CN109916318B - 用于道面的便携式冰雪感测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于道面的便携式冰雪感测装置，包括容器、传感单元和测量单元；传感单元为光纤准直器，分布在容器的内壁；测量单元包括光源、光电转换器和信号处理模块；光源发出的激光入射至出光侧光纤准直器，穿透容器内的待测介质，由受光侧光纤准直器接收，通过光电转换器转换为电信号，输送到信号处理模块；信号处理模块根据激光透过待测介质时，不同介质的光透射吸收损耗以及折射率不同导致的折射损耗存在的差异，从而测量光强变化求解待测介质的厚度，同时辨别不同的介质形态。本发明结构简单，占用空间小，制造成本低，对冰、雪、水三者的物态辨识度大，对冰雪厚度的测量能力强。
Description
技术领域
本发明属于光电传感监测领域，具体涉及一种用于道面的便携式冰雪感测装置。
背景技术
冬季气温低，易降雪，或出现道面结冰现象。冰雪的覆盖会大大降低道面的摩擦系数，给各种交通工具带来很大的安全隐患。如果可以及时地检测出道面的积雪、结冰情况，并反馈给道面管理者，就能针对这类情况提前采取应对措施，减少安全事故的发生。
目前，国外对道面冰雪监测已经有了部分成熟的产品，例如美国奥兰多FMC航空器件公司研制的集照相机、图像处理器和视频监控器于一体的光谱摄像装置，通过对比冰和水的光谱信号在不可见光谱段不同来监测道路的积水、结冰现象；美国Wahl设备公司研制的枪式红外温度结冰传感器，通过探测温度差值得到结冰信息；英国Lucas公司研制的障碍法结冰传感器，通过对传感器内刮板运转速率的大小检测来判断结冰情况。
除了上述结冰传感原理外，还有电容或电阻式结冰传感器、磁致伸缩式传感器等等，但都因为相关技术不成熟，传感器的研究只停留在实验阶段，还没有进入实际应用。
国内对冰雪监测的对象主要集中于飞机等一系列空中交通工具。针对飞机机身的结冰情况，华中科技大学已经研制基于压电效应的平模结冰传感器以及基于反射光变化趋势的光纤结冰传感器，能够识别飞机的结冰类型和冰层厚度。同时还有少数高校在结冰检测原理有所研究，例如哈尔滨工业大学、太原理工大学。但是对道面冰雪监测的研究很不完善，实际应用产品寥寥无几。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种用于道面的便携式冰雪感测装置，无需预埋，即可实现对道面冰雪水三种物态的智能识别，用于冰雪灾情的及时预警。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：用于道面的便携式冰雪感测装置，其特征在于：它包括容器、传感单元和测量单元；其中，
容器用于在道面接收落入的待测介质，待测介质为冰、雪、水中的任意一种或任意组合；
所述的传感单元为光纤准直器，分布在容器的内壁；
所述的测量单元包括光源、光电转换器和信号处理模块；光源发出的激光入射至出光侧光纤准直器，穿透容器内的待测介质，然后由受光侧光纤准直器接收，通过光电转换器转换为电信号，输送到信号处理模块；
信号处理模块用于根据激光透过待测介质时，不同介质的光透射吸收损耗以及折射率不同导致的折射损耗存在的差异，从而测量光强变化求解待测介质的厚度，同时辨别不同的介质形态。
按上述方案，所述的传感单元具体为三组光纤准直器，即第一、第二、第三组光纤准直器；其中：
第一组光纤准直器和第二组光纤准直器在水平方向交叉布置，且这两组光纤准直器之间的光路长度相差3倍以上，同一组内的光纤准直器错位布置；
光源发出的激光经过耦合器分流后由测量光纤分别输入第一组出光侧光纤准直器和第二组出光侧光纤准直器，穿透容器内待测介质区域，然后由第一组受光侧光纤准直器和第二组受光侧光纤准直器接收，再经由测量光纤、耦合器汇流，并通过光电转换器转换为电信号，输送到信号处理模块；
光源发出的激光经过校准光纤输入所述的第三组出光侧光纤准直器，穿透容器内待测介质区域，然后由第三组出光侧光纤准直器接收，通过光电转换器转换为电信号，输送到信号处理模块。
按上述方案，第一组光纤准直器由4对直径为3.5mm的光纤准直器错位布置而成，第二组光纤准直器的结构与第一组光纤准直器相同。
按上述方案，第三组光纤准直器的光纤直径小于第一组光纤准直器和第二组光纤准直器，校准光纤的高度在测量时与预置的道面平均积水深度平齐。
按上述方案，所述的容器设有一排等高的排水孔，用于测量时排水孔底部界线即为预置的路面平均积水深度。
按上述方案，所述的容器内设有冰点温度探头，与所述的信号处理模块连接。
按上述方案，所述的容器为由两个正交的长方形凹槽组成的L型盒体，长方形凹槽的深度为15mm±3mm。
本发明的有益效果为：
1、本发明结构简单，占用空间小，制造成本低，相对于国外摄像法和红外能量法，在成本上有很大优势；根据激光透过待测介质时，不同介质的光透射吸收损耗以及折射率不同导致的折射损耗存在的差异，从而测量光强变化求解待测介质的厚度，同时辨别不同的介质形态，对冰、雪、水三者的物态辨识度大，对冰雪厚度的测量能力强，有利于准确把握道面冰雪状况。
2、采用两组水平方向交叉布置的光纤准直器组，避免准直器安装孔相互干涉打架，也方便光束对准调节；利用交错布置的光纤准直器阵列，在高度方向上相互有重合透光区，以避免测量透光盲区，从而能够覆盖积雪预警深度，并进一步提高测量的精度。
3、校准光纤的设置，能够同时具备积水表面开始结冰的起始信号捕捉的功能。
4、容器设计成L型，一方面是为了保障两组测量用准直器的光路长度相差3倍以上，各自在冰雪厚度测量时能起到相互补偿的作用；另一方面则是为了扩大容器底面积，以便冷风容易吹入容器积水或较浅积雪表面，更接近道面结冰环境状况。
5、本发明装置仅仅模拟冬季道面的雨雪天环境，安装方便，只需将装置安装在方便携带的冰雪监测预警装置上。在冬季可能下雪/结冰时，才从仓库拿出来放置于机场道面（或高速公路）相对安全的路侧，靠自带电源光源完成积水/积雪/结冰状态的实时监测，可借助无线模块自动发送预警信息，指导管理人员及时启动除雪/除冰操作。
附图说明
图1为本发明一实施例的俯视图。
图2为本发明一实施例的正视图。
图中：1—容器，2-1-1—第一组出光侧光纤准直器，2-1-2—第一组受光侧光纤准直器，2-2-1—第二组出光侧光纤准直器，2-2-2—第二组受光侧光纤准直器，2-3-1—第三组出光侧光纤准直器，2-3-2—第三组受光侧光纤准直器，3—测量光纤，4—耦合器，5—光源，6—校准光纤，7—排水孔，8—冰点温度探头，9—光电转换器，10—信号处理模块。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种用于道面的便携式冰雪感测装置，如图1和图2所示，它包括容器1、传感单元和测量单元；其中，容器1用于在道面接收落入的待测介质，待测介质为冰、雪、水中的任意一种或任意组合；所述的传感单元为光纤准直器，分布在容器的内壁；所述的测量单元包括光源5、光电转换器9和信号处理模块10；光源5发出的激光入射至出光侧光纤准直器，穿透容器1内的待测介质，然后由受光侧光纤准直器接收，通过光电转换器9转换为电信号，输送到信号处理模块10；信号处理模块10用于根据激光透过待测介质时，不同介质的光透射吸收损耗以及折射率不同导致的折射损耗存在的差异，从而测量光强变化求解待测介质的厚度，同时辨别不同的介质形态。
具体的，所述的传感单元具体为三组光纤准直器，即第一、第二、第三组光纤准直器；其中：第一组光纤准直器和第二组光纤准直器在水平方向交叉布置，且这两组光纤准直器之间的光路长度相差3倍以上，各自在冰雪厚度测量时能起到相互补偿的作用，同一组内的光纤准直器错位布置，其光域覆盖10-11mm的高度，以应对积雪深度超过10-11mm（预警阈值）就发出预警的情形。第一组光纤准直器包括第一组出光侧光纤准直器2-1-1和第一组受光侧光纤准直器2-1-2；第二组光纤准直器包括第二组出光侧光纤准直器2-2-1和第二组受光侧光纤准直器2-2-2；第三组光纤准直器包括第三组出光侧光纤准直器2-3-1和第三组受光侧光纤准直器2-3-2。
光源5发出的激光经过耦合器4分流后由测量光纤3分别输入第一组出光侧光纤准直器2-1-1和第二组出光侧光纤准直器2-2-1，穿透容器1内待测介质区域，然后由第一组受光侧光纤准直器2-1-2和第二组受光侧光纤准直器2-2-2接收，再经由测量光纤3、耦合器4汇流，并通过光电转换器9转换为电信号，输送到信号处理模块10。
光源5发出的激光经过校准光纤6输入所述的第三组出光侧光纤准直器2-3-1，穿透容器1内待测介质区域，然后由第三组受光侧光纤准直器2-3-2接收，通过光电转换器9转换为电信号，输送到信号处理模块10。
第一组光纤准直器由4对直径为3.5mm的光纤准直器错位布置而成，第二组光纤准直器的结构与第一组光纤准直器相同。第三组光纤准直器的光纤直径小于第一组光纤准直器和第二组光纤准直器，为2.0mm，校准光纤6的高度在测量时与预置的道面平均积水深度平齐，同时具备积水表面开始结冰的起始信号捕捉的功能。
进一步的，所述的容器1为由两个正交的长方形凹槽组成的L型盒体，长方形凹槽的深度为15mm±3mm。容器1设计成L型，一方面是为了保障两组测量用准直器的光路长度相差3倍以上，另一方面则是为了扩大容器底面积，以便冷风容易吹入容器积水或较浅积雪表面，更接近道面结冰环境状况。所述的容器1设有一排等高的排水孔7，用于测量时排水孔7底部界线即为预置的路面平均积水深度。
优选的，所述的容器1内设有冰点温度探头8，与所述的信号处理模块10连接，安装时，冰点温度探头8尽可能贴合容器1的内壁放置，只露出很少一部分与凹槽内的待测介质接触即可。
在安装时，第一、第二组光纤准直器严格按成组成对安装于容器1内壁的安装孔内，且必须保障每次安装的对准度。
本实施例中，所述耦合器4外形为双头结构，一头为单根尾纤，另一头为两根尾纤；或者选用两边都是双尾纤的耦合器型号，只是让一根尾纤闲置不用而已。光源5至少有三个发射端，分别接两个入射光的耦合器4和校准光纤6；所述信号处理模块10至少有三个接收端，分别接受来自两个透射光的耦合器4和校准光纤6经由光电转换器转换过来的电信号。
本发明同时具备积水/积雪/结冰三种物态辨识和精确测量积雪/结冰厚度的功能，是一种多功能智能传感装置。其工作原理是是利用冰雪水透射吸收损耗与折射率的差异，借助光纤准直器，将发射激光束穿透模拟道面（积雪容器）的积雪/结冰区域，检测受光侧的光强变化，从而间接测量积雪/结冰厚度，同时辨别其介质形态。冰厚测量精度可达0.1mm。
测量时，将本发明装置水平安放被监测的道面旁边。光源5发出一定光强的光束，经由测量光纤3传输和耦合器4分流，该光束将输送至光纤准直器中，借助成对的光纤准直器，平行光束将穿透容器槽内积雪/结冰区域，然后由受光侧的光纤准直器接受透射出来的光束，再经由测量光纤3传输、耦合器4汇流以及光电转换器9将光信号转换为能被计算机识别、分析的电信号，就这样，光源5发出的光信号经受一系列的加工后最终发送到信号处理模块10中。
激光束透过不同介质时，光透射吸收损耗以及折射损耗存在较大差异。通过冰雪水三种介质在不同厚度下的透光实验，获取受光侧的光强变化曲线及其规律并形成数据库，就可实现积水/积雪/结冰三种物态的智能辨识，以及积雪/结冰厚度的精确测量。另外，冰水混合态的辨识与各自占比的测量，除光强解调数据外，此时槽底区域以及路面开始结冰后的相对湿度会减小，因此可借助湿度测量数据进行辅助判断。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.用于道面的便携式冰雪感测装置，其特征在于：它包括容器、传感单元和测量单元；其中，
容器用于在道面接收落入的待测介质，待测介质为冰、雪、水中的任意一种或任意组合；
所述的传感单元为光纤准直器，分布在容器的内壁；
所述的测量单元包括光源、光电转换器和信号处理模块；光源发出的激光入射至出光侧光纤准直器，穿透容器内的待测介质，然后由受光侧光纤准直器接收，通过光电转换器转换为电信号，输送到信号处理模块；
信号处理模块用于根据激光透过待测介质时，不同介质的光透射吸收损耗以及折射率不同导致的折射损耗存在的差异，从而测量光强变化求解待测介质的厚度，同时辨别不同的介质形态；
所述的传感单元具体为三组光纤准直器，即第一、第二、第三组光纤准直器；第一组光纤准直器包括第一组出光侧光纤准直器和第一组受光侧光纤准直器；第二组光纤准直器包括第二组出光侧光纤准直器和第二组受光侧光纤准直器；第三组光纤准直器包括第三组出光侧光纤准直器和第三组受光侧光纤准直器；其中：
第一组光纤准直器和第二组光纤准直器在水平方向交叉布置，且这两组光纤准直器之间的光路长度相差3倍以上，同一组内的光纤准直器错位布置；
光源发出的激光经过耦合器分流后由测量光纤分别输入第一组出光侧光纤准直器和第二组出光侧光纤准直器，穿透容器内待测介质区域，然后由第一组受光侧光纤准直器和第二组受光侧光纤准直器接收，再经由测量光纤、耦合器汇流，并通过光电转换器转换为电信号，输送到信号处理模块；
光源发出的激光经过校准光纤输入所述的第三组出光侧光纤准直器，穿透容器内待测介质区域，然后由第三组受光侧光纤准直器接收，通过光电转换器转换为电信号，输送到信号处理模块；
所述的容器为由两个正交的长方形凹槽组成的L型盒体。
2.根据权利要求1所述的用于道面的便携式冰雪感测装置，其特征在于：第一组光纤准直器由4对直径为3.5mm的光纤准直器错位布置而成，第二组光纤准直器的结构与第一组光纤准直器相同。
3.根据权利要求1所述的用于道面的便携式冰雪感测装置，其特征在于：第三组光纤准直器的光纤直径小于第一组光纤准直器和第二组光纤准直器，校准光纤的高度在测量时与预置的道面平均积水深度平齐。
4.根据权利要求3所述的用于道面的便携式冰雪感测装置，其特征在于：所述的容器设有一排等高的排水孔，用于测量时排水孔底部界线即为预置的路面平均积水深度。
5.根据权利要求1所述的用于道面的便携式冰雪感测装置，其特征在于：所述的容器内设有冰点温度探头，与所述的信号处理模块连接。
6.根据权利要求1所述的用于道面的便携式冰雪感测装置，其特征在于：长方形凹槽的深度为15mm±3mm。
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