，法拉第電磁感應(yīng)原理，即線圈兩端有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。即線圈兩端有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。 存在型環(huán)形線圈檢測(cè)器存在型環(huán)形線圈檢測(cè)器屬于有源激勵(lì)檢測(cè)。它需要在環(huán)形屬于有源激勵(lì)檢測(cè)。它需要在環(huán)形線圈兩端加上一個(gè)具有一線圈兩端加上一個(gè)具有一 定振蕩頻率的激勵(lì)源定振蕩頻率的激勵(lì)源。 環(huán)形環(huán)形線圈檢測(cè)器可線圈檢測(cè)器可檢測(cè)檢測(cè)： 流量流量、占有率、車速、排隊(duì)長(zhǎng)度等，用于流量檢測(cè)時(shí)，、占有率、車速、排隊(duì)長(zhǎng)度等，用于流量檢測(cè)時(shí)，線線圈長(zhǎng)度圈長(zhǎng)度應(yīng)盡可能地小于車間距；對(duì)于車速和占有率檢測(cè)，在實(shí)應(yīng)盡可能地小于車間距；對(duì)于車速和占有率檢測(cè)，在實(shí)際應(yīng)用中，大多采用兩個(gè)技際應(yīng)用中

9、，大多采用兩個(gè)技 術(shù)參數(shù)完全相同的線圈，既可用術(shù)參數(shù)完全相同的線圈，既可用來檢測(cè)車速，又可用來檢測(cè)占有率。來檢測(cè)車速，又可用來檢測(cè)占有率。二、環(huán)形線圈檢測(cè)電路原理1. 1.環(huán)形線圈的調(diào)諧電路環(huán)形線圈的調(diào)諧電路 在在環(huán)形線圈檢測(cè)器電路中，環(huán)形線圈檢測(cè)器電路中，環(huán)形線圈環(huán)形線圈是此電路的電感元件，是此電路的電感元件，電容則決定于檢測(cè)單元中的電容器。當(dāng)電流通過環(huán)形線圈電容則決定于檢測(cè)單元中的電容器。當(dāng)電流通過環(huán)形線圈時(shí)，時(shí)， 在其周圍形成一個(gè)電磁場(chǎng)，當(dāng)車輛通過環(huán)形線圈或在其周圍形成一個(gè)電磁場(chǎng)，當(dāng)車輛通過環(huán)形線圈或停在環(huán)形線圈上時(shí)，車輛自身鐵質(zhì)切停在環(huán)形線圈上時(shí)，車輛自身鐵質(zhì)切 割磁通線，將導(dǎo)致割磁通

10、線，將導(dǎo)致環(huán)形線圈回路電感量的變化，線圈電感量的變化，引起車環(huán)形線圈回路電感量的變化，線圈電感量的變化，引起車輛檢測(cè)器的輛檢測(cè)器的 LC振蕩電路的振蕩頻率和相位相應(yīng)也發(fā)生變振蕩電路的振蕩頻率和相位相應(yīng)也發(fā)生變化。因此，檢測(cè)器通過檢測(cè)該電感變化量就化。因此，檢測(cè)器通過檢測(cè)該電感變化量就 可以檢測(cè)出可以檢測(cè)出車輛的存在。車輛的存在。簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化后的環(huán)形后的環(huán)形線圈線圈并聯(lián)并聯(lián)諧振電路諧振電路：由式（5-3)可知，并聯(lián)諧振電路的諧振頻率完全由電路本身的參數(shù)決定。車輛出現(xiàn) 時(shí)，電感量減少，諧振頻率f。增大。 環(huán)形線圈的調(diào)諧回路在無車輛通過或存在時(shí)，處于諧振狀態(tài)。此時(shí)，外施電源（電 流源或電壓源）的頻率與回

11、路固有的諧振頻率相等，阻抗角為零，相位差為零。 當(dāng)有車 輛通過時(shí)，諧振電路的電感L下降，諧振頻率f。增加，外施頻率恒定不變，此時(shí)諧振電 路失諧，阻抗角不等于零，即電感量的變化導(dǎo)致諧振電路頻率、相位和阻抗的變化，所 以檢測(cè)上述3個(gè)參數(shù)的任一參數(shù)的變化即可檢測(cè)出車輛通過或存在的狀況。2. 2.環(huán)形線圈車輛檢測(cè)方案環(huán)形線圈車輛檢測(cè)方案由于電感量的變化表現(xiàn)為調(diào)諧電路頻率的變化、相位的變化和阻抗的變化，檢測(cè)電感變化量一般來說有3種方式：第一種是利用相位鎖存器和鑒相器，對(duì)相位的變化進(jìn)行檢測(cè)；第二種方式是利用由環(huán)形線圈構(gòu)成回路的渦合電路對(duì)其振蕩頻率進(jìn)行檢測(cè)；第三種是利用電壓倍壓器和檢波器對(duì)環(huán)形線圈諧振電路的

12、阻抗變化進(jìn)行檢測(cè)。 (1). 相位變化的檢測(cè)。 采用鎖相環(huán)技術(shù)和雙振蕩器方案，即采用兩個(gè)振蕩器結(jié)構(gòu)，主振蕩器作為基準(zhǔn)振蕩器，通過鎖相環(huán)技術(shù)提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓，從而使振蕩器反應(yīng)車輛通過的信息。環(huán)形線圈通過饋線與檢測(cè)器的變壓器相連，在電路工作時(shí)，環(huán)形線圈周圍就有主振頻率電流通過，并在環(huán)的周圍建立交變電磁場(chǎng)。在電路中還有一個(gè)由晶振產(chǎn)生的 頻率穩(wěn)定的參考信號(hào)，把主振蕩器的信號(hào)和參考信號(hào)一同送入鑒相器中，當(dāng)主振信號(hào)與參考信號(hào)的頻率不同時(shí)，鑒相器就會(huì)輸出控制電壓。因此，可以調(diào)整主振蕩器的工作頻率，使之逐步與參考信號(hào)的頻率相一致，最后全鎖定在參考頻率上。當(dāng)有車輛通過環(huán)形線圈時(shí)，由于環(huán)的電感量發(fā)生變化，使主振

13、蕩器的工作頻率就有了變化的趨勢(shì)，但在鎖相環(huán)的作用下，主 振頻率仍然保持與參考信號(hào)頻率一致。此時(shí)，鑒相器的輸出電壓發(fā)生了變化，并且使從振頻率也發(fā)生了變化。用單片機(jī)連續(xù)采集從振頻率的信號(hào)，并計(jì)算它的工作頻率，當(dāng)從振頻率的 值大于一定的門檻值時(shí)，就可以判斷出有車輛經(jīng)過環(huán)形線圈。 (2). 頻率變化的檢測(cè)。 頻率變化的檢測(cè)就是對(duì)整個(gè)諧振回路的振蕩頻率進(jìn)行檢測(cè)。其 工作原理是檢測(cè)單元同環(huán)形線圈與饋線線路組成一個(gè)耦合電路，當(dāng)電流通過環(huán)形線圈時(shí)， 在其周圍形成一個(gè)電磁場(chǎng)。在正常情況下，在機(jī)動(dòng)車輛未處在環(huán)形線圈所在位置的時(shí)候， 耦合電路振蕩頻率保持恒定，單片機(jī)在單位時(shí)間段測(cè)得的脈沖個(gè)數(shù)基本保持不變；幸機(jī) 動(dòng)車輛經(jīng)過環(huán)形線圈所在位置上方時(shí)，在金屬車體中感應(yīng)出渦流電流，渦流電流又產(chǎn)生 與環(huán)路相耦但方向相