一种基于压电谐振式传感器的道路结冰检测系统及其检测方法

1.本发明属于压电传感器技术领域，具体涉及一种道路结冰检测系统及其检测方法。


背景技术：

2.高速公路最近十多年在国内飞速扩建，高速公路的快速发展极大便利了国人的出行，但由此道路交通事故发生率也在相应增长。在所有交通事故中，因道路结冰或湿滑导致的交通事故占总数的70％左右。结冰和积水都在一定程度上使路面与汽车轮胎间的摩擦系数减小，特别是结冰条件下，路面摩擦系数显著下降,增加了车的制动距离，降低了车的可操控性，使得车辆极易发生打滑，甚至引发严重的交通事故，其交通事故发生率较干燥路面明显增加。
3.现有应对公路灾害路况的基本方法主要有借助气象预报信息，然后加上图像信息，向公众发布关于公路冰雪的信息，提醒人们注意采取合理的驾驶方法。但此方法有一定的缺陷，只能是宏观大尺度的气象信息，缺乏关于路况具体的信息。例如，根据气象预报，预测某地区有积冰可能，但某一段公路上到底是否有积冰并不确定，人们仍然无法得到准确的信息。由于不能获取准确的路面信息，在可能结冰路段，路政部门就需要花更多的人力去进行检测；同时，除冰等工作调度也会出现时间上的延迟，造成不可预估的损失。
4.因此，就需要一种能够自动检测、远距离传输、精度高、低功耗、实时性高、稳定性好的道路结冰检测系统及其检测方法。


技术实现要素：

5.本发明针对现有的冰层厚度检测系统不能自动检测、传输距离近、精度低、功耗高、实时性差、稳定性差的缺陷，提供了一种能够自动检测、远距离传输、精度高、低功耗、实时性高、稳定性好的道路结冰检测系统及其检测方法。
6.本发明所涉及的一种基于压电谐振式传感器的道路结冰检测系统及其检测方法的技术方案如下：
7.本发明所涉及的一种基于压电谐振式传感器的道路结冰检测系统及其检测方法，它包括单片机模块、信号发生器模块、谐振式压电陶瓷传感器模块、信号处理模块、485通信模块、gprs通信模块和温度传感器模块；所述单片机模块的频率信号输出端与信号发生器模块的输入端连接，所述信号发生器模块的输出端与谐振式压电陶瓷传感器模块的输入端连接，所述谐振式压电陶瓷传感器模块的输出端与信号处理模块的输入端连接，所述信号处理模块的输出端与单片机模块的输入端连接，所述单片机模块的输出端与485通信模块的输入端连接，所述485通信模块的输出端与gprs通信模块的输入端连接，所述温度传感器模块的输出端与单片机模块的输入端连接。
8.进一步地：所述单片机模块采用的是a/d转换模块为32位的型号为stm32f103rbt6
的单片机模块，所述信号发生器模块采用的是型号为ad9834的扫频信号发生器，所述谐振式压电陶瓷传感器模块采用型号为pzt-4的传感器，所述信号处理模块采用型号为opa2364的放大器，所述485通信模块采用型号为rs485的通讯芯片，所述gprs通信模块采用型号为sim800的gprs通信模块，所述温度传感器模块采用型号为pt100。
9.基于所述的一种基于压电谐振式传感器的道路结冰检测系统及其检测方法，它包括以下步骤：
10.步骤一：所述信号发生器模块循环发射扫频频率信号给谐振式压电陶瓷传感器模块；
11.步骤二：所述谐振式压电陶瓷传感器模块将压电陶瓷传感器的固有频率与接收到的振荡频率共振所发生的谐振信号转化成电压信号，并将电压信号传输给信号处理模块；
12.步骤三：所述信号处理模块将电压信号放大并将电压峰值保持后传输给单片机模块；
13.步骤四：所述单片机模块得到初始直流电压信号；
14.步骤五：将所述谐振式压电陶瓷传感器模块固定在冰面上，重复步骤一到步骤四，所述单片机模块得到当前直流电压信号；
15.步骤六：所述单片机模块将初始直流电压信号与固定在冰面后的当前直流电压信号做对比，从而得到冰层厚度。
16.进一步地：所述扫频频率信号为0-20khz。
17.进一步地：所述温度传感器模块实时检测当前温度状态，若温度高于0度，则断开单片机模块的供电，从而使冰层厚度检测系统停止工作。
18.本发明所涉及的一种基于谐振式压电陶瓷的冰层厚度检测系统及其检测方法的有益效果是：
19.本发明所涉及的一种基于压电谐振式传感器的道路结冰检测系统及其检测方法，不仅能够自动检测进行冰层厚度的校正，依靠gprs能够实现远距离传输、采用谐振式压电陶瓷传感器达到精度高、低功耗、小型化的效果，采用单片机可实现循环自动检测，实时性高，且能够实现高精度的冰层校正，使得到的数据稳定，并对检测结果进行同步显示和分析，适用于远程操作。
附图说明
20.图1为冰层厚度检测系统的结构框图；
21.图2为单片机模块的电路图；
22.图3为信号发生器模块的电路图；
23.图4为信号处理模块的电路图；
24.图5为485通信模块的电路图；
25.图6为gprs通信模块的电路图；
26.图7为温度传感器模块的电路图。
具体实施方式
27.下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，但并不局限于此，凡是对
本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
28.实施例1
29.结合图1说明本实施例，在本实施例中，本实施例所涉及的一种基于压电谐振式传感器的道路结冰检测系统及其检测方法，它包括单片机模块1、信号发生器模块2、谐振式压电陶瓷传感器模块3、信号处理模块4、485通信模块5、gprs通信模块6和温度传感器模块7；所述单片机模块1的频率信号输出端与信号发生器模块2的输入端连接，所述信号发生器模块2的输出端与谐振式压电陶瓷传感器模块3的输入端连接，所述谐振式压电陶瓷传感器模块3的输出端与信号处理电路模块4的输入端连接，所述信号处理电路模块4的输出端与单片机模块1的输入端连接，所述单片机模块1的输出端与485通信模块5的输入端连接，所述485通信模块5的输出端与gprs通信模块6的输入端连接，所述温度传感器模块7的输出端与单片机模块1的输入端连接。
30.所述单片机模块1的功能主要是完成控制信号发生器模块2给谐振式压电陶瓷传感器模块3产生一个扫频频率，通过信号处理模块4处理模拟信号，并将得到的模拟信号转化为数字信号，通过485通信模块5和gprs通信模块6发送出去，同时处理温度传感器模块7得到的温度数据。
31.实施例2
32.结合图2-图7和实施例1说明本实施例，在本实施例中，本实施例所涉及的一种基于压电谐振式传感器的道路结冰检测系统及其检测方法，如图2所示，所述单片机模块1采用stc32f103系列单片机，单片机模块1包括中央处理器、程序存储器、数据存储器、定时计数器、uart串口1、uart串口2、高速a/d转换等功能。
33.如图3、图4和图5所示，扫频信号从单片机模块1传输到ad9834模块，通过ad9834模块将频率信号从0hz一直增加到20khz，将所得到的电压信号通过应变片发送给信号处理模块，从应变片出来的电压信号特别小，而且其带载能力很弱，通过运算放大器opa2364来提高信号的带载能力和对电压信号进行放大，由于激励是一个正弦波，每一时刻的电压值是不同，使得最终输出的电压值也会随时间变化，所以采用峰值保持电路将最大电压值“保持后”进行测量。
34.由于pzt产生的电流有很大的直流分量，不利于之后对交流部分的信号进行放大等处理，所以需要使用c22和c25等隔直电容去除直流对电路的影响。同时由于没有负电源，为了不损失交流分量，使用r10和r17分压对交流分量进行钳位。
35.在原理图中，如果v
ina+
》v
ina-时，outa引脚输出较大电压，二极管d1导通对电容c28进行充电；而v
ina+
《v
ina-时，二极管d1截止c28上的电压不会受其影响。opa2364的第二路运放作为在后使用，由于运放的输入阻抗很大，电流很难通过其进行释放，因此电压峰值就会保持在电容c28上。
36.如图5、图6和图7所示，电压信号通过放大并将峰值电压保持之后传输给单片机，由单片机传输给rs485模块，rs485模块在收到数字信号以后按照通信协议将信号发送给sim800模块，sim800将接收到的信息以及温度传感器传输来的温度信息发送到上位机模块。
37.实施例3
38.结合实施例1说明本实施例，在本实施例中，本实施例所涉及的一种基于压电谐振式传感器的道路结冰检测系统及其检测方法，它包括以下步骤：
39.步骤一：所述信号发生器模块2循环发射频率为0-20khz的扫频频率信号给谐振式压电陶瓷传感器模块3；
40.步骤二：所述谐振式压电陶瓷传感器模块3将压电陶瓷传感器的固有频率与接收到的振荡频率共振所发生的谐振信号转化成电压信号，并将电压信号传输给信号处理电路模块4；
41.步骤三：所述信号处理电路模块4将电压信号放大并将电压峰值保持后后传输给单片机模块1，
42.步骤四：所述单片机模块1得到初始直流电压信号；
43.步骤五：将所述谐振式压电陶瓷传感器模块3固定在冰面上，重复步骤一到步骤四，所述单片机模块1得到当前直流电压信号；
44.步骤六：所述单片机模块1将初始直流电压信号与固定在冰面后的当前直流电压信号做对比，从而得到冰层厚度。
45.所述温度传感器模块7实时检测当前温度状态，若温度高于0度，则断开单片机模块1的供电，从而使冰层厚度检测系统停止工作。