壓電傳感器在車輛行駛稱重中的應(yīng)用

李鵬

摘要：車輛的超載超限運(yùn)輸己經(jīng)成為公路、橋梁和隧道的頭號(hào)“殺手”，嚴(yán)重影響到車輛的行駛安全。車輛在行駛中稱重的問(wèn)題急需解決。壓電傳感器是一種能把動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能的特殊材料，很適合用于檢測(cè)高速行駛過(guò)程中車輛的載重。應(yīng)用壓電傳感器檢測(cè)時(shí)不需要車輛放慢速度，不影響車輛的正常行駛。它可在高速公路車輛超重超限監(jiān)測(cè)和橋梁、隧道的超載警告系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。本文主要分析探討了壓電傳感器在車輛行駛稱重中的應(yīng)用情況，以供參閱。

關(guān)鍵詞：壓電傳感器；車輛行駛；稱重；應(yīng)用

當(dāng)今社會(huì)車輛超載現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮，這種違反交通法規(guī)的不當(dāng)行為，影響交通安全，給市政道路橋梁路面帶來(lái)極大壓力，縮減道路使用壽命，降低道路橋梁工程綜合質(zhì)量。然而，相較于發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)道路橋梁車輛行駛稱重存在技術(shù)設(shè)備滯后消極現(xiàn)象，車輛超載現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮，為市政道路橋梁帶來(lái)極大壓力?；诖?，為使車輛超載現(xiàn)象得以有效控制，分析在車輛行駛稱重過(guò)程中，壓電傳感器應(yīng)用方略顯得尤為重要。

1壓電傳感器的檢測(cè)原理

在特殊加工狀態(tài)下，可以將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的材料稱為壓電材料，壓電材料在機(jī)械沖擊和振動(dòng)時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生電荷。處于材料原子層的偶極子，其順序被打亂后會(huì)形成一個(gè)電子流，并具有恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)的意愿。一旦有壓力施加到傳感器上，就會(huì)產(chǎn)生電壓，如果去掉負(fù)載，那么就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相反極性的信號(hào)，它產(chǎn)生的電壓比較高，傳感器產(chǎn)生的電流卻很小。壓電傳感器主要的通過(guò)檢測(cè)車輛輪胎施加到傳感器上的壓力，產(chǎn)生成正比的模擬電壓、信號(hào)等，且保證輸出壓力信號(hào)的時(shí)間與輪胎停留在傳感器時(shí)間相同。如果有輪胎經(jīng)過(guò)傳感器，傳感器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電子脈沖，由此可見(jiàn)，壓電傳感器對(duì)行駛車輛的檢測(cè)原理是對(duì)其受力產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行分析。這種檢測(cè)和稱重的技術(shù)與方法，不需要車輛放慢速度，不會(huì)影響車輛的正常形式，且檢測(cè)精度較高，比較適用于中高級(jí)公路中推廣與應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、自動(dòng)、實(shí)時(shí)、方便的車輛檢測(cè)，并有效地進(jìn)行檢測(cè)信息的分析、處理、打印以及存儲(chǔ)，有效地抑制了日益嚴(yán)重的車輛超載超速現(xiàn)象，為廣大司機(jī)朋友營(yíng)造一個(gè)安全的行車環(huán)境。

2壓電傳感器軟件及硬件的應(yīng)用

通過(guò)對(duì)壓電傳感器應(yīng)用原理進(jìn)行分析可知，作為電氣裝置，在車輛行駛稱重領(lǐng)域的應(yīng)用，需要與相關(guān)交通管理系統(tǒng)相融合，數(shù)據(jù)采集、整理、分析均需在相應(yīng)的系統(tǒng)內(nèi)完成，為此壓電傳感器在車輛行駛稱重應(yīng)用過(guò)程中，需軟件及硬件給予該技術(shù)有力支持?；诖?，為使壓電傳感器在車輛行駛稱重過(guò)程中得以有效應(yīng)用，分析壓電傳感器軟件及硬件的應(yīng)用勢(shì)在必行。（1）硬件系統(tǒng)構(gòu)成及應(yīng)用。壓電傳感器硬件系統(tǒng)主要由上位機(jī)、下位機(jī)、全景攝像機(jī)及拍照攝像機(jī)等硬件構(gòu)成，其中上位機(jī)由主控單元（工控機(jī)）、通訊設(shè)施（硬盤）、I/O板、圖像采集卡1及卡2構(gòu)成，圖像采集卡1與汽車牌照攝像機(jī)相互連接，用以獲取車輛牌照信息，圖像采集卡2與全景攝像機(jī)相互連接，用以獲取行駛車輛全景信息。下位機(jī)主要由電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成，用以控制擴(kuò)展單元，可在車輛經(jīng)過(guò)壓電傳感器時(shí)，發(fā)出車輛行駛稱重檢測(cè)信號(hào)，為壓電傳感器軟件分析提供依據(jù)。（2）壓電傳感器軟件應(yīng)用。負(fù)責(zé)提供壓電傳感器提供電源的軟件為“電氣控制單元”，為獲取更多有關(guān)檢測(cè)車輛的數(shù)據(jù)及相關(guān)信息，由黑白攝像單元負(fù)責(zé)獲取稱重車輛車牌號(hào)，由彩色攝像單元負(fù)責(zé)獲取稱重車輛全景信息，為車輛超重追責(zé)提供科學(xué)有效的數(shù)據(jù)支持。負(fù)責(zé)稱重檢測(cè)的軟件為擴(kuò)展控制單元，該單元可及時(shí)獲取車輛行駛所產(chǎn)生的信號(hào)，該信號(hào)傳輸至壓電傳感器中進(jìn)行信號(hào)分析，其中分析信號(hào)波的軟件為Atmega116在線編程，通過(guò)分析信號(hào)波變化情況，得出車輛是否在行駛過(guò)程中存在超載現(xiàn)象，具體軟件操控流程在由主程序控制程序內(nèi)踐行，其中CLI//禁全局中斷，保障軟件得以有效運(yùn)行，待堆棧設(shè)置后，汽車行駛稱重?cái)?shù)據(jù)傳輸至I/O端口并進(jìn)行初始化，待初始化后依據(jù)交通管理客觀需求，I/O端數(shù)據(jù)將被清零，以便保障軟件存儲(chǔ)功能穩(wěn)定有效，需繼續(xù)進(jìn)行分析的數(shù)據(jù)進(jìn)入寄存器并進(jìn)行初始化，分析其PD3=1//線圈信號(hào)，若無(wú)信號(hào)徐再次將數(shù)據(jù)原路返回，在寄存器內(nèi)進(jìn)行初始化，若有信號(hào)則進(jìn)入SEI//允許全局中斷，隨后由串口輸出數(shù)據(jù)，得出車輛行駛稱重結(jié)論。

3壓電傳感器檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

與眾多的技術(shù)一樣，壓電軸傳感器的應(yīng)用已擴(kuò)展成一門技術(shù)，在過(guò)去數(shù)年里取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。美國(guó)MSI公司經(jīng)過(guò)多年研究，開(kāi)發(fā)出了一種共聚物壓電軸傳感器，該傳感器被用于檢測(cè)車軸數(shù)、軸距、車速監(jiān)控，車型分類，動(dòng)態(tài)稱重（WIM），收費(fèi)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(chǎng)滑行道。共聚物壓電軸傳感器的長(zhǎng)處是可獲取精確的、具體的數(shù)據(jù)，如精確的速度信號(hào)、觸發(fā)信號(hào)和分類信息及長(zhǎng)期反饋交通信息統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。壓電軸傳感器作為闖紅燈照相機(jī)的觸發(fā)器，安裝在紅燈線前，在高密度交通流量時(shí)使用。在美國(guó)的馬里蘭州霍華縣，由于安裝了采用壓電軸傳感器的闖紅燈拍照系統(tǒng)，在一年內(nèi)闖紅燈事件減少了53%，只有3.2%提出由法庭審判，90%的法庭審判證明事主違章。巴西、德國(guó)、日本和韓國(guó)在壓電檢測(cè)的車輛行駛中稱重功能方面有大量的應(yīng)用。其主要用途是高速公路車輛超載監(jiān)測(cè)的預(yù)選和橋梁超載警告系統(tǒng)，判斷正在行駛中的車輛，尤其是駛過(guò)橋梁的車輛是否超載，由視頻系統(tǒng)拍下車牌號(hào)記錄在案，然后再由執(zhí)法機(jī)構(gòu)用精度較高的低速稱重系統(tǒng)判斷超載量并根據(jù)超載量罰款。

4結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，我國(guó)科學(xué)技術(shù)日新月異，為社會(huì)各領(lǐng)域生產(chǎn)和管理帶來(lái)了便利。面對(duì)日益增加的車輛量，如何為司機(jī)朋友營(yíng)造一個(gè)安全的行車環(huán)境，交通管理部門應(yīng)加大對(duì)這方面技術(shù)和設(shè)備的開(kāi)發(fā)，引入壓電傳感器技術(shù)，用于車輛行駛稱重和測(cè)速中，將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和壓力傳感器有機(jī)結(jié)合，減少了人為的干預(yù)，大大提高了測(cè)量的精度，有利于幫助交通管理人員掌握所有車輛的行車信息，從而控制車輛超速超載問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)車輛稱重智能化和科學(xué)化。

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（作者單位：石家莊工程技術(shù)學(xué)校）