壓電傳感器在車輛行駛稱重中的應用

李鵬

摘要：車輛的超載超限運輸己經成為公路、橋梁和隧道的頭號“殺手”，嚴重影響到車輛的行駛安全。車輛在行駛中稱重的問題急需解決。壓電傳感器是一種能把動能轉換為電能的特殊材料，很適合用于檢測高速行駛過程中車輛的載重。應用壓電傳感器檢測時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測和橋梁、隧道的超載警告系統中發揮著重要的作用。本文主要分析探討了壓電傳感器在車輛行駛稱重中的應用情況，以供參閱。

關鍵詞：壓電傳感器；車輛行駛；稱重；應用

當今社會車輛超載現象屢見不鮮，這種違反交通法規的不當行為，影響交通安全，給市政道路橋梁路面帶來極大壓力，縮減道路使用壽命，降低道路橋梁工程綜合質量。然而，相較于發達國家，我國道路橋梁車輛行駛稱重存在技術設備滯后消極現象，車輛超載現象屢見不鮮，為市政道路橋梁帶來極大壓力。基于此，為使車輛超載現象得以有效控制，分析在車輛行駛稱重過程中，壓電傳感器應用方略顯得尤為重要。

1壓電傳感器的檢測原理

在特殊加工狀態下，可以將動能轉化為電能的材料稱為壓電材料，壓電材料在機械沖擊和振動時往往會產生電荷。處于材料原子層的偶極子，其順序被打亂后會形成一個電子流，并具有恢復到原來狀態的意愿。一旦有壓力施加到傳感器上，就會產生電壓，如果去掉負載，那么就會產生一個相反極性的信號，它產生的電壓比較高，傳感器產生的電流卻很小。壓電傳感器主要的通過檢測車輛輪胎施加到傳感器上的壓力，產生成正比的模擬電壓、信號等，且保證輸出壓力信號的時間與輪胎停留在傳感器時間相同。如果有輪胎經過傳感器，傳感器就會產生一個電子脈沖，由此可見，壓電傳感器對行駛車輛的檢測原理是對其受力產生的信號進行分析。這種檢測和稱重的技術與方法，不需要車輛放慢速度，不會影響車輛的正常形式，且檢測精度較高，比較適用于中高級公路中推廣與應用，從而實現動態、自動、實時、方便的車輛檢測，并有效地進行檢測信息的分析、處理、打印以及存儲，有效地抑制了日益嚴重的車輛超載超速現象，為廣大司機朋友營造一個安全的行車環境。

2壓電傳感器軟件及硬件的應用

通過對壓電傳感器應用原理進行分析可知，作為電氣裝置，在車輛行駛稱重領域的應用，需要與相關交通管理系統相融合，數據采集、整理、分析均需在相應的系統內完成，為此壓電傳感器在車輛行駛稱重應用過程中，需軟件及硬件給予該技術有力支持。基于此，為使壓電傳感器在車輛行駛稱重過程中得以有效應用，分析壓電傳感器軟件及硬件的應用勢在必行。（1）硬件系統構成及應用。壓電傳感器硬件系統主要由上位機、下位機、全景攝像機及拍照攝像機等硬件構成，其中上位機由主控單元（工控機）、通訊設施（硬盤）、I/O板、圖像采集卡1及卡2構成，圖像采集卡1與汽車牌照攝像機相互連接，用以獲取車輛牌照信息，圖像采集卡2與全景攝像機相互連接，用以獲取行駛車輛全景信息。下位機主要由電氣控制系統構成，用以控制擴展單元，可在車輛經過壓電傳感器時，發出車輛行駛稱重檢測信號，為壓電傳感器軟件分析提供依據。（2）壓電傳感器軟件應用。負責提供壓電傳感器提供電源的軟件為“電氣控制單元”，為獲取更多有關檢測車輛的數據及相關信息，由黑白攝像單元負責獲取稱重車輛車牌號，由彩色攝像單元負責獲取稱重車輛全景信息，為車輛超重追責提供科學有效的數據支持。負責稱重檢測的軟件為擴展控制單元，該單元可及時獲取車輛行駛所產生的信號，該信號傳輸至壓電傳感器中進行信號分析，其中分析信號波的軟件為Atmega116在線編程，通過分析信號波變化情況，得出車輛是否在行駛過程中存在超載現象，具體軟件操控流程在由主程序控制程序內踐行，其中CLI//禁全局中斷，保障軟件得以有效運行，待堆棧設置后，汽車行駛稱重數據傳輸至I/O端口并進行初始化，待初始化后依據交通管理客觀需求，I/O端數據將被清零，以便保障軟件存儲功能穩定有效，需繼續進行分析的數據進入寄存器并進行初始化，分析其PD3=1//線圈信號，若無信號徐再次將數據原路返回，在寄存器內進行初始化，若有信號則進入SEI//允許全局中斷，隨后由串口輸出數據，得出車輛行駛稱重結論。

3壓電傳感器檢測技術的應用和發展

與眾多的技術一樣，壓電軸傳感器的應用已擴展成一門技術，在過去數年里取得了長足的發展。美國MSI公司經過多年研究，開發出了一種共聚物壓電軸傳感器，該傳感器被用于檢測車軸數、軸距、車速監控，車型分類，動態稱重（WIM），收費站地磅，闖紅燈拍照，停車區域監控，交通信息采集（道路監控）及機場滑行道。共聚物壓電軸傳感器的長處是可獲取精確的、具體的數據，如精確的速度信號、觸發信號和分類信息及長期反饋交通信息統計數據。壓電軸傳感器作為闖紅燈照相機的觸發器，安裝在紅燈線前，在高密度交通流量時使用。在美國的馬里蘭州霍華縣，由于安裝了采用壓電軸傳感器的闖紅燈拍照系統，在一年內闖紅燈事件減少了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、日本和韓國在壓電檢測的車輛行駛中稱重功能方面有大量的應用。其主要用途是高速公路車輛超載監測的預選和橋梁超載警告系統，判斷正在行駛中的車輛，尤其是駛過橋梁的車輛是否超載，由視頻系統拍下車牌號記錄在案，然后再由執法機構用精度較高的低速稱重系統判斷超載量并根據超載量罰款。

4結束語

近年來，我國科學技術日新月異，為社會各領域生產和管理帶來了便利。面對日益增加的車輛量，如何為司機朋友營造一個安全的行車環境，交通管理部門應加大對這方面技術和設備的開發，引入壓電傳感器技術，用于車輛行駛稱重和測速中，將計算機網絡技術和壓力傳感器有機結合，減少了人為的干預，大大提高了測量的精度，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題，實現車輛稱重智能化和科學化。

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（作者單位：石家莊工程技術學校）