CN105717549A - 一种路表面结冰检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种路表面结冰检测装置，采用温度检测模块进行结冰预判，再根据光反射检测模块的红外光反射接收数值、热流结冰检测模块的热流密度、电容结冰检测模块的电容值的信息变化，来准确地判断路表面结冰状况。这种采用四个模块进行综合检测的方法，提高了检测的稳定性和准确率。同时为减少检测误差，共设置多点检测，各点位四个模块反馈信息通过上位机有效汇总处理后，将路表面结冰情况反映到电子显示屏上，以警示司机减速通过，减小交通事故的发生率。

Description

一种路表面结冰检测装置

技术领域

本发明涉及公路安全设施，尤其涉及一种路表面结冰检测装置。

背景技术

结冰是一种常见的现象。在某些场合或特殊行业中，人为地控制结冰可满足生产需要，产生经济效益，甚至造福人类。例如，溜冰场，可食冰块等。然而,另一些结冰现象会对人们的日常生产和生活造成不良的影响。例如，公路的道路结冰，飞机场的跑道结冰，飞机的机翼结冰等。这些结冰现象会直接或者间接地危害着交通运输业、工业、农业、商业等国民经济的各个方面。目前，道路结冰与雷雨、大风、冰雹、雪灾、台风、暴雨、高温、寒潮、大雾、沙尘暴，共11种气象现象被中国气象局列为第一批发布预警信号的突发气象灾害。

工业化进程导致当今的极端天气增多，例如，大范围的暴雨，雷电，冰冻等。前几年南方雪灾肆虐，我国多条高速公路因结冰积雪而封闭，飞机停航。相关部门不分昼夜地进行除冰工作。近年来，我国公路建设持续发展，路网规模日益扩大，与之配套建设的高速公路通信、监控、收费三大机电系统工程技术迅速发展，特别是道路监控系统发展速度更快，主要是因为该系统作用日益突显，而道路监控系统中的路面状况监测与交通事故有着紧密的联系。例如：全世界每年约有100多万人死于交通事故，其中灾害性天气直接或间接导致的交通事故占所有交通事故的l/4。在我国高速公路百公里事故率比普通公路高出3倍多，而世界发达国家高速公路死亡事故率仅为普通公路的1/2-1/10。在冬季，很多时候由于路面结冰，高速公路被迫封闭，给人们的出行带来很大的不便，国家因此损失了很大的经济利益。

公路路表面结冰检测系统是用来检测与预报道路路表面状况的系统，由于其在军事与民用方面的重要性，一直受到世界发达国家的重视，更由于其技术上的先进性，美国等西方国家在这一领域的研究一直处于领先地位。现阶段国外对道路结冰的检测主要是依靠图像采集来对道路上覆盖的冰进行检测，同时国外还研制出多种结冰传感器。例如，回波式结冰传感器、压差式结冰传感器、电磁束阻断式结冰传感器等。

多年来，我国一直靠从第三方进口这方面的系统，来满足各行各业的需要，为了解决这种窘迫局面，国内开始研究相关的路面结冰检测系统。如果可以及时地检测道路表面是否结冰，就可及时地采取相应措施减小道路结冰造成的损失，降低路表面结冰的危害。

发明内容

发明目的：

本发明要解决的技术问题在于，针对上述的路面结冰导致交通事故增加，提出一种稳定性高，使用寿命长，准确率高的路表面结冰检测装置，该检测装置可以及时的反馈道路路表面的结冰情况，以警示司机减速通过，减小交通事故的发生率。

技术方案：

为实现以上功能，本发明提供了一种路表面结冰检测装置，包括路面，在所述路面下设置有温度检测模块、光反射检测模块、热流结冰检测模块、电容结冰检测模块以及上位机；

所述温度检测模块检测所述路面温度，对所述路面进行结冰预判；所述光反射检测模块根据所述路面的光反射强弱检测所述路面的结冰状况；所述热流结冰检测模块通过所述路面结冰引起的热流密度变化检测所述路面结冰状况；所述电容结冰检测模块通过检测所述路面结冰引起的电容减小量检测所述路面的结冰状况；

所述上位机分别与所述温度检测模块、所述光反射检测模块、所述热流结冰检测模块、所述电容结冰检测模块连接；并汇总分析所述四个模块的检测信息得到路表面结冰情况。

在所述路面一侧设有路杆，在所述路杆上设置有用于显示路表面结冰情况的电子显示屏。

所述温度检测模块包括所述路面下方的硅介质滤光片以及设置在所述硅介质滤光片下方的热电偶硅基；所述硅介质滤光片滤光得到红外光，所述热电偶硅基吸收红外光产热并将其转化为输出电压，通过与所述热电偶硅基连接的环境温度传感器测得温度；根据所述环境温度传感器的数值判断路表面是否结冰。

所述光反射检测模块包括紧接所述路面的透光层、设置在所述透光层下方两侧的发射光纤装置及接收光纤装置；在所述发射光纤装置与所述透光层之间、所述透光层与所述接收光纤装置之间分别设置有光通道；所述发射光纤装置发射红外光并通过所述光通道发射至所述透光层；所述透光层接收所述红外光，在其上有结冰时反射部分红外光，并通过所述光通道被所述接收光纤装置接收；所述接收光纤装置接收和检测散射和反射的红外光；通过检测所述接收光纤装置接收到的红外光的强弱检测结冰程度。

所述热流结冰检测模块包括热阻层、温度探头一以及温度探头二；所述热阻层在有热流通过时产生温度梯度，所述温度探头一与所述温度探头二分别检测不同温度梯度的温度；根据付立叶定律得到通过所述热流结冰检测模块的热流密度：

q＝-λΔT/ΔX

式中：ΔT为两等温面的温差，通过所述温度探头一和所述温度探头二测得的温度相减得到；ΔX为两等温面之间的距离；λ为材料的导热系数；

所述热流结冰检测模块根据得到的热流密度指示所述路面的结冰状况。

所述电容结冰检测模块包括凹槽，与所述凹槽键合在一起的公共电极；所述公共电极设置在所述路面下方；在所述凹槽内设有有两个同心的方形电极，中心正方形的为驱动电极，外围回字形的为检测电极；所述公共电极在与所述驱动电极之间加静电后发生变形，且在所述公共电极上有结冰时变形量减小；从而所述检测电极和所述公共电极之间的电容减小；所述电容结冰检测模块通过测量所述检测电极和所述公共电极之间的电容减小量确定结冰厚度。

所述温度检测模块的结冰温度临界数值、所述光反射检测模块的红外光反射接收结冰临界数值、所述热流结冰检测模块的热流密度变化临界数值、所述电容结冰检测模块的电容变化临界数值，均需要在道路结冰时刻通过多次实验测定，用于设定判断阈值。

在所述路面设置多个检测点，每个检测点均包含四个所述检测模块；每个检测点均与所述上位机连接；所述上位机进行综合分析处理，经处理后的数据再传送至数据存储和无线收发模块进行数据存储和上传。

有益效果：

本发明中的壳体起到保护的作用，提高了各检测模块的使用寿命和稳定性。采用温度检测模块进行结冰预判，再根据光反射检测模块的红外光反射接收数值、热流结冰检测模块的热流密度、电容结冰检测模块的电容值的信息变化，来准确地判断路表面结冰状况。这种采用四个模块进行综合检测的方法，提高了检测的稳定性和准确率。同时为减少检测误差，共设置多点检测，各点位四个模块反馈信息通过上位机有效汇总处理后，将路表面结冰情况反映到电子显示屏上，以警示司机减速通过，减小交通事故的发生率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍：

图1为本发明的结构示意图；

图2为温度检测模块的结构示意图；

图3为光反射检测模块的结构示意图；

图4为热流结冰检测模块的结构示意图；

图5为电容结冰检测模块的结构示意图；

图6为多点位检测的分布示意图；

此外，图中附件所表示的相应的部件名称如下：

1—电子显示屏；2—路杆；3—路面；4—壳体；5—底座；6—温度检测模块；7—光反射检测模块；8—热流结冰检测模块；9—电容结冰检测模块；10—电缆；11—上位机；12—硅介质滤光片；13—DIE线缆；14—环境温度传感器；15—热电偶硅基；16—透光层；17—光通道；18—接收光纤装置；19—发射光纤装置；20—热阻层；21—温度探头一；22—温度探头二；23—检测电极；24—驱动电极；25—公共电极；26—凹槽；27—数据存储和无线收发模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1，为实现以上功能，本发明装置主要包括电子显示屏1，路杆2，温度检测模块6，光反射检测模块7，热流结冰检测模块8，电容结冰检测模块9等；其中温度检测模块6、光反射检测模块9、热流结冰检测模块7、电容结冰检测模块8均放置于对应尺寸的保护壳体4内，壳体4通过螺纹连接至各自底座5；其中光反射检测模块7紧接路表面的层采用透光材料；电子显示屏1安装在路杆2上；采用四个模块进行综合检测的方法，提高了检测的稳定性和准确率，同时为减小检测误差，共设置多点检测，各点位四个模块反馈信息通过上位机11有效汇总处理后，将路表面结冰情况反映到电子显示屏1上，以警示司机减速通过，减小交通事故的发生率。

如图2，温度检测模块由硅介质滤光片12、DIE线缆13、环境温度传感器14、热电偶硅基15等组成，大量的热电偶堆集在底层的硅基上，热电偶上面的吸收层将入射的放射线转化为热能，由热电效应可知，输出电压与放射线是成比例的。DIE线缆13与热电偶硅基15相连，用于传输输出电压。环境温度传感器14用于检测其温度。根据温度传感器的数值判断路表面是否结冰。

如图3，光反射检测模块7由发射光纤装置19、接收光纤装置18、光通道17、透光层16等组成，左侧发光电路包括两根同心结构的光纤，中心圆形为发射光纤装置19，可以发出红外光；右侧光接收电路包括圆环形的接收光纤装置18，可以接受和检测散射和反射回来的红外光。透光层16是一个平面玻璃，玻璃上没有结冰时，发射光纤装置19发射的红外光全部透过玻璃端面进入空气，接收光纤装置18接收不到任何红外光；当玻璃端面上有结冰时，发射光纤装置19发出的部分红外光由于被冰层散射和反射而被接收光纤装置18接受。通过检测接收光纤装置18接收到的红外光的强弱，达到检测结冰的目的。

如图4，热流结冰检测模块8由热阻层20、温度探头一21、温度探头二22等组成，温度探头一21与温度探头二22分别检测不同温度梯度的温度；原理是通过分析流过物体表面热流的变化来区分物体表面存在的沾染物(霜、冰、非冰流体等)。当有热流通过热流传感器时，在传感器的热阻层20上产生了温度梯度，根据付立叶定律就可以得到通过传感器的热流密度。其中热流密度也称热通量，一般用q表示，定义为：单位时间内，通过物体单位横截面积上的热量。设热流矢量方向是与等温面垂直：

q＝dQ/ds＝-λdT/dX

式中：q为热流密度；dS为通过等温面上微小面积，dQ为流过的热量；dT/dX为垂直与等温面方向的温度梯度；λ为材料的导热系数；如果温度为T和T+ΔT的两个等温面平行时：

q＝-λΔT/ΔX

式中：ΔT为两等温面的温差；ΔX为两等温面之间的距离。

只要知道热阻层的厚度ΔX，导热系数λ，通过测到的温差ΔT就可以知道通过的热流密度。

该方法是一种表面型的结冰探测方法，即当传感器表面结有冰层时，通过计算比较路表面的热流密度变化来指示路表面结冰量状况。其中，热流传感器与被测物粘贴的紧密程度，对热流的稳定时间有着非常大的影响。粘贴越紧密，稳定越快，测量偏差越小；反之，测量偏差越大。因此，在热流传感器的使用过程中，要尽量保证热流传感器能够紧密地粘贴被测物体，这样才能减少测量时间，提高测量精度。

如图5，电容结冰检测模块9用电容式结冰传感器来检测。传感器包括公共电极25、凹槽26、检测电极23、驱动电极24。其中敏感结构是一个薄膜，整个薄膜为扩散硅层，作为电容的公共电极25。用静电键合工艺将薄膜和一个凹槽26键合到一起，将凹槽26封闭为电容间隙。凹槽26里有两个同心的方形电极，中心正方形的为驱动电极24，外围回字形的为检测电极23。驱动电极24和公共电极25之间加静电，薄膜变形。检测电极23和公共电极25之间的电容称为检测电容。薄膜上有结冰时，结冰增大了薄膜刚度，使薄膜变形量减小，检测电容两电极之间的距离增大，检测电容减小。通过检测电容的减小量来确定结冰厚度。

为延长四个检测模块以及上位机11的使用寿命，将它们安装在路杆2侧的路表面下，减少因车辆碾压路表面导致的器械寿命折损。

其中，温度检测模块6的结冰温度临界数值、光反射检测模块7的红外光反射接收结冰临界数值、热流结冰检测模块8的热流密度变化临界数值、电容结冰检测模块9的电容变化临界数值，均需要在道路结冰时刻通过多次实验测定，用于设定判断阈值。

如图6，为多点位检测的分布示意图。多个点位的检测数据传输至上位机11，上位机11进行综合分析处理，经处理后的数据再传送至数据存储和无线收发模块27进行数据存储和上传。其中，多点位短距离数据传输采用红外通信技术(IrDA)，采用人眼看不到的红外线传输信息，采用点到点的连接方式，发射、接收具有方向性，具有体积小、功耗低、连接方便、简单易用、数据传输干扰少、速度快、成本低廉等特点。

数据存储和无线收发模块27中包括存储器和无线收发装置。该存储器实时存储上位机传输过来的检测数据，无线收发装置通过网络向道路监测部门的远程计算机传送路面结冰信息。其中，存储器选用AT45DB041芯片，该芯片具备：读写速度快、容量大、外围电路器件简单等诸多优点，而且功耗很低。AT45DB041中的数据是按页存放的，主存共有2048页，每页又有264Byte，所以总容量达到528K字节(约4M比特)。AT45DB041具备主存跟缓存两大存储空间，在掉电情况下存放在主存中的数据不会丢失数据，AT45DB04中有两个容量为264字节的数据缓存空间，缓存读写方便迅速且读写速度快，可以用来作为主存与外部进行数据交换时的缓冲区域，也可以用来存储一些临时性的数据，做为临时存储空间使用的缺点是在掉电情况下会丢失缓存中的数据。无线收发装置采用GPRSDTU进行数据传输，GPRSDTU是一种物联网无线数据终端，利用公用运营商网络GPRS网络为用户提供无线长距离数据传输功能。GPRSDTU具有充分利用现有的网络、资源利用率高、始终在线、传输速率高、资费合理等特点，采用高性能的工业级8/16/32位通信处理器和工业级无线模块，实现数据快速传输功能。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (8)

1.一种路表面结冰检测装置，包括路面(3)，其特征在于，在所述路面(3)下设置有温度检测模块(6)、光反射检测模块(7)、热流结冰检测模块(8)、电容结冰检测模块(9)以及上位机(11)；

所述温度检测模块检测所述路面(3)温度，对所述路面(3)进行结冰预判；所述光反射检测模块(7)根据所述路面(3)的光反射强弱检测所述路面(3)的结冰状况；所述热流结冰检测模块(8)通过所述路面(3)结冰引起的热流密度变化检测所述路面(3)结冰状况；所述电容结冰检测模块(9)通过检测所述路面(3)结冰引起的电容减小量检测所述路面(3)的结冰状况；

所述上位机(11)分别与所述温度检测模块(6)、所述光反射检测模块(7)、所述热流结冰检测模块(8)、所述电容结冰检测模块(9)连接；并汇总分析所述四个模块的检测信息得到路表面结冰情况。

2.根据权利要求1所述的路表面结冰检测装置，其特征在于，在所述路面(3)一侧设有路杆(2)，在所述路杆(2)上设置有用于显示路表面结冰情况的电子显示屏(1)。

3.根据权利要求1所述的路表面结冰检测装置，其特征在于，所述温度检测模块(6)包括所述路面(3)下方的硅介质滤光片(12)以及设置在所述硅介质滤光片(12)下方的热电偶硅基(15)；所述硅介质滤光片(12)滤光得到红外光，所述热电偶硅基(15)吸收红外光产热并将其转化为输出电压，通过与所述热电偶硅基(15)连接的环境温度传感器(14)测得温度；根据所述环境温度传感器(14)的数值判断路表面是否结冰。

4.根据权利要求1所述的路表面结冰检测装置，其特征在于，所述光反射检测模块(7)包括紧接所述路面(3)的透光层(16)、设置在所述透光层(16)下方两侧的发射光纤装置(19)及接收光纤装置(18)；在所述发射光纤装置(19)与所述透光层(16)之间、所述透光层(16)与所述接收光纤装置(18)之间分别设置有光通道(17)；所述发射光纤装置(19)发射红外光并通过所述光通道(17)发射至所述透光层(16)；所述透光层(16)接收所述红外光，在其上有结冰时反射部分红外光，并通过所述光通道(17)被所述接收光纤装置(18)接收；所述接收光纤装置(18)接收和检测散射和反射的红外光；通过检测所述接收光纤装置(18)接收到的红外光的强弱检测结冰程度。

5.根据权利要求1所述的路表面结冰检测装置，其特征在于，所述热流结冰检测模块(8)包括热阻层(20)、温度探头一(21)以及温度探头二(22)；所述热阻层(20)在有热流通过时产生温度梯度，所述温度探头一(21)与所述温度探头二(22)分别检测不同温度梯度的温度；根据付立叶定律得到通过所述热流结冰检测模块(8)的热流密度：

q＝-λΔT/ΔX

式中：ΔT为两等温面的温差，通过所述温度探头一(21)和所述温度探头二(22)测得的温度相减得到；ΔX为两等温面之间的距离；λ为材料的导热系数；

所述热流结冰检测模块(8)根据得到的热流密度指示所述路面(3)的结冰状况。

6.根据权利要求1所述的路表面结冰检测装置，其特征在于，所述电容结冰检测模块(9)包括凹槽(26)，与所述凹槽(26)键合在一起的公共电极(25)；所述公共电极(25)设置在所述路面(3)下方；在所述凹槽(26)内设有有两个同心的方形电极，中心正方形的为驱动电极(24)，外围回字形的为检测电极(23)；所述公共电极(25)在与所述驱动电极(24)之间加静电后发生变形，且在所述公共电极(25)上有结冰时变形量减小；从而所述检测电极(23)和所述公共电极(25)之间的电容减小；所述电容结冰检测模块(9)通过测量所述检测电极(23)和所述公共电极(25)之间的电容减小量确定结冰厚度。

7.根据权利要求1所述的路表面结冰检测装置，其特征在于，所述温度检测模块(6)的结冰温度临界数值、所述光反射检测模块(7)的红外光反射接收结冰临界数值、所述热流结冰检测模块(8)的热流密度变化临界数值、所述电容结冰检测模块(9)的电容变化临界数值，均需要在道路结冰时刻通过多次实验测定，用于设定判断阈值。

8.根据权利要求1所述的路表面结冰检测装置，其特征在于，在所述路面(3)设置多个检测点，每个检测点均包含四个所述检测模块；每个检测点均与所述上位机(11)连接；所述上位机(11)进行综合分析处理，经处理后的数据再传送至数据存储和无线收发模块(27)进行数据存储和上传。