1、 基于电感线圈的车辆检测器系统设计重庆大学硕士学位论文（专业学位）学生姓名：熊圣明指导教师：李志敏副教授兼职导师：薛平高级工程师学位类别：工程硕士（仪器仪表工程领域）重庆大学光电工程学院二 O一四年四月Based on inductive coil vehicle detector system designA Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Requirement forProfessional DegreeByXiong ShengmingSupervised by Associat
2、e. Prof. LI ZhiminPluralistic Supervised by S.E.Xue PingSpecialty：ME(Instrument & Meter Engineering Field)College of Optoelectronics Engineering of Chongqing University, Chongqing, China April 2014 重庆大学硕士学位论文 中文摘要摘 要随着现代交通的快速发展，人们对道路交通信息的需求越来越多。智能交通系统(ITS)就是解决城市交通问题的手段之一。智能交通系统是将先进的信息技术、数据通讯技术、电子传感技
3、术、电子控制技术以及计算机处理技术有效地集成运用于整个交通运输管理体系，以缓和道路堵塞和减少交通事故、给道路使用者带来方便、舒适为目的，代表着未来道路交通发展的方向。本文着重研究了智能交通系统中的车辆检测技术，设计了一种基于电感线圈的车辆检测器。该检测器可以对车辆通过线圈时检测电路所产生的振荡频率进行数据采集和特征分析，完成车型分类，可实现对道路通行车辆的分类统计。由于它具有低成本、高精度、适应全天候工作等优点，使其成为目前应用比较广泛的检测器之一。首先，本文阐述了电感线圈的工作原理和电感线圈采集的理论模型，并且通过实际应用进一步验证了此模型的可行性。由于外部环境要求系统能够快速且准确地测量出
4、车辆的信息，为此，作者采用基于 ARM CORTEX M3内核的微处理器 STM32F103R8T6组成系统的处理单元，利用 Protel完成车辆检测系统的硬件电路及电路图的设计，并对系统组成及振荡及整形电路、电源电路、通信电路等模块的功能和结构进行了说明。在硬件设计的基础上，对车辆检测器的软件部分进行了设计。采用了基准频率自动刷新算法的车辆检测器设计方案，保证了检测的精度。最后，论文采用模式识别方法，根据车型数据采集，采样波形特征提取和车型模式匹配技术，确定行驶车辆的车型信息。与传统的检测器相比，提高了系统在恶劣工作环境下的稳定性，提高了检测精度。本系统是基于 ARM微处理器和基准频率刷新算
5、法开发的电感线圈车辆检测器，有效地提高了采集信息的精度和抗干扰性能，为进一步应用于实际打下了良好的基础。关键词：车辆检测器，电感线圈，振荡电路，车速，车型I重庆大学硕士学位论文 英文摘要ABSTRACT Along with the increase in vehicles and the rapid development of traffic,there is agrowing demand for road traffic information control. Intelligent TransportationSystems is one of the means to solve
6、 urban traffic problems, Intelligent transportationsystem(ITS)apply advanced information technology、data communication transmissiontechnology、electronic sensor technology 、electronic control technology and computerprocessing technology to the entire transportation management system.Intelligenttransp
7、ortation system aims at abating traffic congestion, reducing traffic accident, andincreasing road users convenience and comfort .It represents the developmentalorientation of roadway and traffic.This thesis studies emphatically on the traffic detector of intelligent transportationsystem. When vehicl
8、e goes through the loop, the traffic detectors gather the data ofoscillation frequency and complete classification of vehicle types by analyze thedifference of frequency characteristics. The classification statistics of road vehicle canbe obtained in time.The Sense Coil Vehicle Detector. Because of
9、its low cost,theadvantages of high-precision, all-weather adaptation work, etc, making it one of thecurrently used widely detector.This thesis describes theory model of loop detection technology and proof thetheorys correctness and feasibility by application. It spends a minor time for vehiclesgo ac
10、ross single loop, while the system should response fast and accurately. So,thissystem makes use of STM32F103R8T6 microprocessor with ARM Cortex- M3kernel,which have high-powered process ability and large storage space. Completionof the function and structure of hardware circuits using Protel vehicle
11、 detection systemand circuit design,and the oscillation of the system composition and shaping circuit,the power supply circuit, a communication circuit module will be described.Finally, thepaper uses pattern recognition method,based on vehicle data collection,sampling thewaveform feature extraction
12、and pattern matching technology models to determine themodels of vehicles traveling information.Compared with conventionaldetectors,improve system stability under harsh working environment,improve thedetection accuracy.The loop induction detector which is based on ARM and automatic refreshingfrequen
13、cy reference algorithm, not only improve the detection accuracy, but alsoII重庆大学硕士学位论文 英文摘要provides a reliable foundation for applying to next practice.Keywords: Vehicle detector, Sense coil, Oscillation circuit, Speed, ModelsIII重庆大学硕士学位论文 目 录目 录中文摘要I英文摘要 II1绪论 11.1智能交通系统 11.1.1智能交通系统产生背景. 11.1.2智能交通
14、系统的定义和组成. 11.2交通信息采集系统 31.3课题的研究背景和意义 31.4本文主要研究内容及论文结构 42车辆检测器介绍. 52.1车辆检测器的分类 52.2车辆检测器的原理及优缺点 52.3电感线圈车辆检测器在我国发展的现状 83电感线圈检测器的理论基础 93.1电感线圈车辆检测器的工作原理 93.1.1电感线圈检测器的检测原理. 93.1.2电感线圈检测器系统的组成. 103.2电感线圈检测器的理论模型 133.3交通参数的检测和计算方法 163.4本章小结 184电感线圈车辆检测器系统硬件设计 194.1系统需求分析 194.1.1接口需求. 194.1.2功能需求. 194.
15、2电感线圈车辆检测器系统整体硬件设计 204.2.1系统组成. 204.2.2车辆检测模块设计. 214.2.3信息处理模块设计. 254.3硬件抗干扰设计 274.4本章小结 295电感线圈车辆检测器系统软件设计 30IV重庆大学硕士学位论文 目 录5.1需求分析 305.2程序总体结构 305.3车辆检测模块软件设计 315.3.1频率采集方法. 325.3.2基准频率刷新算法. 345.4 RS485串口通信模块. 365.4.1 RS485串口从机通信模块 365.4.2 RS485串口主机通信模块 375.5程序运行结果 385.6本章小结 396实验结果与分析 . 416.1车型对
16、频率波形曲线的影响 416.2车型识别算法 456.2.1模式识别方法概述. 456.2.2车型识别原理. 476.2.3检测算法实现. 496.3本章小结 517总结与展望 527.1工作总结 527.2研究展望 53致 谢. 54参考文献. 55V重庆大学硕士学位论文 1 绪论1 绪论1.1智能交通系统1.1.1智能交通系统产生背景城市是人们在一定范围内从事工作、生活、娱乐所依托的空间，具有一定的局限性。由于我国城镇化的快速发展、城市人口的快速增长和经济的迅速发展等原因，人民生活水平日益提高，汽车的数量也在不断攀升。城市拥堵问题变得越来越严重。人们逐渐意识到城市交通是城市发展的动脉，是城市
17、可持续发展不可或缺的重要基础。为了解决这一问题，一方面人们不断拓宽路面，建设新的道路，但是这种举措需要大量的资金，并且受于城市空间的限制；另一方面，人们开始利用科技手段来人为的控制、调整现有道路交通的通行能力。此外，越来越严重的能源和环境问题也促使人们对传统的交通形式进行思考和改变。因此，随着工业技术的快速发展，人们充分把电子技术、通信技术和计算机技术结合起来，将人、道路以及车辆三者紧密地联系起来，从而使智能交通系统 ITS(IntelligentTransportation System)应运而生。1.1.2智能交通系统的定义和组成20世纪初，美国运输部出版的国家智能交通系统项目规划一书中定
18、义了智能交通系统的概念1：智能交通系统是由用于运输网络管理的各种先进技术以及为出行者提供的一系列服务所组成的，ITS技术的三大要素是信息、通信和集成。ITS的核心要素是信息的采集、处理、融合和服务。ITS能够提供实时、准确的交通信息，为出行者制定出行计划，从而使管理者、出行者相互之间更为协调，做出更为智能化的决策。我国对智能交通系统的研究起步较晚，目前离国外先进水平还有一定的差距。中国智能交通系统体系框架研究报告中对 ITS定义如下：智能交通系统是在较为完善的硬件交通设施的基础上，将先进的技术融合起来，如传感器技术、通信技术、电子技术及系统综合技术，从而使交通运输更加安全、方便、快捷和高效，达
19、到智能化的目的3。从上文可以得知，智能交通系统的主要目标包括以下几个方面：保证道路交通的 畅通，减少或者杜 绝车辆堵塞的情况；提高道路交通网络的通行能力；提高道路交通的安全水平，降低道路交通事故发 生的可能性，保障人民群众的生命和财产安全；1重庆大学硕士学位论文 1 绪论降低车辆排放的尾气 对环 境的污染；提高交通运输效率。智能交通系统将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、电子控制技术以及计算机处理技术等有效地集成运用于整个交通运输管理体系，而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合运输和管理系统。智能交通系统是一个复杂的综合性系统，从系统组成的角度可以分为
20、以下几个方面，如图 1.1：交通管理系统：通过一系列的技 术手段帮助管理部 门进行有效的、实时的、高效的管理交通信息；帮助车辆使用者更好的选择出行道路。主要包括：智能事故检测、自动交通诱导技术、智能交通预测、智能侦探技术、不停车收费技术等。公共交通运营系统：提高公共交通的快捷性、安全性，使公共交通更具吸引力。主要包括：公交信息显示系统、公交调度系统、公交 GPS系统、电子车票系统、专用车道系统、公交需求系统。交通信息系统：是交通控制中心科学引 导驾驶员 的主要手段。主要包括：车辆信息服务系统、道路信息服务系统。例如在道路旁边设立的可变式交通信息通告牌等。电视网络监 控系统：是交通控制中心的窗口
21、。主要包括：视频检测技术、交通电视监控技术。车辆安全系 统：它的目 标是最大程度降低道路交通事故 发生的可能性，保障人民群众的生命和财产安全。主要包括：自动驾驶系统、防碰撞系统。物流管理系统：包括货 物集散系统、物流计算机管理系 统。图 1.1智能交通系统的组成Fig.1.1 Composed of Intelligent Transportation Systems2重庆大学硕士学位论文 1 绪论1.2交通信息采集系统对于智能交通系统来说，交通信息采集系统在其中占据着重要的地位。交通信息采集系统是指在道路交通全过程中利用各种交通检测设备采集交通控制中心所需要的交通参数，如车流量、时间占有率、
22、车速、车型等。车辆检测器是交通信息采集的主要手段之一。它通过数据采集的方式，向交通控制中心的信息处理和信息发布单元提供所需的交通参数。这些交通参数是交通控制中心判断、分析和提出方案的主要依据。所以，车辆检测器的精确度高低会直接影响到交通监控系统的整体运行水平4。近几年来，随着微电子技术、传感器技术和信息处理技术的快速发展，交通信息采集系统也取得较大进步，其种类越来越多，系统的灵敏度、可靠性和测量精度都大幅度提高，功能也大大增强。现有的交通信息采集系统主要包括波频采集系统、磁频采集系统和视频采集系统等。1.3课题的研究背景和意义目前，国内外有关车辆检测器的类型很多，工作原理和检测方法都不一样，但
23、是电感线圈检测器还是在其中占据着重要的地位。虽然有关车辆检测器的研究在我国己经有了很大的发展，但是我国现有的交通信息检测技术无论是从检测技术还是从事后维护方面来说都与国外先进技术有一定的差距。虽然国外有大量的车辆检测器产品，并且产品性能普遍优于国产的同类产品，但是国外进口的检测器价格比较高，外围接口比较单一，所以无法适应国内的需要。总而言之，随着我国道路交通的日益发展，对现有的检测系统提出了越来越高的要求，可现有的检测系统却不能跟上现代化交通的发展需要。因此，我们需要一个先进的、可靠的检测系统，来实现智能交通发展的需要，并且可以将采集到的交通信息参数及时的、准确的传送给交通监控中心进行分析和处
24、理，做出一系列指令来改善道路交通的运行情况6。随着我国经济不断快速的发展，道路交通也得到了飞跃式的提高。城市道路网络不断的完善，高速公路建设也走在世界的前列。与此同时，国内机动车的数量也在不断的增多，越来越多的城市受到了交通拥挤这一难题的困扰。交通拥挤不仅延误了人们在路上的时间，也给社会带来了更大的弊端，比如交通事故增多、燃油使用增多、污染环境严重。这些情况都给社会带来了非常巨大的损失。在这种背景环境下，智能交通系统在我国悄然兴起。而车辆检测器所属的道路交通信息采集系统是智能交通中的重要组成部分，车辆检测器通过采集道路交通的信息，可以获得车速、车流量、时间占有率、车型等交通参数，从而有效的、实
25、时的、客观的对道路交通进行智能化的管理。3重庆大学硕士学位论文 1 绪论1.4本文主要研究内容及论文结构本文主要研究的内容是设计一种电感线圈车辆检测器，通过对振荡电路频率的采集，经过微处理器处理之后得到车速和车型等交通信息。在硬件设计方面上，选用了基于 ARM CORTEX M3内核的 32位微处理器 STM32F103R8T6 进行频率采样。本论文的章节安排如下：第一章绪论简要介绍了智能交通系统的定义和组成，包括交通信息采集系统的发展趋势。最后介绍了论文的背景和意义，同时给出了论文的章节安排。第二章对车辆检测器的分类作了详细的介绍，并且把每一类检测器的原理和优缺点作了详细地分析。第三章介绍了
26、电感线圈车辆检测器的理论基础，包括它的工作原理。另外，给出了一些常见的交通参数的计算公式。第四章和第五章详细介绍了电感线圈车辆检测器的硬件设计与实现以及软件程序设计。第六章对检测结果进行了验证，并对车型识别算法进行了分析。第七章概括和总结了本论文的研究工作，并对下一步的工作进行了展望。4重庆大学硕士学位论文 2车辆检测器介绍2 车辆检测器介绍2.1车辆检测器的分类车辆检测器是智能交通系统中一个基本的组成部分，并且占据着重要的地位。它的主要作用是通过数据的采集，向交通信息监控中心提供各种交通参数，包括车流量、时间占有率、车辆速度和车型信息等。车辆检测器作为交通信息的数据来源，是智能交通系统正常运
27、行的有力保障，也是监控中心作出分析、提供解决方案的重要依据。综上所述，车辆检测器检测技术的高低决定了整个智能交通系统运行水平的好坏，对提高交通运输的效率和安全性具有非常大的意义2。车辆检测器根据不同的检测原理可以分为以下几类7,8 ：机械压电检测 器：机械 压电检测器主要是根据车辆对检测 器的机械作用来检测车辆的通过状态，它的优势是可以动态称重；磁频检测器：磁 频检测 器是根据车辆金属磁场的 变化来测量车辆的通过状态，是一种被动测量的方式；波频检测器：波 频车辆检测 器是以微波、超声波和 红外线等对车辆发射电磁波产生感应的检测器，多数为悬挂式的检测系统，并会主动探测车速或车的外形特征；视频检测
28、器： 视频检测 器是通过悬挂在路口的交通 摄像头，利用车辆的光学特性进行测量的检测器。下文就对不同类型车辆检测器的功能、原理及优缺点做一下简要的介绍。2.2车辆检测器的原理及优缺点波频检测器：波 频检测 器是以微波、超声波和红 外线等对车辆发射电磁波产生感应的检测器，多数为悬挂式的检测系统，并会主动探测车速或车的外形特征。1)雷达 检测器：雷达检测器是基于多普勒效应原理进行工作的。它的原理是：当发射器向地面发射微波时，如果车辆在微波发射线的覆盖区域内通过，则会使部分微波发生反射，而且能被接收器接收到。根据多普勒效应，接收到的微波频率将比原发射频率产生频率偏差。利用检测电路，将频差转化为脉冲信号
29、，并且通过对信号的分析，除去干扰因素后，即可检测车辆的存在或通过状态，同时也可以测定车流量、车型、占有率、车速等交通参数。雷达检测器的优点是：a.工作时不受天气的影响，可以适应全天候工作，并且可以在各种恶劣环境5重庆大学硕士学位论文 2车辆检测器介绍下工作；b.多车道检测，一台雷达传感器一般可以同时检测 8个车道。它的缺点是：a.在检测车速 缓慢或静止的 车辆时多普勒效应会失效，造成检测精度较低；b.定位的不准确性；c.现有的雷达 车辆检测器随着 车辆的大小、车辆的形状及材料而变化，从而导致对交通信号的感应不一致。2)红外 线检测器：红外检测一般采用反射式或隔断式检测技术。比如说反射式检测探头
30、就是一种应用比较广泛的红外线检测器，它是由两个部件组成的：红外发光管和接收管。当有车辆通过时，接收管接受车体反射过来的红外线。红外检测一般的原理是：由检测电路产生调制脉冲，通过红外探头向道路上某一区域发射调制脉冲，当有车辆经过该区域时，车身会反射红外线脉冲并且探头的接收管会接收此反射回来的脉冲。经红外调解器调解，经过电路部分一系列的处理后触发驱动器输出一个检测信号，从而得到检测车辆的目的。这类检测器存在的缺点是：受环境的影响较大，当现场环境能见度较差时，检测器基本不能正常的工作。3)超声波 检测器：该类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形的影响来实现检测。超声波
31、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。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。在交通现场实际应用中，超声波检测器大都都是采用悬挂式安装，相比于其他插入式检测器（如电感线圈车辆检测器）来说有其优越性。首先超声波检测器和路面情况的关联性较小，不需要破坏路面并且和路面好坏的情况没有直接关系；其次该类检测器的使用年限比较长，可移动，架设方便。但是其不足之处是对环境的要求比较高：当风速达到 6级以上或者受到恶劣天气时，反射波会产生一定的飘移从而导致检测器无法正常工作11；其次如果检测器没有按照规范安装，探头的角
32、度不对时，会对除去车辆的其他物体进行检测，造成检测结果有误差。总体来说，超声波检测器在某些方面要优于插入式检测器，所以在实际应用中超声波检测器也是应用很广泛的一种检测器之一。视频检测器：由于 图像 处理技术在近几年的快速 发展，一种基于图像处理技术的视频检测器近年来逐步流行起来。视频检测器的特点是：无线传输、检测范围较大和可一次检测多参数等，使用灵活，有着良好的应用前景。视频检测器通常由悬挂在路边的摄像机和检测系统组成。摄像机的主要作用是对车道的某一区域进行图像采集。检测系统主要由图像处理部分和显示部分组成。摄像机获取6重庆大学硕士学位论文 2车辆检测器介绍的图像送给图像处理部分进行处理。图像
33、处理部分的主要工作是对信号进行数 /模转换、格式转换等。再由微处理器对车辆的通行情况进行判断，并进一步得出其他需要的交通参数。图像处理部分可以根据处理后的结果通过通信部分把信号传输给控制中心的主控制器、报警器等设备，控制中心可以根据这些信号合理的采取一些措施，调整交通的运行情况。视频车辆检测器的基本前提是处理摄像机获得的图像。目前对于一般的视频检测系统对连续的图像还不能做到立刻处理，而是首先通过摄像机将图像转换成为一帧一帧的信号，其次通过微处理器以一定的速度处理这些系列的图像帧信号。具体的步骤是：假设一帧图像是由若干个大小一定的像元组成的，通过光电元件使每一个像元的光亮度转换成电信号，经过扫描
34、装置的扫描后，这些像元的光亮度所对应的电信号通过信道逐个被发送出来，成为一帧一帧的信号。由于图像处理方法是在摄像机获得的图像的基础上进行处理与识别的，因此视频检测器可以对摄像机所拍摄的范围内进行检测，也就是说其处理的范围是一个区域而不是一个点。在对视频检测系统进行安装和拆卸时，不需要对整个路面进行损害，不会影响交通的正常通行，只需要对视频检测器进行处理即可。磁频检测器：磁 频检测 器是根据车辆金属磁场的 变化来测量车辆的通过状态，是一种被动测量的方式。分为如下几种：1)地磁 检测器。地磁检测器是根据地磁场的变化来检测车辆的通过信息。其主要的工作原理是：车辆本身含有的铁磁物质会对车辆存在区域的地
35、磁信号产生影响，使车辆存在区域的地球磁力线发生弯曲。当车辆经过传感器附近，传感器能够灵敏感知到信号的变化，经信号分析就可以得到检测目标的相关信息。地磁检测器的特点是是小范围、高灵敏度。它的优点是：检测精度高、具有自适应能力、适应各种复杂天气、抗干扰性强，工作稳定可靠、安装维护方便、使用寿命长。但是其较高的价格使很多厂家望而却步，通过售价高达几千元。另外，地磁检测器无法检测出车辆周围磁场的突变，因此不易检测出车速和占有率。2)磁成像 检测器。由 NuMetrics公司研制成功的车辆检测器中的传感器技术，称为车辆磁成像(VMI Vehicle Magnetic Imaging)技术12 。它的原理
36、是通过检测由于车辆的出现而引起的电磁场的变化，与已经记录的不同结构车辆的磁纹(Magnetic Footprint)进行对 比，从而检测车辆的存在或通 过。这种方法不但能将大车和小车区分出来，而且可以测出车辆的构造、车型及速度。但是要实现车型的识别，需要大量的数据库和高速度、大容量的计算机的支持。这是磁成像检测器的一个弊端之一。3)环形 线圈车辆检测器：环形线圈检测器目前应用最广泛的车辆检测器之一。它的工作原理是通过埋设在路面下的电感线圈与检测电路中的电容组成一个7重庆大学硕士学位论文 2车辆检测器介绍LC振荡器。当有车辆通过感应线圈上方时，会引起 线圈磁场的变化，因此通过检测线圈的电感量的变
37、化就可以检测出车辆的通过状态。通过硬件和软件的设计可以计算出车流量、车占有率和车型等交通参数，并上传给交通控制系统。此种方法技术成熟，易于掌握，并有成本较低等优点。但是这种方法也有几个缺点：一个是线圈在安装或维护时必须要切割车道，这样会阻碍交通的正常运行并且对地面的损害比较大；另一方面，电感线圈易受路基下沉等自然环境的影响，需要定时的调整与维护。2.3电感线圈车辆检测器在我国发展的现状目前来看，电感线圈车辆检测器以其技术成熟、简单通用等优点成为了世界上使用范围最广的车辆检测器之一。但是在国内，研究和生产电感线圈车辆检测器的公司还不是很多，并且无论是从检测的精度上还是产品的质量上都与国外先进水平
38、有一定的差距，得不到突破，从而导致电感线圈检测器在我国的发展处于一个比较被动尴尬的境地。究其原因有以下几点14 ：国内的一些公司主要的产品集中在电子警察、交通信号控制灯方面，他 们对线圈检测器研究缺乏人力和资金的投入，开发的产品仅仅是满足自己公司的需要。没有把线圈检测器当成一个独立的产品来开发。没有深入的研究线圈检测 器，认为线圈检测器发 展到现在技术已经基本成熟。但是到目前为止，有关线圈检测器的一些问题还是没有得到解决。有些会认为线 圈检测器已 经被淘汰，比不上视频检测 器和雷达检测器。所以我们应该在现有线圈检测器技术的基础上对其性能进行改进，研发出检测精度更高、性价比更高的产品。不仅具有非
39、常大的经济效益，而且更重要的是对我国的交通事业发展起到了重要的推进作用。目前在我国的西部地区正处于大力发展的阶段，需要大力发展经济建设和基础设施的建设。同时，交通是重要的民生工程，特别对于西部来说，对交通的发展提出了更高的要求。所以，我们必须提高和完善我国智能交通系统，在修建新的道路的同时，就必须引入智能交通系统产品。这样就要求我们必须有自己的高技术、高质量的智能交通系统产品。8重庆大学硕士学位论文 3电感线圈检测器的理论基础3 电感线圈检测器的理论基础从上文对车辆检测器的简介中我们可以得出：车辆检测器的种类很多，并且不同类型的车辆检测器有其不同的优缺点。但是目前来说，电感线圈检测器仍然是交通
40、信息采集系统中应用最广泛的车辆检测器之一，是智能交通系统中非常重要的一部分。利用电感线圈检测器来检测车辆的通过状态是目前世界上技术较为成熟的一种检测方法。它可以获得道路交通中车流量、占有率、车速、车型等交通参数，交通控制中心以此来判断当前道路交通的信息。电感线圈检测器以其检测精度高、设备运行稳定、受天气环境影响小等优点受到广泛的应用；此外，价格相对于其他车辆检测器更低也是其受欢迎的原因之一。随着电感线圈车辆检测器的设计精度和可靠性的提高，它将在我国智能交通系统中发挥更大的作用。3.1电感线圈车辆检测器的工作原理3.1.1电感线圈检测器的检测原理在一条车道的道路路基埋设一组地感线圈，每组电感线圈
41、通过馈线与道路旁边的车辆检测器相连。电感线圈检测器的布置示意图如图 3.1所示。当车辆通过埋在地下的电感线圈时，由于电感量的变化，电感线圈检测器就能检测到车辆的通过状态。图 3.1电感线圈检测器布置示意图Fig.3.1 Schematic layout inductance coil detector电感线圈车辆检测器最基本的检测机理是埋设在路面下的电感线圈与检测电路中的电容共同构成 LC振荡器。电感线圈回路的 总电感包括线圈的自感和线圈与车辆之间的互感，对车辆检测起直接作用是电感回路中的总电感19,20 。当有车9重庆大学硕士学位论文 3电感线圈检测器的理论基础辆经过电感线圈的上方时，一方面
42、，根据楞次定理和电磁感应原理，车辆自身的金属底板产生自成闭合回路的感应电涡流，此涡流产生新的磁场又与原有磁场相反，从而导致线圈总电感量变小；另外一方面，车辆作为金属导体通过电感线圈时，增加了线圈周围空间的导磁率，从而导致电感线圈的总电感量具有增加的趋势。所以总体来说，当有车辆经过电感线圈上方时，对电感线圈电感量的影响是同时具有增大和减小的作用。由趋肤效应可知，电磁波向导体内部透入时，因为能量损失而逐渐衰减。根据有关研究数据表明，当电感线圈的频率设定在 20kHz和 180kHz之 间的范围内时，对电感的影响起主要作用的是涡流的去磁作用，使电感线圈的电感量产生明显的减小21 。总的来说当车辆通过
43、电感线圈时，电感量会减小；当车辆离开电感线圈时，电感量又会回到无车状态的数值。因此，电感线圈检测器通过检测线圈电感量的变化就可以得到车辆的通过情况。检测电感的变化量通常有两种方式：第一种是利用相位锁存器和相位比较器来检测相位的变化；另一种是利用耦合振荡电路对其振荡频率进行检测23,24 。第一种方法是采用双振荡器结构与锁相环技术相结合的方案。感应线圈通过馈线与采集系统中的变压器相连，再与放大电路一起组成压控振荡器（主振荡器）；标准晶振作为从振荡器产生频率稳定的参考信号；压控振荡器、相位比较器和环路滤波器一起组成锁相环22,23 。主振荡器产生的信号和参考信号一同送入相位比较器中，当压控振荡器产
44、生的信号与参考信号的频率不同时，相位比较器就会输出控制电压。因此，可以调整压控振荡器的工作频率，使之与参考信号的频率相同，最后锁定在参考频率上。当有车辆通过感应线圈时，电感量发生变化，使压控振荡器的工作频率有变化的趋势，但在锁相环的作用下，压控振荡器的频率仍然保持与参考信号频率一致。此时，相位比较器的输出电压将发生变化，将输出电压与电压比较器的参考电压比较后，就可以判断出有车辆经过感应线圈24 。另外一种方法是对整个振荡回路的频率进行检测。在电感线圈车辆检测器中，线圈检测系统主要由电感线圈及与之相配套的车辆检测器组成。当有电流通过电感线圈时会在其周围产生电磁场。在正常情况下，即车辆没处在电感线
45、圈所埋设的位置的时候，振荡电路频率保持不变，微处理器在单位时间内测得的脉冲个数基本保持稳定。当有车辆通过时，在车身金属中会产生涡流电流，而涡流电流又会产生互感，由此导致振荡电路频率发生了变化，使得微处理器在单位时间内测得的脉冲个数也相应发生了变化28断出是否有车辆通过。只要检测电路检测出此变化的信号，就可判3.1.2电感线圈检测器系统的组成电感线圈车辆检测器系统由电感线圈、振荡回路和检测电路组成，其系统功能框图如图 3.2所示。10重庆大学硕士学位论文 3电感线圈检测器的理论基础输出放大器电流源相位比较器相位锁定器振荡回路感应线圈检测电路图 3.2电感线圈车辆检测器系统功能框图Fig.3.2
46、Function diagram of traffic information collection system with Induction coils电感线圈检测器各个组成部分的功能如下：电感线圈感应线圈一般是由金属导线缠绕制成的空芯线圈，埋设在道路的路面下。线圈一般是 2m 1.5m的长方形，依据道路路面不同的情况也可改 变线圈的形状和尺寸。电感线圈回路的总电感包括线圈的自感和线圈与车辆之间的互感，对车辆检测起直接作用是电感回路中的总电感。由电磁场基本理论可得：任何载流导线周围都会产生磁场。对于一个理想情况下、磁场强度规则的螺线管型线圈而言，其自感量表达式：L 0N2 A (3.1)l
47、在(3.1)式中， N线圈的匝数；l线圈的长度；空气的相对磁导率，一般取值为 1；0 4107hm 1；A线圈的面积。因为电感线圈与螺线管型线圈有所不同，其自感量应当引入电感线圈磁场的不均匀修正因子 F1，所以电感线圈的自感量 L自可以表示为：L自 F1 0N2 A (3.2)l由(3.2)式可知， 电感线圈自感量取值的大小与线圈的匝数 N 、线圈的面积A、长度l以及周围介质的情况有关。当有车辆经过电感线圈的上方时，一方面，根据楞次定理和电磁感应原理，车辆自身的金属底板产生自成闭合回路的感应电涡流，此涡流产生新的磁场又与原有磁场相反，从而导致线圈总电感量变小；另外一方面，车辆作为金属导体通过电
48、感线圈时，增加了线圈周围空间的导磁率，11重庆大学硕士学位论文 3电感线圈检测器的理论基础从而导致电感线圈的总电感量具有增加的趋势。所以总体来说，当有车辆经过电感线圈上方时，对电感线圈电感量的影响是同时具有增大和减小的作用。由趋肤效应可知，电磁波向导体内部透入时，因为能量损失而逐渐衰减。根据有关研究数据表明，当电感线圈的频率设定在 20kHz f 180kHz的范围内时，对电感的影响起主要作用的是涡流的去磁作用，使电感线圈的电感量产生明显的减小。30总的来说当车辆通过电感线圈时，电感量会减小；当车辆离开电感线圈时，电感量又会回到无车时候的数值。因此，电感线圈检测器通过检测线圈电感量的变化就可以
49、得到车辆的通过情况。振荡回路电感线圈通过变压器连接到被恒流源支持的 LC振荡回路上，选择一个合适的电容C，使振荡回路有固有的振荡频率：1f 2 LC (3.3)此时，振荡回路中的电压与电流相位相同。当有车辆经过电感线圈上方时，会导致线圈的总电感量发生变化，频率也发生变化，从而导致电压和电流相位不再相同。我们就可以通过相位比较器来判断车辆的通过情况。检测电路检测电路由相位锁定器、相位比较器、输出电路三部分组成，主要完成检测与信息输出的工作。新型的感应线圈采集系统还包含微处理器部分，从而具有更强的数据处理能力以及更高的采集精度。相位比较器的其中一个输入信号为振荡回路的固有振荡频率信号（相位锁定器输出信号）；另一个输入信号为车辆通过线圈时系统振荡回路的频率随时间变化的信号，如图 3.3所示。从图中可以看出，当车辆前沿进入线圈一端时，采集系统被触发产生信号输出，而当车辆驶离线圈另一端时，信号低于阈值，输出电平为 0。车辆实际对感应线
