CN103630707B - 一种雨天路面上水流流速和深度检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雨天路面上水流流速和深度检测装置及方法，包括控制器及放置式超声波传感器，控制器包括第一信号放大电路、转换电路、第二信号放大电路、单片机、显示器、用于产生电信号的集成电路、以及用于控制集成电路的开关，开关与集成电路的控制端相连接，集成电路的输出端与第一信号放大电路的输入端相连接，第一信号放大电路的输出端与放置式超声波传感器的输入端相连接，放置式超声波传感器的输出端与转换电路的输入端相连接，转换电路的输出端与第二信号放大电路的输入端相连接，第二信号放大电路的输出端与单片机的输入端相连接，单片机的输出端与显示器的输入端相连接。本发明可以实时的检测到路面上水流的流速及深度。

Description

一种雨天路面上水流流速和深度检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种水流流速和深度测量装置及方法，具体涉及一种雨天路面上水流流速和深度检测装置及方法。

背景技术

据全国交通事故统计数据显示，2010年全国共接报道路事故中31.2％的道路交通事故发生在阴雨雪雾天气条件下，同比上升了11.7％。在2001～2010年间，我国公路交通事故中有50％是发生在不良气候条件下，而71％的重特大交通事故和65％的直接经济损失也是发生在不良气候环境下，加强不良气候条件下交通安全事故预防研究已刻不容缓。

汽车在有水膜覆盖的路面上行驶时，轮胎向前滚动时要排开路面上的积水，由于轮胎挤压水膜而产生的动水压力使得轮胎产生上浮，与路面的接触面积减小，轮胎与路面间的附着系数也因此减小，轮胎易产生打滑，汽车甚至是在前轮不转动的情况下向前行驶，导致驾驶员不能控制汽车的前进方向，汽车的操纵稳定性和刹车性能急剧下降，严重影响交通安全，这种现象称为路面水漂。目前路面(尤其是高速路面)上由

水漂引起的滑移和侧滑等行车安全问题是雨天事故发生的最主要的因素。因此，路面水漂是雨天高速公路安全的重大隐患，也是目前我国雨天事故研究的重要部分。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种雨天路面上水流流速及深度监测装置及方法，该装置及方法可以实时的检测到路面上水流的流速及深度。

为达到上述目的，本发明所述的雨天路面上水流流速和深度检测装置包括控制器及放置式超声波传感器，控制器包括第一信号放大电路、转换电路、第二信号放大电路、单片机、显示器、用于产生电信号的集成电路、以及用于控制集成电路的开关，开关与集成电路的控制端相连接，集成电路的输出端与第一信号放大电路的输入端相连接，第一信号放大电路的输出端与放置式超声波传感器的输入端相连接，放置式超声波传感器的输出端与转换电路的输入端相连接，转换电路的输出端与第二信号放大电路的输入端相连接，第二信号放大电路的输出端与单片机的输入端相连接，单片机的输出端与显示器的输入端相连接。

所述放置式超声波传感器包括长方体框架，长方体框架的底部设有扇叶及顺流斜探头换能器，长方体框架的顶部设有刻度盘及指针，指针的一端设有逆流斜探头换能器，指针的另一端通过连接杆与扇叶的一侧相连接，当指针指向刻度盘的零刻度时，顺流斜探头换能器与逆流斜探头换能器的连线处于扇叶与连接杆组成的平面内。

所述逆流斜探头换能器及顺流斜探头换能器均包括接收器、发射器及换能器。

所述单片机为MSP430单片机。

相应的，本发明还提供了一种雨天路面上水流流速和深度检测方法，包括以下步骤：

1)将放置式超声波传感器放置到水流中，调整放置式超声波传感器的位置，使指针指向刻度盘的零刻度，然后再打开开关使集成电路正常工作，集成电路产生第一电信号，所述第一电信号经第一信号放大电路放大后输入到放置式超声波传感器中；

2)所述放置式超声波传感器内的逆流斜探头换能器接收所述第一电信号，并根据所述第一电信号产生第一超声波信号，第一超声波信号经转换电路转换为第二电信号，第二电信号经第二信号放大电路放大后输入到单片机中，同时第一超声波信号经传递后被顺流斜探头换能器的接收器接收，顺流斜探头换能器接收所述第一超声波信号，并将第一超声波信号通过转换电路转换为第三电信号，第三电信号经第二信号放大电路放大后输入到单片机中；放置式超声波传感器内的顺流斜探头换能器接收第一电信号，并根据所述第一电信号产生第二超声波信号，再通过转换电路将所述第二超声波信号转换为第四电信号，第四信号经第二信号放大电路放大后输入到单片机中，同时第二超声波信号经传递后被逆流斜探头换能器的接收器接收，逆流斜探头换能器接收所述第二超声波信号，并通过转换电路将第二超声波信号转换为第五电信号，第五电信号经第二信号放大电路放大后输入到单片机中；

3)所述单片机记录接收到第二电信号及第三电信信号的时间差t_2，，单片机记录接收到第四电信号及第五电信号的时间差t₁，再根据 $t_1=\frac{1}{v+u\cos \mathrm{\θ}}+\frac{L-1}{v},$ $t_2=\frac{1}{v-u\cos \mathrm{\θ}}+\frac{L-1}{v}$ 及h=1·sinθ得到水流流速u及水流深度h，其中，v为静止水中超声波的速度，L为逆流斜探头换能器与顺流斜探头换能器之间的距离，1为超声波传播过程中水中部分的长度，θ为超声波的传播方向与水流方向的夹角，然后再将水流流速u及水流深度h转发至显示器。

步骤3)中θ的取值为30°～60°之间。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述雨天路面上水流流速及深度监测装置及方法通过集成电路产生第一电信号，第一电信号经放大后输入到放置式超声波传感器中，然后再通过放置式超声波传感器及单片机来检测雨天路面上水流的流速及深度，结构简单紧凑，检测时无须对仪器进行繁杂的安装和校正处理，将仪器直接放置在路面上，仪器可以根据水流方向自动进行探测，同时保证较高的测量精度，通过采集的数据及计算处理，得出当时的最佳车速范围，从而降低路面上车辆发生侧滑打滑的危险性，可以更好的指导驾驶员的行驶。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中放置式超声波传感器4的结构示意图。

其中，1为开关、2为集成电路、3为第一信号放大电路、4为放置式超声波传感器、5为转换电路、6为第二信号放大电路、7为单片机、8为显示器、41为逆流斜探头换能器、41为顺流斜探头换能器、43为扇叶、44为连接杆、45为刻度盘。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1及图2，本发明所述的雨天路面上水流流速和深度检测装置包括控制器及放置式超声波传感器4，控制器包括第一信号放大电路3、转换电路5、第二信号放大电路6、单片机7、显示器8、用于产生电信号的集成电路2、以及用于控制集成电路2的开关1，开关1与集成电路2的控制端相连接，集成电路2的输出端与第一信号放大电路3的输入端相连接，第一信号放大电路3的输出端与放置式超声波传感器4的输入端相连接，放置式超声波传感器4的输出端与转换电路5的输入端相连接，转换电路5的输出端与第二信号放大电路6的输入端相连接，第二信号放大电路6的输出端与单片机7的输入端相连接，单片机7的输出端与显示器8的输入端相连接。放置式超声波传感器4包括长方体框架，长方体框架的底部设有扇叶43及顺流斜探头换能器42，长方体框架的顶部设有刻度盘45及指针，指针的一端设有逆流斜探头换能器41，指针的另一端通过连接杆44与扇叶43的一侧相连接，当指针指向刻度盘45的零点时，顺流斜探头换能器42与逆流斜探头换能器41的连线处于扇叶43与连接杆44组成的平面内，逆流斜探头换能器41及顺流斜探头换能器42均包括接收器、发射器及换能器，单片机7为MSP430单片机7。

本发明所述的雨天路面上水流流速和深度检测方法，包括以下步骤：

1)将放置式超声波传感器4放置到水流中，调整放置式超声波传感器4的位置，使指针指向刻度盘45的零刻度，然后再打开开关1使集成电路2正常工作，集成电路2产生第一电信号，所述第一电信号经第一信号放大电路3放大后输入到放置式超声波传感器4中；

2)所述放置式超声波传感器4内的逆流斜探头换能器41接收所述第一电信号，并根据所述第一电信号产生第一超声波信号，第一超声波信号经转换电路5转换为第二电信号，第二电信号经第二信号放大电路6放大后输入到单片机7中，同时第一超声波信号经传递后被顺流斜探头换能器42的接收器接收，顺流斜探头换能器42接收所述第一超声波信号，并将第一超声波信号通过转换电路5转换为第三电信号，第三电信号经第二信号放大电路6放大后输入到单片机7中；放置式超声波传感器4内的顺流斜探头换能器42接收第一电信号，并根据所述第一电信号产生第二超声波信号，再通过转换电路5将所述第二超声波信号转换为第四电信号，第四信号经第二信号放大电路6放大后输入到单片机7中，同时第二超声波信号经传递后被逆流斜探头换能器41的接收器接收，逆流斜探头换能器41接收所述第二超声波信号，并通过转换电路5将第二超声波信号转换为第五电信号，第五电信号经第二信号放大电路6放大后输入到单片机7中；

3)所述单片机7记录接收到第二电信号及第三电信信号的时间差t_2，，单片机7记录接收到第四电信号及第五电信号的时间差t₁。

当超声波在液体中传播时，液体的流动将使传播时间产生微小变化，并且其传播时间的变化正比于液体的流速，设静止水中超声波的速度为v，水流流动的速度为u，L为逆流斜探头换能器41与顺流斜探头换能器42之间的距离，当超声波与水流流动方向一致时，超声波的真实传播速度为v+u；相反的，超声波的真实传播速度为v-u，则有

$t_1=\frac{1}{v+u\cos \mathrm{\θ}}+\frac{L-1}{v}---\left(1\right),$ $t_2=\frac{1}{v-u\cos \mathrm{\θ}}+\frac{L-1}{v}---\left(2\right)$

则t₁和t₂之差为：

$\mathrm{\Δt}=t_2-t_1=l\·(\frac{1}{v-u\cos \mathrm{\θ}}-\frac{1}{v+u\cos \mathrm{\θ}})=\frac{2l\·u\cos \mathrm{\θ}}{v^2}\·\frac{1}{1-\frac{u^2}{v^2}{\cos }^2\mathrm{\θ}}---\left(3\right)$

由于 $u<<v\&DoubleRightArrow;\frac{u^2}{v^2}\&ap;0,$ 那么 $\mathrm{\&Delta;t}=\frac{2l\&CenterDot;u\cos \mathrm{\&theta;}}{v^2}$ 及 $u=\frac{v^2\mathrm{\&Delta;t}}{2l\cos \mathrm{\&theta;}}---\left(4\right)$

从而得到h=1·sinθ(5)。

其中，v为静止流体中的超声波的速度；u为水流流动的速度；L为逆流斜探头换能器41与顺流斜探头换能器42之间的距离；l为超声波传播在水中传播距离；θ为超声波传播方向与水流方向的夹角；Δt为t₁与t₂的时间差；h为水流的深度；由式(1)、(2)可知，当θ较大时，u·cosθ远远小于v，这会导致计算误差增大；而当θ较小时，会导致传感器设备过长而精度并无明显增加，因此，对上述问题综合考虑后，θ的取值为30°～60°。

Claims (5)

1.一种雨天路面上水流流速和深度检测装置，其特征在于，包括控制器及放置式超声波传感器(4)，控制器包括第一信号放大电路(3)、转换电路(5)、第二信号放大电路(6)、单片机(7)、显示器(8)、用于产生电信号的集成电路(2)、以及用于控制集成电路(2)的开关(1)，开关(1)与集成电路(2)的控制端相连接，集成电路(2)的输出端与第一信号放大电路(3)的输入端相连接，第一信号放大电路(3)的输出端与放置式超声波传感器(4)的输入端相连接，放置式超声波传感器(4)的输出端与转换电路(5)的输入端相连接，转换电路(5)的输出端与第二信号放大电路(6)的输入端相连接，第二信号放大电路(6)的输出端与单片机(7)的输入端相连接，单片机(7)的输出端与显示器(8)的输入端相连接；

所述放置式超声波传感器(4)包括长方体框架，长方体框架的底部设有扇叶(43)及顺流斜探头换能器(42)，长方体框架的顶部设有刻度盘(45)及指针，指针的一端设有逆流斜探头换能器(41)，指针的另一端通过连接杆(44)与扇叶(43)的一侧相连接，当指针指向刻度盘(45)的零刻度时，顺流斜探头换能器(42)与逆流斜探头换能器(41)的连线处于扇叶(43)与连接杆(44)组成的平面内。

2.根据权利要求1所述的雨天路面上水流流速和深度检测装置，其特征在于，所述逆流斜探头换能器(41)及顺流斜探头换能器(42)均包括接收器、发射器及换能器。

3.根据权利要求1所述的雨天路面上水流流速和深度检测装置，其特征在于，所述单片机(7)为MSP430单片机。

4.一种雨天路面上水流流速和深度检测方法，基于权利要求3所述的雨天路面水流流速和深度检测装置，其特征在于，包括以下步骤：

1)将放置式超声波传感器(4)放置到水流中，调整放置式超声波传感器(4)的位置，使指针指向刻度盘(45)的零刻度，然后再打开开关(1)使集成电路(2)正常工作，集成电路(2)产生第一电信号，所述第一电信号经第一信号放大电路(3)放大后输入到放置式超声波传感器(4)中；

2)所述放置式超声波传感器(4)内的逆流斜探头换能器(41)接收所述第一电信号，并根据所述第一电信号产生第一超声波信号，第一超声波信号经转换电路(5)转换为第二电信号，第二电信号经第二信号放大电路(6)放大后输入到单片机(7)中，同时第一超声波信号经传递后被顺流斜探头换能器(42)的接收器接收，顺流斜探头换能器(42)接收所述第一超声波信号，并将第一超声波信号通过转换电路(5)转换为第三电信号，第三电信号经第二信号放大电路(6)放大后输入到单片机(7)中；放置式超声波传感器(4)内的顺流斜探头换能器(42)接收第一电信号，并根据所述第一电信号产生第二超声波信号，再通过转换电路(5)将所述第二超声波信号转换为第四电信号，第四信号经第二信号放大电路(6)放大后输入到单片机(7)中，同时第二超声波信号经传递后被逆流斜探头换能器(41)的接收器接收，逆流斜探头换能器(41)接收所述第二超声波信号，并通过转换电路(5)将第二超声波信号转换为第五电信号，第五电信号经第二信号放大电路(6)放大后输入到单片机(7)中；

3)所述单片机(7)记录接收到第二电信号及第三电信信号的时间差t₂，单片机(7)记录接收到第四电信号及第五电信号的时间差t₁，再根据 及h＝1·sinθ得到水流流速u及水流深度h，其中，v为静止水中超声波的速度，L为逆流 斜探头换能器(41)与顺流斜探头换能器(42)之间的距离，l为超声波传播过程中水中部分的长度，θ为超声波的传播方向与水流方向的夹角，然后再将水流流速u及水流深度h转发至显示器(8)。

5.根据权利要求4所述的雨天路面上水流流速和深度检测方法，其特征在于，步骤3)中θ的取值为30°～60°之间。