环形线圈检测技术

1、交通控制技术基础交通控制技术基础交通信息检测与处理系统示意图2.交通信息检测技术交通信息检测技术 在进行交通规划、路网设计及交通管理等在进行交通规划、路网设计及交通管理等众多交通方面中，交通信息检测是至关重众多交通方面中，交通信息检测是至关重要的，它是交通发展规划和道路交通科学要的，它是交通发展规划和道路交通科学管理的重要基础和前提。管理的重要基础和前提。 智能型交通信息检测技术主要是运用新型智能型交通信息检测技术主要是运用新型电子技术、信息技术等手段对电子技术、信息技术等手段对动态交通信动态交通信息息进行检测的技术。为交通规划与管理提进行检测的技术。为交通规划与管理提供更可靠的信息基础。供更

2、可靠的信息基础。2.交通信息检测技术交通信息检测技术 该章的主要内容为： 环形线圈感应式检测技术环形线圈感应式检测技术 视频检测技术视频检测技术 微波检测技术微波检测技术 红外及超声波检测技术红外及超声波检测技术2.1 环形线圈感应式检测技术环形线圈感应式检测技术该节的主要内容：环形线圈检测器的基本原理环形线圈检测器的布设基于环形线圈的交通量获取技术1. 环形线圈的优缺点2.1 环形线圈感应式检测技术环形线圈感应式检测技术 环形线圈感应式检测技术是运用环形线圈作为检测传感器环形线圈感应式检测技术是运用环形线圈作为检测传感器来检测车辆通过或存在于检测区域的技术。主要由三部分组成来检测车辆通过或存

3、在于检测区域的技术。主要由三部分组成：环形线圈车辆传感器、传输馈线、检测处理单元。环形线圈车辆传感器、传输馈线、检测处理单元。多个线圈多个线圈检测到的信息经控制单元、调制解调后传给控制中心，组成整检测到的信息经控制单元、调制解调后传给控制中心，组成整个车辆检查系统。如下图所示：个车辆检查系统。如下图所示：环形线圈检测器结构环形线圈检测器结构车辆检测系统组成框图车辆检测系统组成框图2.1.1 2.1.1 环形线圈传感器的工作原理环形线圈传感器的工作原理线圈中的线圈中的总电感（总电感（线圈自感和线圈与车辆间互感）线圈自感和线圈与车辆间互感）起直接作用起直接作用。自感：自感：环形线圈自感的大小取决于

4、线圈的周长、环绕面积、匝环形线圈自感的大小取决于线圈的周长、环绕面积、匝数及周围介质情况。当车辆进入环形线圈时，改变了线圈周围的数及周围介质情况。当车辆进入环形线圈时，改变了线圈周围的介质情况，铁磁车体使导磁率增加，从而自感量增加。介质情况，铁磁车体使导磁率增加，从而自感量增加。互感：互感：环形线圈被加上了交变电流，在其周围产生了交变电磁环形线圈被加上了交变电流，在其周围产生了交变电磁场当铁磁性的车体进入环形线圈时，车体内就会产生涡流。此涡场当铁磁性的车体进入环形线圈时，车体内就会产生涡流。此涡流会损耗环形线圈产生的电磁能，即此涡流产生的磁场与原磁场流会损耗环形线圈产生的电磁能，即此涡流产生的

5、磁场与原磁场的方向相反，对环形线圈的磁场具有去磁作用，因此，会使环形的方向相反，对环形线圈的磁场具有去磁作用，因此，会使环形线圈的电感量减少。线圈的电感量减少。线圈的频率通常设在几十线圈的频率通常设在几十KhzKhz100Khz100Khz内，此时涡流的去磁作用内，此时涡流的去磁作用占主导地位，当车辆进入环形线圈的范围时，其电感量将减小。占主导地位，当车辆进入环形线圈的范围时，其电感量将减小。2.1.1 2.1.1 环形线圈传感器的工作原理环形线圈传感器的工作原理 在检测时，车辆可以被等效地看成是具有一在检测时，车辆可以被等效地看成是具有一定电路参数的电路，它与环形线圈之间存在一定定电路参数的

6、电路，它与环形线圈之间存在一定的互感。可将其关系等效为以下电路图：的互感。可将其关系等效为以下电路图：车辆线圈环形线圈车辆传感器等效电路图环形线圈车辆传感器等效电路图根据等效电路建立其关系方程：0hhhhcrhccccR Ij L Ij MIUj MIR Ij L I由上方程组可得出：（1）（2）222222()()()()crhhccchchMLUIjLRMRLRRL2.1.1 2.1.1 环形线圈传感器的工作原理环形线圈传感器的工作原理 式（2）中分母即为车通过时环的等效阻抗，实部为等效电阻，是M的函数，M增大，等效损耗增加。等效电感为：2222( )()DhcccMLLLRL（3）上式中

7、，第一项( )hL的变化幅度与车辆材料的导磁率有关（自感），第二项与涡电流效应有关（互感），M平方正比。检测时车辆覆盖线圈的面积愈大，车辆的底盘愈低，则互感系数M越大，检测灵敏度也越高。2.1.1 2.1.1 环形线圈检测器的工作原理环形线圈检测器的工作原理自感：自感： 由电磁场理论可知，任何载流导线都将在其周围产生磁场。对于长由电磁场理论可知，任何载流导线都将在其周围产生磁场。对于长度为度为l l、匝数为匝数为N N的螺线管型线圈，其内磁场强度均匀，其自感量为：的螺线管型线圈，其内磁场强度均匀，其自感量为：2.1.1 2.1.1 环形线圈传感器的工作原理环形线圈传感器的工作原理 环形线圈检测

8、器主要由环形线圈、调谐回环形线圈检测器主要由环形线圈、调谐回路、检测电路和输出放大器组成，另外新型环路、检测电路和输出放大器组成，另外新型环形线圈检测器还有微处理器。通常是由几匝金形线圈检测器还有微处理器。通常是由几匝金属线绕制成的环形线圈作为传感器，用作调谐属线绕制成的环形线圈作为传感器，用作调谐回路中的一个电感元件，与车辆检测器的振荡回路中的一个电感元件，与车辆检测器的振荡回路一起形成回路一起形成LCLC谐振。谐振。2.1.1 2.1.1 环形线圈传感器的工作原理环形线圈传感器的工作原理 LC谐振电路： 通过LC谐振电路可以检测电感量的变化。选择合适的电容C，使调谐回路有一个固有振荡频率（

9、即谐振频率）：可知，当车辆进入环形线圈的区域时，其总的电感可知，当车辆进入环形线圈的区域时，其总的电感量量L L将减小，谐振回路的频率将增加。由检测电路将减小，谐振回路的频率将增加。由检测电路检测出这个频率的变化就可以判断是否有车辆经过。检测出这个频率的变化就可以判断是否有车辆经过。2.1.1 2.1.1 环形线圈传感器的工作原理环形线圈传感器的工作原理 检测这个电感变化量一般来说有两种方式检测这个电感变化量一般来说有两种方式: : （1 1）、利用由环形地埋线圈构成回路的耦合电）、利用由环形地埋线圈构成回路的耦合电路对其振荡频率进行检测路对其振荡频率进行检测; ; （2 2）、利用相位锁存器

10、和相位比较器）、利用相位锁存器和相位比较器, , 对相位对相位的变化进行检测。的变化进行检测。2.1.1 2.1.1 环形线圈传感器的工作原理环形线圈传感器的工作原理 检测器通过检测该电感变化量就可以检测出车辆检测器通过检测该电感变化量就可以检测出车辆的存在，在微处理器（更强的信号处理功能）的参的存在，在微处理器（更强的信号处理功能）的参与下，输出电路先将脉冲信号进行放大，然后以频与下，输出电路先将脉冲信号进行放大，然后以频率、模拟量或数字输出。率、模拟量或数字输出。 频率输出可以用来测速、车辆存在、占有率频率输出可以用来测速、车辆存在、占有率; ; 模拟量输出可以用来判别车辆类型模拟量输出可

11、以用来判别车辆类型; ; 数字输出可以用于计数。数字输出可以用于计数。2.1.1 2.1.1 环形线圈传感器的工作原理环形线圈传感器的工作原理 环形线圈检测器的工作原理概括：根据电磁场耦合原理设计而成，当环形线圈中通过一定频率的电流时，若给线圈断面加钢板，线圈涡流的去磁作用会大于铁磁质的增磁作用而使得线圈的等效电感量明显减小；而车辆通过与加钢板情况相似，检测线圈根据这一原理达到检测目的。 涡流在金属体中有一定的径向范围，它在对应激励线圈的涡流在金属体中有一定的径向范围，它在对应激励线圈的外径处，电流密度最大，而在小于和大于线圈外径的地方外径处，电流密度最大，而在小于和大于线圈外径的地方衰减很快

12、，形成一个导电环；环形线圈的磁场并不是均匀衰减很快，形成一个导电环；环形线圈的磁场并不是均匀分布，线圈中点处的磁感应强度比其他点都弱一些，越靠分布，线圈中点处的磁感应强度比其他点都弱一些，越靠近导线的地方，磁感应强度越大，而在线圈拐弯处，磁感近导线的地方，磁感应强度越大，而在线圈拐弯处，磁感应强度为最大。应强度为最大。 设计线圈形状及尺寸原则设计线圈形状及尺寸原则：由于环形线圈的磁场并不是均：由于环形线圈的磁场并不是均匀分布，为增大检测灵敏度（即增大互感系数匀分布，为增大检测灵敏度（即增大互感系数M M），在设计），在设计线圈形状及尺寸时应使线圈形状及尺寸时应使车体覆盖磁感应强度大的区域车体覆

13、盖磁感应强度大的区域以及以及车体覆盖较大的环形感应线圈面积。车体覆盖较大的环形感应线圈面积。2.1.22.1.2环形线圈传感器的布设环形线圈传感器的布设为提高检测灵敏度为提高检测灵敏度一般绕法线圈的尺寸略小于车辆宽度为宜一般绕法线圈的尺寸略小于车辆宽度为宜可绕成其它形状（如菱形、8字形等）自行车的检测，常将长方形的线圈与路通行方向呈45度布设。环形线圈采用特殊的8字形绕线方法。如右图所示：2.1.22.1.2环形线圈传感器的布设环形线圈传感器的布设2.1.22.1.2环形线圈传感器的布设环形线圈传感器的布设城市道路感应线圈的布设图不同系统、不同的控制要求可有不同的布设放案不同系统、不同的控制要

14、求可有不同的布设放案2.1.2 2.1.2 环形线圈传感器的布设环形线圈传感器的布设 线圈布设参数如下 地面地面3030 50mm 50mm 下下 挖掘一个挖掘一个2m 2m 1. 5m 1. 5m 左右的长方形沟槽左右的长方形沟槽 沟槽宽度约沟槽宽度约4 4 10mm10mm，4545度倒角。度倒角。 电感线圈通常为电感线圈通常为4 4 6 6匝。匝。 注：根据实际需要，可以改变线圈的形状、注：根据实际需要，可以改变线圈的形状、尺寸等。尺寸等。2.1.3 2.1.3 基于环形线圈的交通量获取技术基于环形线圈的交通量获取技术环形线圈检测器可以用于统计道路的某一断环形线圈检测器可以用于统计道路的

15、某一断面车辆经过情况，根据确定的采样时间间隔，面车辆经过情况，根据确定的采样时间间隔，计算得到所需的交通参数。计算得到所需的交通参数。 * * 流量流量 * * 时间占有率时间占有率 * * 速度（单线圈、双线圈）速度（单线圈、双线圈） * * 车型识别及分类车型识别及分类 * * 平均车长平均车长 2.1.3 2.1.3 基于环形线圈的交通量获取技术基于环形线圈的交通量获取技术（1 1）、流量）、流量利用线圈对车的感应，在控制单元加上计数器来统计车流量利用线圈对车的感应，在控制单元加上计数器来统计车流量2.1.3 2.1.3 基于环形线圈的交通量获取技术基于环形线圈的交通量获取技术100fl

16、Otv1() 100%NjiijtOT（2 2）、基于环形线圈的道路占有率统计）、基于环形线圈的道路占有率统计单位时间内通过车辆数为f，单位为pcu/h，则车流量f与道路占有率O的关系为：单车道时间t内，车辆在环形线圈上的时间比例。（时间占有率） 由于以上部分数据难以测量，可以用下面方法代替，设在某个观测期T 内, 共有N 辆车通过线圈, 测得i 车道车辆j 通过环形线圈的方波方波宽度为tji, 则该时间段内, 车道i 上车辆的时间占有率为：2.1.3 2.1.3 基于环形线圈的交通量获取技术基于环形线圈的交通量获取技术1 1）单线圈测速）单线圈测速 单线圈测速的方法只使用一个线圈检测，通过计

17、测车辆通单线圈测速的方法只使用一个线圈检测，通过计测车辆通过时所对应的过时所对应的方波波形宽度方波波形宽度来达到检测目的，其代表车辆通来达到检测目的，其代表车辆通过所需时间，以车辆长度除之即可。即：过所需时间，以车辆长度除之即可。即：offonlvtt由于实际车辆的长度未知，车身长度由于实际车辆的长度未知，车身长度l通常取车长的平均值，通常取车长的平均值，这使得估计精度下降。因此，根据以上方法可对测量周期内这使得估计精度下降。因此，根据以上方法可对测量周期内所有通过线圈的车辆求得所有通过线圈的车辆求得平均速度。平均速度。（3 3）、基于环形线圈的速度测量）、基于环形线圈的速度测量2.1.1 2

18、.1.1 环形线圈传感器的工作原理环形线圈传感器的工作原理单线圈测速2.1.3 2.1.3 基于环形线圈的交通量获取技术基于环形线圈的交通量获取技术从图看到，从图看到，（1 1）、当车辆前沿进入环形线圈的一边时，检测器被触发）、当车辆前沿进入环形线圈的一边时，检测器被触发产生信号输出，而当车辆尾部驶离环形线圈另一边时，信号产生信号输出，而当车辆尾部驶离环形线圈另一边时，信号强度低于触发阈值，输出电平为零。强度低于触发阈值，输出电平为零。（2 2）、车辆通过检测器产生的脉冲信号经过平滑滤波处理）、车辆通过检测器产生的脉冲信号经过平滑滤波处理后，形成方波信号输出。一个方波信号即可以表示一辆车的后，

19、形成方波信号输出。一个方波信号即可以表示一辆车的通过；通过；（3 3）、方波信号的宽度，即是车辆占用检测器的时间。）、方波信号的宽度，即是车辆占用检测器的时间。（4 4）、对于双线圈检测系统，通过得到前线圈脉冲的起跳）、对于双线圈检测系统，通过得到前线圈脉冲的起跳沿和后线圈的脉冲起跳沿的时间之差以及两个线圈之间的距沿和后线圈的脉冲起跳沿的时间之差以及两个线圈之间的距离离D D，即可得到经过双线圈检测器的车辆的地点速度。，即可得到经过双线圈检测器的车辆的地点速度。2.1.3 2.1.3 基于环形线圈的交通量获取技术基于环形线圈的交通量获取技术2 2）双线圈测速）双线圈测速 则通过车速为：2.1.

20、3 2.1.3 基于环形线圈的交通量获取技术基于环形线圈的交通量获取技术 为了提高速度估计的精度，可以充分利用车辆驶入线圈和离为了提高速度估计的精度，可以充分利用车辆驶入线圈和离开线圈的时间，如图所示。则得下式：开线圈的时间，如图所示。则得下式：31421()2DDvtttt2.1.3 2.1.3 基于环形线圈的交通量获取技术基于环形线圈的交通量获取技术（4 4）、车辆识别分类）、车辆识别分类 线圈频率变化量只与车辆底部的几何形状、车辆底盘高度、线圈频率变化量只与车辆底部的几何形状、车辆底盘高度、车速等特征有关，而车辆底部构造的形状和车又具有密切关系，车速等特征有关，而车辆底部构造的形状和车又具有密切关系，因此可以利用车辆检测卡高速采集环形线圈频率变化的数据，因此可以利用车辆检