CN102830447A

CN102830447A - 用于道路交通气象监测的接触式路面传感器

Info

Publication number: CN102830447A
Application number: CN2012103087991A
Authority: CN
Inventors: 漆晓琼; 谢亮
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2012-08-27
Filing date: 2012-08-27
Publication date: 2012-12-19

Abstract

一种用于道路交通气象监测的接触式路面传感器，包括：一微控制器；一水膜厚度检测模块，该水膜厚度检测模块的输入端与微控制器的第一输出端连接；一冰点温度模块，该冰点温度模块的输入端与微控制器的第二输出端连接；一多频电容检测模块，该多频电容检测模块的输入端与微控制器的第三输出端连接；一路面温度检测模块，该路面温度检测模块的输入端与微控制器的第四输出端连接；一RS232通讯模块，该RS232通讯模块与微控制器连接；一电源管理模块，电源管理模块分别对微控制器、水膜厚度检测模块、冰点温度模块、多频电容检测模块和RS232通讯模块供电。本发明具有测试物理量全面、成本低廉的优点。

Description

用于道路交通气象监测的接触式路面传感器

技术领域

本发明属于道路交通气象环境监测技术领域，特别涉及一种用于道路交通气象监测的接触式路面传感器，用于监测当前路面状态，并同时输出当前路面温度、潮湿积水状态下的水膜厚度、以及冬季路面冰点温度。

背景技术

随着交通运输业的飞速发展，路面条件对于交通运输的影响也越来越广泛，恶劣的路面条件尤其是路面结冰状态，严重降低公路运输效率并可能会给交通运输带来巨大的损失，甚至威胁到人们的生命安全。因此，及时准确的获得恶劣天气预警信息已成为交通运输管理和人们出行的必要条件。而精细、准确的气象预报预测是建立在准确无误的气象观测数据之上的，如传统意义上的冰层厚度、雪或雨水深度等路面状态参数等。通过这些预警信息并针对实际情况采取相应措施并按实际情况指导车辆在公路上的行驶，可以有效的提高公路运输效率以及车辆的行驶安全。

传统的路面传感器大多只能按照某一参考量对路面状态做出定性判断，很难结合环境温度、水膜高度、含盐量以及冰点温度(DFP)等多个参量的精确测量结果，来准确判断路面情况，确定公路交通运输的安全系数。国际上性能较好的路面传感器被以芬兰Vaisala、德国Lufft为代表的国外几家公司所垄断，我国尚未研制出具有自主知识产权的路面状态观测传感器。道路交通气象环境预测水平的提高离不开观测资料的准确性的提高，提供这些观测资料的探测设备需要每天24小时，长年不间断的工作，并且往往工作在条件恶略的环境中，因此，迫切需要研发基于新机理、高精度、自动采集数据的满足气象观测需求的新一代冰雪自动化路面传感器。

目前已经有部分国外产品在国内应用，比如德国LUFFT公司的IRS21，Vaisala公司的DRS511、以及美国QTT公司的FP2000等系列产品，使用中发现这些产品并不能完全满足我们的要求，首先，国内的气候环境以及路面气象状况信息检测的侧重点与国外有很大不同，国外产品不满足国内各行业的直接使用。其次，国外的路面气象状况传感器产品所依据的标准规范与我们国内的并不完全一样，不符合国内产品实际使用标准；再次，就是国外产品的价格普遍较高，不利于我们的大量装备。研制具有自主知识产权的，能通过多个物理参量监测实现路面状态综合判断的高精度路面状态传感器迫在眉睫。

发明内容

本发明针对上述情况，提供一种用于道路交通气象监测的接触式路面传感器，其是通过检测电容、阻抗、光电流等不同的物理参量，并结合当前路面温度，实现对路面状态的综合定性判断，包括干、潮湿、积水、覆雪、覆冰，同时给出相关参数的定量监测，包括路面温度、积水或结冰厚度、含盐量以及冰点温度，具有测试物理量全面、成本低廉的优点。

本发明提供一种用于道路交通气象监测的接触式路面传感器，包括：

一微控制器；

一水膜厚度检测模块，该水膜厚度检测模块的输入端与微控制器的第一输出端连接；

一冰点温度模块，该冰点温度模块的输入端与微控制器的第二输出端连接；

一多频电容检测模块，该多频电容检测模块的输入端与微控制器的第三输出端连接；

一路面温度检测模块，该路面温度检测模块的输入端与微控制器的第四输出端连接；

一RS232通讯模块，该RS232通讯模块与微控制器连接；

一电源管理模块，电源管理模块分别对微控制器、水膜厚度检测模块、冰点温度模块、多频电容检测模块和RS232通讯模块供电。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1为本发明用于道路交通气象监测的接触式路面传感器的结构框图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种用于道路交通气象监测的接触式路面传感器，包括：

一微控制器10分别与水膜厚度检测模块20、冰点温度模块30、多频电容检测模块40、路面温度检测模块50以及RS232通讯模块60相连，将各个传感模块的测试输出值通过RS232通讯模块传送至上位机。

一水膜厚度检测模块20，该水膜厚度检测模块20的输入端与微控制器10的第一输出端连接，该水膜厚度检测模块20包括：依次串接的光纤微位移传感器21、双路探测对数放大器22和A/D转换器23，所述的水膜厚度检测模块20采用反射式光纤位移传感技术，光纤微位移传感器21由一根发射光纤和两根接收光纤组成，光源LD发出的光经耦合至发射光纤送至路面，照射到水或冰的上表面时发生漫反射，两接收光纤分别接收部分漫反射光，送至PD1和PD2探测光强，两探测器光强经过双路探测对数放大22以及A/D转换器23实现信号的处理及模数转换，其输出值与探测器同光源LD之间的间距及水膜高度或冰面厚度有关，而与光源强度、反射体的反射率以及外界环境变化等因素无关，因而能自动补偿这些因素对测量结果的影响。双路接收光纤分别为单根多模光纤和由5跟多模光纤组成的光纤束，当LD与PD单元间隔固定后，在一定的测量距离范围内，传感器接收光强的比值和测量距离接近线性关系，在这个范围内通过标定传感器确定传感器测量分辨率就可以实现高精度厚度测量。

一冰点温度模块30，该冰点温度模块30的输入端与微控制器10的第二输出端连接，该冰点温度模块30包括：依次串接的DDS激励电路31、ADC采样电路32、DFT变换电路33、阻抗检测电路34和冰点温度换算电路35，所述的冰点温度模块30通过DDS激励31向路面传感器电极输出一定频率的激励信号，当冬季雨雪天气时路面撒有融雪剂等盐溶液的情况下，不同含盐量的路面覆盖物所测得的电极间阻抗不同，通过ADC采样32和DFT变换33，并通过阻抗检测34首先测得路面覆盖物阻抗的模值，其次通过冰点温度换算35，根据电导率与盐溶液摩尔浓度的关系以及冰点温度与摩尔浓度的关系，测得不同盐溶液浓度下的冰点温度，结合当前路面温度，即可判断当前路面状态是否结冰。

一多频电容检测模块40，该多频电容检测模块40的输入端与微控制器10的第三输出端连接，该多频电容检测模块40包括：依次串接的多频电容41、运算放大器42和A/D转换电路43，所述的多频电容检测模块40是根据多频电容41在不同的环境条件下的电容值不同，经过运算放大器42以及A/D转换电路43，从而分辨路面的基本环境条件(干燥、潮湿、覆雪及结冰等)，实现路面状态的判断。

一路面温度检测模块50，该路面温度检测模块50的输入端与微控制器10的第四输出端连接，该路面温度检测模块50包括：依次串接的铂电阻51、运算放大电路52和A/D转换器电路53，所述的路面温度检测模块50是采用目前比较成熟的热敏铂电阻51，其电阻值随空气温度的变化虽为非线性关系，但是该热敏电阻物理特性稳定，采用数字处理器将热敏电阻线性化，可以修正高阶的非线性，并通过元算放大电路52以及A/D转换器电路53进行温度值处理，采用ITS-90进行标定，即可可以准确测量空气温度参数。

一RS232通讯模块60，该RS232通讯模块60与微控制器10连接；

一电源管理模块70，电源管理模块70分别对微控制器10、水膜厚度检测模块20、冰点温度模块30、多频电容检测模块40和RS232通讯模块60供电。

综合上述各个模块集成用于道路交通气象监测的接触式路面传感器，可以根据路面温度检测模块测得的地面温度50、多频电容检测模块40测得的路面覆盖物电容值以及冰点温度模块30测得的当前路面冰点温度等多个物理量，实现路面状态的综合判断。在上述研究基础上，我们对综合路面状态判断进行了分析，得到的判决条件如表1所示，即路面状态判断程序的算法如下：

表1

用于道路交通气象监测的接触式路面传感器的数据周期间隔为1min；数据出格式：中英文输出格式可选，若为中文输出，格式如下：

当前路面状态：干燥(或潮湿、积水、积水且有融雪剂等盐溶液、积雪、覆冰)

当前路面温度：如20℃

当前水膜厚度：如1.2mm(干燥时显示0mm)；

当前冰点温度：-4.5℃(干燥时显示0℃)；

当前含盐量：如12％(干燥或无融雪剂等盐溶液是时显示0％)。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种用于道路交通气象监测的接触式路面传感器，包括：

一微控制器；

一RS232通讯模块，该RS232通讯模块与微控制器连接；

2.根据权利要求1所述的用于道路交通气象监测的接触式路面传感器，其中该水膜厚度检测模块包括：依次串接的光纤微位移传感器、双路探测对数放大器和A/D转换器。

3.根据权利要求1所述的用于道路交通气象监测的接触式路面传感器，其中该冰点温度模块包括：依次串接的DDS激励电路、ADC采样电路、DFT变换电路、阻抗检测电路和冰点温度换算电路。

4.根据权利要求1所述的用于道路交通气象监测的接触式路面传感器，其中该多频电容检测模块包括：依次串接的多频电容、运算放大器和A/D转换电路。

5.根据权利要求1所述的用于道路交通气象监测的接触式路面传感器，其中路面温度检测模块包括：依次串接的铂电阻、运算放大电路和A/D转换器电路。

6.根据权利要求2所述的用于道路交通气象监测的接触式路面传感器，其中所述的水膜厚度检测模块是基于双路接收光纤微位移传感技术进行水膜高度和冰面厚度测量，该双路接收光纤分别为单根多模光纤和由5根多模光纤组成的光纤束。

7.根据权利要求3所述的用于道路交通气象监测的接触式路面传感器，其中所述的冰点温度模块是在雨雪天气，通过路面撒有不同容量融雪剂情况下，当前冰点温度与含盐量的对应关系，确定冰点温度，并结合当前温度判定路面是否结冰。

8.根据权利要求4所述的用于道路交通气象监测的接触式路面传感器，其中所述的多频电容检测模块是根据多频电容对干燥、潮湿、积水和覆冰状态表现出不同的电容值，从而识别覆盖在电容表面的路面环境状态。

9.根据权利要求5所述的用于道路交通气象监测的接触式路面传感器，其中所述的路面温度检测模块是利用热敏电阻阻值的温度敏感特性，通过单片机计算该阻值，查表法得到温度值。