CN102692191A - 基于光纤传感测量公路路面表层水膜厚度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤传感测量公路路面表层水膜厚度的方法，其特征在于，包括：激光器LD发出的激光信号经过发射光纤传输进入待测路面平面，在路面水膜与空气分界面处发生反射；反射后的激光信号分别通过第一接收光纤和第二接收光纤进入第一光探测器PD₁和第二光探测器PD₂，第一光探测器PD₁和第二光探测器PD₂根据该激光信号的功率大小，输出第一电流I₁和第二电流I₂；第一电流I₁和第二电流I₂通过电缆进入外部电路，外部电路以双路相比的比值量处理，得到水膜厚度。利用本发明，提高了路面水膜测量值的准确性和可靠性。

Description

基于光纤传感测量公路路面表层水膜厚度的方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于光纤传感测量公路路面表层水膜厚度的方法。

背景技术

随着我国高速公路网的飞速建设，随之而来的各种配套公路路况测量信息也越来越被政府和民众所关注，为了能够更加有效地对几百上千公里的高速公路进行路面状况信息的采样、收集和分析，各种路况传感器设计方案和测试方法如今已经被采纳和使用。借助这些成熟方案、方法，当很多冰霜雪雾、雷雨暴风等恶劣天气出现时，有关交通部门已能够及时有效地完成车辆限行和车辆分流等交通调度，在降低高速公路网的事故发生率、保证交通运输的安全可靠性的同时，还提高了公路资源的利用效率。

从传统的传感技术方法来讲，公路路面水膜厚度的测量是通过测量电参量间接实现的，通过安装在公路沿线的分布式电传感器收集到不同降水量对应电容值或者电阻值，然后，经过数据处理得到这一地区路面积水厚度。这种技术方案的一个弱点是收集到的电参量值容易受到雨水电解质含量的影响，比如出现极薄的盐水水膜或者大雨或暴雨过后路面积水层很厚但电解质很少这两种情况。高精度大量程的水膜厚度监测对于防御路面积水打滑、强降水时的低能见度造成交通事故具有重要的研究意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对利用电参量间接测量水膜厚度这一技术方案的缺点，本发明的主要目的在于提供一种基于光纤传感测量公路路面表层水膜厚度的方法，以提高路面水膜测量值的准确性和可靠性。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于光纤传感测量公路路面表层水膜厚度的方法，包括：

激光器LD发出的激光信号经过发射光纤5传输进入待测路面平面，在路面水膜与空气分界面10处发生反射；

反射后的激光信号分别通过第一接收光纤4和第二接收光纤6进入第一光探测器PD₁和第二光探测器PD₂，第一光探测器PD₁和第二光探测器PD₂根据该激光信号的功率大小，输出第一电流I₁和第二电流I₂；

第一电流I₁和第二电流I₂通过电缆进入外部电路，外部电路以双路相比的比值量处理，得到水膜厚度。

上述方案中，所述激光器LD采用1310nm光源的半导体激光器，避开水对光的吸收峰和可见光信号的干扰，提高测量反射光信号的精度。

上述方案中，所述发射光纤5、第一接收光纤4和第二接收光纤6构成三光纤式光信号发射探测结构，在该三光纤式光信号发射探测结构中所述发射光纤5位于所述第一接收光纤4和所述第二接收光纤6之间。

上述方案中，所述第一接收光纤4为直径50μm的多模光纤，所述第二接收光纤6为直径1mm的特种光纤。

上述方案中，所述发射光纤5将激光信号从1310nm光源的半导体激光器LD引出，并由位于发射光纤5两侧的所述第一接收光纤4和所述第二接收光纤6接收。

上述方案中，所述第一光探测器PD₁和所述第二光探测器PD₂均是一光电二极管，通过该三光纤式光信号发射探测结构将激光信号通过所述第一接收光纤4和所述第二接收光纤6分别送入所述第一光探测器PD₁和所述第二光探测器PD₂产生电信号。

上述方案中，所述第一光探测器PD₁和所述第二光探测器PD₂构成双路探测器作为光探测结构。

(三)有益效果

本发明提供的这种基于光纤传感测量公路路面表层水膜厚度的方法，利用光纤传感技术通过监测路面水膜反射回探测器的光功率大小测量路面水膜厚度，提高了路面水膜测量值的准确性和可靠性，并采用双路光探测器结构，排除了激光器输出光功率、水面反射率等因素的干扰。

附图说明

图1是光纤传感测试水膜厚度模型的示意图；

图2是水膜检测厚度与接收光纤半径r₃的关系曲线；

图3是水膜检测厚度与发射光纤数值孔径NA的关系曲线；

图4是水膜厚度仿真测量结果的一个示意图；

图5是本发明提供的基于光纤传感测量公路路面表层水膜厚度的方法流程图；

图6是光纤传感探头加工模型及实物的示意图；

图7是水膜厚度检测实验平台的示意图；

图8是水膜厚度测试结果的另一个示意图，其中图8(a)单发单收模块测试结果，图8(b)单发双收模块测试结果。

附图标记如下：

1激光器LD

2第一光探测器PD₁

3第二光探测器PD₂

4距离发射光纤较近的第一接收光纤，其导光芯径r₂

5发射光纤，其导光芯径r₁

6距离发射光纤较远的第二接收光纤，其导光芯径r₃

7第一光探测器PD₁输入端光纤的几何中心与激光器发射端光纤的几何中心的距离P₁

8第二光探测器PD₂输入端光纤的几何中心与激光器发射端光纤的几何中心的距离P₂

9激光器LD发射端等效镜像

10路面水膜与空气分界面

11公路路面表层

12传感探头

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的基于光纤传感测量公路路面表层水膜厚度的方法，是基于图1所示的双路光纤测试水膜厚度模型实现的，该模型利用单路发射光纤及双路接收光纤，其中发射光纤5连接于激光器LD，第一接收光纤4和第二接收光纤6分别连接于第一光探测器PD₁2和第二光探测器PD₂3，发射光纤及接收光纤的传感探头端面与路面齐平。设路面水膜厚度为d，发射光纤5的导光芯径为r₁，第一接收光纤4和第二接收光纤6的导光芯径分别为r₂及r₃，其中，r₃为距离发射光纤5较远的第二接收光纤6的半径。

激光器LD 1发出的光经路面水表面反射回路面的光斑半径为q＝r₁+2dtgθ，NA＝tgθ为发射光纤5的数值孔径，第一光探测器PD₁2和第二光探测器PD₂3接收到的光功率之比为：

$\mathrm{Ir}=\frac{{\mathrm{\&psi;}}_3}{{\mathrm{\&psi;}}_2}=\left\{\begin{array}{cc}0& d\&le;\frac{p_3-r_1+r_3}{2\mathrm{tg\&theta;}}\\ \exp \left(\frac{P_3-P_2}{R^2\left(2d\right)}\right)& \frac{p_3-2r_1+r_3}{2\mathrm{tg\&theta;}}<d\&le;\frac{p_3-r_1-r_3}{2\mathrm{tg\&theta;}}\\ a& d>\frac{p_3-r_1-r_3}{2\mathrm{tg\&theta;}}\end{array}\right.$

因而，水膜厚度的有效测量范围为

水膜厚度的量程为Δd＝d_max-d_min＝r₃/tgθ＝r₃/NA，通过数学建模得出为增大水膜厚度的测量量程，应增加距离发射光纤较远的接收光纤的半径同时减小发射光纤的数值孔径。

图2-图3即为各种情况下水膜厚度与接收光功率之比的数值模拟关系曲线，验证了水膜厚度测量范围与导光芯径r₃成正比，与NA成反比的定量关系。当固定r₁＝r₂＝25um，NA＝0.18时，r₃＝1100μm时，可以利用的线性区间为0-6.256mm；当固定r₁＝r₂＝25μm，r₃＝500μm时，NA＝0.08时，如图4所示，同样可以得到6.256mm的测量范围。

在本发明所用的方案中，同时改变第二接收光纤的导光芯径r₃和发射光纤的数值孔径，选用常规多模光纤作为发射光纤(导光芯径为r₁)和第一接收光纤(导光芯径为r₂)，选用纤芯芯径1mm的特种光纤作为第二接收光纤(导光芯径为r₃)，并且对发射光纤端面做球面透镜或热拉锥，进一步减小发散角，使得NA＝0.08，可以得到测量水膜范围为0～6mm。

为消除太阳光、路灯、车灯等可见光干扰，并避开H₂O的吸收峰，选择第二光通信窗口：1310nm，选用同轴封装激光器及探测器，进行水膜厚度测量。

图5示出了本发明提供的基于光纤传感测量公路路面表层水膜厚度的方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤1：激光器LD发出的激光信号经过发射光纤5传输进入待测路面平面，在路面水膜与空气分界面10处发生反射；

步骤2：反射后的激光信号分别通过第一接收光纤4和第二接收光纤6进入第一光探测器PD₁和第二光探测器PD₂，第一光探测器PD₁和第二光探测器PD₂根据该激光信号的功率大小，输出第一电流I₁和第二电流I₂；

步骤3：第一电流I₁和第二电流I₂通过电缆进入外部电路，外部电路以双路相比的比值量处理，得到水膜厚度。

其中，所述激光器LD采用1310nm光源的半导体激光器，避开水对光的吸收峰和可见光信号的干扰，提高测量反射光信号的精度。所述发射光纤5、第一接收光纤4和第二接收光纤6构成三光纤式光信号发射探测结构，在该三光纤式光信号发射探测结构中所述发射光纤5位于所述第一接收光纤4和所述第二接收光纤6之间。所述第一接收光纤4为直径50μm的多模光纤，所述第二接收光纤6为直径1mm的特种光纤。所述发射光纤5将激光信号从1310nm光源的半导体激光器LD引出，并由位于发射光纤5两侧的所述第一接收光纤4和所述第二接收光纤6接收。所述第一光探测器PD₁和所述第二光探测器PD₂均是一光电二极管，通过该三光纤式光信号发射探测结构将激光信号通过所述第一接收光纤4和所述第二接收光纤6分别送入所述第一光探测器PD₁和所述第二光探测器PD₂产生电信号。所述第一光探测器PD₁和所述第二光探测器PD₂构成双路探测器作为光探测结构。

水膜测量的传感探头加工模型及实物图如图6所示，并采用图7所示的实验微调平台进行水膜厚度测量。将图6中所示的光纤水膜厚度模型安装在固定架上，并将光纤的传感探头12与待测公路路面齐平，同时将距离发射光纤较近的第一接收光纤4与第一光探测器PD₁相连接，将距离发射光纤较远的第二接收光纤6与第二光探测器PD₂相连接，并将1310nm激光器LD与发射光纤5相连接，同时将第一光探测器PD₁和第二光探测器PD₂用电缆与外部电路信号采集端口相连接。

需要记录测量数据时，对激光器LD以及外部数据处理电路进行供电，在传感器进入正常工作状态后，1310nm激光信号从激光器LD激射并经过发射光纤5传输进入待测路面平面，在路面水膜与空气分界面10处反射后，进入第一接收光纤4和第二接收光纤6，并由第一光探测器PD₁和第二光探测器PD₂分别接收反射后的光信号，根据入射的光信号功率大小，将有第一电流I₁和第二电流I₂分别从第一光探测器PD₁和第二光探测器PD₂输出，通过电缆进入外部电路进而得出水膜厚度。

图7中，在一个硬塑料烧杯底部钻孔，将光纤激光传感器放入并与烧杯底部齐平，整体用铁架台固定，光纤端面发出去光的角度用光学平台及微调架进行调节，用微安表测量探测器输出光电流的大小。在使用光纤传感器进行水膜厚度检测时，采用体积法进行水膜厚度标定。

图8为水膜厚度测试结果，其中，图8(a)为单收单发时的测试结果。实心方块标识曲线为50μm多模光纤接收到的光功率与水膜厚度的关系曲线，可见其测试范围不足1mm，实心圆形标识曲线为1mm特种粗光纤接收光功率与水膜厚度的关系曲线，虽然其测试范围可以近似达到6mm，但与双路接收相比，单路接收情况下容易受到激光器输出功率、水面反射率等因素的干扰，影响测试准确度及精度。图8(b)为采用两路输出光功率之比时的测试结果，测量范围近似达到6mm。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于光纤传感测量公路路面表层水膜厚度的方法，其特征在于，包括：

激光器LD发出的激光信号经过发射光纤传输进入待测路面平面，在路面水膜与空气分界面处发生反射；

反射后的激光信号分别通过第一接收光纤和第二接收光纤进入第一光探测器PD₁和第二光探测器PD₂，第一光探测器PD₁和第二光探测器PD₂根据该激光信号的功率大小，输出第一电流I₁和第二电流I₂；

第一电流I₁和第二电流I₂通过电缆进入外部电路，外部电路以双路相比的比值量处理，得到水膜厚度。

2.根据权利要求1所述的基于光纤传感测量公路路面表层水膜厚度的方法，其特征在于，所述激光器LD采用1310nm光源的半导体激光器，避开水对光的吸收峰和可见光信号的干扰，提高测量反射光信号的精度。

3.根据权利要求1所述的基于光纤传感测量公路路面表层水膜厚度的方法，其特征在于，所述发射光纤、第一接收光纤和第二接收光纤构成三光纤式光信号发射探测结构，在该三光纤式光信号发射探测结构中所述发射光纤位于所述第一接收光纤和所述第二接收光纤之间。

4.根据权利要求1或3所述的基于光纤传感测量公路路面表层水膜厚度的方法，其特征在于，所述第一接收光纤为直径50μm的多模光纤，所述第二接收光纤为直径1mm的特种光纤。

5.根据权利要求1或3所述的基于光纤传感测量公路路面表层水膜厚度的方法，其特征在于，所述发射光纤将激光信号从1310nm光源的半导体激光器LD引出，并由位于发射光纤两侧的所述第一接收光纤和所述第二接收光纤接收。

6.根据权利要求1或3所述的基于光纤传感测量公路路面表层水膜厚度的方法，其特征在于，所述第一光探测器PD₁和所述第二光探测器PD₂均是一光电二极管，通过该三光纤式光信号发射探测结构将激光信号通过所述第一接收光纤和所述第二接收光纤分别送入所述第一光探测器PD₁和所述第二光探测器PD₂产生电信号。

7.根据权利要求1或3所述的基于光纤传感测量公路路面表层水膜厚度的方法，其特征在于，所述第一光探测器PD₁和所述第二光探测器PD₂构成双路探测器作为光探测结构。

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