CN103927883B - 基于压阻材料的电阻抗成像车辆检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于压阻材料的电阻抗成像车辆检测系统及检测方法，包括车辆检测垫（1）、埋在车辆检测垫（1）内的温度传感器（2）、连接在车辆检测垫（1）边缘的注入电极（3）、连接在车辆检测垫（1）四周的接收电极（4）、连接在接收电极（4）和温度传感器（2）上的导线（5）、与导线（5）连接的信号采集单元（10）、连接在信号采集单元（10）上的信号传输单元（11），以及与信号传输单元（11）连接的信号处理单元（12）。根据车辆检测垫（1）的电阻率的变化，以及注入电极向车辆检测垫内注入电流或电压信号，采用电阻抗成像的原理计算得到车辆检测垫内部的电阻率分布，反演车辆检测垫承受的压力分布，计算交通、车辆信息，以满足交通控制系统的需要。

Description

基于压阻材料的电阻抗成像车辆检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及一种车辆检测系统及其检测方法，特别涉及一种用于停车场或道路交通领域的电阻抗成像车辆检测系统及其检测方法。

背景技术

在交通领域，随着车辆的增多和交通的飞速发展，道路交通管理与控制中对交通信息的需求越来越多。检测道路上车辆的通行情况（车流量、车速、车向、车型、车距等）、停车场车位的空余情况（车存在）等信息，用于路口、易拥堵路段、停车场交通的控制管理，对提高城市道路的通行能力、缓和城市交通拥挤将会起到十分重要的作用。

交通信息的采集大多是通过车辆检测器实现的，目前国内外采用的车辆检测器根据采用的不同技术主要分为线圈检测器、微波检测器、红外线检测器、雷达检测器、激光检测器、视频检测器等。从大的领域上来看，以上车辆检测器可以划分为地磁检测系统、波频检测系统以及视频检测系统三种类型。

地磁检测系统主要是指线圈检测器，它通过埋设在路面下的环形线圈检测车辆通过时线圈磁场的变化并据此计算出车辆的流量、速度、时间占有率和长度等交通参数，上传给中央控制系统，以满足交通控制系统的需要。这种方法技术成熟，易于掌握，成本较低，但它存在以下缺点：1）线圈在安装或维护时必须直接埋入车道，一方面对交通造成阻碍，另一方面损害路面，影响道路的使用寿命；2）线圈易受冰冻、路基下沉、盐碱等自然环境的影响；3）感应线圈由于自身的测量原理所限制，在停车场的车位检测，或车流拥堵，车间距小于3m时，其检测精度会下降，某些产品甚至无法检测。另外，在此类检测器的研究中，还有使用地磁传感器来检测车辆信息的报道，但这种系统由于成本较高，检测参数较少、适用范围较窄而未有大量使用。

波频检测系统主要是指以微波、超声波、激光和红外线等对车辆发射电磁波产生感应的检测器。这类检测器大多采用侧挂式安装，在检测区域内发射连续的低功率调制电磁波，通过检测车辆等目标返回的回波，测算出目标的交通信息，上传给中央控制系统。这类检测系统测量方式在车型单一，车流稳定，车速分布均匀的道路上准确度较高，但是在车流拥堵以及大型车较多、车型分布不均匀的路段，由于遮挡，测量精度会受到比较大的影响。另外，由于天气、安装空间、空气中的微颗粒等环境因素影响，此类检测系统使用寿命较短、安装成本较高、使用范围受限。

视频检测系统是通过视频摄像机作传感器，在视频范围内设置检测区，当车辆进入检测区时，通过背景灰度值的变化得知车辆存在，并以此检测车辆的流量和速度。检测器可安装在车道的上方和侧面，可根据需要设定检测区，并提供现场的视频图像，有着直观可靠，安装调试方便等优点。缺点是容易受恶劣天气、灯光、阴影等环境因素的影响，正检率会下降，同时汽车的动态阴影也会带来干扰，造成误检率大幅上升。另外，视频检测系统成本较高，维护需要专业人员，不利于灯光昏暗的地下停车场等场所的使用。

发明内容

本发明的目的是克服上述几种现有的车辆检测系统的缺点，提出一种基于压阻材料的电阻率成像车辆检测系统及其检测方法。

本发明通过检测车辆经过时压阻材料因受到压力而使电阻率产生的变化，利用电阻抗成像原理，反演计算压阻材料所承受的压力分布，进而根据其所受压力的大小、分布、随时间的变化特性来计算车辆交通信息，再将得到的交通信息上传给中央控制系统，以满足交通控制系统的需要。

本发明的车辆检测系统主要包括车辆检测垫、埋在车辆检测垫内部的温度传感器、连接在车辆检测垫边缘的注入电极、连接在车辆检测垫四周边缘的多个均匀分布的接收电极、连接在接收电极和温度传感器上的导线、与导线连接的信号采集单元、连接在信号采集单元上的信号传输单元以及与信号传输单元连接的信号处理单元八个部分。

所述的注入电极可以布置在检测垫边缘的任意位置，接收电极均匀分布在检测垫边缘，注入电极和接收电极不重叠。

所述的车辆检测垫采用具有良好线性压阻特性的柔性材料，如炭黑、纳米粒子等复合导电材料填充而成的导电橡胶等制作。所述的车辆检测垫的上、下表面，以及车辆检测垫与注入电极和接收电极连接处均涂有柔性绝缘材料，用以防止外界接触物对车辆检测垫的电干扰。所述的车辆检测垫可以为各种形状，厚度在1cm以内，边缘较薄，通过粘胶或金属夹片固定在地面上。

所述的注入电极与接收电极均采用具有良好导电性的金属制成，成针状或片状。注入电极用于向车辆检测垫内注入电流或电压，接收电极接收车辆检测垫边缘的电压或电流信号。

所述的导线具有良好的耐压防护措施，导线的传导通路可以是在具有良好耐压性能的绝缘橡胶中，也可以是具有良好耐压性能的金属通道内。

所述的信号采集单元包含多个分路，每一个分路都通过导线与一个接收电极或温度传感器相连，接收电极检测到的电压信号或温度传感器检测到的温度信号通过导线传输到信号采集单元的不同分路。信号采集单元的每个分路的电路结构均相同，主要包括：与导线相连的运算放大电路、与运算放大电路输出端相连的滤波电路、与滤波电路输出端相连的差分放大电路和与差分放大电路输出端相连的A/D转换电路四部分。

所述的信号传输单元可以采用有线或无线的传输方式传输信号采集单元输出的信息。所述的信号处理单元为具有独立运算能力的单片机、计算机等设备。

采用本发明车辆检测系统的检测方法如下：

1）当车辆经过车辆检测垫时，车辆检测垫受到一定压力，由于材料的压阻特性，车辆检测垫内部的电阻率会发生变化，压力大小与电阻率变化大小具有一定的比例关系。另外温度的变化也会导致车辆检测垫电阻率产生变化，因此需要温度传感器测量车辆检测垫内部的温度；

2）通过所述的注入电极向车辆检测垫内注入激励电流或电压信号，然后由所述的接收电极接收激励信号的响应电压或电流信号，同时由所述的温度传感器测量车辆检测垫内部的温度；

3）所述的接收电极采集到的响应电压或电流信号以及温度传感器测量的温度信息通过导线输送给所述的信号采集单元，由分路中具有高输入阻抗的运算放大器进行缓冲放大，消除接触阻抗的影响，同时，由温度传感器采集的温度信息也经导线传输给另一路运算放大器进行缓冲放大；由运算放大器放大的电压或电流信号和温度信息分别经信号采集单元中的滤波电路进行滤波处理，去除干扰成分；滤波后得到的电压或电流信号和温度信息再分别输入到信号采集单元中的差分放大电路进行进一步的放大处理；最后，放大后的电压或电流信号和温度信息分别输入到高精度的高速A/D转换电路转换为数字信号；

4）所述的信号传输单元将信号采集单元输出的数字信号以有线或无线的方式传输给信号处理单元；

5）所述的信号处理单元采用电阻抗成像技术对传输进来的数字信号进行计算和解调，并去除温度影响，得到车辆检测垫内部电阻率变化情况；再根据压阻材料压力大小和电阻率变化大小之间的压阻特性关系得到车辆检测垫所受压力大小的分布及随时间变化的特性；

6）所述的信号处理单元根据车辆检测垫所受压力的大小可以估算车型：大型车、中型车、小型车，以及与车载重等车辆信息；根据车辆检测垫所受压力的分布可以确定车存在，计算车距、车流量、占有率等交通信息；根据车辆检测垫所受压力随时间的变化特性，可以计算车速、车向等交通信息；

7）所述的信号处理单元将计算处理得到的交通、车辆信息输送给信号传输单元，由信号传输单元以有线或无线的数据传输方式将这些交通、车辆信息上传给中央控制系统，以满足交通控制系统的需要。

本发明所述的车辆检测系统采用柔性压阻材料作为车辆检测垫的主要材料，不仅结构、工艺简单，成本较低，还保证了整个车辆检测垫具有较好的柔性，可随路面起伏弯曲，契合度高，受路面影响小；同时采用电阻抗成像技术，通过反演电阻率分布来得到车辆检测垫的压力分布，由压力大小、分布及其随时间变化特性计算交通、车辆信息，与传统车辆检测方法相比，获得的交通信息参数更多（如车载重），检测精度更高。

本发明所述的车辆检测系统检测垫的安装只需铺设在路面上，不会对路面造成损害，施工简单，维护方便，受恶劣天气、灯光、空间等环境因素影响较小，成本较低，可广泛应用于高速路、街头路口、高架桥、收费站、停车场等多种公共交通场合。

附图说明

图1：本发明所述的车辆检测系统原理图；

图2：本发明车辆检测垫的垂直截面安装示意图；

图3：本发明车辆检测系统的使用示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明的车辆检测系统主要包括八部分：车辆检测垫1、埋在车辆检测垫内部的温度传感器2、连接在车辆检测垫边缘上的注入电极3、连接在车辆检测垫四周边缘的多个均匀分布的接收电极4、连接在接收电极4和温度传感器2上的导线5、与导线5连接的信号采集单元10、与信号采集单元连接的信号传输单元11以及与信号传输单元连接的信号处理单元12。其原理图如图1所示。

所述的信号采集单元10包含多个分路，每一个分路都通过导线5与一个接收电极4或温度传感器2相连，接收电极4检测到的电压或电流信号和温度传感器2检测到的温度信号通过导线5传输到信号采集单元10的不同分路。信号采集单元10的每个分路的电路结构均相同，主要包括：与导线5相连的运算放大电路6、与运算放大电路输出端相连的滤波电路7、与滤波电路输出端相连的差分放大电路8和与差分放大电路输出端相连的A/D转换电路9。其结构原理图如图1所示。

所述的车辆检测垫1由填充10%CB3100炭黑的柔性导电橡胶制成。车辆检测垫1内部植入有温度传感器2，车辆检测垫1的上、下表面以及检测垫与注入电极和接收电极连接处均涂有柔性绝缘漆13，用以防止外界接触物对车辆检测垫的电干扰。车辆检测垫通过粘胶14或金属夹片15固定在路面16上。车辆检测垫1的垂直截面安装示意图如图2所示。

所述的导线5具有良好的耐压防护措施，导线的传导通路可以是在具有良好耐压性能的绝缘橡胶中，也可以是具有良好耐压性能的金属通道内。

本发明实施例的车辆检测垫1设计厚度为4mm，设计形状为带圆角的正方形，边长为30cm，一对注入电极均采用厚度为1.5mm的方形铜片，尺寸为1cm╳1cm。16个接收电极采用圆形铜片，厚度同样为1.5mm，直径为1cm。

通过注入电极3向车辆检测垫1内注入电流I，则接收电极4可以检测到响应电压信号V，当车辆检测垫1承受一定压力时，内部的导电橡胶电阻率发生了变化，此时响应电压信号V也发生了变化。通过连接在接收电极4上的导线5将响应电压信号V输送给信号采集单元10中的一路分路。另外温度传感器2检测车辆检测垫1内的温度信息T，同样通过连接导线5将温度信息T输送给信号采集单元10中的另一路分路。

输送入信号采集单元10的电压信号V和温度信息T进入所在分路运算放大器6先进行放大处理，运算放大器6输出信号输送给滤波电路7滤波，去除干扰。滤波后的信号输送给差分放大电路8进一步放大，经差分放大电路8放大输出的信号输送给A/D转换电路9进行A/D转换，成为数字信号输送给信号传输单元11。信号传输单元11将信号采集单元10输送的数字信号采用有线或无线的传输方式输送给信号处理单元12进行数据的提取和处理。

信号处理单元12获得信号传输单元11输送的数字信号以后，采用现有的电阻抗成像技术进行计算和解调，得到车辆检测垫1的电阻率分布，进而根据导电橡胶材料的压力大小和电阻率变化大小相对应的压阻特性关系得到车辆检测垫上的压力大小、分布以及随时间的变化特性，最后，根据车辆检测垫所受压力的大小可以估算车型：大型车、中型车、小型车，与车载重等车辆信息，根据车辆检测垫所受压力的分布可以确定车存在，计算车距、车流量、占有率等交通信息，根据车辆检测垫所受压力随时间的变化特性，可以计算车速、车向等交通信息，并将这些交通和车辆信息输送给信号传输单元11。信号传输单元11将信号处理单元12输送的交通、车辆信息采用有线或无线的传输方式上传给中央控制系统17，以满足交通控制系统的需要。车辆检测系统的使用示意图如图3所示。

本发明车辆检测系统使用时只需铺设在路面上，不损害路面，安装简单，维护方便，测量交通、车辆参数多，检测精度高，且其成本较低，受恶劣天气、灯光、空间等环境因素影响较小，应用范围很广。

所述的车辆检测垫、注入电极和接收电极的形状和尺寸、温度传感器的数量和位置可根据实际需要进行选择。

Claims (2)

1.一种基于压阻材料的电阻抗成像车辆检测系统，其特征在于：所述的检测系统包括采用柔性导电橡胶材料制作的车辆检测垫(1)、埋在车辆检测垫(1)内部的温度传感器(2)、连接在车辆检测垫(1)边缘的注入电极(3)、连接在车辆检测垫(1)四周的均匀分布的多个接收电极(4)、连接在接收电极(4)和温度传感器(2)上的具有耐压防护措施的导线(5)、与导线(5)连接在一起的信号采集单元(10)、连接在信号采集单元(10)上的信号传输单元(11)，以及与信号传输单元(11)连接的信号处理单元(12)；所述的导线(5)置于具有耐压性能的绝缘橡胶中，或位于具有耐压性能的金属通道内。

2.采用权利要求1所述的车辆检测系统的检测方法，其特征在于：

1)当车辆经过车辆检测垫(1)时，车辆检测垫受到一定压力，由于材料的压阻特性，车辆检测垫内部的电阻率会发生变化，压力大小与电阻率变化大小具有一定的比例关系；另外温度的变化也会导致车辆检测垫电阻率产生变化，所述的温度传感器(2)测量车辆检测垫(1)内部的温度；

2)所述的注入电极(3)向车辆检测垫(1)内注入激励电流或电压信号，然后由所述的接收电极(4)接收激励信号的响应电压或电流信号，同时由所述的温度传感器(2)测量车辆检测垫(1)内部的温度；

3)所述的接收电极(4)采集到的响应电压或电流信号以及温度传感器(2)测量的温度信息通过导线(5)输送给所述的信号采集单元(10)，由信号采集单元(10)各个分路中的运算放大器(6)进行缓冲放大，消除接触阻抗的影响；由运算放大器(6)放大的电压或电流信号和温度信息分别经信号采集单元(10)中的滤波电路(7)进行滤波处理，去除干扰成分；滤波后得到的电压或电流信号和温度信息，再分别输入到信号采集单元(10)中的差分放大电路(8)进行进一步放大处理；最后，放大后的电压或电流信号和温度信息分别输入到高精度的高速A/D转换电路(9)转换为数字信号；

4)所述的信号传输单元(11)将信号采集单元(10)输出的数字信号以有线或无线的方式传输给信号处理单元(12)；

5)所述的信号处理单元(12)采用电阻抗成像技术对传输进来的数字信号进行计算和解调，并去除温度影响，得到车辆检测垫(1)内部电阻率变化情况；再根据压阻材料压力大小和电阻率变化大小之间的压阻特性关系得到车辆检测垫(1)所受压力大小的分布及随时间变化的特性；

6)所述的信号处理单元(12)根据车辆检测垫(1)所受压力的大小估算车型与车载重；根据车辆检测垫所受压力的分布确定车存在，计算车距、车流量、占有率；根据车辆检测垫所受压力随时间的变化特性计算车速、车向；

7)所述的信号处理单元(12)将计算处理得到的交通、车辆信息输送给信号传输单元(11)，由信号传输单元(11)以有线或无线的数据传输方式将这些交通、车辆信息上传给中央控制系统，以满足交通控制系统的需要。