一種非接觸式路面氣象狀態(tài)傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提出一種通過測量路面漫反射光能量來判斷路面氣象狀態(tài)的非接觸式傳感器，該傳感器能夠有效地分辨路面是否干燥、積水和結冰。該非接觸式路面氣象狀態(tài)傳感器主要包括激光器、數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、以及位于待測路面上方的弧形導軌，所述弧形導軌上安裝有擴束鏡和光電探測器；激光器發(fā)出的光通過擴束鏡照射在待測路面上，光電探測器接收路面漫反射光能量，將光信號轉換為電信號送入數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)；所述擴束鏡能夠沿弧形導軌移動，或者擴束鏡與光電探測器相對固定并能夠一起沿弧形導軌移動。本實用新型結構簡單、成本低廉、功能全面、性能可靠，可以應用于各種公路路面氣象狀態(tài)的測量，為道路交通管理部門的決策提供依據(jù)。
【專利說明】一種非接觸式路面氣象狀態(tài)傳感器

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種非接觸式路面氣象狀態(tài)傳感器，用于判斷路面是否干燥、潮濕或結冰。

【背景技術】
[0002]為了提高道路的通行效率，需要實時地獲得各種信息?？紤]到各種車輛都依靠地面摩擦力行駛和制動，路面積水、結冰都會顯著降低輪胎與地面的摩擦力，所以路面狀況信息非常緊密地關系到道路通行效率和行車安全。獲得路面狀況信息需要用到路面氣象狀態(tài)傳感器，按照探測方式的不同，目前路面氣象傳感器主要分為接觸式和非接觸式兩種。
[0003]現(xiàn)有技術一:
[0004]基于電導率測量的接觸式路面氣象傳感器。在水鹽(溶雪劑)混合體系的液相中，無機鹽被解離為正負離子，這些離子作為載流子，使鹽水具有一定的電導率。當體系轉變?yōu)楣滔?，根?jù)相變理論，鹽分會從體系中結晶析出，體系中載流子的喪失會導致電導率的變化。因而，通過測量電導率的變化，可以準確地判斷路面是否凍結。根據(jù)具體實現(xiàn)方式的不同，電導率法可以分為二電極法、四電極法、以及電誘導法等。
[0005]這一類技術的優(yōu)點是原理簡單、性能可靠。缺點是只能判斷路面是否結冰，而且施工不便，同時也會嚴重降低路面的使用壽命。
[0006]現(xiàn)有技術二:
[0007]基于路面漫反射光譜探測的非接觸式路面氣象傳感器。不同的路面氣象狀態(tài)下，路面的反射光譜有著不同的特征，所以可以通過光譜探測技術來判斷路面的氣象狀態(tài)。為了降低成本，通常只探測少數(shù)特征波長的路面反射系數(shù)，與之相應，需要光源的光譜能夠覆蓋上述波段。可以采用寬譜光源或者將幾個特定波長的光源結合起來使用。
[0008]這一類技術的優(yōu)點是原理簡單、可靠性高。缺點是某些特征波長的激光器比較罕見且價格昂貴，傳感器整體的成本比較高。
[0009]現(xiàn)有技術三:
[0010]基于反射光偏振檢測技術的非接觸式路面氣象傳感器。不同路面氣象狀態(tài)下，路面反射光的偏振態(tài)不同。通過光學偏振檢測技術，將反射光中的S光和P光的光強分別測得，然后求得反射光的偏振態(tài)。由此可以判斷路面的氣象狀態(tài)。
[0011]這一類技術需要大量的偏振分離光學器件和探測器，增加了系統(tǒng)的復雜性和成本。
實用新型內容
[0012]為了克服以上現(xiàn)有技術存在的缺陷，本實用新型提出一種通過測量路面漫反射光能量來判斷路面氣象狀態(tài)的非接觸式傳感器，該傳感器能夠有效地分辨路面是否干燥、積水和結冰。
[0013]本實用新型的技術方案如下:
[0014]一種非接觸式路面氣象狀態(tài)傳感器，主要包括激光器、數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、以及位于待測路面上方的弧形導軌，所述弧形導軌上安裝有擴束鏡和光電探測器；激光器發(fā)出的光通過擴束鏡照射在待測路面上，光電探測器接收路面漫反射光能量，將光信號轉換為電信號送入數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)；所述擴束鏡能夠沿弧形導軌移動，或者擴束鏡與光電探測器相對固定并能夠一起沿弧形導軌移動。
[0015]上述擴束鏡與光電探測器整體作為探測組件，具體可以有以下兩種優(yōu)化的結構形式:
[0016]第一種:光電探測器始終固定于路面法線位置，擴束鏡能夠沿弧形導軌移動。
[0017]第二種:擴束鏡與光電探測器固定在一起并能夠一起沿弧形導軌移動，兩者所在光軸相互平行；設擴束鏡與光電探測器的間距為d，探測組件與路面照射區(qū)域中心之間的距離為r,則應保證r/d>100。
[0018]另外，本實用新型還做其他如下優(yōu)化限定和改進:
[0019]上述激光器發(fā)出的光通過多模光纖I禹合輸出至擴束鏡。
[0020]上述激光器為半導體激光器。
[0021]上述激光器為單波長半導體激光器。
[0022]對于上述兩種具體優(yōu)化結構形式的探測組件，本實用新型還給出通用的應用方法，包括:
[0023](I)開啟激光器，發(fā)出恒定功率的光，通過擴束鏡照射在待測路面上；
[0024](2)保證照射區(qū)域中心不變的情況下，控制擴束鏡沿弧形導軌移動，移動的總行程為nr/18，入射角度變化范圍為O-10°，光電探測器實時測得不同入射角對應的漫反射光能量并送入數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng);完成設定行程后,數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)以擴束鏡入射角為橫坐標，探測器相應接收的光功率為縱坐標，繪制一條曲線，得到反射光功率-角度譜；
[0025](3)根據(jù)所述反射光功率-角度譜，即判定待測路面的氣象狀態(tài)。
[0026]本實用新型結構簡單、成本低廉、功能全面、性能可靠，可以應用于各種公路路面氣象狀態(tài)的測量，為道路交通管理部門的決策提供依據(jù)。具體有以下優(yōu)點:
[0027]1、結構簡明，安裝、調節(jié)方便，基于該硬件架構，利用成熟的控制及數(shù)據(jù)分析技術能夠簡單、快捷地測得路面氣象狀態(tài)。
[0028]2、巧妙地應用了漫反射原理，探測路面漫反射光能量，不需要復雜昂貴的偏振檢測元器件。
[0029]3、通過反射光功率-角度譜來判斷路面的氣象狀態(tài)，而不是特定角度下的反射光能量，極大地提高了檢測準確度。
[0030]4、采用單波長半導體激光器作為光源，價格低廉。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1為本實用新型的原理圖。
[0032]圖2為實施例一的反射光功率-角度譜，圖中的三條理論曲線分別對應于干燥、潮濕和結冰三種狀態(tài)。
[0033]從圖中我們可以看到，在入射角范圍內(0-8° )，潮濕和結冰兩種狀態(tài)下的反射光功率隨入射角的增大而急劇下降。但潮濕狀態(tài)下反射光功率的下降速率略大于結冰狀態(tài)。相比之下，干燥狀態(tài)下的反射光功率值在0-8°范圍內沒有顯著的變化?？梢?-8°的入射角范圍劃分為以下四個判斷區(qū)間:
[0034]1.0.9° >θ>0°，P(潮濕)>P(結冰)>P(干燥)；
[0035]2.1.8。> Θ >0.9°，P〉(結冰)P (潮濕)>P (干燥)；
[0036]3.3.4。> Θ >1.8° P (結冰)>P (干燥)>P (潮濕)；
[0037]4.5.3。> Θ >3.4° P (干燥)>P (結冰)>P (潮濕)；
[0038]其中Θ表示入射角，P表示反射光功率值。
[0039]圖3為實施例二的反射光功率-角度譜，途中三條曲線分別對應干燥、潮濕和結冰二種狀態(tài)。
[0040]同圖2類似，潮濕和結冰兩種狀態(tài)的反射光功率隨入射角度的增大而急劇下降。但潮濕狀態(tài)下反射光功率的下降速率略大于結冰狀態(tài)。相比之下干燥狀態(tài)下的反射光功率值在0-8°范圍內沒有顯著的變化。可以將0-8°的入射角范圍劃分為以下四個判斷區(qū)間:
[0041]1.1.4。>θ>0°，P(潮濕)>P(結冰)>P(干燥)；
[0042]2.2.8。>θ>1.4°，P>(結冰)P(潮濕)>P(干燥)；
[0043]3.4.4。> θ >2.8° P (結冰)>Ρ (干燥)>Ρ (潮濕)；
[0044]4.7.3。> θ >4.4° P (干燥)>Ρ (結冰)>Ρ (潮濕)；
[0045]其中Θ表示入射角，P表示反射光功率值。
[0046]圖4為本實用新型的結構原理圖。
[0047]圖5為實施例一的結構示意圖。
[0048]圖6為實施例二的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0049]本實用新型主要包括半導體激光器、光電探測器，擴束鏡、信號放大器和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。如圖1所示，從半導體激光器I發(fā)出的光通過擴束鏡2輸出，照射在路面上，形成一個相對較大的光斑。光電探測器3接收路面反射光能量,將光信號轉換為電信號,然后經(jīng)過信號放大器4進入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5進行數(shù)據(jù)處理。當光源的入射角發(fā)生改變，探測器接收到的路面漫反射光波的能量也隨之改變，以激光入射角為橫坐標，探測器接收光功率為縱坐標，可以繪制出路面的“反射光功率-角度譜”，如圖2所示。
[0050]路面干燥時，表面粗糙度比較大，可以將干燥路面當做是理想漫反射體，表面反射遵循朗伯余弦定理，在0-8°的入射角范圍內，反射光功率值變化比較小，可以忽略不計，近似的認為是一條直線，如圖2所示。
[0051]路面潮濕或結冰時，表面形貌和介質都發(fā)生了改變，“反射功率-角度譜”也會發(fā)生改變。其中:
[0052]對于潮濕路面，水分填塞了路面的縫隙，所以潮濕路面的粗糙度比干燥路面要小，不再是理想漫反射體，將潮濕路面考慮為傾角隨機分布的光滑面元的集合，運用幾何光學中原理可以分析計算反射光功率隨入射角的變化，即“反射光功率-角度譜”。計算結果和實驗數(shù)據(jù)顯示，潮濕路面的反射光功率隨入射角的變化比較明顯，其“反射光功率-角度譜”的形狀完全不同于干燥路面，如圖2所示。
[0053]對于冰凍路面，由于結冰的過程會在冰面產(chǎn)生特定的紋理，其粗糙度介于潮濕路面和干燥路面之間，因此其“反射光功率-角度譜”既不同于潮濕路面也不同于干燥路面。圖2也顯示了數(shù)據(jù)計算得到的冰凍路面的“發(fā)射光功率-角度譜”，計算所用的方法與潮濕路面類似。
[0054]綜上所述，根據(jù)“反射光功率-角度譜”的形狀特征，就可以判斷出三種路面的氣象狀態(tài)。
[0055]本實用新型中，為了在入射角改變的同時確保探測區(qū)域不發(fā)生改變，設計了如下的方法和裝置:
[0056]如圖3所不:以探測區(qū)域中心為原點O,過原點O任選一垂直于路面的表面為主平面。在主平面上根據(jù)實際情況確定一個合適的距離作為半徑r，以原點ο為圓心繪制圓弧，按照圓弧的形狀制作導軌6，導軌6為擴束鏡2的移動位置曲線。令擴束鏡始終指向原點
O,同時改變擴束鏡在圓弧導軌6上的位置，來改變激光的入射角。
[0057]實施例一
[0058]如圖4所示，將擴束鏡2與探測器3冰排固定在一起，保持平行。再將兩者都安裝在導軌6上。在此實施例中，光波的入射角度與探測器接收角度相同。擴束鏡2和探測器3在導軌6上移動，激光的入射角度和探測器的接收角度一同隨之改變。測量得到反射光功率-角度譜，根據(jù)譜線的特征來確定路面的氣象狀態(tài)。
[0059]實施例二
[0060]如圖5所示，在此實施例中，擴束鏡2與探測器3分離，探測器固定在路面法線位置，接收正向的反射光功率。擴束鏡在導軌6上移動，激光的入射角度隨之改變。測量得到反射光功率-角度譜，根據(jù)譜線的特征來確定路面的氣象狀態(tài)。
【權利要求】
1.一種非接觸式路面氣象狀態(tài)傳感器，其特征在于:包括激光器、數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、以及位于待測路面上方的弧形導軌，所述弧形導軌上安裝有擴束鏡和光電探測器；激光器發(fā)出的光通過擴束鏡照射在待測路面上，光電探測器接收路面漫反射光能量，將光信號轉換為電信號送入數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)； 所述擴束鏡能夠沿弧形導軌移動，或者擴束鏡與光電探測器相對固定并能夠一起沿弧形導軌移動。
2.根據(jù)權利要求1所述的非接觸式路面氣象狀態(tài)傳感器，其特征在于:所述光電探測器始終固定于路面法線位置，擴束鏡能夠沿弧形導軌移動。
3.根據(jù)權利要求1所述的非接觸式路面氣象狀態(tài)傳感器，其特征在于:所述擴束鏡與光電探測器固定在一起并能夠一起沿弧形導軌移動，兩者所在光軸相互平行；設擴束鏡與光電探測器的間距為d，擴束鏡與光電探測器整體作為探測組件，該探測組件與路面照射區(qū)域中心之間的距離為r，則應保證r/d> 100。
4.根據(jù)權利要求1所述的非接觸式路面氣象狀態(tài)傳感器，其特征在于:所述激光器發(fā)出的光通過多模光纖耦合輸出至擴束鏡。
5.根據(jù)權利要求1所述的非接觸式路面氣象狀態(tài)傳感器，其特征在于:所述激光器為半導體激光器。
6.根據(jù)權利要求5所述的非接觸式路面氣象狀態(tài)傳感器，其特征在于:所述激光器為單波長半導體激光器。
【文檔編號】G01N21/47GK204008458SQ201420342703
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年6月24日 優(yōu)先權日:2014年6月24日
【發(fā)明者】王允韜, 阮馳, 徐松松, 陶圣 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所, 交通運輸部科學研究院