本實用新型屬于電子設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，涉及路面安全設(shè)施，為一種路表面結(jié)冰檢測裝置。

背景技術(shù)：

結(jié)冰是一種常見的現(xiàn)象。在某些場合或特殊行業(yè)中，人為地控制結(jié)冰可滿足生產(chǎn)需要，產(chǎn)生經(jīng)濟效益，甚至造福人類。例如，溜冰場，可食冰塊等。然而，另一些結(jié)冰現(xiàn)象會對人們的日常生產(chǎn)和生活造成不良的影響。例如，公路的道路結(jié)冰，飛機場的跑道結(jié)冰，飛機的機翼結(jié)冰等。這些結(jié)冰現(xiàn)象會直接或者間接地危害著交通運輸業(yè)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等國民經(jīng)濟的各個方面。目前，道路結(jié)冰與雷雨、大風(fēng)、冰雹、雪災(zāi)、臺風(fēng)、暴雨、高溫、寒潮、大霧、沙塵暴，共11種氣象現(xiàn)象被中國氣象局列為第一批發(fā)布預(yù)警信號的突發(fā)氣象災(zāi)害。

工業(yè)化進程導(dǎo)致當(dāng)今的極端天氣增多，例如，大范圍的暴雨，雷電，冰凍等。前幾年南方雪災(zāi)肆虐，我國多條高速公路因結(jié)冰積雪而封閉，飛機停航。相關(guān)部門不分晝夜地進行除冰工作。近年來，我國公路建設(shè)持續(xù)發(fā)展，路網(wǎng)規(guī)模日益擴大，與之配套建設(shè)的高速公路通信、監(jiān)控、收費三大機電系統(tǒng)工程技術(shù)迅速發(fā)展，特別是道路監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展速度更快，主要是因為該系統(tǒng)作用日益突顯，而道路監(jiān)控系統(tǒng)中的路面狀況監(jiān)測與交通事故有著緊密的聯(lián)系。例如：全世界每年約有100多萬人死于交通事故，其中災(zāi)害性天氣直接或間接導(dǎo)致的交通事故占所有交通事故的l/4。在我國，高速公路的百公里事故率比普通公路高出3倍多，而發(fā)達國家高速公路死亡事故率僅為普通公路的1/2-1/10。在冬季，很多時候由于路面結(jié)冰，高速公路被迫封閉，給人們的出行帶來很大的不便，國家因此損失了很大的經(jīng)濟利益。

公路路表面結(jié)冰檢測系統(tǒng)是用來檢測與預(yù)報道路路表面狀況的系統(tǒng)，由于其在軍事與民用方面的重要性，一直受到發(fā)達國家的重視，更由于其技術(shù)上的先進性，美國等西方發(fā)達國家在這一領(lǐng)域的研究一直處于領(lǐng)先地位?，F(xiàn)階段國外對道路結(jié)冰的檢測主要是依靠圖像采集來對道路上覆蓋的冰進行檢測，同時國外還研制出多種結(jié)冰傳感器。例如，回波式結(jié)冰傳感器、壓差式結(jié)冰傳感器、電磁束阻斷式結(jié)冰傳感器等。多年來，我國一直靠從第三方進口這方面的檢測系統(tǒng)，來滿足各行各業(yè)的需要，為了解決這種窘迫局面，國內(nèi)開始研究相關(guān)的路面結(jié)冰檢測系統(tǒng)。如果可以及時地檢測道路表面是否結(jié)冰，就可 及時地采取相應(yīng)措施減小道路結(jié)冰造成的損失，降低路表面結(jié)冰的危害。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型要解決的技術(shù)問題是：針對上述的路面結(jié)冰導(dǎo)致交通事故增加，提出一種穩(wěn)定性高，使用壽命長，準確率高的路表面結(jié)冰檢測裝置，及時反饋道路路表面的結(jié)冰情況，以警示司機減速通過，減小交通事故的發(fā)生率。

本實用新型的技術(shù)方案為：一種路表面結(jié)冰檢測裝置，包括溫度檢測模塊、光反射檢測模塊、熱流結(jié)冰檢測模塊和電容結(jié)冰檢測模塊，所述各模塊置于保護殼體內(nèi)，其中，光反射檢測模塊連接路表面的層采用透光材料。

所述檢測裝置還包括電子顯示屏、路桿和上位機，所述四種模塊組合為一個點位，至少一個點位與上位機數(shù)據(jù)連接，上位機輸出數(shù)據(jù)至電子顯示屏，電子顯示屏安裝在路桿上。

所述檢測裝置還包括數(shù)據(jù)存儲和無線收發(fā)模塊，數(shù)據(jù)存儲和無線收發(fā)模塊與上位機連接。數(shù)據(jù)存儲和無線收發(fā)模塊中包括存儲器和無線收發(fā)裝置，存儲器實時存儲上位機傳輸過來的檢測數(shù)據(jù)，無線收發(fā)裝置通過網(wǎng)絡(luò)向道路監(jiān)測部門的遠程計算機傳送路面結(jié)冰信息。

所述溫度檢測模塊包括硅介質(zhì)濾光片、DIE線纜、環(huán)境溫度傳感器和熱電偶硅基，熱電偶硅基與環(huán)境溫度傳感器通過DIE線纜連接，硅熱電偶硅基與介質(zhì)濾光片位置相對。

所述光反射檢測模塊包括發(fā)射光纖裝置、接收光纖裝置和透光層，透光層連接路表面并與路表面位于同一平面，透光層為一個平面玻璃，發(fā)射光纖裝置朝向透光層發(fā)射紅外光，接收光纖裝置用于接收反射和散熱的紅外光。

所述熱流結(jié)冰檢測模塊包括熱阻層、第一溫度探頭和第二溫度探頭，熱阻層、第一溫度探頭和第二溫度探頭組成熱流傳感器。

所述電容結(jié)冰檢測模塊包括電容式結(jié)冰傳感器，電容式結(jié)冰傳感器包括公共電極、凹槽、檢測電極和驅(qū)動電極，以一個薄膜作為電容式結(jié)冰傳感器的公共電極，所述薄膜為擴散硅層，用靜電鍵合工藝將薄膜和凹槽鍵合到一起，凹槽封閉為電容間隙，凹槽里設(shè)有兩個同心的方形電極，中心為驅(qū)動電極，外圍回字形為檢測電極。

所述的溫度檢測模塊、光反射檢測模塊、熱流結(jié)冰檢測模塊和電容結(jié)冰檢測模塊與各自的殼體通過螺紋連接，四個殼體通過螺紋連接至各自的底座，通過底座嵌設(shè)于路表 面。

本實用新型的殼體起到保護的作用，提高了各檢測模塊的使用壽命和穩(wěn)定性。溫度檢測模塊、光反射檢測模塊、熱流結(jié)冰檢測模塊、電容結(jié)冰檢測模塊通過電纜與上位機連接，進行檢測信息的傳遞與處理。上位機通過電纜與電子顯示屏連接，將結(jié)冰信息顯示出來，以警示公路過往司機減速通行。本實用新型設(shè)置了四個檢測模塊，采用溫度檢測模塊進行結(jié)冰預(yù)判，再根據(jù)光反射檢測模塊的紅外光反射接收數(shù)值、熱流結(jié)冰檢測模塊的熱流密度、電容結(jié)冰檢測模塊的電容值的信息變化，來準確地判斷路表面結(jié)冰狀況。這種采用四個模塊進行綜合檢測的設(shè)計，提高了檢測的穩(wěn)定性和準確率。進一步的，為減少檢測誤差，并提高檢測的穩(wěn)定性和準確率，設(shè)置多點檢測，各點位四個模塊反饋信息通過上位機有效匯總處理后，將路表面結(jié)冰情況反映到電子顯示屏上，以警示司機減速通過，減小交通事故的發(fā)生率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種路表面結(jié)冰檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為溫度檢測模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為光反射檢測模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為熱流結(jié)冰檢測模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為電容結(jié)冰檢測模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為多點位檢測的分布示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚完整地描述。

如圖1，為實現(xiàn)以上功能，本實用新型包括溫度檢測模塊6、光反射檢測模塊7、熱流結(jié)冰檢測模塊8和電容結(jié)冰檢測模塊9，所述各模塊置于保護殼體4內(nèi)，其中，光反射檢測模塊7連接路表面3的層采用透光材料。殼體起到保護的作用，各模塊設(shè)置安裝在路表面，對路表面的結(jié)冰情況進行檢測。進一步的，本實用新型檢測裝置還包括電子顯示屏1、路桿2和上位機11，所述四種模塊組合為一個點位，至少一個點位與上位機11數(shù)據(jù)連接，如圖6所示，上位機11輸出數(shù)據(jù)至電子顯示屏1，電子顯示屏1安裝在路桿2上。本實用新型采用四個模塊進行綜合檢測的方法，提高了檢測的穩(wěn)定性和準確率，同時為減小檢測誤差，共設(shè)置多點檢測，各點位四個模塊反饋信息通過上位機11 有效匯總處理后，將路表面結(jié)冰情況反映到電子顯示屏1上，以警示司機減速通過，減小交通事故的發(fā)生率。

下面對本實用新型的四個檢測模塊進行說明。

如圖2，溫度檢測模塊6包括硅介質(zhì)濾光片12、DIE線纜13、環(huán)境溫度傳感器14和熱電偶硅基15，熱電偶硅基15與環(huán)境溫度傳感器14通過DIE線纜13連接，硅熱電偶硅基15與介質(zhì)濾光片12位置相對。溫度檢測模塊6根據(jù)溫度傳感器的數(shù)值判斷路表面是否結(jié)冰。

如圖3，光反射檢測模塊7包括發(fā)射光纖裝置19、接收光纖裝置18和透光層16，透光層16連接路表面3并與路表面3位于同一平面，透光層16為一個平面玻璃，發(fā)射光纖裝置19朝向透光層16發(fā)射紅外光，接收光纖裝置18用于接收反射和散射的紅外光。發(fā)射光纖裝置19、接收光纖裝置18以及透光層16之間的空間構(gòu)成光通道17，透光層16也即玻璃上沒有結(jié)冰時，發(fā)射光纖裝置19發(fā)射的紅外光全部透過玻璃端面進入空氣，接收光纖裝置18接收不到任何紅外光；當(dāng)玻璃上有結(jié)冰時，發(fā)射光纖裝置19發(fā)出的部分紅外光由于被冰層散射和反射而被接收光纖裝置18接收。通過檢測接收光纖裝置18接收到的紅外光的強弱，達到檢測結(jié)冰的目的。

如圖4，熱流結(jié)冰檢測模塊8包括熱阻層20、第一溫度探頭21和第二溫度探頭22，熱阻層20、第一溫度探頭21和第二溫度探頭22組成熱流傳感器。模塊的工作原理是通過分析流過物體表面熱流的變化來區(qū)分物體表面存在的沾染物，如霜、冰、非冰流體等，當(dāng)有熱流通過熱流傳感器時，在傳感器的熱阻層20上產(chǎn)生了溫度梯度，根據(jù)傅立葉定律就可以得到通過傳感器的熱流密度，具體計算為現(xiàn)有技術(shù)，介紹如下：熱流密度也稱熱通量，一般用q表示，定義為：單位時間內(nèi)，通過物體單位橫截面積上的熱量。設(shè)熱流矢量方向是與等溫面垂直：

q＝dQ/ds＝-λdT/dX

式中：q為熱流密度；dQ為通過等溫面上微小面積，dS流過的熱量；dT/dX為垂直與等溫面方向的溫度梯度；λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)；如果溫度為T和T+ΔT的兩個等溫面平行時：

q＝-λΔT/ΔX

式中：ΔT為兩等溫面的溫差；ΔX為兩等溫面之間的距離。

只要知道熱阻層的厚度ΔX，導(dǎo)熱系數(shù)λ，通過測到的溫差ΔT就可以知道通過的熱流密度。

本實用新型的熱流結(jié)冰檢測模塊8是一種表面型的結(jié)冰探測方法裝置，即當(dāng)傳感器 表面結(jié)有冰層時，通過計算比較路表面的熱流密度變化來指示路表面結(jié)冰量狀況。其中，熱流傳感器與被測物粘貼的緊密程度，對熱流的穩(wěn)定時間有著非常大的影響。粘貼越緊密，穩(wěn)定越快，測量偏差越小；反之，測量偏差越大。因此，在熱流傳感器的使用過程中，要盡量保證熱流傳感器能夠緊密地粘貼被測物體，這樣才能減少測量時間，提高測量精度。

如圖5，電容結(jié)冰檢測模塊9包括電容式結(jié)冰傳感器，電容式結(jié)冰傳感器包括公共電極25、凹槽26、檢測電極23和驅(qū)動電極24，以一個薄膜作為電容式結(jié)冰傳感器的公共電極25，所述薄膜為擴散硅層，用靜電鍵合工藝將薄膜和凹槽26鍵合到一起，凹槽26封閉為電容間隙，凹槽26里設(shè)有兩個同心的方形電極，中心為驅(qū)動電極24，外圍回字形為檢測電極23。電容結(jié)冰檢測模塊9用電容式結(jié)冰傳感器來檢測，驅(qū)動電極24和公共電極25之間加靜電，則薄膜變形，檢測電極23和公共電極25之間的電容稱為檢測電容。薄膜上有結(jié)冰時，結(jié)冰增大了薄膜剛度，使薄膜變形量減小，檢測電容兩電極之間的距離增大，檢測電容減小。通過檢測電容的減小量來確定結(jié)冰厚度。

作為優(yōu)選實施方式，為延長四個檢測模塊以及上位機11的使用壽命，將它們安裝在路桿2桿側(cè)的路表面下，減少因車輛碾壓路表面導(dǎo)致的器械壽命折損。

本實用新型的使用中，溫度檢測模塊6的結(jié)冰溫度臨界數(shù)值、光反射檢測模塊7的紅外光反射接收結(jié)冰臨界數(shù)值、熱流結(jié)冰檢測模塊8的熱流密度變化臨界數(shù)值、電容結(jié)冰檢測模塊9的電容變化臨界數(shù)值，均需要在道路結(jié)冰時刻通過多次實驗測定，用于設(shè)定判斷閾值。

如圖6，為本實用新型的多點位檢測的分布示意圖。多個點位的檢測數(shù)據(jù)傳輸至上位機11，上位機11進行綜合分析處理，經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)再傳送至數(shù)據(jù)存儲和無線收發(fā)模塊27進行數(shù)據(jù)存儲和上傳，如上傳至基站進行多路段的信息匯總和分析等。多點位短距離數(shù)據(jù)傳輸可采用紅外通信技術(shù)(IrDA)，由人眼看不到的紅外線傳輸信息，采用點到點的連接方式，發(fā)射、接收具有方向性，具有體積小、功耗低、連接方便、簡單易用、數(shù)據(jù)傳輸干擾少、速度快、成本低廉等特點。

數(shù)據(jù)存儲和無線收發(fā)模塊27中包括存儲器和無線收發(fā)裝置。存儲器實時存儲上位機傳輸過來的檢測數(shù)據(jù)，無線收發(fā)裝置通過網(wǎng)絡(luò)向道路監(jiān)測部門的基站遠程計算機傳送路面結(jié)冰信息。其中，存儲器選用AT45DB041芯片，該芯片具備：讀寫速度快、容量大、外圍電路器件簡單等諸多優(yōu)點，而且功耗很低。AT45DB041中的數(shù)據(jù)是按頁存放的，主存共有2048頁，每頁又有264Byte，所以總?cè)萘窟_到528K字節(jié)(約4M比特)。 AT45DB041具備主存跟緩存兩大存儲空間，在掉電情況下存放在主存中的數(shù)據(jù)不會丟失數(shù)據(jù)，AT45DB04中有兩個容量為264字節(jié)的數(shù)據(jù)緩存空間，緩存讀寫方便迅速且讀寫速度快，可以用來作為主存與外部進行數(shù)據(jù)交換時的緩沖區(qū)域，也可以用來存儲一些臨時性的數(shù)據(jù)，做為臨時存儲空間使用的缺點是在掉電情況下會丟失緩存中的數(shù)據(jù)。無線收發(fā)裝置采用GPRS DTU進行數(shù)據(jù)傳輸，GPRS DTU是一種物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)終端，利用公用運營商網(wǎng)絡(luò)GPRS網(wǎng)絡(luò)為用戶提供無線長距離數(shù)據(jù)傳輸功能。GPRS DTU具有充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)、資源利用率高、始終在線、傳輸速率高、資費合理等特點，采用高性能的工業(yè)級8/16/32位通信處理器和工業(yè)級無線模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速傳輸功能。

本實用新型設(shè)置多點檢測，各點位通過四個模塊進行綜合檢測，其中四個模塊反饋信息通過上位機有效分析處理后，將路表面結(jié)冰情況反映到電子顯示屏上，可減少檢測誤差，并提高檢測的穩(wěn)定性和準確率。