地磁测速技术设计说明

1、1引言概述地磁车辆检测技术是一种新型的用于车辆交通状态检测的技术，采用高精度的弱磁传感 器来感应被测范围内车辆的移动信息（驶入、驶出、停留等）及车辆的本征信息（车型、轴 距等）。与传统的地感线圈检测技术及雷达相比，地磁检测技术具有独特的优势：地磁检测器在施工过程中无需大面积切割路面，对路面损伤小，施工容易。地磁检测器采用探头全防水设计，不易损坏。测速准确，可达土 1km/h。不受其它移动目标的干扰。地磁检测技术的不足之处主要表现在：与雷达测速系统相比，无法实现机动灵活的部属。综上所述，地磁检测系统适合应用于固定点测速、交通监测卡口等位置，能够完成车流 量检测、测速等工作。术语地磁：地球南北极之

2、间的固有磁场。地磁车辆检测器（在本文中简称地磁探头）：一种检测地磁的传感器，通过检测车辆经 过时对空间磁场的扰动来分析车辆相关信息的装置。地磁测速器：以地磁探头为检测单元测量通过测试路段车辆平均速度的装置。引用及依据磁性传感器的选择与应用发表于仪器仪表与传感器2002年12月。技术要求运行环境2.1.1工作环境温度：-40C+85C2.1.2工作环境湿度：地磁探头：防水；地磁测速器：5%90% （不凝结）2.1.3电磁干扰：以地磁探头为中心35m范围内不应有低频（10kHz以下）大功率 干扰源，如高压输变电设备、电焊机等。2.1.4 电源电压：DC 12V （土10%），纹波 P-P 值5mV

3、。条件限制2.2.1路面安装时，安装深度（距路面）520cm。2.2.2混凝土路基安装时，可安装于钢筋骨架之下，钢筋骨架不会对探头工作造成 影响，但深度不应大于20cm。2.2.3多个探头安装时，探头连接线总长度不应大于1000m，如果必须大于1000m， 需采用多个地磁测速器分开连接，使每个地磁测速器上挂接地磁探头的总连 线长度小于1000m。2.2.4在5250km/h的量程范围内：当测速精度要求为1km/h时，同一车道的两 只地磁探头距离应大于10m，小于25m；当测速精度要求为2km/h时，同 一车道的两只地磁探头距离应大于5m，小于25m。可靠性措施2.3.1全部采用工业级电子元器件

4、。2.3.2地磁探头、地磁测速器内置高速MCU，内部WDT电路保证工作可靠性。2.3.3内置温度传感器，当温度超过允许的范围时，自动停机保护。2.3.4内置零点校正电路，自动对环境背景磁场进行校正，消除探头周围温度、铁 磁性材料移动等对检测造成的影响。2.3.5控制信号采485网络传输，抗干扰能力强。2.3.6触发信号由20mA电流环传输，具有18V瞬间过压保护功能，在保证实时性 的同时，进一步提高抗干扰能力。2.3.7每只地磁探头供电最大限制电流500mA，单只探头短路不会影响其它探头工 作。2.3.8电路采用全固态器件，没有磁控管、地感线圈等易损器件，工作稳定可靠。2.4 功耗地磁测速器功

5、耗约：0.4W。地磁探头功耗约：0.7W。系统最小配置是一个地磁测速器和两只地磁探头，可以监测一个车道上通过的车辆，总 功耗：0.4 + 0.7 x 2 = 1.血）系统完全配置是一个地磁测速器和八只地磁探头，可以监测四个车道上通过的车辆，总 功耗：0.4 + 0.7 x 8 = 6（W ）技术方案系统构成地磁测速设备通常和图像抓拍系统协同工作。硬件构成3.2.1地磁探头。微处理器：C8051F007串行总线：SP3485EN触发通讯：PC817C磁场检测：HMC102X信号放大：AMP04FS3.2.2地磁测速器。微处理器：C8051F020串行总线：SP3485EN、SP3232EEY3.

6、2.3电源。3.2.4信号线及其它附件。工作原理地球磁场在很广阔的区域内（大约几公里）和长期的时间内（数千年）是一定的。在一 个相对恒定的背景磁场下，如果出现了一个铁磁性物体（如汽车），无论它是运动的还是静 止的，地球磁场都将会发生扰动（图1-1）。地磁传感器可检测由于车辆干扰而引起的地磁 场的变化，分析车辆的相关状态（如驶入、驶出、停留）进而完成测速、触发等工作。图1-1车辆对地求磁场的扰动地磁测速是基于地磁车辆检测技术完成的。在车辆的行驶方向上的固定位置顺序安装两 只地磁探头，车辆通过时将产生两个触发信号，触发信号的间隔时间与车辆通过时的平均速 度成反比。Sv t因此，只要精确测量触发信号

7、的间隔时间（t）和两只地磁探头之间的距离（S），就可 以测出车辆通过时的平均速度（V）。微处理器资源分配地磁探头（C8051F007）串行接口 UART0： 485 通讯。3.4.1.2模数转换顺AD0AD3：磁场信号采样。3.4.1.3数模转换DA0:放大器（AMP04FS）参考电压。3.4.1.4并行接口 P03：指示灯。3.4.1.5并行接口 P05:磁场传感器（HMC102X）置位、复位信号 3.4.2地磁测速器3.4.2.1串行接口 UART0： RS232主机通讯。串行接口 UART1： RS485 通讯。3.4.2.3并行接口 P1：指示灯。3.4.2.4并行接口 P2:探头触发

8、信号输入。软件流程地磁探头3.5.2地磁测速器在地磁测速器中，八个探头组成四个通道，每个通道的工作情况相同，如上图。现仅以 一个通道为例进行说明：当车辆通过时，首先经过的探头称为前探头，之后经过的探头称为后探头。当车辆通过前探头时，启动计时器；当车辆到达后探头时，停止计时器，计算机速度值， 并通过UART0发送速度值。此时，连接在UART0上的视频处理系统（如工控机）就可以 采集监视后探头位置的图像，计录车辆通过的信息。功能描述及算法本系统核心算法有两种：在地磁探头中执行车辆检测算法，判断有无车辆；在地磁测速 器中执行速度计算，计算出车辆通过时的速度。4.1 车辆检测算法大的铁磁物体的磁扰动，

9、如一辆汽车，可看作多个双极性磁铁组成的模型。这些双极性 磁铁具有北一南的极化方向，引起地球磁场的扰动。这些扰动在汽车发动机和车轮处尤为明显，但也取决于在车辆内部、车顶或后备箱中有没有其它铁磁物质。总之，其综合影响是对 地球磁场磁力线的扭曲和畸变，见图4-1，这种扭曲也被称作车辆的硬铁影响或干扰。图4-1在均匀磁场中铁磁性物体引起的畸变在车辆经过的位置安置一个三轴地球磁场传感器，可用来检测车辆的存在。当车辆经过 时，会引起三轴地磁传感器输出的变化，该曲线的特点是：当传感器与车辆平行时出现峰 值。当在车辆距传感器1英尺的情形下（图4-2），对该曲线进行平滑处理后，可用来指示 车辆的存在。通过建立合

10、适的阀值，可以滤掉旁边车道的车辆或远距离车辆带来的干扰信号。图4-2A当一辆轿车在传感器上方1英尺经过时对X轴磁场的影响图4-2C当一辆轿车在传感器上方1英尺经过时对Z轴磁场的影响上面讲述的方法对三轴地磁传感器的安装方向有比较严格的要求，不易于施工；另一种 对地磁传感器的安装方向无要求的检测车辆存在的方法是观察磁场变化的大小：磁场的大小=（X2 + 口 2 + Z 2数值的变化表明了对地磁场整体的干扰的程度。图4-3显示了传感器距车辆1英尺、5 英尺、10英尺和21英尺时，一辆轿车通过所产生的曲线。在不同距离下，图4-3曲线的形状很相似，但是信号强度却大不相同。从1英尺到5英 尺，信号强度衰减

11、得非常快。图4-4显示了这种数值上的快速衰减。当传感器只检测单一车 道车辆从图4-4可以看出，磁传感器在1 至4英尺的检测距离范围内可以工作得很好。通过 观察磁场的变化，可以确定通过车辆的存在和行驶。这种检测方法的好处是无电磁波辐射、 安装方便、工作可靠。传感器可以安装在非铁磁性材料（如消磁不锈钢）制成外壳中，做成 地磁探头。如果探头和检测目标之间有少量静止的铁磁性物体不会对探头的工作产生影响， 仅需调整探头的灵敏度即可。速度计算磁测速是基于地磁车辆检测算法完成的。在车辆的行驶方向上的固定位置顺序安装两只 地磁探头，车辆通过时将产生两个触发信号，触发信号的间隔时间与车辆通过时的平均速度 成反比

12、。设：两只探头的距离是S车辆到达第一个探头的时间是ts车辆到达第二个探头的时间是t0车辆行驶的速度是vSV =t t因此，测量触发信号的时间（ts和t0）和两只地磁探头之间的距离（S）,就可以测出车 辆通过时的平均速度（V）。S工作过程测速系统按如下步骤完成测速：车辆驶入测速区当车辆驶入测速区时，前探头向地磁测速器发出触发信号，地磁测速器开始计时，计时 精度为ImSec。车辆驶出测速区当车辆驶出测速区时，后探头向地磁测速器发出触发信号，地磁测速器停止计时，此时， 得到车辆通过测速区的时间t。计算速度测速区的长度（即探头的距离）S是一个固定值，此时，将得到的时间t和距离S按4.2 节公式计算，可得到速度值V。抓拍取证完成速度计算之后，地磁测速器通过UART0（RS23