啁啾光纖光柵稱重傳感器及其強度解調系統的製作方法

2023-10-24 18:42:42

專利名稱：啁啾光纖光柵稱重傳感器及其強度解調系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種啁啾光纖光柵稱重傳感器及其強度解調系統，特別適用於行駛中車輛的稱重。
背景技術：
目前已有的動態車輛稱重系統分為兩種，一種是可攜式稱重儀，另一種是固定稱重儀，用於高速公路管理和收費的是固定稱重儀。中外文獻報導的這類稱重儀絕大部分是採用電類傳感器，包括電阻應變片、壓電傳感器、電容條、線性可變差動變壓器等。由於固定稱重儀都安裝在室外的惡劣環境下進行工作，因此，可靠性較差、易受電磁幹擾、怕潮溼、且信號不能遠距離傳輸。動態車輛稱重系統大多安裝於高速公路上，其工作環境惡劣，傳感部分始終位於路面以下，容易浸泡在積水中。因此，現有的稱重傳感器容易損壞，不能長期可靠工作，同時需充分考慮排水問題，所以結構複雜。為解決上述問題，美國公開一份專利，專利號為4560016的「Method and Apparatus for measuring the weight of a vehicle while the vehicleis in motion」。該發明利用光纖微彎效應的原理，發明一種稱重儀，該稱重儀避免了電類傳感器的缺點，但是，採用光纖微彎作為傳感機理，它的測量精度低、可靠性差、且結構複雜。
光纖光柵傳感器及解調系統是近些年來發展起來的新型傳感技術，它採用波長編碼，具有測量精度高，長期工作可靠性好等優點。然而，基於法布裡—珀羅濾波器的波長解調儀成本較高，這類傳感系統僅適合應用於分布式多點測量的大型工程領域，而在單點或少量點測量的儀器儀表領域的應用受到限制。文獻「Identical broadband chirped FratinF interroFationtechnique for temperature and strain sensinF」中，R.W.Fallon等人提出利用完全相同的兩個啁啾光纖光柵進行傳感解調應變、溫度測量系統，避免了使用法布裡—珀羅濾波器的波長解調儀，降低了成本。但是，這種系統沒有解決溫度和應變的交叉敏感問題；另外文獻中報導的，解調啁啾光纖光柵是採用透射連接方式，需要使用光纖耦合器將傳感光柵反射回來的光信號輸入到解調光柵中，傳感器與系統之間需要兩根光纖連接，結構複雜。

發明內容
本發明的目的就是研製出精度符合要求，可在室外惡劣環境下長期可靠工作，結構簡單，且成本較低的光纖光柵稱重傳感器以及信號解調系統。
為了達到上述要求，本發明設計一種高速公路動態稱重傳感器及解調系統，該系統採用雙啁啾光纖光柵，將兩個相同的啁啾光纖光柵串接在一起，採用測量光柵的反射譜的連接方式，設計了一種高速公路動態稱重使用的雙啁啾光纖光柵稱重傳感器及其解調系統。這個系統不僅解決了溫度與應變的交叉敏感問題，而且具有系統結構簡單、成本低、傳輸距離遠、抗電磁幹擾、測量精度高、長期穩定性好等優點，非常適合於高速公路的動態稱重系統。
該項發明啁啾光纖光柵稱重傳感器及其強度解調系統採用等強度懸臂梁結構。選擇兩個反射譜完全相同的啁啾光纖光柵，其中一個啁啾光柵用於感應應變，粘貼在傳感器的壓力敏感區，稱為傳感光柵，另一個啁啾光柵粘貼在傳感器的壓力非敏感區，稱為解調光柵，傳感光柵和解調光柵串接後，通過光纖分路器13，分別與寬帶光源14和光電轉換器15連接，光電轉換器15與計算機16連接，組成了壓力傳感及解調系統。傳感器由等強度梁1、螺孔2、軸承3、螺栓4、底座5、底座螺孔6、傳感光柵7、解調光柵8、光纖9組成，檢測時用螺絲通過螺孔2將等強度梁1固定在稱重儀底座5上，等強度梁1自由端安裝軸承3，軸承3通過螺栓4安裝於等強度梁1的兩側。傳感光柵7和解調光柵8為反射譜匹配的啁啾光纖光柵，其中傳感光柵7粘貼在壓力的敏感區，由於採用等強度設計，這一區域的應變均勻分布。而解調光柵8粘貼區域通過螺絲與底座固定，是壓力的不敏感區域，但是考慮到應變的傳遞，我們將啁啾光纖光柵橫向粘貼，以保證其不受應變的影響。由於等強度梁的受力端，外界壓力通過軸承作用在等強度梁上，這種作用只能接受縱向壓力，避免橫向衝擊對稱重結果的影響。當有壓力作用在軸承上時，軸承將縱向壓力傳遞給等強度梁，傳感光柵感測等強度梁的應變，將載荷壓力轉化為傳感光柵反射光譜的漂移，而解調光柵反射譜不變，此時兩個光柵的反射光譜包絡下的面積就等於兩個光柵反射光強。顯然，兩個光柵總反射光強度的變化ΔP正比於傳感光柵光譜平移的距離Δλ，即ΔP＝K1·Δλ (1)式中，K1為比例常數。傳感光柵的波長改變量與等強度梁的應變相對應，進而與等強度梁所受壓力成正比，由下式給出Δλ＝K2·F (2)式中，K2為比例常數。將(2)式代入(1)式，得ΔP＝K·F(3)式中，K＝K1K2光纖光柵反射光信號通過光電管轉化為電壓，送入計算機中分析和處理。那麼電壓V與傳感器載荷F也成線性關係，其比例常數可事先通過標定試驗確定。因此，計算機只要通過簡單計算即可得到稱重結果。
由於採用上述技術方案，本發明提供的動態車輛稱重系統具有以下有益效果1壓力通過軸承傳遞，可有效抵消行駛汽車的水平方向衝擊力對稱重結果的影響，以提高稱重準確度。
2稱重現場無電子元件，傳感器可在潮溼積水、電磁幹擾等惡劣環境下長期可靠工作。
3該傳感器集「傳感」和「解調」功能於一體，直接輸出光強信號，對後端設備要求低。
4信號測量精度高，重複性好。


圖1是啁啾光纖光柵稱重傳感系統工作原理2是啁啾光纖光柵反射譜3是啁啾光纖光柵稱重傳感器結構示意4是啁啾光纖光柵稱重傳感器與稱重臺的組裝5是啁啾光纖光柵布設方案1
圖6是啁啾光纖光柵布設方案2圖7是啁啾光纖光柵布設方案3圖中，1-等強度梁、2-螺孔、3-軸承、4-螺栓、5-底座、6-底座螺孔、7-傳感光柵1、8-解調光柵，9-光纖、10-啁啾光纖光柵稱重傳感器、11-稱重臺、12-上蓋板、13-光纖分路器、14-寬帶光源、15-光電轉換器、16-計算機、17-傳感光柵具體實施方式
以下結合附圖1、2、3、4、5、6、7對本發明的技術方案作進一步描述。
本發明啁啾光纖光柵稱重傳感器結構示意圖如圖3所示，傳感器採用等強度梁1結構。螺絲通過螺孔2將等強度梁1固定在傳感器底座5上。等強度梁自由端安裝軸承3，軸承3通過螺栓4安裝於等強度梁兩側。傳感光柵7，解調光柵8串接粘貼於等強度梁表面。兩啁啾光纖光柵的具體布設可有三種方式。
在使用時，啁啾光纖光柵稱重傳感器10通過底座上的螺孔6和螺絲固定在稱重儀的框架上，傳感器的安裝方向與位置如圖4所示。圖中箭頭方向即公路方向，也即車輛行駛方向。稱重臺11上表面與路面平齊，稱重傳感器僅軸承與下表面接觸。通過軸承的運動可抵消行駛車輛在水平方向上的衝擊力，從而改善車速對稱重結果的影響。
圖1是啁啾光纖光柵稱重傳感系統的工作原理圖，啁啾光纖光柵稱重傳感器10上固定的傳感光柵7和解調光柵8串接後，通過光纖分路器13分別與寬帶光源14和光電轉換器15連接，寬帶光源14發出的光經光纖9傳輸到傳感光柵7和解調光柵8，光柵反射光信號經光纖9傳輸進入光電管15轉化為電壓信號，進入計算機16進行處理分析並顯示稱重結果。
本發明選擇反射譜波長匹配的啁啾光柵分別作為傳感光柵7和解調光柵8。其中傳感光柵7粘貼在壓力的敏感區，由於採用等強度設計，這一區域的應變均勻分布。而解調光柵8粘貼區域通過螺絲與底座固定，是壓力的不敏感區域，但是考慮到應變的傳遞，我們將啁啾光纖光柵橫向粘貼，以保證其不受應變的影響。啁啾光纖光柵稱重傳感器是利用光柵應變引起波長漂移，從而引起反射光強變化的原理工作的。飽和曝光的啁啾光纖光柵的反射譜頂部反射率接近於1，且非常平坦，我們選擇的傳感光柵7和解調光柵8的反射譜完全匹配，兩光柵串接後反射譜如圖2中實線所示，此時兩個光柵的反射光強度就等於實線與X軸所包含的面積。當等強度梁上有力F作用時，傳感光柵7的反射譜平移Δλ，如圖2中虛線所示，而解調光柵8的反射譜保持不變，此時兩個光柵的反射光強度等於兩個光柵反射譜包絡線與X軸所包含的面積。顯然，兩個光柵總反射光強度的改變量正比於傳感光柵7平移距離Δλ。因此，通過檢測光柵的反射光強即可獲知傳感光柵反射譜的移動距離，從而計算傳感器上施加壓力F的大小。啁啾光纖光柵共有三種布設方式。結合附圖，闡述布設位方式及反射光變化情況如下。
光纖光柵布設方案一如圖5所示，採用兩個反射譜波長匹配的啁啾光柵，兩光柵均粘貼在等強度梁上表面，傳感光柵7平行於等強度梁對稱中軸線粘貼，以位於中軸線為最佳。解調光柵8垂直於等強度梁對稱中軸線粘貼。等強度梁自由端受到壓力作用時，傳感光柵7拉伸，其反射譜在確保譜型不變情況下向長波方向平移。顯然，兩個光柵總反射光強度的變化量正比於傳感光柵7平移距離Δλ。此方案中，傳感光柵7也可粘貼於等強度梁下表面，此時當等強度梁上有力F作用時，傳感光柵7的反射譜向短波方向平移Δλ，但兩個光柵總反射光強度的變化量仍正比於傳感光柵7平移距離Δλ。
光纖光柵布設方案二如圖6所示，採用兩個反射譜波長匹配的啁啾光柵，兩光柵均為傳感光柵，即粘貼在等強度梁壓力敏感區，平行於等強度梁對稱中軸線粘貼，以位於中軸線為最佳，傳感光柵7粘貼於等強度梁上表面，為拉柵，另一個傳感光柵17粘貼於等強度梁下表面，為壓柵。等強度梁自由端受到壓力作用時，傳感光柵7拉伸，其反射譜在確保譜型不變情況下向長波方向平移，而傳感光柵17壓縮，其反射譜在確保譜型不變情況下向短波方向平移。兩個光柵總反射光強度等於兩個光柵反射譜包絡線與X軸所包含的面積。總反射光強度變化量仍比於兩傳感光柵7，17平移距離之和Δλ1+Δλ2。採用此方案，可增大反射光強的變化量，從而增加稱重解析度。
光纖光柵布設方案三如圖7所示，採用三個反射譜波長匹配的啁啾光柵，兩光柵為傳感光柵，即粘貼在等強度梁壓力敏感區，平行於等強度梁對稱中軸線粘貼，以位於中軸線為最佳，傳感光柵7粘貼於等強度梁上表面，為拉柵，傳感光柵17粘貼於等強度梁下表面，為壓柵。解調光柵8位於壓力非敏感區，垂直於等強度梁對稱中軸線粘貼。等強度梁自由端受到壓力作用時，解調光柵8的反射譜保持不變，傳感光柵7拉伸，其反射譜在確保譜型不變情況下向長波方向平移，而傳感光柵17壓縮，其反射譜在確保譜型不變情況下向短波方向平移。此時三個光柵的反射光強度等於三個光柵反射譜包絡線與X軸所包含的面積。總反射光強度變化仍比於兩傳感光柵7，17平移距離之和Δλ1+Δλ2。採用此方案，可進一步增大反射光強的最大變化量，增大總的反射光強，從而增加稱重精度。
權利要求
1.一種啁啾光纖光柵稱重傳感器及其強度解調系統，其特徵在於該系統採用等強度懸臂梁結構，啁啾光纖光柵稱重傳感器(10)上固定的傳感光柵(7)和解調光柵(8)串接後，通過光纖分路器(13)分別與寬帶光源(14)和光電轉換器(15)連接，寬帶光源(14)發出的光經光纖(9)再傳輸到傳感光柵(7)，光柵反射光信號經光纖(9)傳輸進入光電管(15)轉化為電壓信號，進入計算機(16)。
2.根據權利要求1所述的一種啁啾光纖光柵稱重傳感器及其強度解調系統，其特徵在於傳感光柵(7)粘貼在傳感器的壓力敏感區，解調光柵(8)粘貼在傳感器的壓力非敏感區。
3.一種啁啾光纖光柵稱重傳感器，其特徵在於該傳感器由等強度梁(1)、螺孔(2)、滑輪(3)、螺栓(4)、底座(5)、底座螺孔(6)、傳感光柵(7)、解調光柵(8)、光纖(9)組成，檢測時用螺絲通過螺孔(2)將等強度梁(1)固定在稱重儀底座(5)上，等強度梁(1)自由端安裝滑輪(3)，滑輪(3)通過螺栓(4)安裝於等強度梁(1)的兩側，傳感光柵(7)和解調光柵(8)串接在一起。
全文摘要
本發明提出一種啁啾光纖光柵稱重傳感器及其強度解調系統，該系統用於行駛過程中車輛稱重，系統選擇兩個反射譜完全相同的啁啾光纖光柵，其中一個啁啾光柵用於感應應變，粘貼在傳感器的壓力敏感區，稱為傳感光柵，另一個啁啾光柵粘貼在傳感器的壓力非敏感區，稱為解調光柵，傳感光柵和解調光柵串接後，通過光纖分路器13，分別與寬帶光源14和光電轉換器15連接，光電轉換器15與計算機16連接，組成了壓力傳感及解調系統。檢測時用螺絲通過螺孔2將等強度梁1固定在稱重儀底座5上，等強度梁1自由端安裝滑輪3、滑輪3通過螺栓4安裝於等強度梁1的兩側。該傳感器提供的信號可遠距離傳輸，並廣泛用於公路、橋梁等各種動態稱重及計費系統。該傳感器能在潮溼積水、電磁幹擾等惡劣的室外環境下長期可靠工作，測量精度高，成本低。
文檔編號G01G19/02GK101038205SQ20071005199
公開日2007年9月19日 申請日期2007年4月27日 優先權日2007年4月27日
發明者姜德生, 張東生, 李微, 範典, 李維來, 王立新 申請人:武漢理工大學