光纖薩格納克環動態稱重傳感器的製作方法

2023-10-04 09:57:14 1

專利名稱：光纖薩格納克環動態稱重傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及光纖動態稱重傳感器，特別是一種光纖薩格納克環(以下簡稱為 Sagnac環)動態稱重傳感器。
技術背景近年來，我國道路運輸車輛超限超載現象極為普遍，在嚴重的地區，幾乎所有的 貨運車輛都存在不同程度的超限超載行為。車輛超限超載運輸對交通安全、運輸市場、車輛生產秩序及路橋基礎設施造成了極大危害。目前公路車輛稱重主要有兩種靜態稱重和動態稱重。靜態稱重即路政管理人 員讓疑似超重車輛進入固定的稱重站進行稱重，這是整車稱重最為精確的方法，但 是這種方法測試效率低，易造成交通堵塞，而且由於靜態稱重機構龐大、引人注意， 超載車輛經常採取繞道或提前卸貨等方式躲避檢査；動態稱重即車輛在正常行駛的 過程中被安裝在路面上的傳感機構測定車胎對路面的壓力並計算相應的靜態重量， 這種方法的測試精度雖然沒有完全達到靜態稱重的精度，但是由於較高的測試效率 和隱蔽性，越來越受到公路交通管理部門的重視。有關實測結果也證實了動態稱重 的優越性，在同一條道路上，固定稱重站測出的超載車輛僅為0.5%，而採用動態 稱重測出的超載車輛為30%。由於動態稱重具有優異性能和廣闊的市場前景，美國早在50年代就開始了相關 的研究，其後法國、德國、英國等發達國家也投入了大量的人力、財力進行研究開 發。我國對車輛的動態稱重起步較晚，始於80年代初期，研究較早的為重慶公路研 究所，目前國內約有二十多家相關單位從事這方面的研究，由於國內所研製的系統 都採用傳統動態稱重技術，所以都存在固有的缺陷測試響應慢、測試精度低及傳 感機構龐大等。現有的商業化傳感器主要包括電容式、彎板式、壓電式等傳感器， 其中壓電式傳感器的技術相對較好，國內市場也有相應的系列產品。由於壓電傳感 器對電磁幹擾比較敏感，故在惡劣的路況下，可靠性大為降低。光纖稱重傳感器以體積小、適合埋入式結構、安裝方便、檢測靈敏度高、壽命 長、不易受外界幹擾、耐高低溫、耐腐蝕等諸多優點成為最適合公路稱重的技術手 段之一。為了進行公路車輛動態稱重，人們已經提出了若干技術方案。在先相關光纖動態稱重技術有參見Shenfang Yuan, Fahard Ansari， Xiaohui Liu, Yang Zhao， Opticfiber-based dynamic pressure sensor for WIM system, Sensors and Actuators A 120(2005) 53-58利用單模光纖的彈光效應，運用麥可遜幹涉儀解調動態壓力引起的雙臂位相差，通過對幹涉條紋數目和幹涉條紋寬度信息的分析獲得動態壓力信號。這種技術的系統穩定性比較差，主要是麥可遜幹涉儀受環境的擾動很大，不適合動態車輛稱重的惡劣環境。在先相關光纖動態稱重技術還有Ke Wang, Zhanxiong Wei， Hongtao Zhang,Fiber-Bragg-grating-based weigh-in-motion system using fiber-reinforced composites asthe load-supporting material, Optical Engineering 45(6)， 064401 (June 2006)，這篇論文中利用當光纖光柵受壓力時，布拉格光纖光柵反射中心波長發生漂移，漂移量與壓力大小有關，此技術中使用光纖加強材料對傳感頭進行封裝，使得傳感頭可以承受很大的動態壓力，擴大了測量範圍。這種技術的缺點是需要很好的波長解調技術，系統成本較高，還需要儘可能減小布拉格光纖光柵溫度靈敏特性對動態壓力測量的影響。發明內容為了克服上述在先技術的缺點，更好的滿足動態稱重傳感器的實際監測需求， 本發明提出一種光纖薩格納克環動態稱重傳感器，該稱重傳感器應具有抗環境幹擾 的能力強、測量精度和準確度高、測量範圍寬、成本低的特點。本發明的技術解決方案如下一種光纖薩格納克環動態稱重傳感器，特點在於其構成是光源模塊的尾纖和 光纖環行器的第一埠相連，該光纖環行器的第二埠通過光纖和光纖耦合器的第 一埠相連，該光纖耦合器的第三埠和第四埠通過光纖連接成一個環路，並在 該環路中串接光纖偏振控制器、光纖保護增強傳感頭和壓電陶瓷促動器，所述的光 纖環行器的第三埠與第一光電探測單元的輸入端相連，所述的光纖耦合器的第二 埠與第二光電探測單元的輸入端相連，所述的第一光電探測單元的輸出端接數據 採集卡的第一埠，第二光電探測單元的輸出端接數據採集卡的第二埠，該數據 採集卡的第三埠接所述的壓電陶瓷促動器輸入端形成反饋迴路，該數據採集卡的 第四埠與信號處理及顯示系統相連。所述的光源模塊為分布反饋式半導體雷射器或F-P腔半導體雷射器。所述的光纖環行器是一個三埠光纖環行器。所述的光纖耦合器為3dB耦合器，中心波長為1550nm，分束比為1:1。所述的光纖偏振控制器為一偏振調整器件，採用電磁光纖擠壓器、或可旋轉光 纖線圈、或線性雙折射光纖偏振控制器。所述的光纖保護增強傳感頭是採用3K碳絲碳纖維預浸布對單模光纖進行保護 增強封裝光纖傳感頭。所述的光纖保護增強傳感頭的處理工藝是採用的3K碳絲碳纖維預浸布厚度 為0.28111111,環氧樹脂的含量為40%，裁剪出需要的尺寸，上下各五層將單模光纖包 裹在其中，置於加溫爐中於13(TC恆溫一小時，使得預浸布中的環氧樹脂中溫固化。所述的第一光電探測單元和第二光電探測單元各包括一個光電探測器和前置放 大器，光電探測器是光電二極體，或是光電池，其響應波長在光源模塊發射的光信 號的波段。本發明的特點和優點是-(1) 與傳統的壓電式動態稱重傳感器以及同類技術的光纖光柵動態稱重傳感器相 比，本發明光纖Sagnac環動態稱重傳感器結構簡單，系統結構搭建容易，所用器件 成本都很低廉，且Sagnac環幹涉儀抗環境幹擾能力強於其他技術方案。(2) 本發明利用光纖偏振控制器和壓電陶瓷促動器進行最佳工作點的設置，使得 系統的靈敏度和精確度都得到很大提高。(3) 本發明採用了碳纖維預浸布複合材料對光纖進行保護增強封裝，將複合材料 與光纖傳感的應用結合起來，極大地提高了光纖動態傳感器的測量範圍，擴展了光 纖傳感器的測量領域。總之，本發明具有抗環境幹擾的能力強、測量精度和準確度高、測量範圍寬、 成本低的特點。


圖1是本發明光纖Sagnac環動態稱重傳感器的結構示意2是本發明中光纖Sagnac環的結構示意3是本發明中光纖Sagnac環裡的雙折射坐標系圖具體實施方式
下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明。先請參閱圖l，圖1是本發明光纖Sagnac環動態稱重傳感器的結構示意圖，本發明光纖Sagnac環電路動態稱重傳感器，包括帶尾纖輸出的光源模塊1、光纖環行 器2、光纖耦合器3、光纖偏振控制器4、光纖保護增強傳感頭5、第一光電探測單 元6、第二光電探測單元7、數據採集卡8、壓電陶瓷促動器9、信號處理及顯示系 統10。光源模塊1和光纖環行器2的埠 201相連。光纖環行器2的第二埠 202 通過光纖和光纖耦合器3的第一埠 301相連。光纖耦合器3的第三埠 303與第 四埠 304利用光纖連接成一個環路，也即形成一個Sagnac環，並在Sagnac環路 中接入光纖偏振控制器4、光纖保護增強傳感頭5和壓電陶瓷促動器9。光纖環行器 2的第三埠 203與第一光電探測單元6相連，光纖耦合器3的第二埠 302與第 二光電探測單元7相連。第一光電探測單元6輸出端接到數據採集卡8的第一埠 801，第二光電探測單元7的輸出端接到數據採集卡8的第二埠 802，數據採集卡 8的第三埠 803接入壓電陶瓷促動器9輸入端形成一反饋迴路，數據採集卡8的 第四埠 804與信號處理及顯示系統10相連。 各器件模塊的說明如下光源模塊1，是光纖動態稱重傳感器系統光信號的發射源，可以採用半導體激 光光源，如分布反饋式半導體雷射器(DFB)或F-P腔半導體雷射器。光纖環行器2 是一個三埠光纖環行器，也可採用接入光纖耦合器和隔離器的辦法，起到光纖環 行器的作用。光纖耦合器3的分束比為1:1。所述的光纖偏振控制器4為一偏振調整 器件，起到調整光線的偏振方向的作用，可以採用電磁光纖擠壓器或可旋轉光纖線 圈或線性雙折射光纖偏振控制器等。所述的光纖保護增強傳感頭5是車輛重量信息施加和傳感的部分，由於車輛重 量很大，所以需要對其進行保護封裝，封裝的方式有很多，如機械分壓式(讓重量 的很小比例部分施加在傳感頭上)、增強保護式(塗覆上一定厚度的性能穩定的環氧 樹脂或其他複合材料)等等。所述的第一光電探測單元6和第二光電探測單元7的功能是將光信號轉換為電 信號並進行放大，因此，各包括一個光電探測器和前置放大器等。光電探測器的響 應波長應在光源模塊1發射的光信號的波段，光電探測器可以是光電二極體，或是 光電池等。所述的數據採集卡8主要是進行數據採集和反饋控制，並輸出攜帶車輛重量信 息的信號進入處理系統。壓電陶瓷促動器9為一壓電陶瓷控制器。信號處理及顯示 系統10主要是對數據採集卡8採集到的數據進行處理、實時顯示車輛是否超重等等。本發明的原理本發明的光纖動態稱重傳感器的原理主要是利用光纖受徑向壓力時產生與壓力 成正比的雙折射——彈光效應。在光纖中，光沿著光纖軸向傳輸，壓力施加在一段 單模光纖的徑向上，由彈光效應引起的雙折射歸一化係數為L2"20d)(l + 。F/;rf^ (1)式中n為光纖的有效折射率，/712為光彈係數，v為泊松比、E為楊氏模 量，F為施加在光纖上的徑向壓力，R為光纖的半徑。單模光纖的相關材料係數如下^^6.5iV/w2xl(T， v = 0.17，化=0.121， A2 =0.270， n=1.4， R^.25xl(r"m，於是光纖的歸一化雙折射係數為5 = -4.51*10_8F(iV/m) (2) 對光纖採取複合材料進行保護增強封裝後，歸一化雙折射係數與壓力大小的線性比例係數會變，此值可以通過力學實驗測試得出，設為k，貝(J:5 = A:*F(iV/w) (3) 由此雙折射引入的位相差^:5 = 2;r5"e#i:/;i (4) 式中B為歸一化雙折射係數，"^為光纖有效折射率，L為受壓的光纖長度，;i為光纖中傳輸光的波長。Sagnac環如圖2所示，由一個3dB的光纖耦合器和一段單模光纖熔接而成的環， 光源從第一埠 301輸入，經過光纖耦合器的分光作用通過第三埠 303和第四端 口 304進入環內相對傳輸，傳輸回光纖耩合器後並經第一埠 301和第二埠 302 輸出。由圖2可知，光纖在環中沿光纖軸向傳輸，從第三埠 303和第四埠 304 輸入環中的光採用相同的運動坐標系，3x-3y坐標係為第三埠 303輸入光的坐標系， 光纖沿著環路傳輸，從第四埠4輸出時為3x-3y坐標系，同理，4x-4y坐標係為 第四埠 4輸入環中的光的坐標系，光纖沿著環路傳輸，從第三埠 303輸出時為 4x'-4乂坐標系。如圖3所示，設施加壓力的方向與第三埠 303至第四埠 304傳輸光的運動 坐標系的^"軸成e角，據上面的分析，由於彈光效應，此壓力引入雙折射，所以此 0角也即雙折射快軸與運動坐標系1^4軸的夾角。由於第三埠 303和第四埠 304的輸入光在環內是相對傳輸的，所以在環內光纖受壓力的部位，雙折射快軸與第四 埠 304至第三埠 303傳輸光運動坐標系的i;—3軸夾角為-6或"-^。根據Sagnac環的特性，壓力引起雙折射的部分就相當於一個偏振器件，運用偏振光學知識，經 過傳輸矩陣的運算(忽略環行器和耦合器的功率損耗)，可以得到第三埠 303到第 四埠 304的雙折射傳輸矩陣formula see original document page 9(5)同理得到第四埠 304到第三埠 303的雙折射傳輸矩陣M(普formula see original document page 9(6)式中S角定義同上，如圖3所示，e角為雙折射快軸與運動坐標系g一軸的夾角，5為壓力雙折射效應引起的快慢軸相位差。設光源射入Sagnac環的光功率為/。，利用上面得到的雙折射傳輸矩陣進行電磁波傳輸計算，即可得到圖1中光纖耦合器3的第二埠302的輸出光強，此光強經第二光 電探測單元7探測，應為formula see original document page 9(7)光纖環行器2的第三埠 203的輸出光強，經第一光電探測單元6探測，應為:formula see original document page 9(8)而已知對光纖傳感頭而言，5-2;rS"^L/;i禾BB-^^F(iV/w)，所以光纖環行 器2的第三埠 203和光纖耦合器3的第二埠 302的輸出光強均為壓力的餘弦函信號處理及顯示系統10對系統採集到的光強信號A和/,進行如下方式的信號處 理。定義傳感量S如下由(9)式可以看出，此信號處理方法消除了因光源光功率的波動而造成的誤差<得到測量的壓力F為formula see original document page 10式中各參數的定義同上，所以根據傳感量S的變化即可得知施加的壓力，從而 可以進行車輛的重量傳感。本發明解決的技術要點包括1、為了使得傳感器的靈敏度最高和工作狀態穩定，本發明設置了系統的最佳工 作點。 ，由公式(6)和公式(7)可以看出，當壓力施加方向一定時，即雙折射快軸取向^為一定值，/,和/2均為位相差^的餘弦函數。而當雙折射快軸取向^=^和預置位相差4《=|時，餘弦函數的幅度波動範圍最大，此時系統靈敏度也最高formula see original document page 10S = -cos^ (13) 其中5為所要進行測量的壓力引起的位相差。由於系統搭建好時，雙折射快軸取向e和預置位相差^並不處在最佳位置，而 且易受環境的幹擾而變動，因此需要設置反饋裝置對系統進行控制，本發明中最佳 工作點的設置技術方案如下關於雙折射快軸取向《=!的設置
雙折射快軸取向對傳感器的靈敏度影響很大，在本系統中如結構圖1所示，利 用光纖偏振控制器4進行此最佳角度的設置，利用光纖型偏振控制器4可以改變雙 折射效應的快軸取向和雙折射的大小，普通光纖型偏振控制器結構包含三個剛性圓 盤，單模光纖纏繞於這三個圓盤之上，通過將圓盤繞軸旋轉，使纏繞在圓盤上的光 纖產生因扭曲引入的應力雙折射，從而起到控制偏振態的作用。在本系統中，雙摺 射快軸取向可以通過調節偏振控制器4進行調整，微調好後，便將光纖偏振控制器4固定，這樣即可實現此結構傳感系統的壓力快軸取向的設置。 * 4關於預置位相差《=，的設置如原理部分所介紹，由於彈光效應，光纖受徑向壓力會產生雙折射，所以我們 可以通過一個自動反饋裝置給光纖施加壓力，使得這種方式產生的雙折射位相差與系統的位相差之和為工或其整數倍。如圖1所示，系統啟動時，數據採集卡8也啟2動，對第一光電探測單元6和第二光電探測單元7的輸出光強進行數據採集，根據公式(6)和(7)可知，只有當系統處在預置位相差《=^或^的整數倍時，第一光電探2 2測單元6的輸出光強/,和第二光電探測單元7的輸出光強/2才是相等的。利用數據 採集卡8的第三埠 803給壓電陶瓷促動器9 一個反饋電壓信號 r'-wA7-w(/2-7J， m為一電壓控制比例係數。K為在原有壓電陶瓷促動器9電 壓V上疊加上的反饋電壓，A/^2-A，直至反饋到^=0，也即最佳工作點處。這樣就可實現預置位相差《=2的自動捕捉與設置。22、關於動態車輛重量信息的獲取與處理本發明主要是針對行駛中的車輛無減 速測重，，旨在提高測重效率和減緩交通堵塞，當車速很快時，為了能即時捕捉到車輛輪胎碾軋過光纖保護增強傳感頭5的信號，系統中採用了一款高速數據採集卡8 和兩個響應速度非常快的第一光電探測單元6和第二光電探測單元7。圖1也是本發明實施例的結構示意圖，實施例中各器件說明如下光源模塊1採用中心波長為1550nm的分布反饋式(DFB)半導體雷射器，設計有功率控制電路， 使得光源的輸出功率穩定。光纖環行器2是使用一個三埠光纖環行器，光路傳輸 的規律是，經第一埠 201輸入的光經第二埠 202輸出，經第二埠 202輸入的 光經第三埠 203輸出。光纖耦合器3，中心波長為1550nm，分束比為1:1。光纖 偏振控制器4使用一臺機械光纖打圈旋轉偏振控制器，通過轉動光纖圈平面扭曲光 纖環引入適當的光纖應力雙折射。光纖保護增強傳感頭5是車輛重量信息施加和傳感的部分，其具體結構如圖1 所示，圖1中501是3K碳絲碳纖維預浸布，厚度約為0.28mm，環氧樹脂的含量為 40%; 502是單模光纖，將單模光纖502固定在10層碳纖維預浸布501疊放堆的中間，置於加溫爐中於13(TC恆溫一個小時，使預浸布中的環氧樹脂中溫固化，形成 一個整體，使得光纖保護增強傳感頭5在大重量車輛的碾軋下不會物理性損傷。在本實施例中，第一光電探測單元6和第二光電探測單元7使用的是砷化鎵光 電池，將光能轉化為電能，電信號由數據採集卡8進行採集。數據採集卡8使用的 是一款USB接口 16位1.25MS/s高速數據採集卡。壓電陶瓷促動器9使用的是一款 最大行程45wm最大推力1000N的促動器，對光纖進行徑向施壓調節最佳工作點。系統運行過程為從光源模塊1發出的光信號通過光纖環行器2的第一埠 201 進入光纖環行器2，光纖環行器2的第二埠 202將光傳輸至光纖耦合器3，光纖耦 合器3的第三埠 303和第四埠 304的輸出光在環路中相對傳輸，兩路光均經過 光纖保護增強傳感頭5，兩路光回到輸入端後發生幹涉，經光纖耦合器3的第一端 口 301和第二埠 302輸出。光纖耦合器3的第一埠 301的光通過光纖環行器2 的第二埠 202進入光纖環行器2，經光纖環行器2的第三埠 203傳輸到第一光 電探測單元6上；光纖耦合器3第二埠 302的光進入第二光電探測單元7。第一 光電探測單元6和第二光電探測單元7將光信號轉換為電信號分別傳輸至數據採集 卡8的第一埠 801和第二埠 802，數據採集卡8根據採集第一埠 801和第二埠 802的數據進行相關處理運算後，按照上述技術方案中預置位相差《=|的設置方法，經第三埠 803對壓電陶瓷促動器9進行反饋控制，壓力快軸取向^=;的4設置則是實現用手動調節光纖偏振控制器4後固定狀態的方式進行。數據採集卡8 的第四埠 804將信號傳輸給信號處理及顯示系統10，當系統工作在最佳工作點時， 信號處理及顯示系統10信對系統採集到的光強信號^和/2進行如下方式的信號處 理，定義傳感量S如下S = ki = 2 sin2 ^ sin2 26 -1 得到測量的壓力F為A arcsin(^(S +1)) F =_2 sin 26顯示出當前經過車輛的重量，並對車輛的超重與否情況進行判斷。
權利要求
1. 一種光纖薩格納克環動態稱重傳感器，特徵在於其構成是光源模塊(1)的尾纖和光纖環行器(2)的第一埠(201)相連，該光纖環行器(2)的第二埠(202)通過光纖和光纖耦合器(3)的第一埠(301)相連，該光纖耦合器(3)的第三埠(303)和第四埠(304)通過光纖連接成一個環路，並在該環路中串接光纖偏振控制器(4)、光纖保護增強傳感頭(5)和壓電陶瓷促動器(9)，所述的光纖環行器(2)的第三埠(203)與第一光電探測單元(6)的輸入端相連，所述的光纖耦合器(3)的第二埠(302)與第二光電探測單元(7)的輸入端相連，所述的第一光電探測單元(6)的輸出端接數據採集卡(8)的第一埠(801)，第二光電探測單元(7)的輸出端接數據採集卡(8)的第二埠(802)，該數據採集卡(8)的第三埠(803)接所述的壓電陶瓷促動器(9)輸入端形成反饋迴路，該數據採集卡(8)的第四埠(804)與信號處理及顯示系統(10)相連。
2、 根據權利要求1所述的光纖薩格納克環動態稱重傳感器，其特徵在於所述的 光源模塊(1)為分布反饋式半導體雷射器或F-P腔半導體雷射器。
3、 根據權利要求1所述的光纖薩格納克環動態稱重傳感器，其特徵在於所述的 光纖環行器(2)是一個三埠光纖環行器。
4、 根據權利要求1所述的光纖薩格納克環動態稱重傳感器，其特徵在於所述的 光纖耦合器(3)為3dB耦合器，中心波長為1550nm，分束比為1:1。
5、 根據權利要求1所述的光纖薩格納克環動態稱重傳感器，其特徵在於所述的 光纖偏振控制器(4)為一偏振調整器件，採用電磁光纖擠壓器、或可旋轉光纖線圈、 或線性雙折射光纖偏振控制器。
6、 根據權利要求1所述的光纖薩格納克環動態稱重傳感器，其特徵在於所述的 光纖保護增強傳感頭(5)是採用3K碳絲碳纖維預浸布對單模光纖進行保護增強封 裝光纖傳感頭。
7、 根據權利要求6所述的光纖薩格納克環動態稱重傳感器，其特徵在於所述的 光纖保護增強傳感頭(5)的處理工藝是採用的3K碳絲碳纖維預浸布厚度為 0.28mm，環氧樹脂的含量為40%，裁剪出需要的尺寸，上下各五層將單模光纖包裹 在其中，置於加溫爐中於13(TC恆溫一小時，使得預浸布中的環氧樹脂中溫固化。
8、 根據權利要求1至7任一項所述的光纖薩格納克環動態稱重傳感器，其特徵在於所述的第一光電探測單元(6)和第二光電探測單元(7)是光電二極體，或是 光電池，各包括一個光電探測器和前置放大器，光電探測器的響應波長在光源模塊 (1)發射的光信號的波段。
全文摘要
一種光纖薩格納克環動態稱重傳感器，其構成是光源模塊的尾纖和光纖環行器的第一埠相連，該光纖環行器的第二埠和光纖耦合器的第一埠相連，該光纖耦合器的第三埠和第四埠通過光纖連接成一個環路，並在該環路中串接光纖偏振控制器、光纖保護增強傳感頭和壓電陶瓷促動器，光纖環行器的第三埠與第一光電探測單元的輸入端相連，光纖耦合器的第二埠與第二光電探測單元的輸入端相連，第一光電探測單元的輸出端接數據採集卡，第二光電探測單元的輸出端接數據採集卡，該數據採集卡接所述的壓電陶瓷促動器輸入端形成反饋迴路，該數據採集卡與信號處理及顯示系統相連。本發明具有抗環境幹擾能力強、測量精度和準確度高、測量範圍寬的特點。
文檔編號G01G19/02GK101285698SQ200810038508
公開日2008年10月15日 申請日期2008年6月4日 優先權日2008年6月4日
發明者方祖捷, 潘政清, 甘久林, 瞿榮輝, 耿健新, 蔡海文 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所