基于电涡流传感器的超速检测研究

2011年第32卷第期：～Software 国际IT传媒品牌
基于电涡流传感器的车辆超速检测研究
作者A１作者B２
(中国矿业大学信息与电气工程学院徐州 221116)
摘要车辆超速行驶是引发交通事故的重要因素。

据统计，交通事故中有10％以上是由于超速而引起的。

及时发现超速，并对其进行批评、教育、经济处罚是减少超速违法行为、维护道路安全的重要手段。

本文以单车道为例：在公路上一段距离埋设两个电涡流传感器，当汽车通过电涡流传感器时，产生脉冲信号，通过单片机编程对信号进行实时处理，最终得到汽车的行驶速度。

实验表明，此方法可有效检测和记录各路段超速行驶的车辆，最终达到让驾驶员自觉遵纪守法、遵章驾驶和降低交通事故发生率，提高安全和畅通行车能力的目的。

关键词电涡流传感器；车辆超速；单片机
2011年第32卷第期：～Software 国际IT传媒品牌中图分类号TP212.1 文献标识码 A
2011年第32卷第期：～Software 国际IT传媒品牌
Research on Vehicl e Speed Detection Based on Eddy Current Sensor
ZUO Zhe A1ZUO Zhe B2 [英文作者] （小五）
(School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116，China)
【Abstract】Vehicle speeding is one of the most important factors that causing the traffic accidents.According to the statistics, more than 10 percent of traffic accidents are caused by speeding. Timely found speedingand then criticism and education and economic punishment the driver is the important means to reduce the speeding violation and maintenanceroad safety. This article is for one lane as example, the road buried two eddy current sensors in some distance, when the car went by the eddy current sensor, there is a pulse signal, we can deal with the signal real –time through the microcontroller programming and eventually get the car's speed. The experiments show thatthis method can detect and record the various sections of speed effectively and achieve the goal of reducing the incidence of traffic accidents and improvingour safety and driving fluently.
【Key words】Eddy current sensor Vehicle speedingSingle Chip Microcomputer
0引言
车辆超速驾驶行为是引发交通事故的重要因素，也是普遍
存在的问题。

由于车速快，司机对路面情况、前方车辆、行人
等各种情况的反应时间短，同时由于车速快而导致在发生紧急
情况时制动距离长，轻者造成追尾，车辆受到损坏；重者导致
人身伤亡，给社会和家庭带来重大损失和痛苦。

据统计，交通
事故中有10％以上是由于超速而引起的。

及时发现超速，并对
其进行批评、教育、经济处罚是减少超速违法行为、维护道路
安全的重要手段。

因此，必须采取有效手段，严肃治理违法超
速行驶行为，使驾驶员严格按道路限速规定要求行驶，减少由
于超速引起的交通事故与违法现象[1]。

要治理违法超速行为，快速的在线测量汽车的行驶速度就很有必要。

电涡流传感器是基于电涡流效应，将非电量转换为线圈阻抗的变化进行测量的。

它具有体积小、灵敏度高、动态响应快和非接触测量等优点，目前广泛应用于电力、石化、机械、冶金等行业。

本文以单车道为例，利用两个电涡流传感器[2]埋在一段公路上，当汽车经过探测线圈时可以得到列车的平均速度。

1基于电涡流传感器的超速检测理论分析1.1电涡流传感器工作原理
电涡流传感器工作原理[3]如图1所示。

图1电涡流传感器工作原理
Fig.1 working principle of the eddy current sensor 当上面线圈内通有交流电I 时，产生磁场H ，这个磁场在距离这个线圈X处的金属导体上会产生一个感应电流
1
I ，根
据楞次定律，由这个交变电流
1
I 产生的交变磁场
1
H 会阻碍磁场的变化，从而导致线圈的电感、阻抗和品质因数发生变化，这些参数变化与导体的几何形状、电导率、磁导率、线圈的几何参数、电流的频率以及线圈到被测导体间的距离有关，假定金属导体的电导率为ρ、磁导率为μ、厚度为t,线圈的半径为r、匝数为n，线圈与被测导体间的距离为d，则线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系为：
)
,
,
,
,
,
(d
n
r
t
F
Zμ
ρ
=
如果把上述涡流现象等效为两个互感线圈电路，如图2所示。

R1
图2电涡流等效电路
Fig.2 eddy current equivalent circuit
I H
1
H
1
I
软件 姓名等：基于电涡流传感器的车辆超速检测研究
两个环路分别写出基尔霍夫电压公式：
U M j I R L j I =-+ωω1)(
0- )(111=+M j I R L j I ωω
最后求出探头线圈的在受涡流影响后的等效阻抗Z 、等效电感eq L ：
eq
eq L j R L R M L L j L R M R R I U Z ωωωωωωω+=⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛+-+
++==222
122121
221221(1)
12
2
12
2)
(L L R M
L L eq ∙+-
=ωω(2)
由公式（2）可知，涡流现象发生后，探头线圈的电感L ，将会发生变化，在其他参数不发生变化的情况下，当线圈与金属导体的距离变小时，互感系数变大，等效电感变小；而当线圈与金属导体的距离变大时，互感系数变小，等效电感变大[4]。

1.2 电涡流传感器测量原理
两个电涡流传感器测量系统测量原理图（见图3）。

两个电涡流传感器固定在轨道一侧，间距大于60mm 。

当汽车驶过测量探测线圈的时候，通过两个传感器的触发时间间隔计算得出汽车的行驶速度。

设汽车经过电涡流传感器1探测线圈和电涡流传感器2探测线圈的时间间隔是t 1，两个探测线圈的安装距离为已知的L ，则汽车的速度v =L/t 1[5]。

图3 电涡流传感器测量原理
Fig.3 the measurement principle of the eddy current sensor
2 超速测量系统的设计
根据电涡流传感器的基本原理，传感器与被测体间的距离可以变换为传感器的Q 值、等效阻抗Z 和等效电感L 三个参数，在一台具体仪表中，究竟是利用哪个参数，则是由其测量电路来决定。

配以相应的测量电路，电涡流式仪表可以归纳为：高频载波调幅式和调频式两类[6]。

2.1 测量系统框图
本测量电路采用恒定频率的载波调幅法。

它用一只电容与传感器线圈并联的回路，由一频率稳定的振荡器（一般可用石英振荡器）提供一个高频信号，激励电涡流传感器线圈L 0和并
联电容C 0组成的并联回路，当回路的固有频率f 0等于振荡器供给的高频信号频率时，输出电压e 最大，设为e 0，而测量时，亦即被测体接近传感器时，传感器的阻抗发生变化，回路失调，谐振峰值就向旁移动。

测量线路的原理图[7]
如图4所示。

图4 测量线路原理
Fig.4 the principle of the measuring circuit
从图中可以看出，它相当于一个分压电路，由振荡器产生的频率恒定为f 0的电e 1压加到L 0C 0回路和RC 串联回路两端，而在L 0C 0的两端输出，这相当于一个分压器，当传感器与被测体间的距离改变时，电涡流的探测线圈阻抗L 0发生变化，使得输出电压的幅值发生变化。

测量系统的基本原理框图如图5所示.。

本设计的指导思想是：首先稳定激励源，并且尽可能补偿或减小温度等因素对探测线圈的影响。

采取的措施是采用方波作为信号源，方波作为信号源是基于其振幅易于控制。

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图5 测量系统基本原理框图
Fig.5 the basic principle block diagram of the measuring system
2.2 信号发生模块设计
本设计利用单片机产生1MHz 的方波信号，通过低通滤波处理可以实现1MHz 正弦信号激励源[8]
的设计。

由于巴特沃斯滤波器衰减特性和相位特性都很好，对构成滤波器的器件的要求不甚严格，易得到符合设计的特性，在本设计中采用巴特沃斯低通滤波器。

设计出的低通滤波器如图6所示，仿真表明性能符合要求。

图6 巴特沃斯低通滤波器 Fig.6 Butterworth low-pass filter
2.3 峰值检波电路设计
本设计中利用汽车驶过电涡流传感器时电感发生变化，导致输出电压减小，因此可以利用峰值检波电路[9]
只将电压幅值取出，然后送入到单片机中进行信号处理。

峰值检测电路如下图7所示。

图7 峰值检波电路
Fig.7 peak voltage detection circuit
2.4 放大电路设计
本设计中放大电路采用LM324运算放大器，如下图8所示。

图8 可调运算放大器
Fig.8 operational amplifier that can adjust
3 软件程序设计
3.1 主程序
单片机作为超速测量系统设计方案的核心控制器，不仅控制和连接着硬件电路设计的四大主要模块（放大、滤波、幅值提取和显示），而且通过程序编写调用单片机内部的集成模块视线里方波信号发生模块、信号采集模块和数据处理模块的设计，其主程序流程图如图9所示。

图9 主程序流程图
Fig.9 the main program flow chart
3.2 时钟信号发生程序
在超速测量系统设计中完成了对滤波、放大、检波和显示电路的设计，在软件设计中需要完成方波信号的输出。

使用AT89S51将8MHz 晶振经8分频可得1MHz 的方波信号，从单片机的P1.1端口输出。

方波信号发生程序流程图如图10所示。

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图10 时钟信号发生程序流程图
Fig.10 the flow chart of the clock signal program
3.3信号采集模块程序设计
通过幅值提取电路的硬件的设计可以得到对应的直流信号。

信号采集[10]模块的程序设计是调用单片机内部的摸/数转换模块将前端所转换的直流电压信号提取并存储起来。

A/D中断服务子程序流程图如图所示。

图11信号采集程序流程图
Fig.11 the flow chart of the signal acquisition program
4结论
车辆超速是引发交通事故的重要因素。

据统计，每年有10%以上的交通事故是由于车辆超速引起的。

因此利用现代高新技术，建设一套完善的公路车辆超速检测系统就显得十分重要了。

电涡流传感器是基于电涡流效应，将非电量转换为线圈阻抗的变化进行测量的。

它具有体积小、灵敏度高。

动态响应快和非接触测量等优点，目前广泛应用于电力。

石化、机械、冶金等行业。

本文以单车道为例：提出了一种基于电涡流传感器在线测量汽车行驶速度的方法，当汽车驶过探测线圈时，电涡流传感器输出一个脉冲信号。

根据两个电涡流传感器上升沿然后计算得到列车的行驶速度。

实际实验中，两个电涡流传感器相聚60cm，带铁块的模型小汽车通过两个电涡流传感器的时间间
隔为121ms，则根据公式模型汽车的行驶速度为17.85km/h。

致谢
参考文献
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作者简介: 作者名(出生年－),性别,****学位(或目前学历),职称,主要研
究领域为*****,****;作者(出生年－),性别,学位(或目前学历),职称,主要研究
领域为****,****;作者名(出生年－),性别,学位(或目前学历),职称,主要研究
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