特殊環境稱重傳感器結構設計與性能測試

胡伊 孟棟成 周嘉晟 王佳妮

摘要：針對公路橋梁治超的稱重傳感器技術問題，本文設計并實現一種基于光纖光柵的新型稱重傳感器。為了提高稱重系統的可靠性和耐用性，結合了光纖光柵技術原理和懸柱式彈性體結構，使得本設計可長期在惡劣環境中進行工作。通過稱重傳感器的加載實驗測試在荷載作用下的應力-應變特性，實驗數據表明，使用兩個光纖光柵的均值的線性擬合度和非線性誤差都比單一光纖光柵計算理想，設計的方案符合預期設計指標要求。

關鍵詞：稱重傳感器;公路橋梁;超載檢測;光纖光柵

1光纖光柵稱重傳感器的原理

光纖光柵作為全光纖器件，能進行波長選擇濾波。當透射率極小時，滿足Bragg條件波長的那些光被強烈地反射;透射率極大時，光在通過光纖光柵時無插入損耗。

Bragg光柵方程：

式中，光柵的Bragg波長是，光柵間隔周期是Λ，芯模的有效折射率是。

因為存在由應變和溫度變化這些因素，可能會對光柵運轉產生影響，會使通過光纖光柵波長隨應變和溫度變化。依靠相關的方法，可同時測量應力和溫度，也能分開測量;可在光纖光柵上附上特定功能的材料，間接測量電場等物理量。由上可知，測量波長即可得到溫度及應變等的相關數據及變化情況。

2光纖光柵稱重傳感器的結構設計

傳感器的封裝采用了凹槽內嵌式雙環形結構設計，如圖1所示，光纖光柵放置在中間的槽內，經過預拉后兩端用環氧樹脂固定，兩端光纖固定點之間距離為100mm，這個距離就是傳感器的有效應變長度。這種設計的變形體剛度遠低于螺釘緊固和底座焊接處，能夠將結構表面形變如實傳遞給封裝在其上的光纖光柵處。

一般光纖光柵稱重傳感器采用懸柱式的彈性體結構如圖3所示，結構緊湊，幾何形狀簡單，設計計算、機械加工、熱處理、光纖光柵安裝等均較容易;剛性較大、固有頻率高、動態響應快、固有頻率高（幾萬到十幾萬赫茲），同時采用的懸柱式彈性體設計解決了傳統柱式彈性體因柱體傾斜產生誤差較大的問題。為了實現將壓力轉變成拉伸力，設計了撐結構，彈性體通過與上下法蘭固定，法蘭再與四周旁承固定，四周旁承與上下基座固定。該結構能夠增加傳感器的剛性的同時不影響測量的精確度。并且可以根據不同的測量要求更換不同性能的彈性體以滿足要求而不需要更換整個傳感器。如圖3傳感器整體結構圖。

3 光纖光柵稱重傳感器的加載測試試驗

試驗取5KG、10KG、15KG、20KG、25KG、30KG六組不同質量的砝碼作為加載裝置，進行光柵1換算、光柵2換算以及兩讀數之間均值換算，為了保證加載過程中試件的穩定，使加載載荷盡量均勻。

實驗數據如圖4（a）所示，僅使用單一光柵線性擬合時單一光柵線性擬合方程為：y=0.9987x-0.0010線性擬合度為0.9518非線性誤差：0.0952KG。如圖4（b）所示求均值后線性擬合方程為：y=0.9990x-0.0029線性擬合度為0.9801非線性誤差：0.0619KG。

僅使用單一光柵線性擬合情況下的線性擬合度為0.9518比求均值后的線性擬合度0.9801小，前者情況下0.0952KG的非線性誤差較后者0.0619KG要大，由此實驗數據表明，使用兩個光纖光柵的均值的線性擬合度和非線性誤差都比單一光纖光柵計算理想，故本課題采用取兩個光纖光柵均值的方案，并符合預期設計指標要求。

4 結論

本文設計了一種基于光纖光柵的稱重傳感器，將光纖光柵技術與懸柱式彈性體結構相結合，對傳感器的結構以及性能進行創新設計，提高傳感器的結實耐用性以及測量精準度。論文中通過仿真實驗，進行靜態測試和動態測試，并通過數字濾波器處理數據，得到兩者對比數據，實驗結果表明光纖光柵的性能比傳統的傳感元件更優良。因此，利用本設計比傳統的稱重傳感器更具競爭性，適合長期應用于公路橋梁的汽車稱重。本文為公路超載檢測的稱重傳感器結構設計與性能測試提供了重要參考。

參考文獻

[1]程路，李青，張宏建.基于軟質電容式稱重傳感器的車輛動態稱重系統[J].計量學報，2008（04）：334-338.

[2]王建. 電容稱重傳感器抗偏載性能分析與優化的研究[D].天津大學，2014.

作者簡介：胡伊，孟棟成，周嘉晟，王佳妮，衢州學院2018級、2019級自動化專業學生;指導教師：丁霞軍、江 舒;項目資助：2020年度國家級大學生創新創業訓練計劃項目（202011488020、202011488021）。