一种高精度非接触式路面温度测量装置及其测量方法与流程

本发明涉及道路交通安全气象要素探测技术领域，具体是一种高精度非接触式路面温度测量装置及其测量方法。

背景技术：

随着道路交通的发展和车辆的激增，路面气象状态对交通运输的影响也越来越广泛，恶劣的路面气象状态造成了较多的交通事故，甚至威胁人们的生命财产安全。

路面温度是路面气象状态中很重要的一项指标。随着温度的变化，路面的材料强度和刚度也会随之发生变化。由于路面材料热传导性能差，温度变化时，结构表面温度变化迅速，结构内部温度变化很小，各个部分处于不同的温度状态，材料的体积也会产生膨胀和收缩，当这种膨胀和收缩受到阻碍时，会产生很大的温度应力，引起结构变形、开裂，进而破坏道路结构，影响行车安全。同时，高温是诱发车辆“爆胎”的元凶，夏季的地面温度会达到50℃以上，汽车长时间在高温路面行驶致使胎压增加极易引发爆胎事故，发生严重交通事故。

目前国内外对路面温度的测量主要有接触式和非接触式两种方法。前者，采用热电偶、热电阻等埋入路面测量，通过感知物理特性的某些变化来判断路面温度，该类测量装置都需要埋入路面使用，一方面会对路面造成破坏，安装维护也不便；另一方面，接触式测温需要与被测物体进行充分的热交换，经过一定的时间后才能达到热平衡，存在延迟现象。

非接触式测量大多是通过红外辐射来反演路面温度。基本原理是：红外辐射存在于自然界的任何一个角落，在自然界中，任何温度超过零度的物体都会不断地向周围空间发出红外辐射，这种辐射具有光反射与折射等一系列特征，且辐射强度与温度大小存在确定的关系。该类测量装置可以直接安装在道路、桥梁、高架两侧，安装维护简单，准确度高。我国高速公路承载的运输量大，破损较快，路面经常性翻新或维修，接触式更易损坏，增加了维护成本。此外，非接触式测温还具有响应速度快、测温范围宽、无需接触被测物体、不干扰被测温度场的优点。因此，非接触式更具有应用前景。然而，目前国内尚无成熟的该类产品，国外进口产品价格昂贵，因此有必要对路面温度状态的非接触式实时监测进行研究。

现有技术中，通过探测物体发出的红外辐射量，可以通过相应的算法得到其相应的温度值。但是，用于路面温度测量的红外测温仪器，安装在野外用于长期不间断的实时测量，而外界的温度变化很大，昼夜温差、不同季节的温差都造成仪器本身发生较大温度波动，而本身也是辐射体，随着温度的变化辐射量也会发生变化，并且由于仪器本身距离探测器较近，对探测器测量到的信号贡献较大，其自身辐射会叠加到探测器上，对实际目标物辐射量的检测产生影响，影响路面温度的反演，因此，这部分的影响因素一定要扣除。

一般的修正方法是通过接触式温度传感器测量仪器某部件的温度后，反推出仪器的辐射量，再在测量中扣除这部分辐射量，进行目标物温度反演。但实际上，仪器本身材料是由金属等多种材料组成，具有不同的辐射特性，通过上述方法反推得到的仪器本身的辐射量是不准确的；同时，在仪器中外壳、光学透镜甚至是腔体内的空气都会产生红外辐射，只用测量仪器本身某部件的温度，不能全面反映出该干扰因素的确定值。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高精度非接触式路面温度测量装置及其测量方法。采用双探测器扣除装置本身的辐射影响，即采用一个探测器直接测量装置本身的红外辐射量，而采用另一个探测器测量目标路面的红外辐射量和装置本身的红外辐射量，通过扣除装置本身背景辐射的方法，直接精确测量到目标路面的红外辐射量，以保证目标路面的实际温度的准确反演。

本发明的技术方案为：

一种高精度非接触式路面温度测量装置，该装置包括红外光信号探测模块、信号调理模块以及信号采集与处理模块；所述红外光信号探测模块包括红外光透镜、窗口滤光片、主探测器、副探测器、主探测器滤光片和副探测器滤光片；所述红外光透镜位于窗口滤光片的前端，所述窗口滤光片位于主探测器滤光片和副探测器滤光片的前端，所述主探测器滤光片位于主探测器的前端，所述副探测器滤光片位于副探测器的前端；

所述红外光透镜用于对目标路面的红外辐射信号进行聚焦；所述窗口滤光片用于对经过红外光透镜聚焦的目标路面的红外辐射信号进行滤光；所述主探测器滤光片和副探测器滤光片均用于对装置本身的红外辐射信号和透过窗口滤光片的目标路面的红外辐射信号进行滤光，其中，目标路面的红外辐射信号在副探测器滤光片上被截止；所述主探测器用于接收透过主探测器滤光片的装置本身的红外辐射信号和目标路面的红外辐射信号，所述副探测器用于接收透过副探测器滤光片的装置本身的红外辐射信号；所述主探测器和副探测器均用于将接收到的红外辐射信号转换成电信号，所述电信号经过信号调理模块调理后进入信号采集与处理模块。

所述的高精度非接触式路面温度测量装置，所述信号调理模块包括前置放大电路、二级放大电路和低通滤波电路，所述信号采集与处理模块包括温湿度补偿电路、模数转换电路、中央处理器和信号输出电路；

所述前置放大电路用于对主探测器和副探测器输出的电信号进行电流到电压的转换和放大；所述二级放大电路用于对前置放大电路输出的电压信号进行二级放大；所述低通滤波电路用于对二级放大电路输出的电压信号中的高频交流干扰成分进行隔离；所述温湿度补偿电路用于测量大气温度和湿度并传输至中央处理器；所述模数转换电路用于将低通滤波电路传输过来的信号进行模数转换，再传输至中央处理器；所述信号输出电路用于将中央处理器处理得到的测量结果输出显示。

所述的高精度非接触式路面温度测量装置，所述红外光透镜采用菲涅尔透镜。

所述的高精度非接触式路面温度测量装置，所述窗口滤光片采用主要透过波长为5～8um的红外辐射信号的滤光片；所述主探测器滤光片采用主要透过波长为5～14um的红外辐射信号的滤光片；所述副探测器滤光片采用主要透过波长为8～14um的红外辐射信号的滤光片。

所述的高精度非接触式路面温度测量装置，所述主探测器和副探测器均采用热电堆光电探测器。

一种高精度非接触式路面温度测量装置的测量方法，该方法包括以下步骤：

a、目标路面的红外辐射信号依次经过红外光透镜聚焦、窗口滤光片滤光后在副探测器滤光片上被截止，仅经过主探测器滤光片滤光后照射到主探测器上；

装置本身的红外辐射信号经过主探测器滤光片滤光后照射到主探测器上，经过副探测器滤光片滤光后照射到副探测器上；

b、主探测器和副探测器将接收到的红外辐射信号转换成电信号，所述电信号经过信号调理模块调理后进入信号采集与处理模块；

c、信号采集与处理模块对来自于主探测器和副探测器的两路信号数值按照预先标定的主探测器测量的装置本身的红外辐射量值与副探测器测量的装置本身的红外辐射量值之间的关系进行计算，得到目标路面的红外辐射量值；

d、根据得到的目标路面的红外辐射量值，从预存的目标路面的红外辐射量值与温度值的对应表中，查询出对应的目标路面的温度值。

所述的高精度非接触式路面温度测量装置的测量方法，步骤c中，所述主探测器测量的装置本身的红外辐射量值与副探测器测量的装置本身的红外辐射量值之间的关系，通过以下步骤获得：

c1、用黑色塑料堵头将红外光透镜的前端完全挡住，将装置放置于温控箱内，控制温度从-20℃逐步上升到50℃，在上升过程中每隔5℃记录下主探测器、副探测器接收到的红外辐射信号经过信号调理模块调理、信号采集与处理模块处理得到的两路信号数值L1′(n)、L2(n)，n＝0，1，2，…，14，共15组数据，其中，L1′(n)表示第n组数据中主探测器测量的装置本身的红外辐射量值，L2(n)表示第n组数据中副探测器测量的装置本身的红外辐射量值；

c2、采用线性内插法得到在第n组数据与第n+1组数据之间，即L1′(n)、L2(n)与L1′(n+1)、L2(n+1)之间，主探测器测量的装置本身的红外辐射量值L1′与副探测器测量的装置本身的红外辐射量值L2之间的函数关系：

其中，L1′(n+1)、L2(n+1)分别表示第n+1组数据中主探测器、副探测器测量的装置本身的红外辐射量值；L1′介于L1′(n)与L1′(n+1)之间，L2介于L2(n)与L2(n+1)之间；

即得到装置温度从-20℃到50℃上L1′和L2之间的分段函数：

L1′＝F₁(L2)

其中，为以L2为自变量的分段函数；

步骤c中，所述目标路面的红外辐射量值通过以下公式获得：

LC＝L1-F₁(L2)

其中，LC表示目标路面的红外辐射量值，L1表示来自于主探测器的信号数值即主探测器测量的装置本身的红外辐射量值与目标路面的红外辐射量值之和，L2表示来自于副探测器的信号数值即副探测器测量的装置本身的红外辐射量值；

步骤d中，所述目标路面的红外辐射量值与温度值的对应表，通过以下步骤获得：

d1、将面积大于装置视场的路面模拟物作为目标路面放置在温控箱内，将装置对准所述目标路面以测量其红外辐射信号，控制温度从-20℃逐步上升到50℃，在上升过程中每隔5℃记录下主探测器、副探测器接收到的红外辐射信号经过信号调理模块调理、信号采集与处理模块处理得到的两路信号数值L1(n)、L2(n)以及对应的温度值T(n)，n＝0，1，2，…，14，共15组数据，L1(n)表示第n组数据中主探测器测量的装置本身的红外辐射量值与目标路面的红外辐射量值之和，L2(n)表示第n组数据中副探测器测量的装置本身的红外辐射量值，T(n)表示第n组数据中温控箱的温度值，并将其作为此时目标路面的标准温度值；

d2、采用以下公式，得到每组数据对应的目标路面的红外辐射量值：

LC(n)＝L1(n)-F₁(L2(n))

其中，LC(n)表示第n组数据对应的目标路面的红外辐射量值；

d3、将LC(n)与T(n)采用以下公式进行二次多项式拟合,得到拟合系数a、b、c：

LC(n)＝a+bT(n)+cT(n)²

进而，得到目标路面的红外辐射量值LC与温度值T之间的方程式：

LC＝a+bT+cT²

d4、根据上述方程式计算出温度值在-20℃至50℃范围内，间隔0.1℃的所有温度值对应的目标路面的红外辐射量值，形成目标路面的红外辐射量值与温度值的对应表。

本发明的有益效果为：

由上述技术方案可知，本发明采用双探测器测量系统，通过其中一个探测器直接检测装置本身温度引起的红外辐射，在测量目标路面的红外辐射时扣除其影响，准确得到目标路面的红外辐射量，实现目标路面温度的准确反演，避免在外界环境温度波动较大的情况下装置本身温度变化对测量准确性带来的影响。本发明的装置结构简单、调试方便、稳定性高，有效地提高了路面温度测量系统的准确性和实用性，为其它路面气象状态的判断提供了有效依据。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图；

图2是本发明中窗口滤波片的光谱透过率曲线；

图3是本发明中主探测器滤波片的光谱透过率曲线；

图4是本发明中副探测器滤波片的光谱透过率曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示，一种高精度非接触式路面温度测量装置，包括红外光信号探测模块100、信号调理模块200以及信号采集与处理模块300。红外光信号探测模块100包括红外光透镜101、窗口滤光片102、主探测器104、副探测器106、主探测器滤光片103和副探测器滤光片105。信号调理模块200包括前置放大电路201、二级放大电路202和低通滤波电路203。信号采集与处理模块300包括温湿度补偿电路301、模数转换电路302、中央处理器303和信号输出电路304。其中，红外光透镜101采用菲涅尔透镜，具有体积小、红外透过率高的优点。主探测器104和副探测器106均采用热电堆光电探测器，具有灵敏度高、抗干扰能力强的优点。

红外光透镜101位于窗口滤光片102的前端，窗口滤光片102位于主探测器滤光片103和副探测器滤光片105的前端，主探测器滤光片103位于主探测器104的前端，副探测器滤光片105位于副探测器106的前端。目标路面的红外辐射信号经过红外光透镜101聚焦后照射到窗口滤光片102上，经过窗口滤光片102滤光后照射到主探测器滤光片103和副探测器滤光片105上，经过主探测器滤光片103滤光后照射到主探测器104上，在副探测器滤光片105上被截止，因此，不会照射到副探测器106上。装置本身的红外辐射信号照射到主探测器滤光片103和副探测器滤光片105上，经过主探测器滤光片103和副探测器滤光片105滤光后照射到主探测器104和副探测器106上。主探测器104和副探测器106对接收到的红外辐射信号进行光电转换，产生微弱电流信号。

前置放大电路201对主探测器104和副探测器106光电转换后的微弱电流信号进行电流到电压的转换和放大。二级放大电路202对前置放大电路201输出的电压信号进行二级放大，以满足模数转换电路302的电压范围要求。低通滤波电路203对二级放大电路202输出的电压信号中的高频交流干扰成分进行隔离，实现低频信号的通过。低通滤波电路203的输出端连接模数转换电路302的输入端。模数转换电路302实现模拟信号到数字信号的转换，温湿度补偿电路301实现大气中温度和湿度的测量，中央处理器303接收模数转换电路302和温湿度补偿电路301的数据，实现数字信号处理、电压值到实际温度的转换，并通过信号输出电路304将测量到的目标路面温度实时输出。

本发明的装置采用红外辐射测温原理，其主探测器104接收到的红外辐射量是：

L1＝ε(T₀)L(T₀)+ε_q(T_q)L(T_q) (1)

即目标路面的红外辐射量和装置本身的红外辐射量之和。其中，L1是主探测器106接收到的红外辐射量，T₀是目标路面的温度，T_q是装置本身腔体的温度，ε(T₀)是目标路面的表面辐射率，L(T₀)是目标路面的红外辐射量，ε_q(T_q)是装置本身腔体的表面辐射率，L(T_q)是装置本身的红外辐射量。

本发明采用了双探测器测量的设计方案，滤光片的设计如图2～图4所示，窗口滤光片102在红外透过率大于80％的范围主要在5～8um波长范围上，主探测器滤光片103在红外透过率大于80％的范围主要在5～14um波长范围上，副探测器滤光片105在红外透过率大于80％的范围主要在8～14um波长范围上。

可以看出，在窗口滤光片102的滤光作用下，目标路面发射的5～8um波长范围上的红外辐射信号可以进入装置内部，并经过主探测器滤光片103照射到主探测器104上；装置本身发射的5～14um波长范围上的红外辐射信号可以经过主探测器滤光片103照射到主探测器104上；装置本身发射的8～14um波长范围上的红外辐射信号可以经过副探测器滤光片105照射到副探测器106上，但目标路面发射的红外辐射信号经过窗口滤光片102滤光后无法照射到副探测器106上，即副探测器106只用于探测装置本身的红外辐射量。

因此，副探测器106接收的红外辐射能量如公式(2)所示：

主探测器104测量目标路面的红外辐射量，为第一部分即目标路面的红外辐射量和第二部分装置本身的红外辐射量之和，如公式(3)所示，其中，λ₁＝5um、λ₂＝8um、λ₃＝14um：

主探测器104测量目标路面的红外辐射量是：

因此，在反演目标路面的实际温度时，需要从主探测器104测量目标路面的红外辐射量中扣除即装置本身的红外辐射部分。

因此，本发明的测量方法目标是用副探测器106测量装置本身的红外辐射量，再计算出主探测器104测量值中装置本身的红外辐射量，扣除后得到实际的目标路面的红外辐射量，再通过该值反演出目标路面的温度值。

由于采用同样的探测器、光学系统、信号调理模块200、信号采集与处理模块300，副探测器106接收到的红外辐射量与主探测器106接收的部分大小是相等的。

因此，为了得到和之间的量值关系，对双探测器进行标定，目的是对两个探测器测量的装置本身的红外辐射量进行标定，得到无目标路面的红外辐射影响下和两者之间的数值关系，以便在后续测量目标路面温度时，通过副探测器106的测量值来反推出主探测器104上装置本身对其的红外辐射量值，扣除该值后得到目标路面的红外辐射量值。具体的标定步骤如下：

A1、用黑色塑料堵头将红外光透镜101的前端完全挡住，在该情况下，主探测器104和副探测器106都是只近似接收装置本身的红外辐射。

B1、将装置放置于温控箱内，控制温度从-20℃逐步上升到50℃，在上升过程中每隔5℃记录下主探测器104、副探测器106接收到的红外辐射信号经过信号调理模块200调理、信号采集与处理模块300处理得到的两路信号数值L1′(n)、L2(n)，n＝0，1，2，…，14，共15组数据，其中，L1′(n)表示第n组数据中主探测器104测量的装置本身的红外辐射量值，L2(n)表示第n组数据中副探测器106测量的装置本身的红外辐射量值。

C1、将记录的数据存储在中央处理器303的存储单元中，采用线性内插法就能得到间隔点L1′(n)、L2(n)与L1′(n+1)、L2(n+1)之间，主探测器104测量的装置本身的红外辐射量值L1′与副探测器106测量的装置本身的红外辐射量值L2之间的关系：

即：

其中，L1′(n+1)、L2(n+1)分别表示第n+1组数据中主探测器(104)、副探测器(106)测量的装置本身的红外辐射量值；L1′介于L1′(n)与L1′(n+1)之间，L2介于L2(n)与L2(n+1)之间；

这样得到温度从-20℃逐步上升到50℃的分段函数公式：

即通过L2反演出L1′。

在实际测量过程中，主探测器104接收的红外辐射量为：

因此，得到：

LC＝L1-F₁(L2) (8)

本发明测量目标路面温度的标定方法是通过将面积大于装置视场的柏油路面模拟物作为目标路面放置在温控箱内，装置对准目标路面采集不同温度下的红外辐射信号转化的电压大小，再用多项式对采集到的数据进行拟合，然后再进行标定，即得到目标路面的红外辐射量值和对应的温度值，通过拟合公式(9)反演目标路面的温度T。

拟合方程为：

LC＝a+bT+cT²+dT³+eT⁴ (9)

二次、三次和四次多项式拟合得都较好，因此在实际应用中，运用二次多项式拟合精度已经足够，得到拟合曲线后，便可根据方程求出其它点的值，存入中央处理器303的存储单元供查询使用。

具体步骤如下：

A2、将面积大于装置视场的路面模拟物作为目标路面放置在温控箱内，将装置对准所述目标路面以测量其红外辐射信号，控制温度从-20℃逐步上升到50℃，在上升过程中每隔5℃记录下主探测器104、副探测器106接收到的红外辐射信号经过信号调理模块200调理、信号采集与处理模块300处理得到的两路信号数值L1(n)、L2(n)以及对应的温度值T(n)，n＝0，1，2，…，14，共15组数据，L1(n)表示第n组数据中主探测器104测量的装置本身的红外辐射量值与目标路面的红外辐射量值之和，L2(n)表示第n组数据中副探测器106测量的装置本身的红外辐射量值，T(n)表示第n组数据中温控箱的温度值，并将其作为此时目标路面的温度值；

B2、采用以下公式，得到每组数据对应的目标路面的红外辐射量值：

LC(n)＝L1(n)-F₁(L2(n))

其中，LC(n)表示第n组数据对应的目标路面的红外辐射量值；

C2、将LC(n)与T(n)采用以下公式进行二次多项式拟合,得到拟合系数a、b、c：

LC(n)＝a+bT(n)+cT(n)² (10)

进而，得到目标路面的红外辐射量值LC与温度值T之间的方程式：

LC＝a+bT+cT²

D2、根据上述方程式计算出温度值在-20℃至50℃范围内，间隔0.1℃的所有温度值对应的目标路面的红外辐射量值，形成目标路面的红外辐射量值与温度值的对应表，存储备用。

在实际测量过程中，主探测器104、副探测器106探测的红外辐射信号经过信号调理模块200调理、信号采集与处理模块300处理后的数字信号L1、L2，通过公式(8)计算LC，根据LC的值进行查询，得到对应的温度值T。

一种高精度非接触式路面温度测量装置的测量方法，包括以下步骤：

S1、目标路面的红外辐射信号依次经过红外光透镜101聚焦、窗口滤光片102滤光后在副探测器滤光片105上被截止，仅经过主探测器滤光片103滤光后照射到主探测器104上；

装置本身的红外辐射信号经过主探测器滤光片103滤光后照射到主探测器104上，经过副探测器滤光片105滤光后照射到副探测器106上。

S2、主探测器104和副探测器106将接收到的红外辐射信号转换成电信号，所述电信号经过信号调理模块200调理后进入信号采集与处理模块300。

S3、信号采集与处理模块300对来自于主探测器104和副探测器106的两路信号数值按照预先标定的主探测器104测量的装置本身的红外辐射量值与副探测器106测量的装置本身的红外辐射量值之间的关系进行计算，得到目标路面的红外辐射量值。

S4、根据得到的目标路面的红外辐射量值，从预存的目标路面的红外辐射量值与温度值的对应表中，查询出对应的目标路面的温度值。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。