路面結(jié)冰檢測系統(tǒng)的研究

路面結(jié)冰檢測系統(tǒng)的研究

0單一傳感器的使用中國的高速公路在過去10年的時間里發(fā)展迅速，如何確保車輛的安全已成為人們的中心問題。在各種交通事故中,由于路面濕滑或結(jié)冰引發(fā)的比率高達(dá)70%路面結(jié)冰是個非常復(fù)雜的過程,單一傳感器較難滿足測量需求。為了能準(zhǔn)確全面地檢測結(jié)冰嚴(yán)重程度,本文設(shè)計了由多種傳感器構(gòu)成的路面結(jié)冰檢測系統(tǒng)。1傳感器檢測針對公路復(fù)雜的結(jié)冰情況為了不影響公路上正常的車輛行駛,同時又能夠獲得相對準(zhǔn)確的結(jié)冰信息,傳感器將被安裝在車輛行駛較少的硬路肩與無車輛行駛的路緣帶交界處,以減小車輛行駛中產(chǎn)生的灰塵和壓力等因素對傳感器產(chǎn)生的不利影響。其中,壓電平膜傳感器主要承擔(dān)0~2mm之間的冰厚檢測,光纖傳感器主要承擔(dān)2~10mm范圍內(nèi)的冰厚檢測。與此同時,使用溫度傳感裝置對現(xiàn)場溫度進(jìn)行實時監(jiān)控。溫度信號一方面可作為結(jié)冰檢測的輔助信號圖像傳感器采用一個焦距可調(diào)的高清攝像頭,對路面進(jìn)行實時的圖像采集來減小檢測系統(tǒng)的誤判率。由于路面結(jié)冰的不均勻性,本系統(tǒng)為分布式檢測系統(tǒng),每種傳感器數(shù)量與位置可根據(jù)現(xiàn)場情況確定。多傳感器綜合測量路面各狀態(tài),形成一個全方位、立體式的路面結(jié)冰檢測系統(tǒng)。1.1固有頻率測量壓電平膜結(jié)冰傳感器是基于壓電陶瓷的壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)的傳感器,同時利用物體諧振頻率與剛度、質(zhì)量的關(guān)系來檢測結(jié)冰如圖2,安裝后金屬薄片應(yīng)與路面平齊。將金屬薄片、壓電陶瓷及導(dǎo)電膠視為一機(jī)械振動系統(tǒng),當(dāng)金屬薄片表面結(jié)冰時,會影響這一機(jī)械振動系統(tǒng)的固有頻率,且隨著冰厚的增加,機(jī)械振動系統(tǒng)的剛度與質(zhì)量會增加,從而固有頻率會增大。由壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)可測得上述機(jī)械振動系統(tǒng)的固有頻率,從而得到冰厚。固有頻率的測量需要掃頻電路與峰值檢測電路來完成,在此系統(tǒng)中通過上位機(jī)來實現(xiàn)。此方法實時性好,精度高,只適用于薄冰檢測,即厚度0~2mm范圍的冰型檢測,理論精度可達(dá)0.2mm。1.2冰厚對目標(biāo)數(shù)據(jù)的影響為了解決對厚冰的檢測,將傳統(tǒng)光纖傳感器外形修改,使發(fā)射光纖束與接收光纖束分別安裝在互成一定角度的空腔內(nèi),基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。設(shè)計此傳感器時,發(fā)射光纖束光軸與接收光纖束光軸的夾角及各光纖束之間的中心距離可由幾何光學(xué)求出。當(dāng)路面無冰時,發(fā)射光纖出射的光直接進(jìn)入大氣中,1#,2#接收光纖均無接收信號。當(dāng)路面有冰時,發(fā)射光纖出射的光會在冰層中發(fā)生反射、折射、散射等一系列光學(xué)現(xiàn)象,使得接收光纖束能接收到信號。當(dāng)路面結(jié)冰較薄,厚度在5mm以下時,由圖4所示,絕大部分由冰層反射回的光線會進(jìn)入到1#接收光纖束中,且1#光纖束中的光通量與冰厚呈正比關(guān)系。此時,2#光纖束僅能接收小部分散射光。通過1#光纖束的輸出可得到冰厚信息。隨著冰厚的增加,如圖5所示,1#,2#光纖束接收的光通量逐漸增加,當(dāng)冰厚增加到一定程度,1#光纖束中的光通量飽和。2#光纖束由于距發(fā)射光纖較遠(yuǎn),光程較長,光通量還未飽和,仍隨著冰厚的增長緩慢增加,此時可根據(jù)2#光纖束的輸出得到冰厚信息。此設(shè)計中僅有兩束接收光纖,根據(jù)實際情況可適當(dāng)增加接收光纖束,但發(fā)射光纖直徑也應(yīng)適當(dāng)增大,并增加出射光光功率。光纖結(jié)冰傳感器的輸出信號為接收管的光電流,為幅度微小的直流信號或者慢變信號。為了準(zhǔn)確提取目標(biāo)信號,采用具有很好的弱信號提取功能,能夠有效地抑制噪聲的鎖定放大電路。此傳感器可測量10mm以內(nèi)的結(jié)冰厚度,理論精度可達(dá)到0.1mm。2傳感器的敏感性面為網(wǎng)絡(luò)注射在高低溫箱中,將溫度設(shè)定為-15℃,用噴水裝置模擬降水,使傳感器敏感面結(jié)冰。通過控制噴水量來控制結(jié)冰的多少,同時利用顯微攝像頭來標(biāo)定結(jié)冰量1壓電平膜快速檢測數(shù)據(jù)試驗獲得數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)處理軟件得到的冰厚—頻率曲線如圖7所示。如圖7,壓電平膜結(jié)冰傳感器的固有頻率與冰厚大致呈正相關(guān)關(guān)系。通過線性擬合,冰厚測量的最大誤差為0.416mm,效果并不理想。用二次函數(shù)擬合,結(jié)果冰厚測量的最大誤差縮小到0.258mm,尤其在2mm以下最大誤差只有0.139mm。將這一擬合結(jié)果用作壓電平膜結(jié)冰傳感器的標(biāo)定曲線。通過多次試驗,此傳感器一致性較好,滿足測量需求。2壓電平膜凍結(jié)傳感器檢測冰厚光纖結(jié)冰傳感器輸出的光通量轉(zhuǎn)換成的電壓值與冰厚關(guān)系如圖8所示。由數(shù)據(jù)可知,1#,2#接收光纖輸出電壓分別與0~4.8mm,5~10mm范圍內(nèi)的冰厚大致呈線性關(guān)系。若采用線性擬合來標(biāo)定,1#接收光纖傳測量冰厚的最大誤差為0.186mm;2#接收光纖測量冰厚的最大誤差為0.425mm。壓電平膜結(jié)冰傳感器與光纖傳感器均可用簡單函數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。其中,壓電平膜結(jié)冰傳感器負(fù)責(zé)0~2mm范圍內(nèi)的結(jié)冰檢測,誤差不超過0.15mm。光纖結(jié)冰傳感器負(fù)責(zé)2~10mm范圍內(nèi)的結(jié)冰檢測,在2~5mm范圍內(nèi)測量誤差不超過0.2mm,在5~10mm范圍內(nèi)測量誤差不超過0.5mm。3提高了系統(tǒng)檢測精度本系統(tǒng)選用多種傳感器,將待測冰厚范圍分割成幾個區(qū)