基于多傳感器的路面結冰檢測系統

譚舒亞， 葛俊鋒， 葉　林， 桂　康

(華中科技大學 自動化學院，湖北 武漢 430074)

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基于多傳感器的路面結冰檢測系統

譚舒亞， 葛俊鋒， 葉林， 桂康

(華中科技大學 自動化學院，湖北 武漢 430074)

摘要:路面結冰不均勻且厚度較大，由單一傳感器實現結冰檢測較困難。選用對薄冰敏感的壓電平膜結冰傳感器、可測量厚冰的光纖結冰傳感器、溫度傳感器以及圖像傳感器組成一種路面結冰檢測系統。系統能測量10 mm以內的路面結冰，對0～5 mm范圍內結冰測量精度可達0.2 mm，對5～10 mm范圍內結冰測量精度可達0.5 mm。

關鍵詞:多傳感器； 壓電平膜結冰傳感器； 路面結冰檢測； 光纖結冰傳感器

0引言

我國的高速公路在最近十幾年內發展迅速，如何保證車輛行駛安全也漸漸成為人們關注的問題。在各種交通事故中，由于路面濕滑或結冰引發的比率高達70 %[1,2]。能實現實時監控的路面結冰檢測系統可以在線提供路面狀況信息，減少事故的發生。

路面結冰是個非常復雜的過程，單一傳感器較難滿足測量需求。為了能準確全面地檢測結冰嚴重程度，本文設計了由多種傳感器構成的路面結冰檢測系統。

1系統構成

針對公路復雜的結冰情況[3]，設計多傳感器系統來綜合檢測路面狀態。此系統包含對薄冰敏感的壓電平膜結冰傳感器、測量厚冰的光纖結冰傳感器、溫度傳感器以及圖像傳感器，其中，每種傳感器的數量由具體情況設定，系統基本構成如圖1所示。

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確的結冰信息，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生的灰塵和壓力等因素對傳感器產生的不利影響。其中，壓電平膜傳感器主要承擔0～2 mm之間的冰厚檢測，光纖傳感器主要承擔2～10 mm范圍內的冰厚檢測。與此同時，使用溫度傳感裝置對現場溫度進行實時監控。溫度信號一方面可作為結冰檢測的輔助信號[4]；另一方面，當溫度高于某一臨界值(如10 ℃)時，可判斷無結冰條件，關閉整個檢測系統，起到節約能耗的作用。

圖1　系統框圖Fig 1　Block diagram of system

圖像傳感器采用一個焦距可調的高清攝像頭，對路面進行實時的圖像采集來減小檢測系統的誤判率。

由于路面結冰的不均勻性，本系統為分布式檢測系統，每種傳感器數量與位置可根據現場情況確定。多傳感器綜合測量路面各狀態，形成一個全方位、立體式的路面結冰檢測系統。

1.1壓電平膜傳感器

壓電平膜結冰傳感器是基于壓電陶瓷的壓電效應與逆壓電效應的傳感器，同時利用物體諧振頻率與剛度、質量的關系來檢測結冰[5]，其基本結構如圖2所示。

圖2　壓電平膜結冰傳感器基本結構Fig 2　Basic structure of piezoelectric diaphragm icing sensor

如圖2，安裝后金屬薄片應與路面平齊。將金屬薄片、壓電陶瓷及導電膠視為一機械振動系統，當金屬薄片表面結冰時，會影響這一機械振動系統的固有頻率,且隨著冰厚的增加，機械振動系統的剛度與質量會增加，從而固有頻率會增大。由壓電效應與逆壓電效應可測得上述機械振動系統的固有頻率，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，在此系統中通過上位機來實現。

此方法實時性好，精度高,只適用于薄冰檢測，即厚度0～2 mm范圍的冰型檢測，理論精度可達0.2 mm。

1.2光纖傳感器

為了解決對厚冰的檢測，將傳統光纖傳感器外形修改，使發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，基本結構如圖3所示。設計此傳感器時，發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求出。

圖3　光纖傳感器剖視圖Fig 3　Section view of fiber-optic sensor

當路面無冰時，發射光纖出射的光直接進入大氣中，1#,2#接收光纖均無接收信號。

當路面有冰時，發射光纖出射的光會在冰層中發生反射、折射、散射等一系列光學現象，使得接收光纖束能接收到信號。

當路面結冰較薄，厚度在5 mm以下時，由圖4所示，絕大部分由冰層反射回的光線會進入到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。

圖4　薄冰檢測原理圖Fig 4　Principle diagram of thin ice detecting

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#光纖束由于距發射光纖較遠，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2#光纖束的輸出得到冰厚信息。

圖5　厚冰檢測原理圖Fig 5　Principle diagram of thick ice detecting

此設計中僅有兩束接收光纖，根據實際情況可適當增加接收光纖束，但發射光纖直徑也應適當增大，并增加出射光光功率。

光纖結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。為了準確提取目標信號，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10 mm以內的結冰厚度，理論精度可達到0.1 mm。

2試驗分析

在高低溫箱中，將溫度設定為-15 ℃，用噴水裝置模擬降水，使傳感器敏感面結冰。通過控制噴水量來控制結冰的多少，同時利用顯微攝像頭來標定結冰量[6]。標定示意圖如圖6所示，數據的計量單位為mm。

圖6　標定冰厚示意圖Fig 6　Diagram of calibrating thickness of ice

1)壓電平膜結冰傳感器檢測數據

試驗獲得數據用數據處理軟件得到的冰厚—頻率曲線如圖7所示。

圖7　壓電傳感器冰厚—頻率圖Fig 7　Relationship between thickness of ice and frequency of piezoelectric sensor

如圖7，壓電平膜結冰傳感器的固有頻率與冰厚大致呈正相關關系。通過線性擬合，冰厚測量的最大誤差為0.416 mm，效果并不理想。用二次函數擬合，結果冰厚測量的最大誤差縮小到0.258 mm，尤其在2 mm以下最大誤差只有0.139 mm。將這一擬合結果用作壓電平膜結冰傳感器的標定曲線。通過多次試驗，此傳感器一致性較好，滿足測量需求。

2)光纖結冰傳感器檢測數據

光纖結冰傳感器輸出的光通量轉換成的電壓值與冰厚關系如圖8所示。

由數據可知，1#，2#接收光纖輸出電壓分別與0～4.8 mm，5～10 mm范圍內的冰厚大致呈線性關系。若采用線性擬合來標定，1#接收光纖傳測量冰厚的最大誤差為0.186 mm；2#接收光纖測量冰厚的最大誤差為0.425 mm。

壓電平膜結冰傳感器與光纖傳感器均可用簡單函數進行標定。其中，壓電平膜結冰傳感器負責0～2 mm范圍內的結冰檢測，誤差不超過0.15 mm。光纖結冰傳感器負責2～10 mm范圍內的結冰檢測，在2～5 mm范圍內測量誤差不超過0.2 mm，在5～10 mm范圍內測量誤差不超過0.5 mm。

圖8　光纖傳感器冰厚—電壓圖Fig 8　Relationship between thickness of ice and voltage of fiber-optic sensor

3結論

本系統選用多種傳感器，將待測冰厚范圍分割成幾個區間，分別由不同傳感器檢測，提高了系統精度與可靠性。對薄冰檢測精度能達到0.2 mm，對厚冰檢測精度能達到0.5 mm。本系統采用的技術簡單，體積小，易設計成分布式系統來應對路面結冰的不均勻性，具有較大的應用前景。

參考文獻:

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[2]Gagnon R E,Groves J,Pearson W.Remote ice detection equipment—RIDE[J].Cold Regions Science and Technology,2012,72: 7-16.

[3]Symous L,Perry A .Predicting road hazards cause by rain freezing rain and wet surfaces and the rok of weather radar[J].Meteorol Appl ,1997(4):7-21.

[4]許一飛,葉林,葛俊鋒.基于多傳感器技術的機場地面結冰檢測系統[J].儀表技術與傳感器,2012(9) : 36-38.

[5]葉林.基于壓電器件的冰傳感器[J].儀表技術與傳感器,2001(9):6-7.

[6]葉林,黃琴,張洪,等.結冰傳感器攝像標定方法的研究[J].儀表技術與傳感器,2006,25(11):36-38.

譚舒亞(1991-)，女，湖北巴東人，碩士研究生，研究方向為新型傳感器技術、智能檢測技術、先進測量控制技術。

Road surface icing detecting system based on multiple sensor

TAN Shu-ya, GE Jun-feng, YE Lin, GUI Kang

(School of Automation,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

Abstract:Road surface icing is diffcult to be detected by a single sensor because it is uneven and with great thickness.A road surface icing detection system is developed,which consists of piezoelectric diaphragm icing sensors that is sensitive to thin ice,fiber-optic icing sensors that can measure thick ice,temperature sensors and image sensors.The system can detect road surface icing within 10 mm,and measurement precision can reach 0.2 mm at range of 0～5 mm and 0.5 mm at range of 5～10 mm.

Key words:multiple sensor； piezoelectric diaphragm icing sensor；road surface icing detecting；fiber-optic icing sensor

作者簡介:

中圖分類號:TP 216

文獻標識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)01—0107—03

收稿日期：2015—04—28

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0107—03