CN204228101U - 双平行探针式路面水膜厚度测试仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种双平行探针式路面水膜厚度测试仪，涉及水膜厚度测试技术领域。该测试仪包括电源模块、电导探针模块、信号处理模块和显示模块，所述电源模块、所述电导探针模块、所述信号处理模块和所述显示模块依次连接。本实用新型提供的一种双平行探针式路面水膜厚度测试仪，解决了现有技术中测试设备精度低、性能不稳定、造价高以及易损坏或失灵等问题。

Description

双平行探针式路面水膜厚度测试仪

技术领域

本实用新型涉及水膜厚度测试技术领域，具体涉及一种双平行探针式路面水膜厚度测试仪。

背景技术

随着我国高速公路网的飞速建设，公路路况测量信息越来越被政府和民众所关注。当遇到降雨等恶劣天气时，道路表面由于降雨覆盖着水膜，车辆在道路上高速行驶，轮胎与路面挤压道路表面的水膜，产生的动水压力导致轮胎与路面的接触面积减少，附着力下降较多，行车的安全性降低，很容易发生侧滑，引发交通事故。

目前采用的公路水膜测试设备中，大多采用机械传动或传感器进行测量，而机械传动类设备存在测量精度低、误差大、性能不稳定等缺点，传感器类设备大多存在造价高且因长期接触潮湿环境易损坏或失灵等缺点，在实际应用中存在诸多不便。

而具有精度高、稳定性好、成本低等优点的水膜厚度测试装置对于防御路面积水打滑、强降水时的低能见度造成交通事故具有重要的研究意义，可有效降低高速公路网的事故发生率。

实用新型内容

本实用新型提供一种双平行探针式路面水膜厚度测试仪，以解决现有技术中测试设备精度低、性能不稳定、造价高以及易损坏或失灵等问题。

第一方面，本实用新型实施例提供一种双平行探针式路面水膜厚度测试仪，包括电源模块、电导探针模块、信号处理模块和显示模块，所述电源模块、所述电导探针模块、所述信号处理模块和所述显示模块依次连接；

所述电源模块，用于提供测量所需的交流电流；

所述电导探针模块，用于将所述交流电流在待测液体中导通后输出交流电流信号；

所述信号处理模块，用于将所述交流电流信号转换为反映所述待测液体的厚度的直流电压信号；

所述显示模块，用于将所述反映所述待测液体的厚度的直流电压信号转换为所述待测液体的厚度值，并显示所述待测液体的厚度值。

结合第一方面，在第一种可能的实现方式中，所述电导探针模块包括绝缘支撑杆和两根探针，所述支撑杆具有两个平行设置的凹槽，所述两根探针分别设置在两个所述凹槽内。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述探针为铂丝探针。

结合第一方面，在第三种可能的实现方式中，所述信号处理模块集成在一个具有观察窗的箱体内，包括电流/电压转换单元、全波整流单元、放大电路单元和二阶低通滤波单元，所述电流/电压转换单元将所述电导探针模块输出的所述交流电流信号转换为交流电压信号，所述全波整流单元将所述交流电压信号转换为平滑的直流电压信号，所述放大电路单元将所述平滑的直流电压信号转换为信号放大的直流电压信号，所述二阶低通滤波单元将所述信号放大的直流电压信号过滤为所述反映所述待测液体的厚度的直流电压信号。

结合第一方面的第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述显示模块包括液晶显示屏和设置在所述液晶显示屏内部的处理芯片，所述显示模块设置在集成所述信号处理模块的所述箱体的顶部。

本实用新型提供的双平行探针式路面水膜厚度测试仪，主要有以下有益效果：

（1）有效避免现有机械水位测针和数字水位测针的缺陷，减少测针上下移动带来的测量误差；

（2）各电子元件远离潮湿环境，避免因长期接触潮湿环境而造成测试仪器的失真或失灵；

（3）与待测液体接触的仅为绝缘支撑杆和探针，可适用于各种液体环境；

（4）每次测试前，经过通电校正读数，可消除水温、水质的影响，待测液体水位测试精度较高；

（5）整个测试过程完全由电信号完成，待测液体的厚度值的测试过程快速且准确。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型测试仪的结构示意图；

图2为本实用新型测试仪的电导探针模块结构示意图。

其中，1、电源模块，2、电导探针模块，201、支撑杆，202、探针，203、凹槽，3、信号处理模块，301、电流/电压转换单元，302、全波整流单元，303、放大电路单元，304、二阶低通滤波单元，4、显示模块。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，本实用新型较佳实施例公开了一种双平行探针式路面水膜厚度测试仪，包括电源模块1、电导探针模块2、信号处理模块3和显示模块4，电源模块1用于提供测量所需的交流电流，电导探针模块2用于将该交流电流在待测液体中导通后输出交流电流信号，信号处理模块3用于将该交流电流信号转换为反映待测液体的厚度的直流电压信号，显示模块4用于将反映待测液体的厚度的直流电压信号转换为待测液体的厚度值，并显示该待测液体的厚度值。电源模块1、电导探针模块2、信号处理模块3和显示模块4依次连接。

其中，电源模块1包括交流电源、插座和变压器，变压器将220V~50HZ的交流电转换为15V~50HZ的交流电。本实用新型采用交流电流作为激励电流，避免了直流电流测量流体电阻存在较大误差的问题，同时控制交流电频率有利于减少激励电流由旁路流过引起的测量误差，避免电压过高导致的触电事故。

电导探针模块2包括绝缘支撑杆201和两根探针202，支撑杆201具有两个平行设置的凹槽203，两根探针202分别设置在两个凹槽203内，具体如图2所示。支撑杆201由绝缘材料制成，探针202为铂丝探针，其中一根探针的顶端连接电源模块1中的交流电源，另一根探针的顶端连接信号处理模块3。在本较佳实施例中，探针202选择直径为0.1mm、具有低电阻特性的铂丝，两个探针202之间的距离设置为1.5mm，在探针加装过程中先用150g砝码拉伸以增加其内部应力，从而提高探针的固有频率，以减小由于待测液体中的旋涡所引起的电极振动。

信号处理模块3集成在一个具有观察窗的箱体内，包括电流/电压转换单元301、全波整流单元302、放大电路单元303和二阶低通滤波单元304，电流/电压转换单元301将电导探针模块2输出的交流电流信号转换为交流电压信号，全波整流单元302将该交流电压信号转换为平滑的直流电压信号，放大电路单元303将该平滑的直流电压信号转换为信号放大的直流电压信号，二阶低通滤波单元304将信号放大的直流电压信号过滤为反映待测液体的厚度的直流电压信号。

其中，电流/电压转换单元301包括OP07型集成运算放大器OP07、第一电阻R1、第二电阻R2和地线GND。优选地，OP07型集成运算放大器OP07的负极输入端管脚与电导探针模块2中另一根探针顶端相接，其输出端管脚与全波整流单元302相接；第一电阻R1的一端与OP07型集成运算放大器OP07的正极输入端管脚相接，另一端接地线GND；第二电阻R2的一端与OP07型集成运算放大器OP07的负极输入端管脚相接，另一端与OP07型集成运算放大器OP07的输出端管脚相接。

本较佳实施例中，第一电阻R1的阻值为100欧姆，第二电阻R2的阻值为500欧姆，OP07型集成运算放大器是一种低噪声、非斩波稳零的双极性（双电源供电）的运算放大器集成电路，同时具有输入偏置电流低、失调电压低和开环增益高的特点，这就使得OP07型集成运算放大器特别地适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。电流/电压转换单元301将电导探针模块2输出的微弱的交流电流信号转换为交流电压信号，便于后面的放大电路单元对电压的处理。

全波整流单元302包括第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第一快恢复整流二极管D1、第二快恢复整流二极管D2、第三快恢复整流二极管D3、第四快恢复整流二极管D4、地线GND、第一OP37型集成运算放大器OP37-1和第二OP37型集成运算放大器OP37-2。

优选地，第三电阻R3的一端与电流/电压转换单元301中OP07型集成运算放大器OP07的输出端管脚相接，另一端与第一OP37型集成运算放大器OP37-1的负极输入端管脚相接；第四电阻R4的一端与第一OP37型集成运算放大器OP37-1的负极输入端管脚相接，另一端与第二快恢复整流二极管D2的负极端子相接；第五电阻R5的一端与电流/电压转换单元301中OP07型集成运算放大器OP07的输出端管脚相接，另一端与第二OP37型集成运算放大器OP37-2的正极输入端管脚相接；第六电阻R6的一端与第一OP37型集成运算放大器OP37-1的正极输入端管脚相接，另一端与地线GND相接；第七电阻R7的一端与第二OP37型集成运算放大器OP37-2的负极输入端管脚相接，另一端与第四快恢复整流二极管D4的负极端子相接。

第一快恢复整流二极管D1的正极端子与第一OP37型集成运算放大器OP37-1的负极输入端管脚相接，其负极端子与第一OP37型集成运算放大器OP37-1的输出端管脚相接；第二快恢复整流二极管D2的正极端子与第一OP37型集成运算放大器OP37-1的输出端管脚相接，其负极端子与第四快恢复整流二极管D4的负极端子相接；第三快恢复整流二极管D3的正极端子与第二OP37型集成运算放大器OP37-2的负极输入端管脚相接，其负极端子与第二OP37型集成运算放大器OP37-2的输出端管脚相接；第四快恢复整流二极管D4的正极端子与第二OP37型集成运算放大器OP37-2的输出端管脚相接，其负极端子与放大电路单元303相接。

在本较佳实施例中，第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和第七电阻R7的阻值均为10千欧姆，第六电阻R6的阻值为2.5千欧姆，选用的快恢复整流二极管具有单向导电性，其适用于较高频率的整流，是一种将交流电能转变为直流电能的半导体器件，选用的第一及第二OP37型集成运算放大器不仅具有OP07型集成运算放大器的低失调电压和漂移特性，且相应速度更高、噪声更低，它能够使低电平信号得到精确的高增益放大，在此处主要起到整流作用。

全波整流单元302采用了四个快恢复整流二极管双功放的全波整流方法，为了得到对称的整流输出波形，需要第三电阻R3和第四电阻R4的阻值相等，以及第五电阻R5和第七电阻R7的阻值相等，第一快恢复整流二极管D1和第三快恢复整流二极管D3处于反馈回路中，正向压降对整个整流电路灵敏度的影响被减小A0倍，其中A0为第一及第二OP37型集成运算放大器的开环放大倍数，因此不会引入较大的误差。第二快恢复整流二极管D2和第三快恢复整流二极管D3的作用分别是防止第一OP37型集成运算放大器OP37-1和第二OP37型集成运算放大器OP37-2在第一快恢复整流二极管D1和第四快恢复整流二极管D4断开时进入饱和，使输入电压信号的下半周到来时，整个全波整流单元电路能立即工作。

全波整流单元302利用快恢复整流二极管的单向导电性把交流电压转换为单向脉动直流电压。第一OP37型集成运算放大器OP37-1处理输入的微弱的电压为正向电压的情况，第二OP37型集成运算放大器OP37-2处理输入的微弱的电压为反向电压的情况，该全波整流单元电路的输出阻抗很低，这里要求第三电阻R3和第四电阻 R4的阻值必须要精确保持一致，否则当输入电压为负向电压时，全波整流单元电路的增益与输入电压为正向电压时的增益不一致，则会导致在后续电路处理中出现错误。本全波整流单元为包括四个快恢复整流二极管的整流电路，整流效率较高，充分使用了交流电压的正负半周。当输入电压为正向电压时，第一及第四快恢复整流二极管D1、D4导通，第二及第三快恢复整流二极管D2、D3截止；当输入电压为负向电压时，第二及第三快恢复整流二极管D2、D3导通，第一及第四快恢复整流二极管D1、D4截止。

放大电路单元303包括第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二滑动变阻器R12、第十三滑动变阻器R13、地线GND、固定电源VCC和第三OP37型集成运算放大器OP37-3。

优选地，第八电阻R8的一端与全波整流单元302中第四快恢复整流二极管D4的负极端子相接，另一端与第三OP37型集成运算放大器OP37-3的负极输入端管脚相接；第九电阻R9的一端与第三OP37型集成运算放大器OP37-3的正极输入端管脚相接，另一端与地线GND相接；第十电阻R10的一端与第三OP37型集成运算放大器OP37-3的负极输入端管脚相接，另一端同时与第十三滑动变阻器R13的一端及其中间触点连接；第十一电阻R11的一端与第三OP37型集成运算放大器OP37-3的负极输入端管脚相接，另一端与第十二滑动变阻器R12的中间触点相接；第十二滑动变阻器R12的两端分别与固定电源VCC相接；第十三滑动变阻器R13的另一端与第三OP37型集成运算放大器OP37-3的输出端管脚相接；第三OP37型集成运算放大器OP37-3的输出端管脚与二阶低通滤波单元304相接。

在本较佳实施例中，第八电阻R8和第九电阻R9的阻值均为2.5千欧姆，第十电阻R10的阻值为100欧姆，第十一电阻R11的阻值为5千欧姆，第十二、第十三滑动变阻器R12、R13的阻值变化范围为1~10千欧姆，固定电源VCC为第十二滑动变阻器R12供电，其规格为正负15伏，选用的第三OP37型集成运算放大器OP37-3在此处主要起到放大电压的作用。

放大电路单元303将电压信号放大的放大倍数N的计算公式如下：

放大电路单元303通过调节第十三滑动变阻器R13来调节整个电路的放大倍数，从而可以通过电压变化明确的看出不同液膜厚度情况下电压的差异。

二阶低通滤波单元304包括第十四电阻R14、第十五电阻R15、第一电容C1、第二电容C2、地线GND和第四OP37型集成运算放大器OP37-4。

优选地，第十四电阻R14的一端与放大电路单元303中第三OP37型集成运算放大器OP37-3的输出端管脚相接，另一端分别与第一电容C1的一端及第十五电阻R15的一端相接；第十五电阻R15的另一端与第四OP37型集成运算放大器OP37-4的正极输入端管脚相接；第一电容C1的另一端与第四OP37型集成运算放大器OP37-4的输出端管脚相接；第二电容C2一端与第四OP37型集成运算放大器OP37-4的正极输入端管脚相接，另一端与地线GND相接；第四OP37型集成运算放大器OP37-4的负极输入端管脚直接与其输出端管脚相接，第四OP37型集成运算放大器OP37-4的输出端管脚还与显示模块4连接，作为整个信息处理模块的输出口。

在本较佳实施例中，第十四电阻R14和第十五电阻R15的阻值均为200欧姆，第一电容C1的规格为0.2μF，第二电容C2的规格为0.1μF。

本二阶低通滤波单元中，可截止的直流电压的截止频率的计算公式如下：

式中，R表示第十五电阻R15的阻值，C为第二电容C2的电容值。在本较佳实施例中，

二阶低通滤波单元304容许低于截止频率500HZ的电压信号通过，高于截止频率的电压信号不能通过，也就是保留低于500HZ的电压信号，滤除电压信号中高频的干扰信号，这样可以使波特图能够更加平稳。

显示模块4包括液晶显示屏和设置在该液晶显示屏内部的处理芯片，设置在箱体的顶部，与二阶低通滤波单元304的第四OP37型集成运算放大器OP37-4相接。显示模块通过处理芯片将反映待测液体的厚度的直流电压信号转换为待测液体的厚度值，并通过液晶显示屏显示该待测液体的厚度值。

本实用新型具体操作时，两根探针固定于支撑杆的两个凹槽内。由于不同液体的电导率会对液体厚度的测量产生影响，测试开始前，先用探针测量分别测量不同厚度的待测液体的输出电压，根据输出电压与待测液体的厚度值得出的线性函数，对待测液体的厚度值的读数进行标定。接通电源模块的交流电源，对电导探针模块的探针施加激励信号，将置于支撑杆上的两根平行的探针垂直伸入待测液体内与其底部接触，交流电流在待测液体中导通并向信号处理模块输出微弱的交流电流信号。信号处理模块集成在一个箱体内，远离待测液体设置，电流/电压转换单元接收上述微弱的交流电流信号并将该交流电流信号转换为微弱的交流电压信号，全波整流单元将该微弱的交流电压信号转换为直流电压信号，并使输出的经过整流的直流电压信号的直流成分增大、脉动程度减小，经过整流的直流电压信号已趋于平滑，放大电路单元将该整流后的直流电压信号放大，放大倍数可根据实际情况进行调节，二阶低通滤波单元对该放大后的直流电压信号进行过滤，滤除其中的高频噪声，保留较低频的有用信号作为反映待测液体的厚度的直流电压信号，最后显示模块将反映待测液体的厚度的直流电压信号转换为待测液体的厚度值，并显示该待测液体的厚度值。

一般情况下，探针选择的直径范围为0.1~1mm。下述两个具体操作实验分别为选用直径为0.15mm和1mm的探针，进行测试得出的厚度值，具体测试结果如表1和表2所示：

表1  直径0.15mm的探针测试结果

表2  直径1mm的探针测试结果

在实施试验之前，对所选待测液体进行标定，待测液体选取降雨大厅的自来水。对不同厚度的降雨大厅的自来水进行测试，得出不同的输出电压值，进而对降雨大厅的自来水进行准确的标定。

本实用新型提供的方案可用于公路的科研、试验和检测，不仅适用于负压系统（正极接地），而且也适用于正压系统（负极接地）。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双平行探针式路面水膜厚度测试仪，其特征在于，包括电源模块、电导探针模块、信号处理模块和显示模块，所述电源模块、所述电导探针模块、所述信号处理模块和所述显示模块依次连接；

所述电源模块，用于提供测量所需的交流电流；

所述电导探针模块，用于将所述交流电流在待测液体中导通，输出交流电流信号；

所述信号处理模块，用于将所述交流电流信号转换为反映所述待测液体的厚度的直流电压信号；

所述显示模块，用于将所述反映所述待测液体的厚度的直流电压信号转换为所述待测液体的厚度值，并显示所述待测液体的厚度值。

2.根据权利要求1所述的双平行探针式路面水膜厚度测试仪，其特征在于，所述电导探针模块包括绝缘支撑杆和两根探针，所述支撑杆具有两个平行设置的凹槽，所述两根探针分别设置在两个所述凹槽内。

3.根据权利要求2所述的双平行探针式路面水膜厚度测试仪，其特征在于，所述探针为铂丝探针。

4.根据权利要求1所述的双平行探针式路面水膜厚度测试仪，其特征在于，所述信号处理模块集成在一个具有观察窗的箱体内，包括电流/电压转换单元、全波整流单元、放大电路单元和二阶低通滤波单元，所述电流/电压转换单元将所述电导探针模块输出的所述交流电流信号转换为交流电压信号，所述全波整流单元将所述交流电压信号转换为平滑的直流电压信号，所述放大电路单元将所述平滑的直流电压信号转换为信号放大的直流电压信号，所述二阶低通滤波单元将所述信号放大的直流电压信号过滤为所述反映所述待测液体的厚度的直流电压信号。

5.根据权利要求4所述的双平行探针式路面水膜厚度测试仪，其特征在于，所述显示模块包括液晶显示屏和设置在所述液晶显示屏内部的处理芯片，所述显示模块设置在集成所述信号处理模块的所述箱体的顶部。