基于电磁感应的新型汽车速度检测装置研制

汽车速度检测装置是现代交通监测系统的重要组成部分，目前，交管部门所使用的测速方法中较常用的有：雷达检测法、地感线圈检测法、激光检测技术等^[1]。但基于多普勒效应的雷达测速装置造价较高，易被反雷达检测仪，即“电子狗”，提前预警测速行为；地感线圈检测法在车辆速度较快或车辆转弯等情况下应用时，测速精度会大大降低；激光测速必须寻找车辆激光反射点，信号收集困难，对测速环境要求较为苛刻^[2-6]。

截至2019年6月，我国机动车保有量达3.4亿辆，位居世界前列^[7]。在新能源发展迅猛的今天，公路每天都会经受大量汽车的重复荷载，这部分压力若能够被利用起来，带来的收益将是不可估量的。为了提高能量利用效率，降低超速汽车使用“电子狗”后提前减速的现象发生，本文设计出以汽车压力作为测速启动信号的新型汽车速度检测装置。

1 实验原理

1.1 线圈电动势的产生

如图1所示，当永磁铁与固定线圈发生相对运动时，导体中的自由电子以速度也相对于永磁铁运动。根据洛伦兹公式可得其受力大小，如式(1)所示^[8]。故电子会在导体一端累积，正电荷在导体另一端累积，当形成闭合回路时，在导体中建立了静电场。

(1)

对于固定的线圈闭合回路来说，法拉第电磁感应定律是成立的

(2)

磁通量的定义式为

(3)

式(2)对时间的全微分可以展开：

(4)

代入式(1)可以得到：

(5)

又因为

(6)

由磁场性质，可知

(7)

即得到

(8)

代入式(5)有：

(9)

由斯托克斯定律可得：

(10)

将式(10)代入式(9)中，即可得到装置中闭合线圈产生电动势的表达式

(11)

由式(11)可以看出，在线形回路中，闭合线圈中产生的电动势应分为两部分，由于磁场变化产生的感生涡旋电场，以及固定线圈切割磁力线时产生的动生电动势^[9]。

1.2 LTC 3331芯片对能量的收集

LTC3331集成了一个高电压能量收集电源和一个降压升压型DC-DC转换器，由一个集成型全波桥式整流器和一个高电压降压DC-DC组成的能量收集电源负责从外收集能量^[10]。该芯片相当于集成了LTC3588和LTC4071芯片构成能完整能量收集存储系统，将能量收集、电能存储、电池管理、放电管理等功能集成在一个芯片上^[11]。选择适当的外部电路后，可用于收集瞬时高压交流电。这部分能量可以储存至储能单元，当没有储能单元收集转化后的能量时，降压升压转换器只给VOUT供电^[12]。

1.3 红外线传递原理

携带信息的红外线是由一连串二进制脉冲码，即许多二进制数“0”和“1”组合而成。通常采用PWM脉冲宽度方式对红外线进行编码、解码。红外线的编码方式是根据传号脉冲的宽度来区别二进制数“0”和“1”的。二进制的“0”和“1”是分别为脉宽0.565ms、周期为1.125ms和脉宽0.565ms、周期为2.25ms的传号电平脉冲^[13]。二进制“0”和“1”示意图，如图2(a)所示。

不同红外线携带信息不同，其对应的二进制脉冲码也是不同的。由PWM脉冲宽度方式对红外线编码后，每束红外线均由5位地址码、8位命令码、扩展位（Exp）和检测位（Chk）以及最后的320μs的尾脉冲组成。红外线的传送命令格式示意图，如图2(b)所示^[14]。

2 装置结构及作用

该测速装置基于线圈和永久磁铁的电磁感应，将汽车压力作为测速启动电源发射红外信号，最终实现高精度隐蔽测速。整个装置由发电模块、信息传递模块和数据分析模块三部分组成，具体技术路线流程如图3所示。

2.1 发电模块

发电模块由压电换能装置和降压稳流电路构成，可将装置受到的压力转化为电势差，并为红外发生电路供电。

（1） 压电换能装置。压电换能结构由多组永磁铁、线圈^[8]和滑轨构成，其结构如图4所示。其主要功能为：利用线圈的电磁感应现象，将压力板所受的压力转化为集电板两端的电势差，为用电器提供电能。当压力板受到向下的压力时，永磁铁沿滑轨向下运动，线圈切割磁力线产生电动势。当压力撤去时，弹性材料将磁铁回弹，产生反向电动势。基本单元受到压力会产生类正弦交流电，再由集电板将各个单元的电流收集后向外输出。

（2） 降压稳流电路。以LTC3331芯片为核心降压稳流电路如图5(a)所示，其作用是将压电换能模块瞬时输出的非稳定高压电信号收集、转化为稳定的低压通过V_OUT和GND引脚输出，为红外发射电路供电。

2.2 信息传递模块

信息传递模块由红外发射和红外接收两部分电路构成，用于信号发生模块和信号接收模块两分立系统的信息传递。其功能是在特定的频率下进行红外线所含信息的读写、传递，以防止无线传输过程中其他红外线的干扰。

红外发射电路由长脚发射管和编码器组成。红外发射部分的主要功能为：将用于写入传递信息的红外线调制在特定的频率上。在该频率下编码器将需要发送的信息转化为一串二进制脉冲码并将其发射出去。红外接收模块由外接电源和红外接收电路组成，作用是从特定频率上解析出这组脉冲码，并将这组脉冲码传递至MSC-51单片机。图5(b)为红外接收电路。

2.3 数据分析模块

数据分析模块由MSC-51单片机和分析程序组成，其作用是：分析红外接收电路传递的一组脉冲码，对脉冲码进行解码、排除重复码后，得到首次接收尾脉冲时的时间，并计算相邻红外线尾脉冲时间差以得出速度。

车速计算原理如下：在信号发生模块中放置两片间距固定为L的压电换能单元，车辆经过压电换能模块后，通过降压稳流电路，编码后激发两个触发时间分别为t₁、t₂的红外信号。红外接收探头接收到两个红外信号携带的不同脉冲码后，由单片机解码出两组脉冲中的尾脉冲时间t₁+Δt、t₂+Δt，其中，Δt为红外线传输过程、单片机解码信号尾脉冲所需时间。时间间隔T、速度计算公式、测速原理图分别如式（12）（13）和图6所示。

数据分析模块可以将红外线解码成地址码、命令码，尾脉冲等信号码值，并通过不同的命令码区分因压力持续作用产生的重复红外信号。同时，设置单片机定时查询时间为250μs后，单片机查询计数器中断的次数以测量两次不同尾脉冲信号的时间间隔。红外线解码后格式示意图，如图2(b)所示。

3 性能分析

3.1 压电换能器的发电能力

对于单一线圈，线圈匝数和外界磁感应强度都会对其产生的电动势造成影响。分别改变外加磁场强度和线圈匝数，将线圈两端的交流电经过降压稳流后，多次测量取其输出电压平均值，并绘制单一线圈不同线圈匝数下的平均输出电压图像，如图7(a)所示。

实验结果表明，单一线圈输出电压平均值与线圈匝数成线性关系，且外界磁场越强，线性关系越明显。在实验中，输出电压平均值与线圈匝数及磁感应强度均呈正相关。当应用的永磁铁为磁性较弱的铁氧体磁铁时，每增加50匝线圈，平均输出电压增加0.35V；当永磁铁为磁性较强的钕铁硼磁铁时，每增加50匝线圈，平均输出电压增加0.49V。

在实际应用时，根据用电器额定工作条件，可将数个基本单元先串联构成电压单元。达到供电电压后，再将各个电压单元并联起来，以提供充足的电能。

压电换能器工作过程电压输出变化曲线如图7(b)所示。由图7(b)可知，每次外界压力作用下，压电换能器会输出一个正弦交流电信号。换能器受到单次压力产生的峰值电压为8V，远小于用电器击穿电压。回弹后振子的阻尼振动产生的干扰电压在0.2s内迅速趋于零，且不超过0.1V，可以忽略不计。

3.2 实际速度与测量速度误差分析

为了定量描述该新型测速装置的测速精确度，用电动小车、与压电换能单元等宽的挡光片、测速装置、小车车道等实验用具，根据式（13）求小车的真实和测量速度，实验示意图如图3所示。

在小车车道内设置由发电模块和红外线模块构成的信号发生模块，在小车上方固定一个与压电换能单元等宽的挡光片，将双光电门分别设置在两个压电换能单元上方，来测量小车通过两个压电换能单元的真实时间间隔。根据装置测速原理，小车测量速度可经MSC-51单片机计算后，通过显示屏1602LCD实时显示。其中，压电换能模块包括两块固定的压电换能单元，其固定间距L=0.1m。模拟车身长度须大于L，以防止在前轮驶过第二个压电换能单元前，后轮驶过第一个压电换能单元，造成Δt测量错误导致实验失败。

在多次实验中，给小车增加不同的配重以使小车获得不同的初速度，通过记录小车前后轮分别经过两个光电门的时间间隔和MSC-51单片机接收到信号的时间间隔，便可分别得到小车的前后轮的两个真实速度和测量速度。由于小车的前后轮各对应一个车速，故将一辆车的两次瞬时速度取平均值，便得可到更加准确的测量车速。重复进行实验且对数据进行分析处理后，得到测量速度、实际速度对比与误差分析图，如图8所示。

从图8可以看出，实际速度与测量速度分布极为相近，测量精度在95%以上，且与速度无较大的相关性。考虑到模拟实验中，由于压电换能单元的宽度相对于小车轮胎与地面的接触线度不可忽略，但由于挡光片与压电换能单元等宽，由宽度带来的误差便被抵消掉了。同时，两束红外线在传输过程、单片机解码信号尾脉冲所需时间Δt是相同的，也不会造成误差。但在对红外线解码时，会因单片机记录时间刷新频率较低和尾脉冲宽度较窄导致解码时两次测量时间与真实时间存在较小的误差，所以误差与速度呈较低的相关性。

3.3 综合分析

雷达测速装置利用多普勒效应实现高精度测速，但当“电子狗”接收到测速仪向外发射的雷达信号后，就会提前预警车主，使汽车在经过测速点前减速。

该检测装置基于被动测速原理，将汽车压力作为测速启动电源发射红外信号，从根本上避免了被“电子狗”等探测仪器的探测，具有较好的隐蔽性。同时使用波长较长的红外线进行测速，大大降低了雨、雾等不良天气对信号传输的干扰，最大限度地减少了天气对测速精度的影响。

4 结论

本文提出了一种以压力作为测速启动信号的新型汽车测速装置。该装置基于电磁感应现象，利用汽车压力进行发电，将压力作为速度信号发射电路的启动电源。在对红外线发射、编码、解码后，成功实现了高精度测速。对模拟测速装置进行测试后，其结果表明装置发电能力较强，测速精确度较高。该装置基于被动测速原理，在测速开始前不会被反雷达检测仪侦测到，具有较强的隐蔽性。除直接应用于汽车测速外，也能根据实际需要经拓展后对大部分有一定质量物体测速，是一种具有较高实用价值的新型测速装置。

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基金项目:  教育部产学合作协同育人项目( 201902282053)；中国石油大学（华东）混合式教学改革项目（HJ201813）；山东省大学生创新创业训练计划项目（S202010425003）。

作者简介:  张亚萍，女，中国石油大学（华东）教授，主要研究方向为物理实验教学与研究，纳米材料的合成、制备及其性能研究等，[e-mail]。

引文格式:  杨家赫，周欣鹏，朱宜昌，等. 基于电磁感应的新型汽车速度检测装置研制[J]. 物理与工程，2020，30（6）：121-126.

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