专利名称：非接触式路面状况传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及路面状况检测传感器技术领域，尤其涉及一种非接触式路面状况传感器。
背景技术：
目前，为检测路面上的潮湿、积水、积冰、积雪情况，多采用接触式传感器，即需要将传感器安置在路面下，通过采集路面上覆盖物的导电率，并将采集到的信号传输给中央处理器，从而获得路面状况，在实际使用中，需要切开路面将传感器埋入路面下，埋入后很难去除，不易检修维护，并且随着车辆的长期踩压下，会出现下陷的情况，从而使传感器所采集到的信号出现越来越大的偏差。申请号为201020684452.3的中国实用新型专利公开了一种具有激光发生器及回波接收器位置双向调节机构的检测仪，该检测仪包括机架，机架上装设有光信号发射器、光信号接收器和信号处理装置，光信号发射器向路面的目标位置处发射激光，由光信号接收器接收从路面目标位置处反射回的信号，并传递到信号处理装置进行处理后，得到关于路面状态的信息，但是在确定路面状况时，只能将过光信号接收器接受到的信号强弱、与其他信号或干路面时信号相比较，通过经验模糊得出路面上水层、冰层或雪层的情况，无法准确得到水层、冰层或雪层厚度的具体数据，从而使得到的路面状况准确性差。。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种可获得具体覆盖物厚度具体数据的非接触式路面状况传感器，旨在提高现有检测仪对覆盖物厚度的检测精度。为了实现以上目的，本实用新型所采用的技术方案是:本实用新型的非接触式路面状况传感器的技术方案如下:非接触式路面状况传感器，包括用于向路面发射光信号、以供光信号接收器接收路面上的反射光信号的光信号发射器以及用于接收路面反射回光信号的光信号接收器，所述光信号发射器包括发射座，发射座上开设有至少两个间隔分布的发光孔，发光孔沿前后方向延伸，所有发光孔的前端开口、后端分别装设有用于发射不同波长光信号的发光体，发光体与发光通道一一对应设置，并在发光孔内装设有处于发光体之前的用于使发光体所发射的光信号相互平行的发射透镜。各发光孔的轴线相互平行，且发射透镜处于发射孔的前端开口内。所述发射座上连接有处于发射孔前的发射管，发射管沿发射透镜折射后光信号的光路延伸，所有发射孔的前端开口处于发射管的后端端口内，并在发射管内装设有处于发射座之前的用于封堵发射管的发射保护透镜。根据权利要求3所述的非接触式路面状况传感器，其特征在于，所述发射座的一侧铰接在发射管的后端端口处管壁上、另一端设置有用于撑开发射座的前侧面与发射管的后端环端面、以调节两者之间夹角的发射角调整机构。[0011]所述发射座的外围包裹有箱体状的壳体，壳体上开设有与发射管插接配合的开口，并固定在发射管的外周上，在壳体上还开设有前后延伸的螺栓过孔，所述发射角调整机构包括从所述螺栓过孔中穿过的调节螺栓，调节螺栓的杆部伸入壳体内，并从发射座上开设的调节通孔中穿过，在调节螺栓杆部的外周上从前往后依次装设有前调节螺母、隔套和后调节螺母，且隔套和后调节螺母分别处于所述调节通孔的前后两侧。所述发射座和调节螺母之间装设有套设在调节螺栓杆部外周上的隔套或弹簧，所述隔套或弹簧的两端分别与所述调节通孔的前端孔沿和调节螺母的后端端面挡止配合。所述发射管的外周上凸设有处于开口之后的环形挡沿，在发射管的外周上同轴螺纹连接有处于开口之前的用于将壳体压紧在环形挡沿上的锁紧套，所述壳体通过锁紧套固定在发射管的外周上，并在锁紧套和壳体之间装设套设在发射管外周上的环形密封圈。所述发射管的远离发射座的一端同轴套设有管状的发射保护罩，所述发射保护罩的前端从发射管的前端伸出，且保护罩的前端端面处于从前往后倾斜的斜面上。所述光信号接收器上装设有用于供光信号沿轴向通过、以进入光信号接收器的接收管，接收管内装设有用于封堵其内孔的接收保护透镜。所述光信号接收器上处于将红外光导入接收保护透镜的两个导光棒，两个导光棒处于接收保护透镜的相对两侧、且延伸方向与接收保护透镜的镜面方向垂直，在光信号接收器上装设有处于导光棒远离接收保护透镜的一端、并用于通过导光棒向接收保护透镜内发生红外光的红外发光体和用于接收从导光棒内穿过的红外光的红外接收体，红外发光体与红外接收体分别与两个导光棒一一对应设置。本实用新型在发射座上一一对应设置有至少两个发光孔和发光体，各个发光体所发射的光信号波长各不相同，并通过发光孔内在发光体之间设置的发射透镜，使各个发光体所发射的光信号经发射透镜折射后，可使各个发光体发散处的光信号相互平行，便于光信号接收器从上述 光照区域接收反射回的光信号，从而保证光信号接收器所采集到的至少两组对应不同波长光信号的反射光信号数据，根据各个光信号在路面覆盖物上的散射强度，判断出路面上覆盖物的类型，并依据修正后的朗伯比尔定律Ln( os/dp)= ed+k 其中dp为干路面状况下的反射光信号；os为有覆盖物状况时的反射光信号；d为覆盖物厚度；ε为光被吸收的比例系数，它与吸收物质的性质及入射光的波长λ有关；k为与路面等条件有关的常数计算出路面上覆盖物的厚度具体数值，提高对路面状况检测的准确性和精度。
图1是本实用新型实施例的工作原理示意图；图2是本实用新型实施例的光路布置示意图；图3是本实用新型实施例的结构示意图；图4是图3中光信号发射器的结构示意图；图5是图3中光信号接收器的结构示意图；图6是图5的A-A向剖视图；图7是图5中光信号接收器清洁度检测原理示意图。
具体实施方式
本实用新型的非接触式路面状况传感器的实施例:如图1至图7所示，该传感器包括装置主体和机架14，装置主体由防雨罩1、壳体、光信号发射器4和光信号接收器13构成。壳体由沿前后方向延伸的筒状的主壳体2以及主壳体2的前后端端口上分别封盖的前、后壳体3、7围成，以使壳体为箱体式空心结构。光信号发射器4和光信号接收器13均固定在前壳体3上,且光信号发射器4具有处于壳体内的发射座41和发射座41前端连接的发射管45、光信号接收器13具有处于壳体内的接收主体131和接收主体131前端一体连接的接收管，发射管45和接收管均沿前后方向延伸、在上下方向间隔平行分别，并从前壳体3上开设的开口中穿出，在发射管45和接收管的穿出部分上分别同轴套设有管状的发射保护罩5和接收保护罩12，两个保护罩的前端分别从发射管45和接收管的前端露出，且发射保护罩5和接收保护罩12的前端环端面处于自上而下逐渐向后缩回的斜面上。防雨罩I为前后延伸的壳体，并罩设在壳体、光信号发射器4和光信号接收器13上方，以将壳体、光信号发射器4和光信号接收器13包裹在其内部空腔中。机架14的上端固定在主壳体2上，下端用于固定在路面附近的电线杆、树木等物体上。如图1和图5所不,光信号发射器4包括自后向前依次布置的发射板6、发射座41、发射管45和发射保护罩5。发射板6固定在发射座41的后端面上，并在发射板6上设置有四个发光体63、64、65、66，这四个发光体63、64、65、66均为发射板上设置的激光二极管,其中第三和第六发光体63、66所发出的红外激光波长均为1310nm、波谱宽度均为2nm,第四发光体64所发出的红外激光波长为1450nm、波谱宽度为2nm，第五发光体65所发出的红外激光波长为1550nm、波谱宽度为2nm。发射座41上开设有与四个发光体一一对应布置的发光孔，该发光孔为前后延伸的通孔，且与第三、四、五发光体对应的第三、四、五发光孔为前大后小的阶梯孔，与第六发光体对应的第六发光孔为前后延伸的直孔，第三、四、五发光孔的前端孔口内分别装设有发射透镜410，在第三、四、五发光孔的前端孔口处的孔壁上凸设有朝前的环形台阶面，发射透镜410的后端面与所述环形台阶面挡止配合，发射透镜410处于环形台阶面内孔中的部分为用于将第三、四、五发光孔所发射的红外激光折射到相互平行的光路上的透光部分；在发射座41的前端面上通过紧固螺钉固定有发射透镜压片42，发射透镜压片42上开设有三个与四个发光孔前端孔口一一对应分布的发射穿孔，与第三、四、五发光孔对应的发射穿孔的后端孔沿与发射透镜410的前端面挡止配合、并让开发射透镜410的透光部分，与第六发光孔对应的发射管45控为前大后小的锥孔、并与第六发光孔同轴设置。在发射座41的上下两侧分别通过紧固螺钉固定有上连接块43和下连接块411，上连接块43的前端从发射座41的前端伸出，伸出部分绕左右延伸的绞轴44铰接在发射管45的后端管壁上；下连接块411为具有水平侧壁和竖直侧壁的L形连接块，下连接块411的水平侧壁通过紧固螺钉固定在发射座41的下侧面上、竖直侧壁处于发射座41的下方，并在下连接块411的竖直侧壁上设置有发射角调整机构，该发射角调整机构包括调节螺栓413以及调节螺母的杆部外周上从前向后依次装设的调节螺母、隔套415和锁紧螺母，调节螺栓413的杆部从前壳体3上开设的前后延伸的螺栓过孔中穿过、以伸入壳体的空腔内，伸入部分从下连接块411上开设的前后延伸的调节通孔中穿过、以从调节通孔的后端孔口伸出，锁紧螺母旋设在调节螺栓413从下连接块411上传过的部分上，并与所述调节通孔的后侧孔沿挡止配合；在调节长孔内装设有套设在调节螺栓413杆部外周上的调节套416，调节套416的内壁与调节螺栓413杆部的外周面间隙配合；隔套415套设在调节螺栓413杆部处于下连接块411和前壳体3之间的部分外周上，且隔套415的前后两端分别与所述调节通孔的前端孔沿及调节螺母的后端面挡止配合；调节螺母旋设在调节螺栓413杆部隔套415和前壳体3之间的部分外周上，且调节螺母的前端面与前壳体3上螺栓过孔的后端孔沿挡止配合。发射管45从插装在前壳体3上开设的开口上,并在前壳体3的外周上加工有处于前壳体3之后的环形挡沿和处于前壳体3之前的外螺纹，环形挡沿与前壳体3处于开口周围的后端面部分挡止配合，通过所述外螺纹在发射管45的外周上同轴螺纹连接有发射锁紧套47，在发射锁紧套47和前壳体3之间夹设有套设在发射管45上的环形密封圈，并将用于保护发射镜头的发射保护罩5通过同轴螺纹连接固定在发射锁紧套47的外周上，并使保护罩通过发射锁紧套47固定在发射管45的外周上；在发射管45内装设有封堵发射管45内孔的发射保护透镜49，发射保护透镜49与发射管45内壁上凸设的环形凸台挡止配合，并在发射管45内同轴螺纹连接有处于发射保护透镜49之前的发射防尘套48，发射防尘套48将发射保护透镜49压紧在所述环形凸台上，以使发射保护透镜49通过发射防尘套48固定在发射管45内。如图1、图6、图7和图8所示，光信号接收器13包括从后向前依次设置的接收板
8、接收座131和接收管。接收板8固定在接收座131的后侧面上，并在接收板8上设置有用于件接收到的反射光信号转化成电信号的光电二极管88。在接收座131开设有与所述光电二极管88对应分布的接收孔，该接收孔为前大后小的阶梯孔，并使所述的光电二极管88处于所述接收孔的后端孔口内；在接收孔的大端内装设有接收透镜132，接收透镜132为半球形凸透镜，接收透镜132的平面部分与接收孔的前端孔壁上加工的环形挡止面挡止配合，并在接收孔内同轴螺纹连接有处于接收透镜132之间的接收压紧套133，接收压紧套133将接收透镜132压紧在所述环形挡止面上，以使接收透镜132通过接收压紧套133固定在接收孔中。接收管一体连接在接收座131的前端上，并与接收孔同轴设置，在接收管的外周上设有处于前壳体3之后的环形突肩和处于前壳体3之前的外螺纹，发射管55处于环形突肩和外螺纹之间的部分插装在前壳体3上开设的开口内，并通过接收锁紧套137将前壳体3压紧在所述环形突肩的前端面上，以使接收管通过接收锁紧套137固定在前壳体3上；用于保护接收镜头的接收保护罩12通过同轴螺纹连接固定在所述接收锁紧套137的外周上，以使接收保护罩12通过接收锁紧套137固定在发射管55上；在接收管内装设有封堵接收管的接收保护透镜135，该接收保护透镜135通过接收管内同轴螺纹连接的接收防尘套136被压紧在接收管的内壁上凸设的环形内沿上，以使接收保护透镜135通过接收防尘套136被固定在接收管内。在接收管的外周上通过该螺钉连接固定有接收管加热器134，该接收管加热器134处于接收管上的环形突肩之后，以通过接收管对接收保护透镜135进行加热。在接收座131上穿设有一对处于其左右两侧的导光棒138，该导光棒138沿前后方向延伸，且导光棒138的前端从接收管内壁上的所述环形内沿前端面露出、后端与接收板8上设置的一对检测头相对，这一对检测头为用于向一个导光棒138发射红外检测光线的红外发光体1316和用于接收经保护透镜后表面反射并穿过另一个导光棒138的红外接收体1317。如图1和图2所述,本实施例中第三、四、五发光体63、64、65可通过三个发射透镜410照射路面上的指定位置，形成三个相对平行的照面10，用于路面120状态的定性定量分析，而第六发光体66不通过透镜，发散角较大，受空气中的颗粒影响较大，用于检测能见度进行检测结果的补偿修正。四个发光体分时轮流以IK的调制频率发射预定功率的稳定红外激光，红外激光通过路面120和其覆盖物形成包含丰富信息的后向散射光，后向散射光通过接收透镜132汇聚于接收板8上的光电二极管88上，将光信号转化为电信号，再经过放大、滤波、整流、AD采样进入处理器，利用实验建立的数学模型进行定性定量分析，输出路面120状况检测结果。在使用时，将传感器固定在路边的电线杆、路灯杆或树木枝干上，通过发射角调整机构使发射板6上的三个发光体的照面10都落在光信号接收器13的接收视窗范围110内；在路面120干燥时进行干标定，获得干参数DP1、DP2、DP3，一旦传感器位置角度等变化都会引起干参数变化，需要重新进行干标定；各条件不变时干参数相对稳定，传感器有干信号自动调整功能，补偿路面120和镜头污染引起的干参数的微量变化；各条件不变化时，一旦路面120潮湿、积水、结冰、积雪，入射光180由于照面覆盖物表面210反射及水分子和固体颗粒对光信号的吸收和散射共同作用，实测到的三个后向反射光200表现出不同的特点，根据三个信号的大小关系可以判别路面120状态，根据判断的覆盖物种类进入不同的厚度计算公式；根据物质的吸光度可以计算覆盖物厚度，测量理论基础为修正的朗伯-比尔定律采用三波长测量能够减小覆盖物颗粒度等引起的测量误差，比单波长进行更精确的测量。例如根据路面120状况水吸收光谱、冰吸收光谱、雪散射光谱筛选出三个波长红外光λ l=1300nm、λ 2=1400 nm、λ 3=1500 nm,由于照面覆盖物表面210反射及水分子和固体颗粒对光信号的吸收和散射共同作用，实测到的后向散射信号的表现如下，其中水对三个波长的主要为反射和吸收，后向散射系数ε 11 > ε 13> ε 12 ;冰对三个波长的后向散射系数ε 21 > ε 22> ε 23 ;雪对三个波长的后向散射系数ε 31 > ε 32> ε 33 ;根据三个后向反射光200与路面120干燥时光信号的比值的大小及差值，可以定性分析路面120状况并定量检测水冰雪厚度。覆盖物厚度测量公式推导如下:Ln ( Ιο/Ι)= ε Cd ----公式 I公式I中:1——入射光180强度；I——通过样品后的透射光强度；In (Ιο/Ι)——称为吸光度；C——为样品浓度，我们测量的是纯物质水，C=I ；d——为光程；ε——为光被吸收的比例系数，它与吸收物质的性质及入射光180的波长λ有关。
适用于本传感器的原理公式为:Ln ( os/dp) = ε d+k ----公式 2公式2中:dp——干信号；os——有覆盖物时的光信号；d 覆盖物厚度；k——常数,路面120等条件的影响。实际吸光系数未知，是从大量的试验中线性回归获得，公式推导:表一、水冰雪吸收率图表[0047]
权利要求1.非接触式路面状况传感器，包括用于向路面发射光信号、以供光信号接收器接收路面上的反射光信号的光信号发射器以及用于接收路面反射回光信号的光信号接收器，其特征在于，所述光信号发射器包括发射座，发射座上开设有至少两个间隔分布的发光孔，发光孔沿前后方向延伸，所有发光孔的前端开口、后端分别装设有用于发射不同波长光信号的发光体，发光体与发光通道一一对应设置，并在发光孔内装设有处于发光体之前的用于使发光体所发射的光信号相互平行的发射透镜。
2.根据权利要求1所述的非接触式路面状况传感器，其特征在于，各发光孔的轴线相互平行，且发射透镜处于发射孔的前端开口内。
3.根据权利要求1或2所述的非接触式路面状况传感器，其特征在于，所述发射座上连接有处于发射孔前的发射管，发射管沿发射透镜折射后光信号的光路延伸，所有发射孔的前端开口处于发射管的后端端口内，并在发射管内装设有处于发射座之前的用于封堵发射管的发射保护透镜。
4.根据权利要求3所述的非接触式路面状况传感器，其特征在于，所述发射座的一侧铰接在发射管的后端端口处管壁上、另一端设置有用于撑开发射座的前侧面与发射管的后端环端面、以调节两者之间夹角的发射角调整机构。
5.根据权利要求4所述的非接触式路面状况传感器，其特征在于，所述发射座的外围包裹有箱体状的壳体，壳体上开设有与发射管插接配合的开口，并固定在发射管的外周上，在壳体上还开设有前后延伸的螺栓过孔，所述发射角调整机构包括从所述螺栓过孔中穿过的调节螺栓，调节螺栓的杆部伸入壳体内，并从发射座上开设的调节通孔中穿过，在调节螺栓杆部的外周上从前往后依次装设有前调节螺母、隔套和后调节螺母，且隔套和后调节螺母分别处于所述调节通孔的前后两侧。
6.根据权利要求5所述的非接触式路面状况传感器，其特征在于，所述发射座和调节螺母之间装设有套设在调节螺栓杆部外周上的隔套或弹簧，所述隔套或弹簧的两端分别与所述调节通孔的前端孔沿和调节螺母的后端端面挡止配合。
7.根据权利要求5所述的非接触式路面状况传感器，其特征在于，所述发射管的外周上凸设有处于开口之后的环形挡沿，在发射管的外周上同轴螺纹连接有处于开口之前的用于将壳体压紧在环形挡沿上的锁紧套，所述壳体通过锁紧套固定在发射管的外周上，并在锁紧套和壳体之间装设套设在发射管外周上的环形密封圈。
8.根据权利要求3所述的非接触式路面状况传感器，其特征在于，所述发射管的远离发射座的一端同轴套设有管状的发射保护罩，所述发射保护罩的前端从发射管的前端伸出，且保护罩的前端端面处于从前往后倾斜的斜面上。
9.根据权利要求1所述的非接触式路面状况传感器，其特征在于，所述光信号接收器上装设有用于供光信号沿轴向通过、以进入光信号接收器的接收管，接收管内装设有用于封堵其内孔的接收保护透镜。
10.根据权利要求9所述的非接触式路面状况传感器，其特征在于，所述光信号接收器上处于将红外光导入接收保护透镜的两个导光棒，两个导光棒处于接收保护透镜的相对两侦U、且延伸方向与接收保护透镜的镜面方向垂直，在光信号接收器上装设有处于导光棒远离接收保护透镜的一端、并用于通过导光棒向接收保护透镜内发生红外光的红外发光体和用于接收从导光棒内穿过的红外光的红外接收体，红外发光体与红外接收体分别与两个导光棒-- 对应设置。
专利摘要本实用新型公开了一种非接触式路面状况传感器，该传感器在发射座上一一对应设置有至少两个发光孔和发光体，各个发光体所发射的光信号波长各不相同，并通过发光孔内在发光体之间设置的发射透镜，使各个发光体所发射的光信号经发射透镜折射后，可使各个发光体发散处的光信号相互平行，便于光信号接收器从上述光照区域接收反射回的光信号，从而保证光信号接收器所采集到的至少两组对应不同波长光信号的反射光信号数据，根据各个光信号在路面覆盖物上的散射强度，判断出路面上覆盖物的类型，并依据修正后的朗伯比尔定律计算出路面上覆盖物的厚度具体数值，提高对路面状况检测的准确性和精度。
文档编号G01B11/06GK203037223SQ201220679928
公开日2013年7月3日 申请日期2012年12月11日 优先权日2012年12月11日
发明者李秀红, 裴巧萍, 张振强, 黄小龙, 朱东红, 牛素军, 苏振, 吴苏, 李佳, 王一, 刘峰磊 申请人:河南中原光电测控技术有限公司