Book-CH5磁频车辆检测技术

1、任课教师任课教师：李晓峰李晓峰 Tel邮箱：邮箱：第第五五章章 磁频车辆检测技术磁频车辆检测技术1. 1. 环形线圈（感应）车辆检测器环形线圈（感应）车辆检测器2. 2. 地磁车辆检测器地磁车辆检测器3. 3. 磁频车辆检测器的应用范围磁频车辆检测器的应用范围2 磁频车辆检测技术是指以电磁感应为检测参数、以磁频车辆检测器为检测设备的可以检测车辆通过或存在于检测区域的技术。 磁频车辆检测技术属于固定型检测技术，其获得交通参数的基本方法都是通过分析车辆经过检测区域后引发的传感器的脉冲信号的方法对交通流信息进行检测。 使用磁频车辆检测技术采集动态交通流信息的设备主要有环形线

2、圈式车辆检测器、 地磁式车辆检测器、电磁式车辆检测器、微型线圈检测器、磁成像检测器、摩擦电检测 器、磁力检测器等，其中环形线圈检测器应用最为广泛。概述概述概述 环形环形线圈感应式检测器（以下简称线圈检测器）自应用线圈感应式检测器（以下简称线圈检测器）自应用以来，在世界各地的城市交以来，在世界各地的城市交 通控制系统中，一直是首选的车通控制系统中，一直是首选的车流量信息检测手段流量信息检测手段。环形环形线圈检测器主要应用于线圈检测器主要应用于交通流数据信息采集系统、交通交通流数据信息采集系统、交通信号控制系统、信号控制系统、 交通诱导及停车管理系统交通诱导及停车管理系统。 检测检测需求大多是交通

3、流量、流向、车速、车道占有率需求大多是交通流量、流向、车速、车道占有率 以及以及车长、排队长度等，这些都可以通过不同的感应线圈的设车长、排队长度等，这些都可以通过不同的感应线圈的设置方式来实现置方式来实现。 环形线圈检测器是容易环形线圈检测器是容易设置和设置和安装安装，其其主要应用在道口收主要应用在道口收费、交通控制、停费、交通控制、停 车场及车辆计数等方面。车场及车辆计数等方面。第一节第一节 环形线圈环形线圈（感应）车辆检测器（感应）车辆检测器一、环形线圈车辆检测器工作原理 环形线圈车辆检测器是一种基于电磁感应原理的车辆检测技术，其传感器是一个埋 在路面下、通过一定工作电流的环形线圈。当车辆

4、通过线圈或停在线圈上时，车辆引起线圈回路电感量的变化，检测器检测出变化量就可以检测出车辆的存在，从而达到检测交通流信息的目的。 1. 1. 环形环形线圈检测器结构线圈检测器结构 环形线圈式车辆检测器通常由环形线圈传感器、传输馈线、由环形线圈传感器、传输馈线、信号检测处理单元（检信号检测处理单元（检 测电路及调谐电路）及背板框架测电路及调谐电路）及背板框架4 4部部分组成。分组成。信号检测处理单元的检测电路检测电路包括检测信 号放大单元、数据处理单元和通信接口；信号检测处理单元的调谐电调谐电路路由调谐电容、调 谐电阻及环形线圈构成。2. 2. 检测检测原理原理 有电流通过环形线圈时，周围就会产生

5、磁场，如式 (5_1)所示。 = L i (5-1)式中： 总磁通量； L 电感，H； i电流。线圈车辆检测器与埋在道路中间的线圈连接，车辆经过线圈后使，车体 产生感应电流，这一感应电流使得线圈电感量减少。当车辆进入线圈磁场范围时，检测器便可由谐振电路的电感量变化，检测器内部电路振荡频率随着线圈电感量的变化而变化，CPU通过计数脉冲数量判断电路振荡频率的变化从而判断车辆的有无，然后计算相关的交通参数。 金属线圈具有一定的电感，其电感的大小取决于它的周长、金属线圈具有一定的电感，其电感的大小取决于它的周长、截面、匝数及周围介质截面、匝数及周围介质 的情况。线圈截面越大或匝数越多，的情况。线圈截面

6、越大或匝数越多，单位电流所产生的磁通链越大，电感也就越大。当单位电流所产生的磁通链越大，电感也就越大。当 线圈截线圈截面积固定不变时，匝数越多，电感越大，反之亦然。一般面积固定不变时，匝数越多，电感越大，反之亦然。一般情况，线圈长情况，线圈长2m，宽，宽 1.3m,线圈匝数为线圈匝数为4匝。匝。 当交变电流通过环形线圈时，将产生一个交变磁场。环形当交变电流通过环形线圈时，将产生一个交变磁场。环形线圈作为电感元件，同电线圈作为电感元件，同电 容器并联组成振荡器的谐振回路。容器并联组成振荡器的谐振回路。该谐振器的谐振频率就与环形线圈的电感量的该谐振器的谐振频率就与环形线圈的电感量的平方根成反平方根

7、成反比比。 3.环形线圈检测器分类 环形环形线圈检测器主要分线圈检测器主要分通过型环形线圈检测器通过型环形线圈检测器和和存在型环存在型环形线圈检测器形线圈检测器两类。两类。 通过型环形线圈检测器通过型环形线圈检测器的检测线圈是无源地磁感应线圈，的检测线圈是无源地磁感应线圈，即环形线圈无源激励。当即环形线圈无源激励。当 汽车从环形线圈上方通过时，汽车从环形线圈上方通过时，因汽车系钢铁制成（铁磁材料），必然干扰环形线圈周围因汽车系钢铁制成（铁磁材料），必然干扰环形线圈周围的的 地磁场，改变线圈周围的磁力线分布，从而导致磁通地磁场，改变线圈周围的磁力线分布，从而导致磁通量发生变化。由于这一变化，根据

8、量发生变化。由于这一变化，根据 法拉第电磁感应原理，法拉第电磁感应原理，即线圈两端有感应电动势产生。即线圈两端有感应电动势产生。 存在型环形线圈检测器存在型环形线圈检测器属于有源激励检测。它需要在环形属于有源激励检测。它需要在环形线圈两端加上一个具有一线圈两端加上一个具有一 定振荡频率的激励源定振荡频率的激励源。 环形环形线圈检测器可线圈检测器可检测检测： 流量流量、占有率、车速、排队长度等，用于流量检测时，、占有率、车速、排队长度等，用于流量检测时，线线圈长度圈长度应尽可能地小于车间距；对于车速和占有率检测，在实应尽可能地小于车间距；对于车速和占有率检测，在实际应用中，大多采用两个技际应用中

9、，大多采用两个技 术参数完全相同的线圈，既可用术参数完全相同的线圈，既可用来检测车速，又可用来检测占有率。来检测车速，又可用来检测占有率。二、环形线圈检测电路原理1. 1.环形线圈的调谐电路环形线圈的调谐电路 在在环形线圈检测器电路中，环形线圈检测器电路中，环形线圈环形线圈是此电路的电感元件，是此电路的电感元件，电容则决定于检测单元中的电容器。当电流通过环形线圈电容则决定于检测单元中的电容器。当电流通过环形线圈时，时， 在其周围形成一个电磁场，当车辆通过环形线圈或在其周围形成一个电磁场，当车辆通过环形线圈或停在环形线圈上时，车辆自身铁质切停在环形线圈上时，车辆自身铁质切 割磁通线，将导致割磁通

10、线，将导致环形线圈回路电感量的变化，线圈电感量的变化，引起车环形线圈回路电感量的变化，线圈电感量的变化，引起车辆检测器的辆检测器的 LC振荡电路的振荡频率和相位相应也发生变振荡电路的振荡频率和相位相应也发生变化。因此，检测器通过检测该电感变化量就化。因此，检测器通过检测该电感变化量就 可以检测出可以检测出车辆的存在。车辆的存在。简化简化后的环形后的环形线圈线圈并联并联谐振电路谐振电路：由式（5-3)可知，并联谐振电路的谐振频率完全由电路本身的参数决定。车辆出现 时，电感量减少，谐振频率f。增大。 环形线圈的调谐回路在无车辆通过或存在时，处于谐振状态。此时，外施电源（电 流源或电压源）的频率与回

11、路固有的谐振频率相等，阻抗角为零，相位差为零。 当有车 辆通过时，谐振电路的电感L下降，谐振频率f。增加，外施频率恒定不变，此时谐振电 路失谐，阻抗角不等于零，即电感量的变化导致谐振电路频率、相位和阻抗的变化，所 以检测上述3个参数的任一参数的变化即可检测出车辆通过或存在的状况。2. 2.环形线圈车辆检测方案环形线圈车辆检测方案由于电感量的变化表现为调谐电路频率的变化、相位的变化和阻抗的变化，检测电感变化量一般来说有3种方式：第一种是利用相位锁存器和鉴相器，对相位的变化进行检测；第二种方式是利用由环形线圈构成回路的涡合电路对其振荡频率进行检测；第三种是利用电压倍压器和检波器对环形线圈谐振电路的

12、阻抗变化进行检测。 (1). 相位变化的检测。 采用锁相环技术和双振荡器方案，即采用两个振荡器结构，主振荡器作为基准振荡器，通过锁相环技术提供稳定的基准电压，从而使振荡器反应车辆通过的信息。环形线圈通过馈线与检测器的变压器相连，在电路工作时，环形线圈周围就有主振频率电流通过，并在环的周围建立交变电磁场。在电路中还有一个由晶振产生的 频率稳定的参考信号，把主振荡器的信号和参考信号一同送入鉴相器中，当主振信号与参考信号的频率不同时，鉴相器就会输出控制电压。因此，可以调整主振荡器的工作频率，使之逐步与参考信号的频率相一致，最后全锁定在参考频率上。当有车辆通过环形线圈时，由于环的电感量发生变化，使主振

13、荡器的工作频率就有了变化的趋势，但在锁相环的作用下，主 振频率仍然保持与参考信号频率一致。此时，鉴相器的输出电压发生了变化，并且使从振频率也发生了变化。用单片机连续采集从振频率的信号，并计算它的工作频率，当从振频率的 值大于一定的门槛值时，就可以判断出有车辆经过环形线圈。 (2). 频率变化的检测。 频率变化的检测就是对整个谐振回路的振荡频率进行检测。其 工作原理是检测单元同环形线圈与馈线线路组成一个耦合电路，当电流通过环形线圈时， 在其周围形成一个电磁场。在正常情况下，在机动车辆未处在环形线圈所在位置的时候， 耦合电路振荡频率保持恒定，单片机在单位时间段测得的脉冲个数基本保持不变；幸机 动车辆经过环形线圈所在位置上方时，在金属车体中感应出涡流电流，涡流电流又产生 与环路相耦但方向相