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路面传感器器在公路气象信息系统(RWIS)有着重要的作用,如远程监控特定地点、桥梁、问题路段、机场、高速公路等,全天候、方便、快速、准确的提供路面状况信息。对路面状况的监测和预报,及时地采取正确的措施,可以大大提高公路交通的安全性。我国截止2009年底高速公路总里程达到6.5万公里,位居全世界第二,但是在高速公路气象信息监测方面要远远落后于欧美等国家。欧美国家经过几十年的技术积累,已经有不少商业化的路面传感器产品,而我国尚没有此类产品,导致我国的路面传感器市场完全被国外所垄断,因此研发路面传感器的市场前景广阔,发展空间巨大。本论文基于实验室前期对德国Lufft公司的IRS21路面传感器工作原理和结构分析的基础上,重点研究了路面传感器中的冰水检测技术,再设计了实验室的路面状况检测系统。
本文重点分析了用于路面传感器的冰水检测技术,设计了其硬件测量电路并制作了路面状况检测系统,实现了路面覆盖物类型的辨别和水膜厚度的测量,将相应的测量结果上传至上位机显示。系统硬件部分包括冰水检测模块、水膜厚度测量模块、温度模块、系统通信模块和电源管理模块。其中冰水检测模块是路面信息采集的核心模块,用于辨别路面覆盖物的类型,如干燥、潮湿、覆冰、积雪等。系统微控制器使用C8051F410单片机,利用Protel99SE制作系统电路PCB板,系统软件开发采用自顶向下的开发流程,采用Silicon LaboratoriesIDE集成开发环境。使用C51语言编程,软件设计主要包括系统微控制器的初始化程序和各个功能模块的程序。
本文中利用OrCAD Capture对冰水检测的测量电路进行了仿真,并制作完成了整个路面状况检测系统并测试了系统的模块性能,冰水检测模块的测试表明它可以区分干燥、潮湿、覆冰,而对于更复杂的路面状况可能就要综合路面传感器的其它模块的测量结果,比如残盐等。针对水膜厚度测量模块的特性以及实际测量中外部环境的要求,研究了多种化学材料,得到材料PPO的吸水性最小。此外,改进了水膜厚度的测量方法,提高了其测量精度。
本课题的任务是要实现路面传感器的工程应用,并以此打破长期以来国外对于我国路面传感器市场的垄断,而本课题的最终目标是将MEMS技术引入路面传感器领域,即利用MEMS技术实现路面传感器的功能,与传统传感器相比,它具有体积小、重量轻、可靠性高等特点。如能实现这一终极目标,必将给路面传感器领域带来革命性的影响,同时也拓宽了MEMS技术的应用领域。