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1、T 第儿属田国高速公路信息化管理及技柬硼讨金 0T h e8 t hS o m l n aro fC h i n aE x p r e s s w a yE - I n f or m a t i o nM a n a g e m e n ta n dT 鸯c h n o l 0 9 l e 器 隧道监控系统中的传感技术与应用 北京朗思世纪科技发展有限公司冯光永 公路隧道监控系统中的c o v 1 测量仪、风速风向测量仪、亮度仪、照度仪是近几年才开始应 用的新型传感设备，本文对其测量原理、应用中的常见问题及解决方法进行了阐述和分析。 一一作者 前言 随着我国公路建设的飞速发展，公路隧道做为道路穿
2、越高山、江河或海峡的重要手段，也1 3 益增多，同时随着经济建设的发展，公路的交通流量也在不断上升。公路隧道在整个路段上属于 特殊构造段，空间小，具有类似密闭性，一旦发生火灾、事故、交通拥堵，隧道内的环境会急剧 恶化，直接对司乘人员的人身安全构成威胁，从而对隧道的监控系统提出了更高的要求。目前我 国新建的公路隧道都配备了比较完整的监控系统，同时也正在逐步对原有的老隧道进行技术改 造。 公路隧道的监控系统一般包括视频监视系统、空气质量监视系统、照明及控制系统、火灾检 测系统、交通控制及诱导系统、通风及控制系统、紧急电话系统、救援系统、通信系统等。使用 到的传感设备主要包括c o v i 测量仪、
3、风速风向测量仪、亮度仪和照度仪，还有视频探头、火灾 传感器、车检器等。后述的几类应用历史比较久，已经非常成熟，前几类则是近几年才开始应用， 本文以C O D E L 的T u n n e l C r a f tI I 系统的传感设备为例，对其测量原理、使用方法以及常见的问题 进行阐述。 c o v i 测量仪 1 、C O 浓度的测量原理 一氧化碳能够吸收红外线能量，其吸收光谱集中在波长4 71 tm 。这种光谱特点在这里用来测 量C 0 气体的浓度。 红外传感器是个带半导体制冷的硒化铅器件，这种器件对红外线高度敏感，为了获得高灵 敏度和低噪声，硒化铅器件要被冷却到一1 0 一2 0 。 但是
4、由于其他气体也会吸收红外线能量，简单的测出发射光强和接收光强来计算C 0 浓度必 然会因为其它气体成分的变化使得C 0 测值发生偏移，在这里采用气体相关滤波技术来解决这个 问题。 将一个高浓度的c 0 样气瓶放入红外线光路中，气瓶会吸收上述光谱的全部光线并达到一个 饱和点，即使再有更多的C O 气体也不会导致红外线的进一步衰减。在有和没有C O 样气瓶的情况 下，分别测量红外线的衰减，就可以测出空气中C O 的浓度。由于把C 0 样气瓶做为一个特有的过 滤器，抵消了其它气体对红外线的能量吸收，所以这种测量方法对其它气体具有极低的敏感性。 红外发射器发射的是在4 7um 附近的一定带宽的光能量，
5、我们把它分为与C 0 吸收光谱对应的光 4 4 7 强，o c D ( I c o ) 和其它波长的光强I o o T H E R ( I o T H E R ) 。 发射光强，o = I o c 0 + I o o T H E R 接收光强，= ，c 0 + ，o 硪E R I c o = I o c D ( 1 一P o ) ( 1 一P 1 ) ( 1 一P 2 ) I o T H E R = I o o T H E R ( 1 一P o ) ( 1 一P 1 ) ( 3 ) ( 4 ) 其中P o 是系统的损失率，包括散射、透镜及附着灰尘的吸收。 t P l 是空气以及空气中的悬浮颗粒
6、物的吸收率。 P 2 是c 0 的吸收率。 不经过气瓶时，接收光强 I m e d = l c o + I O T H E R 经过气瓶时，C 0 气瓶会吸收对应C 0 吸收光谱的全部光线，接收光强 I 时2I H E R ：毕_ 1 + 粤( 1 唱) lr 西 I o 豫E R lo H E R 、 “一 ( 2 ) ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) P 2 = 1 一( ( 一1 ) 10 ，0 T H E R ，) ( 8 ) r e f O C O 根据吸收率就可以确定C 0 浓度。 由此可以看出，C 0 浓度只和经过和不经过气瓶时的接收光强I n e a 、I r e f 有关，
7、不仅和其它 气体的吸收无关，而且和系统损失、光路中的悬浮颗粒物以及镜头上灰尘的吸收率都无关。 2 、能见度的测量原理 空气中悬浮的微小颗粒使穿过空气的光线发生散射，从而使其亮度减弱。穿过空气的光强度 I 和初始光强度I o 遵循兰伯特比尔定律： I = I o e “。 ( 9 ) 这里的K 就是能见度系数，L 是光路的长度。 I I o 是被测光线I 与初始光线I o 亮度的比率，称作系统的透射率T 。 T = e 1 。 ( 1 0 ) T 第J 弋届由E l 意速公路信息但管理及技) I t 矾| 寸盆 t 謇了h e8 t hS e m i n aro fC h i n aE x p
8、r e s s w a yE - i n f or m a t i o nM a n a g e m e n ta n dT e c h n o l o g i e s 能见度系数：K = 二l o g ，= J t 单位是m 。( 1 1 ) L。Z 测量用的可见光线从一个脉冲L E D 上产生，经镜头投射到反射端的反光镜上。发射接收端有2 个传感器，一个在可见光发射器内，测量发射光脉冲的亮度，另一个在可见光探测器内，测量反 射回的光脉冲的亮度。来自两个传感器的信号的比率就是测量的透射率。内部微处理器随后以寸1 作单位计算出能见度系数K 。 L E D 发射器是由微处理器控制的。每秒产生4
9、组1 0 k 的脉冲，每个脉冲的宽度都小于1 0 0l aS 。 这些短暂的脉冲使仪器的运行不会被隧道内其他光源的干扰。 时削 图1能见度测量采样示意图 霭援I 光强 编乜秘i 环境丸秘； 时| I l 】 如图1 所示，在L E D 开启时测得发射光强D 。1 和接收光强D r l 在L E D 关闭时测得发射光强 D 。2 和接收光强D r 2 0 使用差值来计算透射率，可以很好地避免受到其他光源的干扰。 D t = 口l D t 2 ( 1 2 ) D ，= D ，l D ，2 透射率：丁：堡 D t ( 1 3 ) ( 1 4 ) 3 、自我校准功能 开放环境测量设备只能在隧道污染物水
10、平为零时准确校准。这一般只能是在隧道关闭的时 候。仪器可以从测量模式进入校准模式，这时基于污染物为零的假设将测值设为零，计算出校准 系数。在回到测量模式时，根据计算出的校准系数计算测值。 在断电之后，再次上电时，仪器将自动进入校准模式2 4 0 分钟。在光路被遮挡1 0 秒钟以上 时，仪器将自动进入校准模式3 0 分钟。校准模式下仪器的C O 和v I 值输出保持0 。 4 、自动零点功能 由于灰尘对发射、接收镜头以及反光镜污染的影响，使用一段时间以后，C O 和能见度的测 量输出会逐步产生偏差，这个偏差一般来说是正偏差。而要对镜头和反光镜进行清洁，需要全部 或部分关闭隧道，所以也不太可能随时
11、清洁。 另一个办法是自动补偿不断增加的污染物的影响。T u n n e l C R A F TI I 采用的技巧建立在这样 4 4 9 一个假设的基础上，这就是在一天当中总会有一段时间的低污染物周期。这个时间经常发生在夜 间车流量小的时候。这个时间为测量提供了参考条件。如图2 所示： l 龙自动零点数瓣 0翁弋触“1 坠地世；f l 打 图2 自动零点示意图 仪器的自动零点系统会使它的输出均匀而缓慢地随着时间减小，减小的速率是可调的，目的 就是使减小的速率比由于污染而逐步产生的正误差大。这样在经过一段时间以后，当隧道内的污 染降为零时，仪器将会输出一个负值( b - a ) ，这显然是不可能的
12、。所以如果观察到一个负输出时， 仪器会重新调整它的标度，a 和b 就是每个零污染物周期重新调整前后的自动零点校准值，这样 就可以充分利用每一个零污染物周期重新设置新的标度。 使用这种方法，不管零污染时间段什么时候出现，都可以用来修正自动零点校准值，如果零 污染物状况适度经常发生，比如每天，这种方法引入的绝对误差会控制在仪器整体精度之内。这 就允许仪器长期使用，不需要频繁地对镜头、反射镜进行清洁。 5 、使用中常见的问题及解决方法 1 ) 、调试常见问题 C O 通道使用的红外线信号方向性比V I 通道的可见光要强得多，所以校直调整时主要是根 据C O 通道的显示值，C O 通道达到最大值后，
13、v I 通道一般都能达到要求。 一般情况下，安装后的发射接收器和反射器位置偏差都会比较大，使得信号电平显示为0 ， 从而无从下手调整，此时可以先用一根比较轻的细线拉在发射接收器和反射器之间，调整方向调 节器，使得两边的防尘筒与细线在上下和左右方向上都平行。经过这种调整，一般来说C O 通道 会有1 以上的显示值。 2 ) 、机房读数总为零的分析 在实际使用中，经常会遇到机房读到的数据总是零的情况，由于仪器的输出电流首先要传到 P L C ，转换为电压，再经过A D 转换变为数字量，经光端机等远程通讯方式传输到机房，所以应 分析确定并逐步缩小问题范围。 首先应从P L C 端检查仪器输出的电流，
14、可以断开一根线测电流，也可以直接测电压，根据P L C 的负载电阻折算成电流。 如果此电流大于4 m A ，说明仪器输出并不是零，需检查P L C 的接线有无问题、P L C 工作是否 正常。 如果此电流约等于4 m A ，需用调试软件检查 C a l i b r a t i o nD a t a 菜单下的【C u r r e n tC a l s t a t e ，如果是0 N ，说明处于校准模式( 此时一直输出4 m A ) ，可能是刚断过电或者没有校直， 需等待4 小时或者重新校直；如果是O F F ，说明已经处于工作状态，请确认是否确实在零污染状 态，如确实有污染，可以在零污染时间段断
15、电3 0 秒以上使其自我校准4 小时。 4 5 0 儿届田国高速公路信息化管理及技术碾讨金 8 t hS e m i l l 8ro fC h i n aE x p r e s s w a yE - i n f o r m a t i o nM a n a g e m e n ta n dT e o h n o l o g J o s 如果此电流远小于4 m A ，请从仪器内部直接测量输出电流，如果大于等于4 n l A ，请检查连线， 如果仍远小于4 m h ，需要请厂家的专业工程师处理或返厂修理。 风速风向测量仪 1 、测量原理 如图3 所示，超声波发射器发出的超声波被A 、B 两个接收器
16、接收。当风向与箭头方向相同 时，B 的传输时间会随着风速的增加而加长，A 的传输时间会随着风速的增加而减短；当风向与 箭头方向相反时，B 的传输时间减短，A 的传输时间加长。 V 。7 羹 1 ；| f | 删 嗡0 女镕猷A l I _ 馥糯鲥嘲融f A 麓B 。 泰。9 l 黧l 鬈象 图3 风速风向测量仪原理示意图 风速为V 时，A 、B 两个路径的时I 司传输时间分别为： f 。：墨塑! 生一( 1 5 ) 一。一 ， 一 C + V C O S f 。：坐旦( 1 6 )D 一 o C V C O S8 C 是超声波在空气中的速度。 B 两个路径的时间差： A t ：t ：了型里下 )s(172 一A2 孑j 瓦磊百 因为v c ，所以A f ：_ 2 L V ( 1 8 ) C 。 风速y ：笔竺 ( 1 9 ) 如果超声波频率为4 0 k ，周期T = 2 5 u S ，在
