CN203706429U - 一种环形线圈车辆检测器的模拟测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种环形线圈车辆检测器的模拟测试系统，包括模拟线圈、负载线圈、驱动电路、线圈车辆检测器、控制单元和动态测频计，模拟线圈和负载线圈串接，模拟线圈的两端接在线圈车辆检测器的两个接线端子上，两个接线端子分别为正接线端子和负接线端子，正接线端子还接驱动电路的输入端，驱动电路的输出端接负载线圈的一端，负载线圈的另一端接地，控制单元控制驱动电路；所述动态测频计接在模拟线圈的两端。采用系统可在实验室内进行检测，大大减少研究人员对车辆检测和监控系统进行测试的工作量，使得研究人员可不用去道路现场而只在实验室就可对监控系统进行维护和测试，提高了包括环形线圈车检器的车辆监控系统的稳定性和准确性。

Description

一种环形线圈车辆检测器的模拟测试系统

技术领域

本实用新型涉及智能交通系统领域，更具体地，涉及一种环形线圈车辆检测器的模拟测试系统。

背景技术

在智能交通系统中，交通信息采集是一个极为重要的组成环节。它为交通预测、交通指挥与信息服务等提供基础的信息源，是对交通系统有效监控的前提条件。交通信息依其功能可分有三类：交通流、环境状况与设备状态。其中属于交通流一类的参数有：车速、道路占有率、车型、交通量、车头时距、车长比、排队长度等。所谓车辆检测即是对这一类交通流参数的检测。

根据不同的检测技术主要分为线圈检测、地磁检测、视频检测、微波检测、红外线检测、雷达检测、激光检测等。环形线圈车辆检测器，相对于其他检测器具有高可靠性、高检测精度、全天候工作的优点，再加上成本较为低廉，是目前应用最广泛的车辆检测器之一。

目前在高速公路或城市道路现场应用的车检器都不是单独使用，只是作为前端检测系统，和抓拍摄像系统、后端传输系统构成了车辆检测和违法监控记录系统，即所谓的“电子警察”。检测监控系统安装在外部道路现场之后，受到安装环境的影响，当系统中的车检器出现问题和故障时，在现场是不方便进行维修和测试，只能将出现故障的设备部分拿回实验室进行检修，这样造成了一段时间内检测监控系统不能工作，对交通状况检测和监控构成了影响。同时，在实验室内又不具备车检器在外部道路现场需要的检测环境，不能实时地根据道路现场上车辆通行情况对其检测效果进行测试。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提出一种环形线圈车辆检测器的模拟测试系统，用于在实验室环境下对道路上安装的以环形线圈车辆检测器组成的车辆检测与监控系统进行检测和测试，及早发现监控系统的问题，确定监控系统能够正常工作，之后就可以安装在外部道路现场。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案为：

一种环形线圈车辆检测器的模拟测试系统，包括模拟线圈、负载线圈、驱动电路、线圈车辆检测器、控制单元和动态测频计，所述模拟线圈和负载线圈串接，模拟线圈的两端接在线圈车辆检测器的两个接线端子上，两个接线端子分别为正接线端子和负接线端子，正接线端子还接驱动电路的输入端，驱动电路的输出端接负载线圈的一端，负载线圈的另一端接地，所述控制单元控制驱动电路；所述动态测频计接在模拟线圈的两端。

为了能够可以在实验室环境下对道路上安装的车辆检测器进行检测，关键需要模拟出道路上的环形线圈以及车辆驶过该环形线圈时线圈振荡频率的变化。故本实用新型的模拟测试系统的关键是设计出一个磁场变化的装置，即模拟一个环形线圈，使其振荡频率的变化与实际车辆经过环形线圈时振荡频率的变化相同，并采用动态测频计实时的测量频率的变换情况。

为了实现线圈振荡频率的变化，本实用新型先利用LC振荡电路使模拟线圈发生振荡，然后通过电磁感应原理和互感原理使模拟线圈的电感发生变化，从而使其振荡频率发生改变。

通过采用LC振荡电路时，根据振荡的L、C关系的公式：希望通过L的变化实现f的变化，即实现一个可变电感L。

上述模拟线圈和负载线圈的自感值和互感值是一定，故通过控制单元控制电位器的电位变化，从而改变电感L，继而实现频率的改变。

在一种优选的方案中，所述驱动电路包括电压跟随器、电位器、比例运算电路和功率放大电路，正接线端子接驱动电路的电压跟随器一输入端，电压跟随器的另一输入端接电压跟随器输出端，电压跟随器的输出端接电位器的一端，电位器的另一端接地，电位器的中间端接比例运算电路的一输入端，比例运算电路的另一输入端接地，且该输入端接比例运算电路的输出端，比例运算电路的输出端接功率放大电路的输入端，功率放大电路的输出端接负载线圈的一端；所述控制单元控制电位器。

在一种优选的方案中，所述比例运算电路包括运算放大器、电阻R1和电阻R2，电位器的中间端接运算放大器的一输入端，运算放大器的另一输入端通过电阻R1接地，且该输入端通过电阻R2接运算放大器的输出端，运算放大器的输出端接功率放大电路的输入端。

在一种优选的方案中，所述控制单元为单片机。

为了增强模拟线圈和负载线圈两者之间的互感，所述模拟线圈和负载线圈的中心轴线重合；模拟线圈和负载线圈呈圆柱状，两者的半径相同。

在一种优选的方案中，所述动态测频计信号采集电路、限幅整形电路、信号处理装置和显示装置，所述信号采集电路采集被测信号，信号采集电路的输出端接限幅整形电路的输入端，所述限幅整形电路的输出端接信号处理装置的输入端，所述信号处理装置的输出端接显示装置。

该动态测频计能同时测量高频信号以及低频信号，保证测量的精度和速度，同时能动态显示被测频率的数据。

在一种优选的方案中，所述信号处理装置通过串口接显示装置。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

在实验室环境下对道路上安装的以环形线圈车辆检测器组成的车辆检测与监控系统进行检测和测试，及早发现监控系统的问题，确定监控系统能够正常工作，之后就可以安装在外部道路现场。采用本模拟测试系统，可以在实验室内进行检测，大大减少了研究人员对车辆检测和监控系统进行测试的工作量，使得研究人员可以不用去道路现场而只在实验室内就可以对监控系统进行维护和测试，提高了包括环形线圈车检器的车辆监控系统的稳定性和准确性。

附图说明

图1为车辆通过线圈振荡频率变化图。

图2为现有可变电感的类型示意图。

图3为本实用新型的结构原理图。

图4为LC振荡网络示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的描述，但本实用新型的实施方式并不限于此。

根据环形线圈检测原理，当车辆经过环形线圈时，线圈振荡频率的变化如图1所示，在实验室内，通过模拟一个环形线圈，使其振荡频率能够发生和图1所示线圈频率相同的变化，之后通过控制使得模拟线圈的振荡频率能够发生多种变化，并且使得这些变化与实际情况下不同类型车辆通行时线圈振荡频率的变化对应一致。

要实现使模拟线圈的振荡频率发生变化，设想是通过采用LC振荡电路时，根据振荡的L、C关系的公式：希望通过L的变化实现f的变化，即实现一个可变电感。现有的可变电感分为磁芯可调电感器、铜芯可调电感器、滑动接点可调电感器、串联互感可调电感器和多抽头可调电感器，具体调节方式如下：

(1)磁芯可调电感器和铜芯可调电感器是在线圈中插入磁芯或铜芯，通过改变它们在线圈中的位置便可改变电感量，如图2（a）所示。一些超短波用的线圈往往采用铜芯来调节电感量。

(2)滑动接点可调电感器是在电感线圈上设置一滑动的接点，改变接点在线圈上的位置，即可调节电感量，如图2（b）所示。

(3)串联互感可调电感器是将两个线圈电感串联，均匀地改变两线圈之间的位置，靠线圈的互感变化使电感量发生变化，如图2（c）所示。

(4)多抽头可调电感器将线圈电感引出数个抽头，加波段开关s连接，如图2（d）所示。这种方法的最大缺点是不能平滑地对电感量进行调节。

从现有的可变电感的特点可以知道，目前的可变电感虽然可以改变电感的大小，但是缺点是其在改变电感值不能实时准确的获取当前的电感值，也不能准确的调节到用户需要得到的电感值进行。

故在本实施例中，为了要实现对电感进行精确的控制，设计出一种新的可变电感L，使其能够准确控制。

如图3，为本实用新型的结构原理图，一种环形线圈车辆检测器的模拟测试系统，包括线圈电感L₁（模拟线圈）、线圈电感L₂（负载线圈）、驱动电路、线圈车辆检测器、单片机和动态测频计，模拟线圈和负载线圈串接，模拟线圈的两端接在线圈车辆检测器的两个接线端子上，两个接线端子分别为正接线端子和负接线端子，正接线端子还接驱动电路的输入端，驱动电路的输出端接负载线圈的一端，负载线圈的另一端接地，单片机控制驱动电路；动态测频计接在模拟线圈的两端。

驱动电路包括电压跟随器、电位器、比例运算电路和功率放大电路，其中比例运算电路包括运算放大器、电阻R1和电阻R2；正接线端子接驱动电路的电压跟随器一输入端，电压跟随器的另一输入端接电压跟随器输出端，电压跟随器的输出端接电位器的一端，电位器的另一端接地，电位器的中间端接运算放大器的一输入端，运算放大器的另一输入端通过电阻R1接地，且该输入端通过电阻R2接运算放大器的输出端，运算放大器的输出端接功率放大电路的输入端，功率放大电路的输出端接负载线圈的一端；单片机控制电位器。

动态测频计包括信号采集电路、限幅整形电路、信号处理装置和显示装置，所述信号采集电路采集被测信号，信号采集电路的输出端接限幅整形电路的输入端，所述限幅整形电路的输出端接信号处理装置的输入端，所述信号处理装置的输出端接显示装置。

从图中线圈电感L₁（定义为模拟线圈）和线圈电感L₂（定义为负载线圈）两个回路中可以推导出以下两个等式：

$u_i=L_1\frac{{\mathrm{di}}_1}{\mathrm{dt}}+M\frac{{\mathrm{di}}_2}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

$L_2\frac{{\mathrm{di}}_2}{\mathrm{dt}}M\frac{{\mathrm{di}}_1}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{ku}}_i=0---\left(2\right)$

对上面两式进行正弦稳态分析，可以修改为：

u_i=jωL₁i₁+jωMi₂   (3)

jωL₂i₂+jωMi₁+ku_i=0   (4)

由(4)式得：

$i_2=\frac{{-\mathrm{ku}}_i-{\mathrm{j\ωMi}}_1}{{\mathrm{j\ωL}}_2}---\left(5\right)$

代入(3)得：

$u_i={\mathrm{j\ωL}}_1{i}_1+\mathrm{j\ωM}(-\frac{{\mathrm{ku}}_i+{\mathrm{j\ωMi}}_1}{{\mathrm{j\ωL}}_2})---\left(6\right)$

(6)式变换：

(L₂+kM)u_i=jωi₁(L₁L₂-M²)   (7)

等效电抗为：

$\frac{u_i}{i_1}=\mathrm{j\ω}\frac{L_1{L}_2-M^2}{L_2+\mathrm{kM}}---\left(8\right)$

等效电感为：

$L=\frac{L_1{L}_2-M^2}{L_2+\mathrm{Mk}}---\left(9\right)$

如果L₁L₂≥M²，因此一定呈现感性。

当图3中两个回路周围没有铁磁性物质存在时，互感和自感一样只和两个回路的形状、相对位置及周围介质的磁导率有关，而与电流无关。因此，当研究中确定了线圈电感的形状、匝数、相对位置（空气的磁导率近似相等），那两个线圈电感的自感值和互感值就确定下来，成为一个定值。

从电感公式可以看出，L₁，L₂，M都是定值，L值的只与k值的大小相关，k值为电位器的输出电位（0≤k≤1），由单片机控制输出。L值的变化与k值的变化是相关的并且是单调变化的。如果改变k的值就可以改变L的值。

当采用如图4所示的LC振荡电路时，根据振荡的L、C关系的公式：当L发生改变时，f的值也会发生变化。根据上段描述，可以通过改变k的值改变L，即可以通过改变k的值改变f。

先制作一个模拟线圈，使得模拟线圈和实际路面上的线圈检测效果一致，即为250uH左右。之后设计一个驱动电路，能够驱动模拟线圈的振荡频率发生变化。

这里的驱动电路里面的功率放大电路采用OCL电路，即无输出电容的功率放大电路，并在OCL电路输出端加上一个负载线圈，并且使得负载线圈和模拟线圈的中心轴线重合且紧密串接。这样当负载线圈工作之后，根据电磁感应和互感原理，模拟线圈的电感就会发生变化，而模拟线圈由于使用LC振荡电路使其发生振荡，根据公式：从而可以使得其振荡频率发生变化。

实验的最终结果表现为频率的变化，因此动态频率计的主要目的就是为了使实验结果可视化，并且使其以曲线的形式显示出来。

动态频率计主要是用于同时测量高频信号以及低频信号的频率计，用以保证精度以及速度，且能动态显示被测频率的数据。

以上所述的本实用新型的实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限定。任何在本实用新型的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种环形线圈车辆检测器的模拟测试系统，其特征在于，包括模拟线圈、负载线圈、驱动电路、线圈车辆检测器、控制单元和动态测频计，所述模拟线圈和负载线圈串接，模拟线圈的两端接在线圈车辆检测器的两个接线端子上，两个接线端子分别为正接线端子和负接线端子，正接线端子还接驱动电路的输入端，驱动电路的输出端接负载线圈的一端，负载线圈的另一端接地，所述控制单元控制驱动电路；所述动态测频计接在模拟线圈的两端；

所述驱动电路包括电压跟随器、电位器、比例运算电路和功率放大电路，正接线端子接驱动电路的电压跟随器一输入端，电压跟随器的另一输入端接电压跟随器输出端，电压跟随器的输出端接电位器的一端，电位器的另一端接地，电位器的中间端接比例运算电路的一输入端，比例运算电路的另一输入端接地，且该输入端接比例运算电路的输出端，比例运算电路的输出端接功率放大电路的输入端，功率放大电路的输出端接负载线圈的一端；控制单元控制电位器。

2.根据权利要求1所述的环形线圈车辆检测器的模拟测试系统，其特征在于，所述比例运算电路包括运算放大器、电阻R1和电阻R2，电位器的中间端接运算放大器的一输入端，运算放大器的另一输入端通过电阻R1接地，且该输入端通过电阻R2接运算放大器的输出端，运算放大器的输出端接功率放大电路的输入端。

3.根据权利要求2所述的环形线圈车辆检测器的模拟测试系统，其特征在于，所述控制单元为单片机。

4.根据权利要求2所述的环形线圈车辆检测器的模拟测试系统，其特征在于，所述模拟线圈和负载线圈的中心轴线重合。

5.根据权利要求4所述的环形线圈车辆检测器的模拟测试系统，其特征在于，所述模拟线圈和负载线圈呈圆柱状，两者的半径相同。

6.根据权利要求1所述的环形线圈车辆检测器的模拟测试系统，其特征在于，所述动态测频计包括信号采集电路、限幅整形电路、信号处理装置和显示装置，所述信号采集电路采集被测信号，信号采集电路的输出端接限幅整形电路的输入端，所述限幅整形电路的输出端接信号处理装置的输入端，所述信号处理装置的输出端接显示装置。

7.根据权利要求6所述的环形线圈车辆检测器的模拟测试系统，其特征在于，所述信号处理装置通过串口接显示装置。