常用车辆检测传感器综述

常用车辆检测传感器综述

前言随着城市规模的不断扩大以及人口持续增加，人们的工作生活越来越依赖于各种交通工具。经济不断发展，人们收入的增加，以及国家一系列的购车优惠政策，越来越多的人拥有汽车。城市各种车辆的增加给人们出行提供了方便，但是由于交通量的增加，容易造成交通拥堵，甚至出现交通事故。为了解决日益严重的交通问题，不能够仅仅依靠扩宽现有的道路或者修建新的道路，构建智能交通系统（Intelligent Transportation Systems，简称ITS）此时解决日益严重的道路交通问题的有效办法，而车辆检测传感器则是ITS中最重要的交通数据采集部分。

实时准确地检测道路车辆的交通流信息并预测未来道路交通状况,进而将预测信息提供给交通控制中心,才可能有效避免交通阻塞,减少出行时间和交通事故的发生。精确和可靠的检测数据是在交通控制中进行合理的信号配时优化的基础，有效地利用实时的交通数据预测未来的交通状况,是实现有效的交通控制关键所在。本文集中介绍了集中生活中常用的几种固定式车辆检测传感器的原理和特点，分析了在不同环境中，车辆检测传感器的选择方式。

固定式车辆检测传感器一般包括感应线圈式检测器、超声波检测器、微波检测器、红外线检测器、视频检测器、磁力检测器以及声学检测器等。

一、感应线圈检测器

1.1 工作原理

感应线圈车辆检测器在检测过程中利用了涡流效应，即根据电磁感应定律，当金属导体置于交变磁场中时，导体内就会产生感应电流，在导体内形成闭合回路电流。检测器LC谐振电路产生一定频率的正弦振荡信号，同时，正弦振荡信号经互感线圈感应到埋设在路面的环形激励线圈上，使其周围空间形成正弦交变磁场。

图1 线圈检测系统组成示意图

其主要构成包括:埋于路面以下较浅处的绝缘线圈、路边拉紧盒到控制箱的数据输入线以及装于控制箱内的电子元件，如图1所示。环形线圈检测系统与控制中心的主控机通过电缆连接、通信，主控机可发送信号，设置检测器的检测周期等工作状态，并监测检测器故障；检测器则将检测数据如车辆计数、占有率等传送至主控机，以便完成控制系统的信息存储、优化配置、方案选择和事件检测等功能，实现系统的最佳控制效果。当汽车停在或驶过绝缘线圈,车辆的金属部分产生涡流电流,且电流方向与线圈电流的方向相反,因此,引起涡流电流产生的磁场与线圈电流产生的磁场方向相反,使得线圈磁场场强减小,而线圈磁场场强的减小使得振荡电路的振荡频率增加,从而引发电子元件向控制箱发出脉冲,以表征车辆的出现和经过。

1.2 典型应用

感应线圈车辆检测器具有稳定性好、技术成熟、正常使用寿命长、性价比和精确度高等

特点。感应线圈检测器是一种非常容易设置和安装的检测装置,主要应用在道口收费、交通控制、停车场及车辆计数等方面。

但感应线圈式检测器安装和维护比较复杂，需要动用大量人力和物力等缺点和不足，需要进一步改进来提高性能。

二、超声波检测器

2.1 工作原理

超声波检测器是一种在高速公路上应用较多的检测器，它利用车辆形状对超声波波前的影响来实现检测。超声波车辆检测的探头具有发射和接受双重功能，被设置于道路的正上方或斜上方，向路面发射超声波，并接收来自车辆的反射波。如图2所示。

图2 超声波检测器示意图

超声波车辆检测器的工作原理可分为两种：传播时间差法和多普勒法。

传播时间差法即将超声波分割成脉冲射向路面并接收其反射波的方法。当有车辆时，超声波会经车辆提前返回，检测出超前于路面的反射波，就表明车辆存在或通过。

多普勒法即超声波探头向空间发射超声波同时接收信号，如果有移动物体，那么接收到的反射波信号就会呈现多普勒效应。利用此方法可检测正在驶近或正在远离的车辆，而不能检测出处于检测范围内的静止车辆。

2.2 典型应用

由于超声波传感器的检测区域由超声波发射器的波幅决定,因此,利用超声波传感器发射脉冲波,通过测量由路面或车辆表面发射的脉冲超声波的波形,可确定从传感器到路面或车辆表面的距离;同时,因路上有车和路上无车时的传感器所测信号有差别,可借此确定车辆的出现;传感器再利用接收的声信号转换为电信号,通过信号处理模块进行分析和处理,就可以得出车辆数量、车速以及车道占有率等交通流参数。

三、微波检测器

3.1 工作原理

微波检测器也称为雷达检测器，是基于多普勒效应原理进行工作的。当发射换能器向地面发射微波时，如果由车辆在微波发射线的覆盖区域内通过，会视部分微波发生反射，且被接收换能器收到。根据多普勒效应，接收到的微波频率将比原发射频率略高或略低，即产生频差（频率偏差）。利用检测电路，将频差转化为脉冲信号，即可检测车辆的存在或通过，同时也可以测定车速。

3.2 典型应用

微波车辆检测传感器一般安装在单车道道路中央的上方来测量过往车流的交通参数;也可在多车道道路的路边安装以测量多条车道上车辆的交通参数。

四、红外线检测器

4.1 工作原理

红外检测一般采用反射式或阻断式检测技术。例如反射式检测探头，它包括一个红外发光管和一个接收管。无车时，接收管不受光；有车时，接受车体反射的红外线。其工作原理是由调制脉冲发生器产生调制脉冲，经红外探头向道路上辐射，当由车辆通过时，红外线脉冲从车体反射回来，被探头的接收管接收。经红外调解器调解，再通过选通、放大、整流和滤波后触发驱动器输出一个检测信号，如图3。

图3 红外检测器工作示意图

4.2 典型应用

主动式红外线检测器可以提供车流中的各种参数,如流量、车道占有率、车速、车辆长度和车辆排队长度及车辆分类。可在一个交叉口上安装多个红外线检测器,而不存在发射红外线和接收红外线间的相互干扰。为适应车辆分类的需要,许多先进的红外线检测器能自动生成二维或三维的监视图像。

这类检测器存在的缺点是：工作现场的灰尘、冰雾会影响系统的正常工作。

五、声学检测传感器

5.1 工作原理

声学检测传感器检测来自车辆内部和车辆轮胎与地面接触的声音,可测量车辆通过、车辆出现及车速等交通流参数。当车辆通过检测区域时,信号处理算法感知到声音能量的提高,并产生车辆出现信号;当车辆驶离检测区域时,声音能量减少,低于传感器的检测阈值时,车辆出现信号消失。

5.2 典型应用

声学检测传感器通常用在高速公路检测现场和路口检测现场。在高速路处,它们被安装于桥上或者路中间的电杆上,从侧面对车辆进行检测。其中,在电杆上检测的效果较好。在路口处,设备在检测停在检测区域的车辆时非常困难,有时会漏记,有时少计。观察发现:少计和气温较低有关系,路上的积雪和少计也有关系。

六、视频检测器

基于视频图像处理的车辆检测技术是近年来逐步发展起来的一种新型车辆检测方法，它具有无线、可一次检测多参数和检测范围较大的特点，使用灵活，有着良好的应用前景。

图4图像处理车辆检测系统

视频检测传感器通过分析交通场景的图像来确定连续画面之间的变化,以达到检测车辆的目的。如图4所示，视频图像处理车辆检测系统通常由电子摄像机、图像处理机（包含微处理器）、显示器等部分组成。摄像机对道路的一定区域范围摄像，图像经传输线送入图像处理机，图像处理机对信号进行模/数转换、格式转换等，再由微处理器处理图像背景，实时识别车辆的存在，判别车型，由此进一步推导其他交通参数。图像处理机还可根据需要给监控系统的主控机、报警器等设备提供信号，控制中心则根据这些信号制定控制策略，发出整个控制系统的控制信号。

七、磁力检测传感器

由于当铁质物体通过地球磁场时,会引起地磁场的扰动，同理,磁力检测传感器就是通过检测磁场强度的异常来确定车辆出现。磁力检测传感器是被动接收设备，其工作原理是:当车辆接近磁力检测传感器的检测区域时,检测区域的磁力线受挤压;当车辆将要通过检测区域时,磁力线沿中心聚合;当车辆正在通过检测区域时,磁力线沿中心发散,这样,利用车辆接近、将要通过及正在通过检测区域时的磁力线的变化对车辆进行检测。

八、车辆检测器的选择

在不同的道路、交通和天气条件下，不同的检测技术所表现出来的技术性能也具有一定的差异，检测器的选用也不同，各传感器优缺点对比如下图所示，表1给出了不同应用场所常用的检测技术分析比较（不包括常用的环形线圈）。

表1不同应用场所可选用的检测技术

九、总结

交通检测器以车辆为检测目标，检测车辆的通过或存在状况，也检测路上车流的各种参数，其作用是为控制系统提供足够的信息以便进行最优的控制。各种车辆检测器分别有各种优点，但也因感应线圈式检测器安装维护比较复杂，需要动用大量人力物力；脉冲超声检测器、雷达检测器的检测精度和抗干扰性能较差，容易受环境的干扰；视频检测器其检测精度受天气、光线的影响比较大，镜头容易受灰尘的影响等各自缺点，所以需要对车辆检测器进行进一步改进，并通过对具体环境进行分析来选择合适的车辆检测传感器，从而使各车辆检测器发挥其最大的作用，为道路安全畅通提供保障。

参考文献

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