便携式光纤动态称重系统

本发明属于光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感器和交通管理交叉领域。具体讲，该发明提供一种便携式仪器和测量方法，去测量运动车辆的总重量、重量分布(包括车辆的各车轮重量)以及前后车轴间距离和左右车轮之间距离。 

动态称重系统能对运动中车辆进行称重，而被测量车辆无需在测量中停止。动态称重系统在道路铺设、桥梁设计和监控、交通管理中有重要的作用。动态称重系统还能提高静态称重的效率，减少违章车辆，为交通管理者提供准确的道路流量等统计数据。 

本发明涉及与当前动态称重相关的技术和实用问题，但这项发明克服了现有技术的一些缺点。这项发明可以提供在技术性能方面更好的传感器探头：适应于更高的被测车辆速度、更轻的传感探头，具有较高的安全性能等，譬如可以防止电磁干扰和偷听。 

目前，存在各种形式的动态称重系统，并已广泛应用于工业界。动态称重系统通常是，但不限于，压电换能器(压电陶瓷)类动态称重传感器，桥式类动态称重系统，弯曲板或负载单元类设计。然而，无论动态称重系统的具体设计，这方案都遭受如下一些缺陷：对于压电陶瓷动态称重传感器，压电材料的内在特性，如滞后效应，蠕变效应和温度敏感性大大限制了它的应用。由于这些缺点，传感器的零点漂移可能随机发生，并不能完全去除。因此，这种方法不能达到高精度，需要经常进行校准。在桥梁类动态称重系统，很多应电阻式变片粘贴到现有桥梁的腰部实现称重。这种方法是适合监察交通基础设施的桥梁，但需要很大的安装空间而且精度低。在弯曲板和负载单元类传感器动态称重系统，电学应力传感仪其实基于一种导电材料。它的变形可以导致电阻变化。通过测量电阻变化，我们可以测量应变变化。通常情况下，弯曲梁大又重，所以传感器头需要大的安装空间。另外，安装费用及每年的维修费用很高。此外，在这些动态称重系统，传感器探头必须嵌入到砾石，混凝土或装入土壤或路面(沥青或混泥土)。因此，这些传感器头不方便移动，或安装在其它地方。所有这些弊端将限制动态称重系统的应用。 

此外，在当前的弯曲梁和负荷类传感器的方案中，通常选择金属(特别是钢)制造传感器探头。尽管金属具有很好的弹性，良好的机械加工性能和低廉的成本，但金 属比重大，具有相对较低的应变重复性和应变灵敏度。因此，金属的使用会降低测量系统的准确性。此外，动态称重系统必须工作在恶劣的环境中，譬如道路中充满污水，雪或雨水，强烈的阳光和变化的温度(-20℃到+50℃)。传统基于电阻应变的传感器有可能被水和腐蚀性物质损坏。因此，传统动态称重传感系统具有相对短的寿命。 

在这个动态称重系传感系统中，我们使用了光纤光栅传感器技术。基于光纤光栅的传感器是一个相对较新的传感技术。它在工业和军事应用具有巨大潜力，有如下特点： 

首先，FBG可以检测高灵敏度的光栅应变和振动信号，应变的动态灵敏度优于10-2微应变。具有对高速汽车造成的动态应变的高灵敏度。在当前技术基础上，这项发明可以用来检测高达～120公里/小时的高速运动的车辆重量。这个技术指标大大超过了当前的动态传感技术的测量车辆的速度上限(60公里/小时)。此外，这种光纤传感器重量轻，体积小，功耗非常低。裸光纤的直径只有1微米，光纤光栅长一到几厘米。由于玻璃纤维的固有特性，光纤光栅耐腐蚀，抗疲劳。这些优势确保FBG传感器可以轻松地安装，并可在苛刻环境下工作。 

其次，光纤传感器是被动，无耗电的传感器探头。信号传输都局限于光学方式，并限制于光缆里。因此，它们本质上不受电磁干扰，也没有无线电频率发射。这些特点使得光纤传感器特别适合对安全比较高的场合，譬如，油库或者煤矿。 

最后但并非最不重要的，FBG光栅传感器非常合适对多个传感器的应用，因为许多传感器可以很容易地串联或并联。在这方面，许多复用技术，包括波分复用器(WDM)，时分复用工(TDM)和空分复用(SDM)等技术，辅助于最近年来电信设备行业中发展的器件和装置，可以直接应用于本发明中。这使得覆盖大面积的网络/阵列光栅传感器成为可能，从而大大提高本发明的使用范围。 

该发明的目的是提供一种便携式仪器和测量方法，去测量运动车辆的总重量、重量分布(包括车辆的各车轮重量)以及前后车轴间距离和左右车轮之间距离。 

并且，基于上面获得基本信息，这项发明还能够提供一些车辆的“智能”信息。譬如：关于车辆的分类，后轮重量/总重量，左轮重量/总重量，右轮重量/总重量的比值等。此外，通过将获得信息与这种车辆的常规参数对比，辅助于摄像和红外传感器，该发明可以进一步预测车辆中的乘客个数，负载重量和它们在此车的相对位置。当车辆相关参数或重量超过(低于)用户指定的最高(最低)值，传感器系统将激活一个设备触发其他目的的测量。所有的重量测量，参数的计算和触发将实时实现。 

本发明阐述，但从来没有限制于，一个新型高速光纤解调仪去实施动态称重。此解调仪可以将光信号转换为电信号和并实现几个传感器头的多路传输。 

最后，这项发明还提供制造携式动态称重传感系统的方法。特别地，在该系统中，我们利用所谓的“碳纤维增强复合材料(CFRLs)”先进材料作为光纤布拉格光栅的宿主材料从而增加光纤光栅的敏感性和可靠性。 

本发明由以下部分组成： 

(1)适用于动态称重系统的高速光纤光栅解调仪(图3)，包括光源3-1，耦合3-4器，探测器3-8和放大器3-9等； 

(2)便携式、多功能传感器探头3-6的结构设计(图5)； 

(3)通过使用一个温度传感器3-7对动态称重系统的光纤光栅温度补偿的方法，以消除温度的影响(图1，3，4，6)； 

(4)一个电子子系统和相关软件执行进行数据采集，分析，增益平坦，通讯(无论有线或无线)(图1，3，4，6)； 

(5)如图6所示，使用WDM/TDM/SDM的传感器阵列网络的多个传感器系统。 

(6)采用光纤传感器来检测车辆速度和尺寸的方法。(图1，2)； 

(7)金属和CFLCs结合制备传感器头，从而减轻重量，提高灵敏度(图5)； 

(8)由Ws＝kWd/V计算车辆的静态重量的方法。 

图1动态称重系统结构图，其中1-1：铠装光缆，1-2：解调仪，1-3：数据采集系统，1-4：电脑和显示器，1-5：温度传感器，1-6：数据线，1-7：传感器头。 

图2称重过程 

图3系统动态称重系统结构(可调滤波器)，3-1：光源，3-2：可调滤波器，3-3：隔离器，3-4：耦合器，3-5：解调仪，3-6：传感头，3-7：温度FBG传感器，3-8：探测器，3-9：放大器，3-10：数据采集；3-11：计算机，3-12：可控电源。 

图4系统动态称重系统结构(可调光源)，4-1：可调光源，4-2：隔离器，4-3：耦合器，4-4：循环器，4-5：解调仪，4-6：传感头，4-7：温度FBG传感器，4-8：探测器，4-9：放大器，4-10：数据采集；4-11：计算机，4-12：可控电源。 

图5传感器头结构图(左图：原理图，右侧：三维示意图)，5-1：车轮，5-2：CFRL板，5-3：支撑板，5-4：地面，5-5：支撑点，5-6：FBG光栅，5-7：支撑钢板， 5-8：支撑条，5-9：锲形物，5-10：侧面链接板。 

图6M通道动态称重系统，6-1：宽带光源，6-2：可调滤波器，6-3：隔离器，6-4：IXM多路分光仪，6-5：耦合器，6-6解调仪，6-7：传感头，6-8：温度FBG传感器，6-9：探测器，6-10：放大器，6-11：数据采集；6-12：计算机，6-13：可控电源。 

图7实际测量的车辆动态重量曲线 

如图1所示传感系统布局，整个动态称重传感系统由铠装光缆1-1，1个解调仪1-2，数据采集系统1-3和计算机1-4，若干数据线1-5，温度传感器1-6，两串FBG应变传感器头1-7等组成。每一串传感器包括平行放置的左，右两块传感板，分别对应车辆的左， 右车轮。每块传感板有多个FBG传感器，通过铠装光纤1-1连接。计算机1-4和解调仪1-2通过由铠装光纤1-1与各个传感头1-7连接。计算机1-4和解调仪1-2可以放置在路边也可以通过有线(光纤)或者无线(无线传输)远距离放置在监控室。 

图1中，解调仪1-2可以将光纤光栅波长移动转换到光的强度变化，随后由包含定制的电子滤波器和放大器的模拟电子信号处理。这种解调仪1-2可以采用图3方法通过使用宽带光源3-1和可调谐滤波器3-2或者图4所示的可调谐激光器4-1来实现波分复用(WDM)。因此，采用这种解调仪1-2，位于检测点任何非常小的应变变化可以很容易通过传感器检测光纤光栅的波长变化来探测。被检测的信号经过数据线1-5经过数据采集系统1-3传输到计算机1-4中，经过软件进行分析，提供车辆的重量和重量分布，和尺寸，以及经过的时间等信息。 

本实用新型的动态监测传感器的测量原理如下： 

检测原理 

A.光纤光栅应变传感器 

FBG已被广泛应用于测量静态和动态参数，诸如温度，应变和应力。由于应变ε和温度变化ΔT而使得布拉格波长的变化ΔλB由下式给出 

ΔλB/λB＝Csε+CTΔT   (1) 

其中的系数Cs，CT是近似常数，可由定标获得。对于裸光纤光栅，Cs≈0.78*10-6/με，CT≈6.67*10-6/C。由此可见，光纤光栅可以作为一个敏感的应变传感器和温度传感器。 

然而，大多数光纤光栅是由玻璃制作的，通常很脆弱。因此，光纤光栅要被粘接于主体材料，例如CFRLs材料或钢材，从而改善传感器的可靠性和灵敏度。 

B.车辆尺寸测量 

图1所示传感系统布局。在图2显示称重过程传感器和汽车的相对位置。在图1和图2中，假设所有传感头具有相同的长度b，同一串传感头的左和右板相距为c，以及两串之间的距离是a。前轮分别接触串1和串2的时间间隔是t。速度计算公式： 

$v=\frac{a}{t}.---\left(2\right)$

对于任何一串，不失一般性，例如，选择串1作为一个例子，车辆的前轮和后轮分别与串1的接触时间间隔为t1。因此，车辆长度(轴距)可以如下描述 

L＝vt1.    (3) 

由于每串传感头包括在几个不同波长的光纤光栅。将如C节中详述，轮子和传感器接触点之间的距离，可由处于车辆负载下的光纤光栅位置计算出来。应此车辆的宽度可以由距离c和光纤光栅的位置而计算出。我们将在后面具体介绍如何实现对车辆的宽度测量。 

C.测量车辆的重量 

我们的发明还包括一个针对动态传感系统的高速解调仪设计(参见图3中3-5和图4中4-4)。解调仪可以将光纤光栅波长移动转换到光的强度变化，随后由包含定制的电子滤波器和放大器的模拟电子信号处理。这种解调仪可以采用图4方法通过使用宽带光源3-1和可调谐滤波器3-2或者图4所示的可调谐激光器4-1来实现波分复用(WDM)。图3和图4展示的都是2通道的解调仪。 

如附图3所示，宽带光源3-1发射的宽带光，经过可调滤波器3-2，成为一束扫描的窄带光谱，然后穿过隔离器3-3，经过第一个耦合器3-4(强度比为50：50的耦合器)将光分为两路，接着分别进入耦合器的一个通道，进入传感探头3-6。在一个滤波器的扫描周期内，波长不同的光栅的反射光陆续反射回来，从耦合器的另一个端口出来，进入探测器3-8。光信号转换为电信号，然后进入放大器做后继方法和降噪，下一步通过数据采集进入计算机，进行信号处理和计算。因此，采用这种解调仪，位于检测点任何非常小的应变变化可以很容易通过传感器检测光纤光栅的波长变化来探测。 

在附图4中，4-1可调激光替代了宽带光源3-1和可调滤波器3-2，同时三端口的循环器替3-4代了耦合器4-4。应该注意到，图3中的循环器3-4和图4中的耦合器4-4可以互换。 

本发明包含数串传感器探头的设计。传感器探头数量可以不固定，取决于测量要求，但应大于2。传感头可作为一种特殊弯曲梁。如图3为例，一旦车轮载荷作用在几个钢铁板，承受车辆荷载的板将把负载传递给CFRLs板块，从而形成几个弯曲梁。在图4中，共5块钢板都安装在一个传感器头，但只有左边的两个承受车轮4-1的负载。我们采用一种新的材料CFRLs。而传统的方法是使用钢板。CFRLs有更好的弹性，和轻的比重，方便制造便携式灵敏的传感器头。同时我们使用的结构中，没有采用支撑腿的方式，从而降低了传感器的高度，减少了系统的重量。 

原则上，光纤光栅的中心波长移动和作用于光纤光栅的应变成正比。然而，考虑传感头的结构和实际加工的质量，这个正比例关系可能修改成为单调增非线性关系。因此，采用一个合适的标定，我们可以计算第1个传感器的动态负载W₁＝W₁(Δλ₁)，并且总的动态载荷可以通过对所有波长有移动的传感器上的各个负载叠加。 

从现场测试直接计算得到的重量是车辆的动态重量。通常，动态重量一般不同于车辆的静态重量。很多相关算法可以在很多文献中到。这些算法一般通过考虑车辆的速度和加速度，从动态重量中提取静态的重量。在我们的测量系统中，我们通过公式Ws＝kWd/V来计算静态重量。这里的Ws静态重量，Wd动态重量，V车辆速度和将根据实验校准而获得的系数k。 

D.温度补偿 

从公式(1)我们可以看到，光纤光栅的波长漂移同时与压力和温度敏感。然而，温度的影响可以由。温度补偿传感器其实是一种FBG温度传感器对温度补偿。在这种传感器，光纤光栅是粘附在与CFLCs相同的材料上。但在其工作状态，没有任何负载加载在FBG光栅。当我们计算传感器的光纤光栅波长的相对移动，我们总是选择的温度传感器的波长位置作为零点。因此，温度造成的波长移动的影响，完全通过传感器的温度补偿去除。 

E.首选方法的描述——单个传感器 

图5显示传感器头的结构。每块板有3层结构：上层有两个部分，两个锲形物5-9和5块支撑钢板5-7。锲形物5-9和支撑板5-7是由金属(譬如钢)制作，因为金属具有很强的机械强度，很强耐冲击力和摩擦力。一块CFRLs板5-6被放置在中间层。五个FBGs光纤光栅5-6粘接在CFRLs下表面。该CFRLs板有6个支持点，形成五个小的弯曲梁。底层支撑板5-3也是钢板制成，具有很强的机械强度，可承载汽车的负荷。 

该支撑板5-3可以传送车辆的重量使之加载到一个窄的支撑条5-8(在支撑板和CFRL之间)，然后将负载加载在CFRL板位于两个支撑点的中间部分。该处是光纤光栅粘结的位置。 

每一串的两个传感器头通过金属铠装光缆连接。这些光缆穿过传感头的两侧。每个板的两个侧脸安装有两个手柄5-10以方便搬运。 

在上述方案中，支撑板的个数可以变化，根据测量要求变动，可多达几十个。 

F.大规模首选的描述——大规模传感器复用 

光纤布拉格光栅传感器是光路复用的理想器件。这使人们有可能在实践中部署一个大规模的传感器阵列网络，以实现大区域内的测量。 

除了在图3所示波分复用方法(WDM)，在每一个通道中，有若干个不同波长的FBG串连。此外，电信技术中熟知的光路复用技术包括时分多路复用(TDM)和空分复用(SDM)。这些技术可单独使用或组合使用。 

复用技术的结合，使我们能最大化地利用每种复用技术提供的优势，同时减少其弊端，降低了系统成本。这对动态称重传感器尤显重要，因为很多安置在不同位置的FBG传感器被用来构建大型传感阵列。我们首选的方法是通过1×m光分路器或光开关复分多根光纤，即多个单独的线路采用和空复用(SDM)技术。每个单独的通道是它自己的传感器集，包含了在一根光纤中刻制许多不同波长的光栅。在同一通道中光栅传感器采用波分复用方法实现。 

在实践中，可调滤波器的调谐范围可扩大到200纳米，所以多达100个光纤光栅可复用。在图3和图4中显示两个通道(带)基于光纤光栅动态称重。而图6展示了一个通道动态称重系统的例子。 

G.发明实验样机的测试 

我们进行了一系列室外环境实验。光纤光栅传感器的探头被放置在道路表面，然后被加载不同种类、不同重量的车辆。表1列出了动态称重系统测量得到的车辆实际尺寸和速度的实验数据。 

表1实地测试的实验数据 

一个真实的动态称重实验结果绘制在图6。在此图中，两个顶部分别对应于一个车辆的前、后轮。静态重量也可以由该图中的动态重量曲线计算得出。