基于光纖光柵的動(dòng)態(tài)稱重傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分析

白磊　曹桂芳　張佳鵬

摘 要：伴隨著交通運(yùn)輸業(yè)的不斷發(fā)展，車輛超載現(xiàn)象變得越來(lái)越嚴(yán)重，因此保障行車安全、加強(qiáng)公路運(yùn)輸?shù)墓芾淼葐?wèn)題顯得頗為重要。車輛動(dòng)態(tài)稱重就是在不停車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行車輛稱重，該技術(shù)的研究對(duì)于保護(hù)公路的使用有著很重要的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)意義。本文提出了一種基于光纖光柵的動(dòng)態(tài)稱重傳感器，并通過(guò)稱重原理介紹、搭建系統(tǒng)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，證明了所設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)稱重傳感器的可行性。

關(guān)鍵詞：光纖光柵；傳感器；動(dòng)態(tài)稱重

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.263

1 引言

目前國(guó)際上許多國(guó)家，在貨物運(yùn)輸時(shí)都存在著超重現(xiàn)象。而在近年來(lái)，我國(guó)的公路超重運(yùn)輸現(xiàn)象也很嚴(yán)重，它不僅更容易損壞公路，同時(shí)增加了養(yǎng)護(hù)成本，提高了交通事故發(fā)生的概率，因此，加強(qiáng)交通運(yùn)輸管理，提高動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的性能和降低成本變顯得尤為重要[1]。

動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)是對(duì)整車的重量在車輛行駛的情況下進(jìn)行測(cè)量，這樣能夠在檢測(cè)過(guò)程中降低對(duì)正常交通秩序的干擾。光纖光柵傳感技術(shù)是一種新型的傳感技術(shù)，它通過(guò)利用光纖光柵中心波長(zhǎng)的偏移量來(lái)計(jì)算出其所對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)的物理量，包括應(yīng)力、位移、溫度、加速度和振動(dòng)等[2]。光纖光柵是一種無(wú)源的光器件，具有測(cè)量精度高、抗電磁干擾、耐腐蝕性、體積小、重量輕、傳輸損耗小等特點(diǎn)。本文基于光纖光柵傳感器的采集原理，構(gòu)建了一種有較高精度和性能的動(dòng)態(tài)稱重傳感器，并對(duì)其測(cè)量精度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。

2 光纖光柵稱重原理

20世紀(jì)90年代在光纖傳感器領(lǐng)域最主要發(fā)明之一就是光纖光柵（FBG）傳感器，光纖光柵是在光纖的纖芯中利用紫外刻蝕的方式導(dǎo)致一段光纖的折射率可以進(jìn)行周期性變化，當(dāng)寬帶光源進(jìn)入光纖后，經(jīng)過(guò)光纖光柵會(huì)反射回來(lái)特定波長(zhǎng)的光[3]，如圖1所示。

結(jié)構(gòu)中反射回的光的的中心波長(zhǎng)為：

λB=2neffΛ （1）

其中，被反射回的波長(zhǎng)為λB，光纖光柵的有效折射率為neff，光纖光柵的光柵周期為Λ。

通過(guò)對(duì)光纖光柵的拉伸或壓縮，或者改變溫度、位移等物理量可以達(dá)到改變光纖光柵的有效折射率neff和光柵周期Λ，使得光纖光柵的反射波長(zhǎng)λB也發(fā)生改變。整個(gè)過(guò)程如方程（2）所示：

（2）

ΔλB=λ（1-Pe）ε （3）

其中為光纖的有效彈光常數(shù)[4]。

在方程（2）中第二項(xiàng)為在傳感器中由溫度變化引起的光纖光柵的波長(zhǎng)漂移，整理可得：

ΔλB=λB（α+ζ）ΔT （4）

其中光纖的膨脹系數(shù)為α，光纖的熱光系數(shù)為ζ。

光纖光柵傳感器中心波長(zhǎng)的變化量和應(yīng)變、溫度等物理量的變化量成線性關(guān)系。基于這種特性，可以將其制作成壓力、應(yīng)變、位移、溫度、加速度等多種物理量的傳感器[5-6]。將普通動(dòng)態(tài)稱重的傳感器用光纖光柵應(yīng)力傳感器進(jìn)行替換，利用特殊結(jié)構(gòu)，將動(dòng)態(tài)行進(jìn)車輛的重量即壓力轉(zhuǎn)化為光纖光柵軸向的應(yīng)力，通過(guò)對(duì)光纖光柵中心波長(zhǎng)便宜的精確解調(diào)，計(jì)算出動(dòng)態(tài)車輛的重量，基本原理圖如圖2所示。

3 動(dòng)態(tài)稱重傳感器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)基于光纖光柵的動(dòng)態(tài)稱重傳感器，需要對(duì)在稱重過(guò)程中的受力情況和載荷情況從靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的角度進(jìn)行分析。特別是在傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱重時(shí)，影響稱重的關(guān)鍵因素主要是車輛的垂直振動(dòng)[7]。其中有很多導(dǎo)致振動(dòng)的原因，主要的是汽車自身造成的，由于導(dǎo)致汽車振動(dòng)原因的很復(fù)雜，造成了對(duì)地面載荷的多樣性，主要可分為主要分為穩(wěn)態(tài)載荷、隨機(jī)載荷和沖擊載荷三種形式。

通過(guò)對(duì)稱重傳感器在整個(gè)稱重過(guò)程進(jìn)行受力分析，可得出應(yīng)盡量減少車輛振動(dòng)載荷和橫向沖擊力對(duì)光纖光柵傳感器的影響，圖3為改進(jìn)后設(shè)計(jì)的稱重傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

由圖中可得出，在稱重平臺(tái)上裝了一對(duì)軸承，同時(shí)在其對(duì)應(yīng)的兩邊都加裝了限位檔板，可使整個(gè)稱重平臺(tái)在水平方向上的位移不會(huì)超過(guò)2mm。當(dāng)稱重平臺(tái)上有車輛通過(guò)時(shí)，雙軸承的滾動(dòng)會(huì)使得車輛對(duì)稱重傳感器橫向的沖擊力大幅度降低，提高了測(cè)量精度。

稱重平臺(tái)的側(cè)邊共裝有8個(gè)軸承，在稱重平臺(tái)基座的正下方，分別固定了8個(gè)等強(qiáng)度梁，均粘貼有靈敏度高光纖光柵傳感器，傳感器軸向與等強(qiáng)度梁中心軸平行。在等強(qiáng)度梁與鏤空的基座之間安裝稱重平臺(tái)，如有車輛通過(guò)，梁上的光纖光柵會(huì)產(chǎn)生軸向形變，通過(guò)高精度光纖光柵解調(diào)儀進(jìn)行波長(zhǎng)解調(diào)，然后通過(guò)優(yōu)化算法將所得到的8組波長(zhǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際的車輛重量。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由圖4所示結(jié)構(gòu)平臺(tái)對(duì)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，下表1為不同速度通過(guò)傳感器稱重平臺(tái)時(shí)，對(duì)應(yīng)的8組光纖光柵解調(diào)波長(zhǎng)值，表2為其通過(guò)不同光纖光柵采集點(diǎn)波長(zhǎng)值計(jì)算后的車重量，同時(shí)計(jì)算出與靜態(tài)狀態(tài)下精確值的相對(duì)偏差。

5 結(jié)論

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，在車輛低速通過(guò)時(shí)，設(shè)計(jì)的基于光纖光柵傳感器動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的車輛稱重檢測(cè)誤差在3%之內(nèi)，在車輛運(yùn)行狀態(tài)不發(fā)生突變時(shí)檢測(cè)性能良好，這充分證明了所設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)合理，可應(yīng)運(yùn)用于道路動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)：

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[7]Hill K O， Fujii Y， Johnson D C， et al. Photosensitivity in optical fiber waveguides： Application to reflection filter fabrication[J]. Applied Physics Letters， 1978， 32（10）： 647-649.

基金項(xiàng)目：山西省交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃項(xiàng)目，課題編號(hào)： 2015-1-25

作者簡(jiǎn)介：白磊（1987-），男，山西太原人，工學(xué)碩士，助理工程師，主要從事：面向智能交通行業(yè)的光纖傳感和軟件開(kāi)發(fā)。