路面结冰检测系统的研究

路面结冰检测系统的研究

0单一传感器的使用中国的高速公路在过去10年的时间里发展迅速，如何确保车辆的安全已成为人们的中心问题。在各种交通事故中,由于路面湿滑或结冰引发的比率高达70%路面结冰是个非常复杂的过程,单一传感器较难满足测量需求。为了能准确全面地检测结冰严重程度,本文设计了由多种传感器构成的路面结冰检测系统。1传感器检测针对公路复杂的结冰情况为了不影响公路上正常的车辆行驶,同时又能够获得相对准确的结冰信息,传感器将被安装在车辆行驶较少的硬路肩与无车辆行驶的路缘带交界处,以减小车辆行驶中产生的灰尘和压力等因素对传感器产生的不利影响。其中,压电平膜传感器主要承担0~2mm之间的冰厚检测,光纤传感器主要承担2~10mm范围内的冰厚检测。与此同时,使用温度传感装置对现场温度进行实时监控。温度信号一方面可作为结冰检测的辅助信号图像传感器采用一个焦距可调的高清摄像头,对路面进行实时的图像采集来减小检测系统的误判率。由于路面结冰的不均匀性,本系统为分布式检测系统,每种传感器数量与位置可根据现场情况确定。多传感器综合测量路面各状态,形成一个全方位、立体式的路面结冰检测系统。1.1固有频率测量压电平膜结冰传感器是基于压电陶瓷的压电效应与逆压电效应的传感器,同时利用物体谐振频率与刚度、质量的关系来检测结冰如图2,安装后金属薄片应与路面平齐。将金属薄片、压电陶瓷及导电胶视为一机械振动系统,当金属薄片表面结冰时,会影响这一机械振动系统的固有频率,且随着冰厚的增加,机械振动系统的刚度与质量会增加,从而固有频率会增大。由压电效应与逆压电效应可测得上述机械振动系统的固有频率,从而得到冰厚。固有频率的测量需要扫频电路与峰值检测电路来完成,在此系统中通过上位机来实现。此方法实时性好,精度高,只适用于薄冰检测,即厚度0~2mm范围的冰型检测,理论精度可达0.2mm。1.2冰厚对目标数据的影响为了解决对厚冰的检测,将传统光纤传感器外形修改,使发射光纤束与接收光纤束分别安装在互成一定角度的空腔内,基本结构如图3所示。设计此传感器时,发射光纤束光轴与接收光纤束光轴的夹角及各光纤束之间的中心距离可由几何光学求出。当路面无冰时,发射光纤出射的光直接进入大气中,1#,2#接收光纤均无接收信号。当路面有冰时,发射光纤出射的光会在冰层中发生反射、折射、散射等一系列光学现象,使得接收光纤束能接收到信号。当路面结冰较薄,厚度在5mm以下时,由图4所示,绝大部分由冰层反射回的光线会进入到1#接收光纤束中,且1#光纤束中的光通量与冰厚呈正比关系。此时,2#光纤束仅能接收小部分散射光。通过1#光纤束的输出可得到冰厚信息。随着冰厚的增加,如图5所示,1#,2#光纤束接收的光通量逐渐增加,当冰厚增加到一定程度,1#光纤束中的光通量饱和。2#光纤束由于距发射光纤较远,光程较长,光通量还未饱和,仍随着冰厚的增长缓慢增加,此时可根据2#光纤束的输出得到冰厚信息。此设计中仅有两束接收光纤,根据实际情况可适当增加接收光纤束,但发射光纤直径也应适当增大,并增加出射光光功率。光纤结冰传感器的输出信号为接收管的光电流,为幅度微小的直流信号或者慢变信号。为了准确提取目标信号,采用具有很好的弱信号提取功能,能够有效地抑制噪声的锁定放大电路。此传感器可测量10mm以内的结冰厚度,理论精度可达到0.1mm。2传感器的敏感性面为网络注射在高低温箱中,将温度设定为-15℃,用喷水装置模拟降水,使传感器敏感面结冰。通过控制喷水量来控制结冰的多少,同时利用显微摄像头来标定结冰量1压电平膜快速检测数据试验获得数据用数据处理软件得到的冰厚—频率曲线如图7所示。如图7,压电平膜结冰传感器的固有频率与冰厚大致呈正相关关系。通过线性拟合,冰厚测量的最大误差为0.416mm,效果并不理想。用二次函数拟合,结果冰厚测量的最大误差缩小到0.258mm,尤其在2mm以下最大误差只有0.139mm。将这一拟合结果用作压电平膜结冰传感器的标定曲线。通过多次试验,此传感器一致性较好,满足测量需求。2压电平膜冻结传感器检测冰厚光纤结冰传感器输出的光通量转换成的电压值与冰厚关系如图8所示。由数据可知,1#,2#接收光纤输出电压分别与0~4.8mm,5~10mm范围内的冰厚大致呈线性关系。若采用线性拟合来标定,1#接收光纤传测量冰厚的最大误差为0.186mm;2#接收光纤测量冰厚的最大误差为0.425mm。压电平膜结冰传感器与光纤传感器均可用简单函数进行标定。其中,压电平膜结冰传感器负责0~2mm范围内的结冰检测,误差不超过0.15mm。光纤结冰传感器负责2~10mm范围内的结冰检测,在2~5mm范围内测量误差不超过0.2mm,在5~10mm范围内测量误差不超过0.5mm。3提高了系统检测精度本系统选用多种传感器,将待测冰厚范围分割成几个区