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专利名称：路面状态检测传感器及其检测系统和检测方法
技术领域：
本发明属于信息传感采集技术领域，用于路面干燥、潮湿或冰冻状态的检测，为一种路面状态检测传感器及其检测系统和检测方法。
背景技术：
随着我国公路建设的快速发展，公路建设的监测和维护工作也显得越来越重要。 公路路面在实际使用的过程中，温度、水分以及载荷等因素均会对整个路面结构产生不利影响，并极大的增大了交通事故的发生几率，带来了极大的财产和生命损失。冰水检查一直是路面状况检测中很重要的一项，目前还没有相关成熟技术可用于这方面的传感测量。已经有的一些冰水测量技术大多是基于电容原理，其结构大多采取上下极板形状，利用冰和水不同的介电常数，来分辨极板间不同的电介质，以此达到冰水检测的目的。但是这种方法有很多技术缺陷，例如这种结构很难运用于交通领域，尤其是对道面检测首先，这种上下极板的传感器结构设置在路面上，会对环境产生干涉，容易在传感器的极板间积水，结冰，而不能正确反映路面的真实情况；其次，这种传感结构放在路面上会破坏路面平整度，影响行车安全；第三，这种传感器必须在有很明显的冰状态或水状态的情况下才能检测出来，分辨能力较为低下。

发明内容
本发明要解决的问题是现有的冰水检测所用的电容检测装置不适于路面冰水状态检测，会影响路面通行，同时检测效果不理想。本发明的技术方案为一种路面状态检测传感器，由至少两层金属层和低介电常数胶组成电容器型传感器，所述低介电常数胶为介电常数e [2,4)的胶体，填充在金属层之间后固化为固体材料，传感器嵌在路面中，金属层竖直设置，金属层之间的低介电常数胶裸露面为传感器的敏感检测部分，所述裸露面与路面平齐。传感器外形为圆柱体，所述金属层由内向外一层一层同轴布置，敏感检测部分位于圆柱体的上下底面。作为优选方式，由两层金属和低介电常数胶组成传感器，所述两层金属由内向外分别为内层和外层，内层横截面的形状为四瓣花形，所述四瓣花形为中心对称图形，且轮廓线为光滑弧线；外层横截面形状为圆形，与内层横截面的中心同心，对应内层横截面形状的部分空心。外层横截面上的最远两点之间距离小于70mm，，内层横截面上的最远两点之间距离为外层内径的50% 90%，内层和外层两两之间的间距均勻且小于3mm，间距之中填充低介电常数胶。作为另一优选方式，由三层金属和低介电常数胶组成传感器，所述三层金属由内向外分别为内芯、中环和外环，内芯横截面形状为圆形，中环横截面的形状为四瓣花形，所述四瓣花形为中心对称图形，且轮廓线为光滑弧线，中环横截面对应内芯的部分空心，外环横截面形状为圆形，对应中环横截面形状的部分空心，内芯、中环和外环的横截面同中心。所述外环横截面上的最远两点之间距离小于70mm，中环横截面上的最远两点之间距离为外层内径的50 % 90 %，内芯直径为外环内径的5 % 30 %，内芯、中环和外环两两之间的间距均勻且小于3mm，间距之中填充低介电常数胶。基于上述路面状态检测传感器的检测系统，包括检测传感器、激励电路、数据传输电路、数据处理器和电源，数据处理器的输出连接激励电路，激励电路输出至检测传感器， 检测传感器的输出经数据传输电路输入数据处理器，电源对检测系统供电。数据处理器连接通信模块。上述的检测系统的检测方法，将检测传感器设置在路面，敏感检测部分与路面平齐，检测传感器的电学参数随路面环境为干燥、潮湿或冰冻而变化，数据处理器控制激励电路向检测传感器发出不同频率的激励信号，检测传感器受到激励电路的外加方波激励后， 其输出波形随着敏感检测部分的电学参数的变化而变化，检测传感器的输出波形输入数据处理器，数据处理器通过波形变化的不同来推断表面覆盖物，分析路面状态。数据处理器通过通信模块将数据发送到上位机。本发明的检测传感器也是基于电容原理，但是传感器结构上做了全新的设计，传统传感器多为上下两层或多层片状结构，对路面侵入性大，并且检测时需要人为干预，不能用于对路面状态的真实反应和自动检测，而本发明的传感器金属层竖直设置，通过低介电常数胶自动检测路面状态，传感器的敏感检测部分与路面平齐，整体嵌在路面中，表面平整，不存在影响路面的情况，敏感检测部分与路面平齐，也就是作为路面的一部分，所检测的结果能够准确反应路面的状态，并且本发明采用固态的低介电常数胶作为电容器介质， 使得传感器整体结构稳定，不易受外界环境影响，且易于安装。由物理学可知C= ε rs/d0电容量的大小取决于介电常数ε ρ极板面积s和极板间的距离d。对两极板间距离d与板间面积s固定的电容器，其电容值C随极板间介质的介电常数不同而变化。常温下，空气的介电常数约为1，水的介电常数为80，而冰的介电常数为3 4，雪的介电常数为1 2。因此，当电容器间的介质分别是雪、冰和水时，电容器所反映的电容量各不相同，本发明在金属层之间填充满低介电常数胶，同时低介电常数胶部分裸露于路面，造成其电容值变化的原因是位于传感器上表面空间处，也就是裸露的敏感检测部分上方存在着泄露电场，正是由于覆盖在这里的具有不同介电常数的物质在泄露电场的作用下引起电极化，造成了整个电容传感器的电容值发生变化，物质介电常数与很多因素有关，如温度、压强、检测的频率等，且不同物质介电常数的变化不尽相同。随着外部环境及敏感部分表面覆盖物的变化，本发明检测传感器的敏感部分的电容值也将发生相应的变化。本发明检测系统中，检测传感器受到激励电路的外加方波激励后，其输出波形将随着敏感检测部分的电学参数的变化而变化。通过波形变化的不同来推断表面覆盖物。考虑到单一频率不能完全反应和区分不同的覆盖物，所以，本发明系统使用四种频率测试，获取各个频率下的响应波形，并综合判断，推测出表面覆盖物的具体情况。本发明的有益效果是不影响道路平整的情况下能够提供路面干、湿、冰状态，对路面影响小，检测效果好，同传统的两层或多层片状结构的传感器相比，避免了覆盖物难于进入检测区，进入检测区后难于排开造成的误判问题，极大的提高了检测的准确性，实验表明，检测分辨正确率大幅超过传统结构的传感器，检测结果与路面真实情况一致性好。


图1为本发明检测传感器结构的实施例1的截面示意图。图2为本发明检测传感器结构的实施例2的截面示意图。图3为本发明检测传感系统的结构示意图。图4为本发明方法中，检测传感器在路面的设置示意图。图5为本发明实施例频率fl时对不同路面状态的检测波形图， b)为路面干燥，(c)为路面积水，(d)为路面积雪。图6为本发明实施例频率f2时对不同路面状态的检测波形图， b)为路面干燥，(c)为路面积水，(d)为路面积雪。图7为本发明实施例频率f3时对不同路面状态的检测波形图， b)为路面干燥，(c)为路面积水，(d)为路面积雪。图8为本发明实施例频率f4时对不同路面状态的检测波形图， b)为路面干燥，(c)为路面积水，(d)为路面积雪。
具体实施例方式本发明的路面状态检测传感器由至少两层金属层和低介电常数胶组成电容器型传感器，传感器嵌在路面中，金属层竖直设置，金属层之间的低介电常数胶裸露面为传感器的敏感检测部分，所述裸露面与路面平齐，通过低介电常数胶的裸露面来检测路面状态，所述低介电常数胶为介电常数e [2,4)的胶体，填充在金属层之间之后固化为固体材料，所述低介电常数胶可以在介电常数胶厂家购买。本发明优选传感器外形为圆柱体，所述金属层由内向外一层一层同轴布置，敏感检测部分位于圆柱体的上下底面，其中圆柱体的横截面为中心对称图形。圆柱体的传感器在安装于路面时最方便，如图4，路面进行钻孔即可，而且制备传感器时，低介电常数胶易于填充固定到金属层之间。检测传感器实施例1如图1，由两层金属和低介电常数胶组成传感器，所述两层金属由内向外分别为内层和外层，内层横截面的形状为四瓣花形，所述四瓣花形为中心对称图形，且轮廓线为光滑弧线，如将四个大小一致的圆相交于一点，四个圆均勻分布，相邻的圆之间通过一段同时与所述两个相邻圆相切的弧线连接，得到光滑的外轮廓线，即得到所述四瓣花形；外层横截面形状为圆形，与内层横截面的中心同心，对应内层横截面形状的部分空心。外层横截面上的最远两点之间距离小于70mm，内层横截面上的最远两点之间距离为外层内径的50% 90%，内层和外层两两之间的间距均勻且小于3mm，间距之中填充低介电常数胶。检测传感器实施例2如图2，由三层金属和低介电常数胶组成传感器，所述三层金属由内向外分别为内芯、中环和外环，内芯横截面形状为圆形，中环横截面的形状为四瓣花形，所述四瓣花形为中心对称图形，且轮廓线为光滑弧线，如将四个大小一致的圆相交于一点，四个圆均勻分布，相邻的圆之间通过一段同时与所述两个相邻圆相切的弧线连接，得到光滑的外轮廓线， 即得到所述四瓣花形，中环横截面对应内芯的部分空心，四瓣花形的中心与内芯圆心重合；
(a)为路面结冰， (a)为路面结冰， (a)为路面结冰， (a)为路面结冰，
5外环横截面形状为圆形，对应中环横截面形状的部分空心，内芯、中环和外环的横截面同中心。所述外环横截面上的最远两点之间距离小于70mm，中环横截面上的最远两点之间距离为外层内径的50 % 90 %，内芯直径为外环内径的5 % 30 %，内芯、中环和外环两两之间的间距均勻且小于3mm，间距之中填充低介电常数胶。本发明检测传感器并不限制金属层的层数，所采用的四瓣花形金属层相比普通的圆形，增加了电容面积，也可以采用五瓣花形等形状来增加电容面积。本发明的检测传感器实际制作时，金属层可以选择不锈钢，首先将不锈钢环分层同心放置，并保持固定，然后在层与层之间灌注绝缘低介电常数胶，实施例所用低介电常数胶为南京喜力特胶粘剂有限公司的916特小介电常数绝缘灌封胶，主要特点有1、介电常数小，为2 2.02 ；2、介质损耗角小，为10_3 10_4 3、绝缘电阻率为> IO14 Ω · cm ；4、击穿电压 > 20kV/mm5、工作温度 B 级-40°C +125°C。先将胶体灌注到金属层之间，加满，灌注时要避免胶中混入气泡，使得不锈钢中间完全被胶体完全填充。然后加温固化胶体，将胶体固化后的检测传感器放在室温条件下，让其自然冷却，然后接上引线，对于两层金属层的检测传感器，内层和外层分别构成两极，构成一个二端器件；对于三层金属层的检测传感器，将外环和内芯通过导线接在一起为一极， 中环为一极，构成一个二端器件；对于更多层金属层的情况，每隔一层的金属层连接在一起为一极，最终得到两极，构成二端器件，这样传感器的敏感检测部分就完成了。本发明使用的是低介电常数胶作为填充物，选用低介电常数的目的在于减少敏感检测部分自身的电容，以使得表面覆盖物引起的外加电容处于主导地位。在试验中通过对比高、低两种介电常数填充物可以发现，在分别检测冰冻和干燥两种状态时有着明显的区别，这里低介电常数指介电常数小于4，高介电常数指介电常数大于8。冰冻和干燥两种状态本质是检测冰和空气两种覆盖物，实验表明，在填有高介电常数胶的敏感检测部分所产生的响应信号，在这两种覆盖物状态下，没有明显区别，两种信号趋于一致，无法通过算法判断出表面覆盖物的种类。而填有低介电常数胶在同样的实验条件下则表现为不同的特性。其响应波形在两种覆盖物条件下，有着明显的区别，主要表现在波形的极值、空占比以及波形的形状这几个方面。因此对于低介电常数胶来说，可以较为清楚的区分出干燥和冰冻两种状态。造成这一现象的主要原因是高介电常数型敏感检测部分的无覆盖电容较大，而低介电常数型敏感检测部分则较小，覆盖物引起的附加电容对于两种情况则比较类似，这样一来，有覆盖物引起的电容变化对高介电常数型敏感检测部分的影响则较小，而对低介电常数型敏感检测部分的影响较大，因此低介电常数型敏感检测部分对覆盖物的敏感程度要好于高介电常数型敏感检测部分。所以本发明选取低介电常数胶填充在金属层之间。本发明检测系统如图3所示，包括检测传感器5、激励电路7、数据传输电路、数据处理器1和电源2，其中数据传输电路包括模拟电路4和模数转换电路3，数据处理器1的输出连接激励电路7，激励电路7输出经模拟电路4至检测传感器5，检测传感器5的输出经模拟电路4和模数转换电路3输入数据处理器，电源对检测系统供电，其中模拟电路4主要起偏置电平，信号放大，滤除杂波，增强驱动能力的作用，模数转换电路3将检测传感器5 的模拟信号转为数字信号输入数据处理器1。下面将检测系统划分为五部分具体说明第一部分传感器敏感检测部分传感器的敏感检测部分，即检测传感器5是整个系统的核心组成部分，由至少两层金属层和低介电常数胶组成电容器型传感器，传感器嵌在路面中，金属层竖直设置，金属层一般使用的是不锈钢材料，金属层之间的低介电常数胶裸露面为传感器的敏感检测部分，所述裸露面与路面平齐，通过低介电常数胶的来检测路面状态；第二部分外加激励电路部分外加激励电路7受数据处理器1控制输出方波信号，该信号可根据程序设定调整频率和空占比。生成的方波信号通过模拟电路4加载在传感器敏感检测部分上，模拟电路 4主要起偏置电平，信号放大，滤除杂波，增强驱动能力的作用。第三部分数据传输电路数据传输电路包括模拟电路4和模数转换电路3，用于信号的缓冲和对整个电路的保护及信号放大，检测传感器5的敏感部分在激励电路7的激励下生成响应信号，所述响应信号通过模数转换电路3变换成数字信号，然后再送到数据处理器1，进一步的进行数据分析和处理；第四部分数据处理器数据处理器1采用基于C51内核的片上系统，主要有两个功能。一方面，是对模数转换电路3送入的数据进行分析处理，通过相应的模态识别算法，对采样数据求取方差和平均值，以及各个数据段的分布，并将这些值与预先存储在芯片内的路面各个状态的典型值相互比较，判断出当前路面的状态；另一方面，用于控制激励电路7加载在检测传感器5 的激励信号的频率。第五部分电源和通信模块电源2为整个检测系统提供能量支持，本检测系统使用的是12V直流供电。通信模块6将数据处理器1判断出的路面状态，以字符串的形式发送出去，送达交通部门的处理中心，为行车安全或其他方面的用途提供参考。通信模块可以按照具体情况，以各种方式设置，如有线或无线，并根据不同的需求，遵守不同的通讯协议。本发明的工作过程当系统加电后，开始自检，自检成功后开始程序初始化。初始化后，数据处理器1 控制激励电路7，产生一个方波激励，同时检测传感器5输出响应波形。响应波形通过数据传输电路的模数转换电路3转换成数字信号，并存储在数据处理器1的闪存内。考虑到单一频率不能完全反应和区分不同的覆盖物，所以，本发明系统使用多种频率测试，当数据处理器1的闪存存储数量达到预定值时，也就是设定的采样次数， 典型实验值是采样1000次，数据处理器1改变输出频率使得激励信号的频率提高，然后继续测量检测传感器的响应数值并存储数据。具体实施中，数据处理器依次产生四种频率的激励信号，并记录下它们各自对应的响应数据，如图5至图8，分别对应四种频率fl、f2、f3和f4的激励信号，fl < f2 < f3 < f4，其中每幅图中的(a)为路面结冰，b)为路面干燥，(c)为路面积水，(d)为路面积雪， 随着阻抗参数的不同，幅度也有所不同，图(a) — (d)组图反应了传感器在不同覆盖物下的幅频特性，利用这种特征性的幅频特性可以实现对覆盖物的判断，最后对这些数据综合分析，判断出表面覆盖物。图5至图8中部分幅频特性曲线有断续，是由于在实际检测中，由于信号幅度较小，而干扰较强，容易造成波形图像不稳，信号越小越明显，这也受到示波器接地和屏蔽，以及其本身的性能影响，但不影响模数转换电路3的测量，由于检测的是幅频特性，而且不同路面状态的幅频特性差别也明显，足以对路面状态进行判断，判断出的结果发送到串口通讯设备再通过各种通讯转换设备转换成各种通讯标准，并将判断结果发送出去。
权利要求
1.一种路面状态检测传感器，其特征是由至少两层金属层和低介电常数胶组成电容器型传感器，所述低介电常数胶为介电常数e [2,4)的胶体，填充在金属层之间后固化为固体材料，传感器嵌在路面中，金属层竖直设置，金属层之间的低介电常数胶裸露面为传感器的敏感检测部分，所述裸露面与路面平齐。
2.根据权利要求1所述的路面状态检测传感器，其特征是传感器外形为圆柱体，所述金属层由内向外一层一层同轴布置，敏感检测部分位于圆柱体的上下底面。
3.根据权利要求2所述的路面状态检测传感器，其特征是由两层金属和低介电常数胶组成传感器，所述两层金属由内向外分别为内层和外层，内层横截面的形状为四瓣花形，所述四瓣花形为中心对称图形，且轮廓线为光滑弧线；外层横截面形状为圆形，与内层横截面的中心同心，对应内层横截面形状的部分空心。
4.根据权利要求3所述的路面状态检测传感器，其特征是外层横截面上的最远两点之间距离小于70mm，内层横截面上的最远两点之间距离为外层内径的50% 90%，内层和外层两两之间的间距均勻且小于3mm，间距之中填充低介电常数胶。
5.根据权利要求2所述的路面状态检测传感器，其特征是由三层金属和低介电常数胶组成传感器，所述三层金属由内向外分别为内芯、中环和外环，内芯横截面形状为圆形， 中环横截面的形状为四瓣花形，所述四瓣花形为中心对称图形，且轮廓线为光滑弧线，中环横截面对应内芯的部分空心，外环横截面形状为圆形，对应中环横截面形状的部分空心，内芯、中环和外环的横截面同中心。
6.根据权利要求5所述的路面状态检测传感器，其特征是所述外环横截面上的最远两点之间距离小于70mm，中环横截面上的最远两点之间距离为外层内径的50% 90%，内芯直径为外环内径的5% 30%，内芯、中环和外环两两之间的间距均勻且小于3mm，间距之中填充低介电常数胶。
7.基于权利要求1-6任一项所述路面状态检测传感器的检测系统，其特征是包括检测传感器、激励电路、数据传输电路、数据处理器和电源，数据处理器的输出连接激励电路，激励电路输出至检测传感器，检测传感器的输出经数据传输电路输入数据处理器，电源对检测系统供电。
8.根据权利要求7所述的路面状态检测传感器的检测系统，其特征是数据处理器连接通信模块。
9.权利要求7或8所述的检测系统的检测方法，其特征是将检测传感器设置在路面，敏感检测部分与路面平齐，检测传感器的电学参数随路面环境为干燥、潮湿或冰冻而变化，数据处理器控制激励电路向检测传感器发出不同频率的激励信号，检测传感器受到激励电路的外加方波激励后，其输出波形随着敏感检测部分的电学参数的变化而变化，检测传感器的输出波形输入数据处理器，数据处理器通过波形变化的不同来推断表面覆盖物，分析路面状态。
10.根据权利要求9所述的检测系统的检测方法，其特征是数据处理器通过通信模块将数据发送到上位机。
全文摘要
路面状态检测传感器及其检测系统和检测方法，基于电容原理，采用环形电容器作为检测传感器设置在路面，用于路面干燥、潮湿或冰冻状态的检测，检测传感器受到激励电路的外加方波激励后，其输出波形将随着敏感部分的电学参数的变化而变化，通过波形变化的不同来推断表面覆盖物。本发明不影响道路平整的情况下能够提供路面干、湿、冰状态，对路面影响小，检测效果好，检测结果与路面真实情况一致性好。
文档编号G01N27/22GK102288650SQ201110126609
公开日2011年12月21日 申请日期2011年5月13日 优先权日2011年5月13日
发明者丁卯, 殷刚毅, 黄庆安 申请人:东南大学