CN104880142A - 路面结冰探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种路面结冰探测装置，包括底座（7）、壳体（4）、传感器和上位机（15），所述传感器设置在所述壳体（4）的顶部，所述壳体（4）安装在所述底座（7）上，底座（7）、壳体（4）和传感器形成密封的腔体，所述壳体（4）内还安装有的PCB板（5），所述PCB板（5）与所述上位机（15）连接，所述PCB板（5）上集成与所述传感器电连接的测量电路，所述测量电路包括扫频信号发生器（13）、峰值检测模块（16）和控制器（12）；所述上位机（15）根据传感器的固有谐振频率判断传感器所结冰的厚度。本发明装置稳定性高，使用寿命长，可适用于高速公路的路面结冰检测，可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及公路安全设施，更具体地说，涉及一种路面结冰探测装置。
背景技术
由于山区高速公路有“十里不同天”的气象现象，偏远山区难以实现实时路面结冰监测及警示，容易造成交通事故，所以路面结冰状况的实时监测及实时预警非常重要。
中国专利（CN1967176A）公开了一种压电谐振片式传感器，提出了一种基于压电谐振膜片式传感器可应用于公路结冰探测。该传感器因振动膜片很薄，故使用寿命较短，该传感器测量电路采用自激方式可靠性不高，该传感器体积较大不易安装，该传感器利用信号远传处理方式，使得信号失真误差较大，影响传感器的性能。由于以上一系列问题，这种传感器无法再实际投入使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种稳定性高，使用寿命长的路面结冰探测装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种路面结冰探测装置，包括底座、壳体、传感器和上位机，所述传感器设置在所述壳体的顶部，所述壳体安装在所述底座上，底座、壳体和传感器形成密封的腔体，所述壳体内还安装有的PCB板，所述PCB板与所述上位机连接，所述PCB板上集成与所述传感器电连接的测量电路，所述测量电路包括扫频信号发生器、峰值检测模块和控制器；
所述扫频信号发生器产生不同频率的信号并输入传感器产生谐振，所述峰值检测模块检测峰值并将峰值电压送给控制器采集，所述控制器根据不同频率下的不同峰值电压确定所述传感器的固有谐振频率；
所述上位机根据传感器的固有谐振频率判断传感器所结冰的厚度。
上述方案中，所述传感器包括测量件和压电膜片，所述压电膜片位于所述壳体外侧，所述压电膜片紧贴所述测量件的底面。
上述方案中，所述测量件与所述壳体之间设有防水垫片。
上述方案中，所述测量件与所述壳体通过螺纹连接。
上述方案中，所述壳体与所述底座通过螺纹连接。
上述方案中，所述壳体内设有安装所述PCB板的卡槽。
上述方案中，所述壳体的表面倾斜设置。
上述方案中，所述壳体的表面有凹槽。
上述方案中，所述底座的底部设有压缩弹簧，所述压缩弹簧的一端固定在所述底座上，另一端固定在支撑座上。
上述方案中，所述PCB板通过线缆与所述上位机连接，所述壳体底部设有与所述线缆配合的防水插座。
实施本发明的路面结冰探测装置，具有以下有益效果：
1、本发明中的壳体起到保护的作用，包含测量电路的PCB板被安装在壳体内部，测量电路和传感器距离近，降低了信号远传带来的失真与误差，大大提高了传感器的性能。
2、原有测量电路采用被动谐振式NE555双稳态触发电路实现平膜固有频率的测量，本发明为了克服双稳态触发电路在有些特殊情况下由于平膜Q值变化从而导致频率不稳定的缺陷，采用扫频检测峰值电压与频率的特点来实现平膜刚性的测量，从而实现平膜表面结冰状况的准确测量，即路面结冰状态的测量。
3、本发明外壳表面的特殊结构设计在很大程度上降低了传感器的测量件损坏的概率，提高传感器使用寿命。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明路面结冰探测装置的结构示意图；
图2是本发明路面结冰探测装置的俯视图；
图3是本发明路面结冰探测装置的另一实施例的俯视图；
图4是壳体的结构示意图；
图5是本发明路面结冰探测装置的电路框图；
图6是本发明路面结冰探测装置的程序流程图；
图7是扫频信号发生器实施例1的示意图；
图8是扫频信号发生器实施例2的示意图；
图9是扫频信号发生器实施例3的示意图；
图10是峰值检测模块实施例1的示意图；
图11是峰值检测模块实施例2的示意图；
图12是峰值检测模块实施例3的示意图；
图13是本发明路面结冰探测装置的另一实施例的结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1-图6所示，本发明路面结冰探测装置包括底座7、壳体4、传感器、上位机15和PCB板5
传感器设置在壳体4的顶部，壳体4安装在底座7上，底座7、壳体4和传感器形成密封的腔体。壳体4为柱形，其横截面形状是任意的，本实施例中给出了圆形和方形两种实施方式。安装时，首先在路面挖出一个与壳体4大小相适应的槽，然后将底座7放置在槽内，并通过螺栓、粘接或灌浆等方式固定。本实施例是在沥青路面开槽，底座7的下方为沥青中面层10，底座7的两侧为沥青上面层9。本实施例中的壳体4通过螺纹连接的方式固定在底座7上，便于拆装，并且壳体4和底座7之间设有防水垫片3，起到密封防水的作用。
壳体4内还安装有的PCB板5，PCB板5与上位机15连接。壳体4内设有安装PCB板5的卡槽，便于固定。PCB板5上集成与传感器电连接的测量电路，测量电路包括扫频信号发生器13、峰值检测模块16和控制器12。包含测量电路的PCB板5被安装在壳体4内部，测量电路和传感器距离近，降低了信号远传带来的失真与误差，大大提高了传感器的性能。PCB板5通过屏蔽线缆8与上位机15连接，保证信号传输质量。壳体4底部设有与屏蔽线缆8配合的防水插座6。
控制器12可以控制扫频信号发生器13产生不同频率的正弦波，并输入传感器产生谐振，峰值检测模块16检测峰值并将峰值电压送给控制器12采集，控制器12根据扫频信号发生器13产生不同频率下的不同的响应峰值电压确定传感器的固有谐振频率。上位机15根据传感器的固有谐振频率判断传感器所结冰的厚度。本实施例中的控制器12为单片机。
扫频信号发生器13有以下两种实施方式：
1、如图7所示，通过单片机的IO口直接输出不同频率的方波，利用程序实现频率的调节，从而实现扫频。控制器12可以连接DA转换器和滤波器，如图8所示。
2、通过单片机控制DDS芯片（AD9833）产生不同频率的正弦波，如图9所示。
峰值检测模块16有以下两种实施方式：
1、通过二极管检波电路实现峰值检测，有无源（图10）和有源（图11）两种方式。
2、通过AD直接采集峰值数据然后通过算法实现峰值检测，如图12所示。
本实施例中的传感器包括测量件1和压电膜片2，压电膜片2位于壳体4外侧，压电膜片2紧贴测量件1的底面。测量件1与壳体4之间设有防水垫片3，测量件1与壳体4通过螺纹连接。测量件1为传感器脆弱部分，原理上测量件1表面越大测量特性越好，但是测量件1表面越大也越易造成损害，故在公路中间安装的测量件1的直径较小，在公路侧边安装的测量件1的直径较大。测量件1由金属材料制成，刚性材质能够提升传感器的性能。测量件1上表面形状为圆形，其直径为1cm～10cm，圆形件有利于利用原有标材进行加工。
本发明装置在测量件1结1mm冰时，其固有频率为18kHz±800Hz；测量件1结3.5mm冰时，其固有频率为36kHz±800Hz。上位机15根据传输回来的频率信号来计算当前测量件1所结的冰的厚度，当发现所结冰厚度超过预设报警值时，就控制警示牌14进行预警显示，并且将路况信号通过网络传输到高速公路管理中心。
进一步的，壳体4的表面倾斜设置，中间低，四周高。倾斜角范围为10～45度，防止车辆损坏传感器的测量件1。
进一步的，壳体4的表面有凹槽11，防止传感器测量表面积水。
进一步的，壳体4的上表面边缘设有与拆装工具配合的卡槽，以便施工人员利用对应工具迅速安装，同时起到防盗的作用。
本发明路面结冰探测装置安装在路面两侧时，可以采用图1的方式进行安装。安装在路面中间时，可以在底座7的底部设置压缩弹簧17，如图13所示。压缩弹簧17的一端固定在底座7上，另一端固定在支撑座18上。壳体4受压时向下移动，弹簧17压缩，起到减震的作用，避免壳体4和传感器受损。
进一步的，在测量件1贴压电膜片2旁贴有若干贴片PT100温度测量元件，测量电路可以实时测量出当前路面温度，在控制器12内部设置有温度控制单元，该单元根据当前温度的情况，调整传感器工作状态，将扫频电路关闭，降低功耗，提高传感器使用寿命。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种路面结冰探测装置，其特征在于，包括底座（7）、壳体（4）、传感器和上位机（15），所述传感器设置在所述壳体（4）的顶部，所述壳体（4）安装在所述底座（7）上，底座（7）、壳体（4）和传感器形成密封的腔体，所述壳体（4）内还安装有的PCB板（5），所述PCB板（5）与所述上位机（15）连接，所述PCB板（5）上集成与所述传感器电连接的测量电路，所述测量电路包括扫频信号发生器（13）、峰值检测模块（16）和控制器（12）；
所述扫频信号发生器（13）产生不同频率的信号并输入传感器产生谐振，所述峰值检测模块（16）检测峰值并将峰值电压送给控制器（12）采集，所述控制器（12）根据不同频率下的不同峰值电压确定所述传感器的固有谐振频率；
所述上位机（15）根据传感器的固有谐振频率判断传感器所结冰的厚度。
2.根据权利要求1所述的路面结冰探测装置，其特征在于，所述传感器包括测量件（1）和压电膜片（2），所述压电膜片（2）位于所述壳体（4）外侧，所述压电膜片（2）紧贴所述测量件（1）的底面。
3.根据权利要求2所述的路面结冰探测装置，其特征在于，所述测量件（1）与所述壳体（4）之间设有防水垫片（3）。
4.根据权利要求2所述的路面结冰探测装置，其特征在于，所述测量件（1）与所述壳体（4）通过螺纹连接。
5.根据权利要求1所述的路面结冰探测装置，其特征在于，所述壳体（4）与所述底座（7）通过螺纹连接。
6.根据权利要求1所述的路面结冰探测装置，其特征在于，所述壳体（4）内设有安装所述PCB板（5）的卡槽。
7.根据权利要求1所述的路面结冰探测装置，其特征在于，所述壳体（4）的表面倾斜设置。
8.根据权利要求1所述的路面结冰探测装置，其特征在于，所述壳体（4）的表面有凹槽（11）。
9.根据权利要求1所述的路面结冰探测装置，其特征在于，所述底座（7）的底部设有压缩弹簧（17），所述压缩弹簧（17）的一端固定在所述底座（7）上，另一端固定在支撑座（18）上。
10.根据权利要求1所述的路面结冰探测装置，其特征在于，所述PCB板（5）通过线缆（8）与所述上位机（15）连接，所述壳体（4）底部设有与所述线缆（8）配合的防水插座（6）。
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