（通信与信息系统专业论文）啁啾光纤光栅动态称重技术研究.pdf

摘要 合理的车辆载荷对桥梁承重安全、道路运输安全以及道路养护等至关重要。 随着近些年高等级公路通车里程的大幅增加，公路运输在物流、客运行业的作 用凸现。交通运输业的发展无疑对国民经济建设起到了积极的推动作用，但是 营运车辆超载的现象却屡禁不止，而车辆超载是加速道路破坏的重要原因。在 这种背景下，对车辆进行载重检测显得尤为重要。 车辆动态称重，即在非停车的运动状态下的称重，与停车状态下的静态称 重相比，其主要优点是节省时间，效率高，使得称重时不至于造成对正常交通 的干扰。该技术的研究对于保护公路的正常使用有着重要的经济意义和社会价 值。 目前国内外的动态称重产品，大部分都是基于传统的电类传感器发展出来 的。这些传感器由于历史久，在技术上都较为成熟，但是都不可避免地遇到长 期以来电类传感器难以克服的电磁干扰、易受潮腐蚀等问题。这些问题对保证 测量结果的准确度有很大影响，于是研究生产一种新型的称重传感器就成了行 业的一个重大课题。 本文将先进的光纤b r a g g 光栅敏感元件引入车辆称重领域并开展研究。在 查阅了大量文献资料的基础上，对啁啾光纤b r a g g 光栅( c f b g ) 称重传感器及 称重系统进行了一系列理论和实验研究。本文的主要工作有： 1 ) 车辆动态称重技术与光纤光栅传感技术的综述。 2 ) 研究啁啾光纤光栅传感器，研究光纤光栅的粘贴技术和封装工艺。 3 ) 光纤光栅动态称重仪的设计与实现。 4 ) 对称重系统的静态标定和现场动态走车实验，研究其静态与动态特性。 5 ) 光纤光栅轮胎识别系统的方案设计研究。 对比当前广泛使用的电学称重传感器，这种新型的称重系统具有抗干扰能 力强、精度高、重复性好等特性，在车辆的超限超载检测市场上，具有广阔的 应用前景。 关键词：啁啾光纤光栅，动态称重，强度解调，轮胎识别 a b s t r a c t t h er e a s o n a b l el o a do fv e h i c l et ot h eb r i d g el o a d - b e a r i n gs e c u r i t y , t h ep a t h t r a n s p o r t a t i o ns e c u r i t ya sw e l la st h er o a dm a i n t e n a n c ea n ds oo n ，i sv e r yi m p o r t a n t w i t ht h ec o n t i n u o u sg r o w t ho fm i l e a g e so fh i g h w a yi no u rc o u n t r y , t h eh i g h w a y t r a n s p o r t a t i o n i nt h el o g i s t i c sa n dt h e p a s s e n g e rt r a n s p o r t a t i o n a r eb e c o m i n g i n c r e a s i n gs i g n i f i c a n t s o m et r a n s p o r tg r o u p sa n di n d i v i d u a l sr e g a r d l e s so ft h e v e h i c l e sc a r r y i n gc a p a c i t y , t h ep h e n o m e n o nt h a ti l l e g a lo v e r l o a d t r a n s p o r tf r e q u e n t l y b er e p o r t e d t h ev e h i c l e sa x l el o a da n dt h ee x t e n to fp a v e m e n t sd a m a g eh a v ea c e r t a i np r o p o r t i o nr e l a t i o n s ，o v e r l o a di sa l li m p o r t a n tr e a s o no fw h i c ha c c e l e r a t e dt h e p a v e m e n t sd a m a g e u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，t h ed e t e c t i o no fv e h i c l el o a di s p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t w e i g h i n m o t i o n ( w l m ) ，i e w e i g h i n gt h ev e h i c l eo ni t sm o v i n gs t a t e ，w i t ht h e c h a r a c t e r i s t i c so fh i g h e re f f i c i e n c ya n dt i m e - s a v i n g ，a v o i d st h ed i s t u r b a n c et ot h e t r a f f i ci nt h ew e i g h i n gp r o c e s s ，c o m p a r e dw i t hs t a t i cw e i g h i n g t h es t u d yo fw i mi s o fe c o n o m i cs i g n i f i c a n c ea n ds o c i a lv a l u ei na s s u r a n c eo fa p p r o p r i a t eu s eo ft h e r o a d s a tt h ep r e s e n tt i m e ，w ec a nf i n dt h a tt h em a j o r i t yo ft h ed o m e s t i ca n df o r e i g n w i m p r o d u c ti sd e v e l o p e db a s e do nt h et r a d i t i o n a le l e c t r i c a ls e n s o r t h e s es e n s o r s h a v eal o n gh i s t o r y , a n da r em a t u r ei nt e c h n o l o g y h o w e v e r ，t h e yw i l li n e v i t a b l yf a c e s o m ep r o b l e m s ，f o re x a m p l et h e ya r ed i f f i c u l tt oo v e r c o m et h ee l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ，c o r r o s i o na n ds oo n t h e s ef a c t o r ss e r i o u s l yi n f l u e n c et h ew e i g h i n g r e s u l t s ，s od e v e l o p i n gan e wt y p eo fw i ms y s t e mh a sb e c o m eam a j o ri s s u e b a s e do nt h er e s e a r c hs t a t u so fl o a dc e l la n dt h en e e d so fd o m e s t i cm a r k e t ，i n t h i sp a p e r , w eu s et h ea d v a n c e dc f b g ( c h i r p e df i b e rb r a g gg r a t i n g ) a st h es e n s i t i v e e l e m e n t ，a n dd oas e d e so ft h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nw i ms y s t e m b a s e do nc f b gs o m ew o r kd o n ei nt h i sp a p e ri sl i s t e da sf o l l o w s ： i n t r o d u c ew l m t e c h n o l o g ya n df b gs e n s i n gt e c h n o l o g y r e s e a r c ht h ec f b gs e n s o r , a d h e r et h ef b gs e n s i t i v ee l e m e n tt ot h el o a dc e l l s t u d yt h es t r u c t u r a ld e s i g na n dd e m o d u l a t i o nm e t h o do ft h es e n s o r 1 i e s t a b l i s ht h er e l e v a n tm a t h e m a t i c a lm o d e lo fd y n a m i cw e i g h i n g ，d e s i g na n d d e v e l o pt h ew l ms y s t e m t h es t a t i cc a l i b r a t i o no ft h ec f b gs e n s o r sa n dt h es i t ee x p e r i m e n t so fw l m s y s t e m ，t h ea c q u i r e dd a t ai sd e t a i l e da n a l y z e d r e s e a r c ht h et i r ei d e n t i f i c a t i o ns y s t e mb a s e do nf b g c o m p a r e dw i t ht h ec u r r e n tw i ms e n s o r , t h i sn e wt y p es e n s o rs h o w ss o m e d i s t i n c t i v ec h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sa n t i - i n t e r f e r e n c e ，t h eh i g hm e a s u r e m e n tp r e c i s i o n a n dg o o dr e p e t i t i o n e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ew l ms y s t e mb a s e dc f b g s e n s o ri sf e a s i b l e ，a n dw i l lh a v eab r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s ：c h i r p e df i b e rb r a g gg r a t i n g ，w e i g hi nm o t i o n ，i n t e n s i t yd e m o d u l a t i o n ， t i r ei d e n t i f i c a t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名：兰耳二壁导师签名：主蕾业日期： 弦嗡。s 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 随着国民经济的发展、物流行业的兴起以及客运行业的振兴，公路运输在 各种运输行业中占据着重要位置。然而，一些集体和个人盲目追求经济利益， 不顾行车安全进行非法超载，严重影响着道路正常运输秩序。车辆超载现象在 我国道路运输中极为普遍，相关调查显示：车辆如果轴重超过限值的3 0 ，公 路使用寿命就会缩短5 6 ，使得公路维修费用巨增，路面使用寿命缩短1 1 1 。此 外，据国外学者研究表明，公路的破坏程度和轴重有着某种比例关系当车 辆轴重增加至原来2 倍时，路面损坏将增加到原来的1 6 倍左右，且公路寿命将 减少三分之二【2 1 。 目前，我国道路运输车辆超载现象极为普遍，在严重地区，几乎所有的货 运车辆都存在不同程度的超载行为。由于超载现象涉及面广，治理难度大，加 之利益驱动，特别是源头问题没有得到有效解决，使超载现象成为一个“顽症”， 一直无法有效解决，且有“愈演愈烈”之势。车辆超限超载运输对交通安全、运 输市场、车辆生产秩序及路桥基础设施造成了极大危害。主要表现在【3 l ： 1 加速损坏公路路面，增加公路养护成本。公路的设计施工都有一定的轴 载标准，营运车辆超载加速路面的损坏，缩短了公路桥梁的使用寿命。1 9 5 0 年 美国各州公路工作者协会研究提出了反映汽车轴载重量与公路路面之间的著名 的“四次方法则 ，即轴载增加2 倍，公路路面的损坏增加2 4 - 1 6 倍。由于超载 货车负荷量超过公路、桥梁的承载能力，致使公路路面过早出现严重车辙、拥 包、坑槽、翻浆和龟裂等，大大降低道路桥梁使用寿命。研究表明，目前的超 载运输状况可使路面使用年限缩短4 0 左右。据统计每年因车辆超载而额外支 出公路养护费用多达上百亿元的资金，造成国民经济的大量浪费。 2 使国家税费大量流失。目前，我国公路的养护费、管理费、通行费都是 按车管部门核定的吨位来收的，超载就必然导致这部分费用的流失。正常营运 的货车，保守地按每车平均超载1 5 吨计算，每年流失的养路费达4 万元，从 武汉理工大学硕士学位论文 全国正常营运的货车数量不难算出国家每年因车辆超载而流失的税费将是一个 庞大的数目。 3 造成交通事故频繁发生。车辆超载后其平稳性、操纵性、制动性等安全 系数都会大幅度地下降，带来的后果就是交通事故率的大幅度上升，严重威胁 着人的生命和财产安全。每年的交通事故中，由车辆超载而引起的约占4 5 左 右，直接经济损失达数十亿元。 4 严重的环境污染。由于车辆超载，发动机超负荷运转，排出的浓烟和噪 声是正常情况下的几倍，对自然和社会环境的危害是显而易见的。 5 加速车辆的损坏。由于超载而严重损坏车辆机件，缩短了车辆二级维护 的周期，加快了车辆报废速度，造成资源浪费。 为了解决公路超载问题，交通部在2 0 0 0 年1 月发布了超限运输车辆行驶 公路管理规定，其中明确指出“公路管理机构可根据需要在公路上设置车辆轴 载质量及车辆总质量检测装置”。但由于缺乏有效的计量手段致使执法力度大大 削弱。动态称重出现之前，所有的车辆称重都是在其静止时进行的，静态车辆 称量时作用在车辆轮胎上的力正好与静态车辆向下的地心力相等，通过检测元 件检测出来，这种整车称量是最准确的方法。但是，这种静态称重一般只是测 定车辆的总重量很难测定各个单轴的重量，同时需要路旁或路口设置专用场地 或称重站，测定效率低；并且由于静态称重规模大，引人注目，超载车辆往往 以绕道的方式躲避称重检查。因此，研制出响应快，抗干扰能力强，准确度高 的动态汽车称重传感器是一件迫在眉睫的任务。 在a s t m 协会制定的根据用户要求的公路动态称重系统和测试方法标准 规范( 标准号：a s t me 1 3 1 8 2 0 0 2 ) 中对动态称重进行了定义【4 】：动态称重是 测量行驶车辆的动态轮胎受力并计算相应的静态车辆重量的过程：一个公路动 态称重系统是套传感器和支持仪器，用来测量在特定地点特定时间一辆行驶 车辆的出现及其动态轮胎受力，计算车辆的重量、车速、轴距、车辆类型以及 有关车辆的其他参数并且处理显示和存储这些信息。 最近几年，伴随着市场的需求与大量资金的投入，国内对动态称重( w i m ) 系统的研制也取得了一些成绩，但所研制的系统原理各异，仅从敏感元的角度 分析，存在电阻应变片式、压电式、电容式、液压式等多种w i m 系统【5 1 ，并且这 些系统都存在一定问题如适用速度范围小、测量精度不高、安装施工以及系统 维护不方便等等。随着智能感知材料的发展，高性能传感器及其测试技术为w i m 2 武汉理工大学硕士学位论文 系统的研究与发展提供了崭新的途径，尤其是以光纤光栅为代表的光纤传感元 件的出现与发展，更是为这一热点课题提供了广阔的生机。光纤光栅是一种新 型的光无源器件，它具有不怕恶劣环境、不受环境噪声干扰、抗电磁干扰、集 传感与传输于一体、构造简单、使用方便等优点，而且具有可对结构的应力应 变进行高精度绝对测量、准分布数字测量的优点，同时还可构成各种形式的光 纤传感网络系统。光纤光栅传感器被认为是实现“光纤灵巧结构”的理想器件。采 用光信号进行测量和传输的新型传感器可以实现现场的无电检测，从而能够极 大地提高产品的安全性、可靠性，以及灵敏性【6 j 。因而，将光纤光栅应用在动态 汽车称重系统中是完全可行的，必将具有广阔的发展前景。 1 2 国内外研究概况 在汽车称重技术领域，存在静态和动态两种方式。静态称重是在被测汽车 处于零速度状态或超缓慢行驶状态情况下，对汽车进行整车称重，此种方法由 于没有运动速度的影响，测量精度高，但效率低下；动态称重是在允许汽车以 某一极限速度( 由称重系统决定) 运行的状态下，对其进行整车或轴重的称重 检测，由于运动速度和车辆振动等干扰因素的影响，相对于静态情况下的结果， 其测量精度较低。尽管动态测量的精度不是很高，但是其测量效率较高，很适 合道路超载检测，而且随着动态信号处理技术及相关算法的完善，动态称重方 式逐渐成为超载检测的首选。 动态称重是在汽车的运动状态下称出汽车的重量。与停车状态下的静态称 重相比，动态称重的主要优点是节省时间、效率高，使得称重不至于造成对正 常交通的干扰，这对公路建设与管理有着极为重要的意义，同时对实现交通运 输管理的现代化也有着巨大的促进作用，因此动态称重技术己经引起了国内外 的普遍重视，并且取得了初步的应用。世界上经济发达的国家都很重视公路动 态称重系统的研究【7 】【8 1 ，几个主要研究的国家有：美国、英国、德国、法国、南 非等。 1 9 5 8 年，美国开始对w i m 系统进行研究。 1 9 6 8 年，南非获得了第一个电容式w i m 传感器专利；西德的p a t 公司开 始平板式动态车辆称重器的研究。 1 9 7 4 年，美国首次在车辆载荷研究中使用w i m 系统。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 9 7 4 年，法国取得了一项压电缆动态车辆称重器的专利，即v i b r a c o a x 。 1 9 8 3 年9 月，美国联邦公路管理总署( n l w a ) 提议研究“低成本动态车辆 称重系统”，p v d f 压电材料用作动态称重的研究在美国开始。同年，v i b r a c o a x 动态称重系统首次在法国投入使用。 1 9 8 5 年，美国的“低成本动态车辆称重系统 在现场投入运行并提交美国 联邦总署推广使用。 1 9 8 8 年，英国研制了一种性能优于v i b r a c o a x 的新型称重压电传感器 v i b e t e k 5 ，后在1 9 9 1 年改型为v i b e t e k 2 0 。 1 9 9 2 年，由欧洲高速公路系统研究实验室联日 ( f e h r 0 发起，按照欧盟运 输委员会( e c r d ) 的程序框架进行了c o s t 3 2 3 计划，该计划的主要内容是研究 对公路上行驶的汽车进行动态载荷监控的相关问题。 1 9 9 4 年，德国展示了采用平板式传感器的s a w l 0 0 动态称重系统及其在自 动收费站的应用。 我国从“七五”期间开始引进和消化吸收国外动态称重系统，同时也开始对 动态称重系统的研制。1 9 8 5 年正式开始研究动态称重技术，当时交通部北京公 路所、西安公路所和重庆公路所都开展了研究，并在全国做了大量试验。由于 该项技术涉及到路面、传感器等，当时制定的各项技术标准都很严格。1 9 9 4 年， 在中国举行的“国际交通自动化技术会议”上，中国发表了s m 2 0 0 0 型i i i 类动态 称重系统研制成功的论文，该系统称重精度在9 0 的置信度下达到了1 0 ，是 中国首次成功研制w i m 系统。但是，不论引进或者研制的系统都属于国外换 代产品。主要问题有：适应速度范围小( 低速范围) ，测量精度不高，以及传感 器( 称重平台) 过于庞大，给安装施工以及维护带来很大的不便。1 9 9 4 年一种动、 静态两用电子轨道衡在太原钢铁公司通过了鉴定，该产品集动态和静态轨道衡 的优点子一身，较好地解决了检测精度与汽车通过速度之间的矛盾。作为国家 “八五”重点科技项目，交通部重庆公路科学研究所研制了一种固定式动态汽车 称重系统，该系统轴重误差小于1 0 ，置信度为9 5 。1 9 9 9 年，德国p a t 载 荷监控产品开始进入中国市场。云南航天新技术工程有限公司引进其技术并于 1 9 9 9 年8 月获得了国家技术监督局的计量器具型式批准证书。 长期以来，称重领域一直采用压电材料、电阻应变片等基于电学量测量的 敏感元件，而这种电学测量方法普遍存在精度低、重复性差、灵敏度低、零点 漂移大以及抗干扰能力差等缺陷，成为制约称重系统进一步发展的瓶颈。 4 武汉理工大学硕士学位论文 随着传感技术和智能材料的发展，越来越多的先进敏感元件和技术出现， 对这些新元件、新技术的推广应用显得尤为必要。利用新技术和新敏感元件的 特殊性能，可以对目前现有的称重系统进行技术和结构上的改进，这些都为高 性能称重系统的研究与发展提供了崭新的途径。尤其是光纤敏感元件的出现与 光纤传感技术的发展，更是为这一热点课题提供了广阔的生机。 自上世纪七十年代低损耗石英光纤突破以来，光导纤维作为新一代通讯技 术的新材料，带动了全球光通讯技术的蓬勃发展，已形成全球的新产业。光导 纤维本身具有许多优良特性，它不仅可以作为光波的传播媒质，而且光波在光 导纤维中传播时表征的特性参量( 振幅、相位、偏振态、波长、光强等) 在外 界位移、压力、温度等因素的作用下直接或间接发生变化，从而可以将光导纤 维作为传感元件来探测各种物理量，由此诞生了新一代传感技术光纤传感技 术。它集材料、光电子、信息、光机电一体化、物理、化学、计算机等多学科 交叉与多种技术于一体而形成的一种高新技术领域。主要包括光纤传感敏感材 料与传感探头、光传感专用器件和光纤传感系统与网络等。 光纤传感器种类繁多，能以高分辨率测量许多物理参数，与传统的机电传 感器相比具有很多优势，如：本质防爆、抗电磁干扰、抗辐射、抗腐蚀、耐高 温、体积小、重量轻、灵活方便等【9 1 。其应用范围非常广泛，并且特别适于在 易燃、易爆、电磁场干扰等恶劣环境中的应用。 第一代的光纤传感器绝大部分都是“光强型”和“干涉型 。光强型传感器 的信息读取是检测光强大小，但由于光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探 测器老化等因素会影响测量精度；而干涉型传感器的信息读取是数干涉条纹的 变化，这要求干涉条纹清晰，而干涉条纹清晰就要求两路干涉光的光强相等， 这样光纤光路的灵活和连接的方便等优势将受到影响。而且干涉型传感器是一 种过程传感器，而不是状态传感器，必须要有一个固定参考点，这样给光纤传 感器的应用带来了难度。但是这并不能阻碍光纤传感技术的飞速发展。 美国f r o s t & s u l l i v a n ( 1 9 9 7 ) 的研究报告指出，光纤传感器在1 9 9 7 年的市场 份额为3 亿美元。到2 0 0 0 年增加到5 5 亿美元。另有资料报道，1 9 9 6 年美国用 于军事、航天的销售额达2 4 5 亿美元，2 0 0 0 年达1 3 5 5 亿美元；光纤陀螺仪销 售额达3 5 5 亿美元，2 0 0 2 年达到5 0 亿美元。 目前，随着光纤传感技术的快速发展，利用光纤传感器进行称重方面的检 测技术研究也取得一定的进展，如p s u o p a j a e r v i 把光纤光学传感器应用于交通 5 武汉理工大学硕士学位论文 监测【1 0 】；d j d h i l l 等人利用多通道干涉仪的光纤传感器对汽车进行动态称重 【l l 】；n f u r s t e n a u 和w s c h m i d t 把光纤传感技术应用于机场地面交通监测【1 2 1 ，他 们利用的是微干涉计型传感器。 光纤b r a g g 光栅传感器是近十几年来发展起来的新一代光纤传感器，除了 具有普通光纤传感器的所有优点外，还有一些明显优于其它光纤传感器的独特 优点【1 3 1 ： 1 传感信号是波长调制，测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损 耗和探测器老化等因素的影响。 2 具有自参考点，测量的是绝对值，避免了干涉型传感器中相位测量的不 清晰和对固有参考点的需要。 3 能方便的使用波分复用传感技术，在一根光纤中串接多个甚至数百个布 喇格光栅进行大范围、大容量、远程分布式测量。 4 光栅直接写入纤芯，结构简单、稳定性好和插入损耗低，易于实现一维 光子集成，无需研磨工艺和对准工艺。 5 光纤光栅很容易埋入材料( 如复合材料、混凝土等) 中对其内部的应变和 温度进行高分辨率和大范围测量，被认为是实现“光纤灵巧结构 的理想器件 1 1 4 j 。它相当于神经网络，每一个探测点( 即光栅) 相当于一个神经，形成智能复 合材料或智能混凝土结构，对材料结构行为状态实行自诊断。 上述这些传感机制和特性，将传统的传感技术提升到一个全新的水平。自 1 9 8 9 年m o r e y 首次报道将光纤光栅用作传感以来【1 5 】，光纤光栅传感器受到了世 界范围内的广泛重视，取得了持续和快速的发展。每年都有大量的关于光纤光 栅传感技术应用研究的报道。据不完全统计，自光纤光栅传感器于1 9 9 0 年首次 埋入环氧纤维复合材料中以及1 9 9 2 年首次埋入混凝土梁中以来，国外光纤光栅 传感器已经在大型结构工程( 如桥梁、大坝、隧道、高层建筑、矿井巷道、运 动场馆、岩土工程等) 、电力、航空航天、船舶、生物医学、核工业、石化、水 利、石油勘探以及军事武器装备等领域获得了应用【1 6 1 【1 7 1 。 美国科学家a n d r e a so t h o n o s 和k y r i a c o sk a l l i 认为，光纤光栅传感器的市 场非常巨大，而且增长速度惊人。有人曾在1 9 9 9 年预测：本世纪头十年，单是 美国一个国家，其市场容量将达到5 0 亿美元。目前，民用的光纤光栅传感器的 市场主要是在化学气体传感、医学压力传感、动力旋转和方向传感，以及温度 传感等领域。主要的增长领域预期来自于环境化学传感和生物医药传感，而与 6 武汉理工大学硕士学位论文 智能结构相连系的应力应变传感是更重要的市场增长点。 国内开展光纤光栅传感器研究的时间略晚于国外。目前，研究单位有数十 家，主要集中在大专院校，如南开大学、西安石油大学、燕山大学等等，研制 的产品也开始进行实际应用。自1 9 9 7 年国家计委批准在武汉理工大学建设“光 纤传感技术国家重点工业性试验基地 和2 0 0 0 年批准在武汉理工光科股份有限 公司建设“光纤传感器国家高技术产业化示范工程 以来，在若干关键技术和 产业化研发方面取得了一系列突破，加速了这一高新技术的产业化进程。 近年来，国内一些单位，对光纤光栅在车辆称重领域上的应用也做了一系 列的研究，取得了一定的研究成果。北京交通大学【1 8 j 的研究人员将光纤光栅封 装在一种伸缩性非常好的有机聚合物材料里，当车辆通过时，外界施加的压力 通过有机聚合物材料的传动导致f b g 的长度、曲率发生变化。在道路旁沿着公 路的纵向铺设参考光栅。根据检测光栅和参考光栅的中心波长的变化情况，解 决温度和应力的交叉敏感问题。但是采用的是光谱分析仪进行解调的方法，效 率较低。可实现检测精度为4 0 0 k g 的测量，最大检测重量为8 0t 。山东大学使用 光纤加强材料( f r c ) 将f b g 紧紧包裹在其中作为探头，进行了初步实验【1 9 1 。 清华大学【2 0 】高德文、赵勇等人开展了基于双折射效应的光纤光栅称重方法研究， 基于光纤在外界径向载荷作用下产生的双折射效应为原理，建立了一套称重实 验装置，进行了初步实验。当时实验只在2 5 蚝的测量范围内，测量载荷的灵敏 度为5 k g 。 总之，光纤光栅传感器的应用是一个方兴未艾的领域，有着非常广阔的发 展前景。对基于光纤光栅的汽车称重应用这一新领域的研究还处于起步阶段， 大多处于实验室研究或现场试验阶段，尚未开发出技术成熟的产品，很多问题 有待解决。本文正是对这一新领域进行尝试性探索与研究，希望能够对光纤光 栅称重技术的发展起到一定的借鉴与推动作用。 1 3 本文研究的主要内容 本文的研究内容主要包括以下几个方面： 第1 章绪论，主要介绍了本课题研究的目的和意义以及国内外研究概况。 第2 章车辆动态称重技术概述，首先对车辆动态称重原理模型进行了分析， 然后对现有的传统车辆动态称重仪进行了简要的分析和比较。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章光纤光栅传感与解调技术的概述，对光纤光栅传感器的发展、原理 以及解调技术进行了介绍，指出了光纤光栅传感器的优越性。 第4 章啁啾光纤光栅称重传感器研究，首先在对称重传感器进行受力分析 的基础上设计了的动态称重传感器，在实际的制作过程中研究了光栅的增敏与 粘贴技术，对传感器的光路解调方案进行了探索，然后对传感器进行了特性研 究及静态标定。 第5 章构建了整个测试系统即动态称重仪的设计，并进行了现场静态标定 及多次动态称重实验。 第6 章研究了光纤光栅公路轮胎识别系统，并进行了相关实验。 第7 章总结与展望，对本文的工作进行了简要总结，并对下一步的研究工 作进行了展望。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章车辆动态称重技术 车辆称重在早期主要是采取静态称重方法，这种方法要求车辆平稳的整体 开行到称重台面，称重系统待汽车完全稳定后才开始运作，这种方式测量精度 高，但是效率低，而且停车称重也很不方便，不利于现场道路车载检测应用。 因此，许多国家己抛弃这种称重方式，转而向动态称重( w r e i 西i n m o t i o n ，w i m ) 领域进行了一系列研究。 动态称重方式可以实现在车辆行驶中完成称重作业，对提高称重效率有很 大帮助。也正是由于动态称重时，车辆处在行驶中，动态称重不可避免的引进 了动态冲击、重心变动等干扰【2 1 1 。所以，分析车辆动态称重时的受力、振动情 况显得尤为重要。本章对车辆动态称重的基本理论进行了探讨分析，而后对车 辆动态称重系统的组成和分类进行了简要介绍。 2 1 车辆动态称重模型分析 动态称重时，汽车以一定的速度通过称重平台，不仅轮胎对平台的作用时 间很短，而且作用在平台上的力除真实重量外，还有许多因素产生的干扰，如： 车速、车辆自身谐振、路面激励、轮胎驱动力等。可以说真实重量被淹没在各 种干扰力中，给动态称重实现高精度测量造成很大困难。因此，在外界随机不 确定干扰力作用下，如何准确测出真实重量，就成为动态称重测试系统的技术 难点和关键。下面就所存在的干扰进行分类整理、分析综合，找到影响称重效 果的关键因素，忽略次要因素，从而达到简化的目的。 2 1 1 秤台动态模型分析 车辆通过称台时，由于自身结构、路面平整度等因素的影响，使称重系统 受到动态干扰力。依据力学知识，受力情况等效于一维弹性振子的垂直受力模 型，即可以将称台模型表示为图2 - 1 所示数学模型。其中d ( f ) 是反映汽车通 过称台台面过程中施加给台面的一个幅值为单位1 的输入信号，w ( f ) 为称重 台面的上下位移，m 为称重台面质量，m 为车辆真实载荷，k 、c 分别为称重传 感系统结构的弹性系数和阻尼系数。 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 称重系统动态模型 依照牛顿第二定律，可以对模型建立如下力学方程： m 鱼掣+ c 趔+ 枷g ) ；m 鲥g ) ( 2 1 ) d2 td t 、7。、7 对公式( 2 1 ) 进行拉普拉斯变化，得到系统的传递函数为： g g ) = 锱= 而m g ( 2 - 2 ) 可见此称重系统为一个二阶欠阻尼系统，系统无阻尼振荡频率( 固有频率) 为( - o n = q k m ，阻昆比为鼍= c 训m k o 建立这个模型后，车辆上称台相当于给此系统施加了一个信号m d ( f ) ，关 于d ( f ) 这个信号的表述，目前有多种方式。较为常见的就是阶跃信号，此种 表述方式被众多动态称重技术文章采用【2 2 】【矧。其表述形式为： d o ，一# ： 三三( ： ( 2 - 3 ， 实际上，综合分析汽车衡称重系统模型和实测数据后，可以发现车辆上称 台所产生的信号d ( f ) 实为一梯形波，其理想波形如图2 2 所示。梯形波的两 腰分别对应车辆上下称台的过程，中间平稳阶段即为车辆轮轴完全上称台后的 测量过程，有效采集数据存在于此段。 d 甜 图2 - 2 车辆理想上称台信号 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 汽车整体运动分析 汽车的运动，狭义来讲，只是沿其行驶方向的移动；广义来讲，则不仅仅 只是沿行驶方向的移动，在所有方位上都存在着各种不同形式的运动。运动是 力存在的表现形式，有运动就有力的存在，这些力将在相当大的程度上影响动 态称重的准确性。研究两轴式汽车的运动状态和动力特性国内外通常采用图 2 3 所示的力学模型，汽车研究部门的大量实验和分析表明此力学模型在研究 汽车的运动方面是相当成功的。这种分析模型用一个六面体来代表行驶汽车， 并将其放置在三维坐标系中。下面就来研究其在不同方位上的运动状况并分析 各种干扰力及其对动态称重的影响程度，从而达到简化模型的目的【1 引。 y 图2 3 汽车运动和动力分析模型 移 运动着的汽车有如下四类运动状态：绕x 轴的滚动；绕y 轴的俯仰；绕z 轴的旋转；分别沿x ，y ，z 轴的单方向移动。 滚动，表示在同一个轮轴上的重量从个车轮向另一个车轮上移动。在动 态称重过程中，由于同轴上的两轮同时称重，故绕x 轴方向的滚动造成的重量 分布变动不会对整轴称重造成很大影响。 俯仰，表示重量从前轴转移到后轴或反之。由于轮轴之间重量的转移，很 有可能造成测量的偏差。例如，在前轴称重瞬间，车的前端下俯，其测量值的 读数会偏大；随后，后轴驶入平台，车的后端恰好也下俯，则读数也偏大，因 此，其总重量也偏大。遇到上仰的情况时，则测量读数会偏小。 旋转，表示在水平面上的运动。荷重传感器对水平力并不敏感，假如称重 武汉理工大学硕士学位论文 平台上水平约束器保持水平，则作用在约束器上的力将不会产生垂直分力而影 响传感器测量。因此，如果实际情况确实如此，那么在x 、y 方向上的运动也 将不会影响重量读数。 起伏，表示沿z 轴的上下运动。很显然这种运动将影响重量读数，因为它 会像俯仰一样产生垂直分力。 通过上述分析可以看出，在四类运动中只有俯仰和起伏两类运动是影响称 重精度的关键因素，其他运动都是较为次要的因素。但是俯仰运动可通过下列 措施予以消除：一是地面与称重平台处于水平状态；二是道路表面平整，即平 整度较好；三是汽车驶过称重平台时无突然刹车或加速。但起伏运动，即汽车 垂直振动的影响很难消除，下面详细分析汽车振动的影响。 2 1 3 车辆振动分析 引起汽车振动的原因很多，主要由以下三类构成1 2 4 j ： ( 1 ) 1 圭t 车辆自身的各种原因造成的振动，其中包括发动机偏心转动引起的周 期性振动，车轮不圆引起的周期性振动；燃料不均匀，驾驶员操作不稳定引起 的随机振动等等。 ( 2 ) 由路面不平而造成的振动，地面表面的凹凸不平和高低起伏给行驶在上 面的车辆轮胎施加位移扰动而产生的振动，由于地面不平的随机性决定了这种 振动的随机性。 ( 3 ) 由车辆一地表祸合而产生的振动。当车辆在地表运动时，对地表施加了 外力，地表在外力的作用下发生运动，这种运动反过来又会影响到在它上面行 驶的车辆，从而产生耦合振动，显然这种振动也是随机的。 由于振动的形式及产生的原因是纷繁复杂的，而且各种载荷对动态车辆称 重的影响程度难以预测，因此无法做出精确的定量分析。其中一些载荷的影响 极其严重，如车轮跳离称重平台，如果在动态称重的过程中发生了这种现象， 无论采用何种措施都无法精确获得车辆的静态轴重。为了区分车辆自身重量形 成的载荷一静态载荷，把这种由振动造成的载荷称为动态载荷。陈秉冲等人【2 5 1 分析了动态载荷的三维频谱图，发现动态载荷频谱主要有低频分量和高频分量 组成，其中低频分量特性特别明显，起主导作用。同时在相关文献中也指出， 动态载荷的振幅可达车辆重量的1 0 ，频谱分布由两部分组成，一部分与车辆 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 的自重、载重等因素有关，频率范围约为2 5 h z 7 h z ；另一部分与车辆的轮胎 状况以及称重平台特性有关，频率范围约为1 0 h z 2 0 h z 。总体而言，动态载荷 的能量大部分集中于3 h z 2 0 h z 。 2 1 4 汽车速度对称重的影响分析 实验证实，汽车通过称重平台时的速度也会对称重结果产生影响。下面分 别从匀速运动和变速运动两个角度分析车辆速度对动态称重的影响【2 6 1 。 ( 1 ) 匀速运动中速度对轮轴称重的影响 先来分析一下汽车以匀速直线运动形式通过称重平台时其速度的大小对单 个轮轴称重结果的影响。根据以上分析，汽车经过称重仪时，称重平台要产生 振动。把称重平台视为一弹性系统并具有较小的阻尼系数 ，汽车自身谐振频 率为q 。当汽车某一轮轴驶上称台后，称重系统的动力学方程为： ( m 棚) 窘+ y 石d x + k x = m g costolt(2-4) 其中，k 、) ，分别为称重传感器的倔强系数和阻尼系数；m 为作用于称重台 面的汽车某一轮轴的静态质量；m 为称重台面质量；x 为称重台面的位移，g 为 重力加速度。令 簖= 志, 2 f l 一杰，f 0 = 丽m 鬲 ( 2 - 5 ) 其中为系统的固有角频率，卢为阻尼因数，则动力学方程变为： 窘脚警+ 扣l e o s w i t ( 2 - 6 ) 该方程为受迫振动的动力学微分方程，其通解为： z - a l e 一肛c o s ( t 0 2 t + 口) + 4 c o s ( t o x t + 驴) ( 2 7 ) 其中4 、4 、a 、妒是由初始条件决定的常数，具有一定的随机性， t 0 2 = 簖一卢2 ( 2 8 ) 式( 2 7 ) 中第一项为由于阻尼引起的振动项，考虑到汽车经过称台的时间很 短，该项振幅的衰减可忽略；第二项是受迫力引起的谐振项，由于汽车自身谐 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 振频率低以及过称时间短，该项可视为常数。这样微分方程( 2 - 4 ) 的解可表示为 z = 4 c o s ( w 2 t + 口) + ( 2 9 ) 上式中是由于汽车轮轴重力引起的系统形变，其数值应为k x o = m g 。可以 看出系统形变是一个固定分量叠加一个振动分量。这样由于振动引起的称重绝 对误差为： e = h 一 绍= a o c o s ( & 矽+ 口) ( 2 - 1 0 ) 动态称重系统误差的大小与所采用的数据处理算法密切相关。目前，一般 采用多次采样或者积分采样求平均的方法来处理数据，这时引起的绝对误差为 【2 7 】： 虿：一1f 础 ( 2 1 1 ) 其中f 。l y ，为台板长度，y 为汽车行驶速度。取a = z 2 ，则相对误 差为： 6王t盖咖(等)(2-12)mg咤y 把上式中的参数代入一些具体的数值可以发现【2 8 】，随着速度的增加，相对 误差逐渐增大。当行驶速度在一小范围内( 5k m h 以内) 时，相对误差较小， 然后随速度的提高，相对误差急剧增加，随后逐渐趋于平缓。根据张雨等人【2 9 】 利用压电式动态称重仪的测量结果，车辆轴重信号确实与车速有关。车速越高， 车辆轴重信号偏离轮重真实值越远。只有低速的准动态车轮称重仪可以直接将 称重仪的测量值视为轴( 轮) 重真值。随着车速升高，测量误差明显增大，当 车速达到3 0k m h 以上时，该误差可以达到3 0 。 ( 2 ) 匀速运动对整车称重结果的影响 分析汽车以匀速运动形式通过称重平台时其速度的大小对整车称重结果的 影响，还是以一个两轮轴汽车为例。为分析方便，把汽车经过称重仪时的振动 简化为一个简谐振动( 汽车的真实振动应为简谐振动的叠加) ，振动曲线如图 2 4 。 o l 、j v 响 图2 4 汽车经过称重仪时的振动曲线 武汉理工大学硕士学位论文 由于振动的影响，汽车在前半个振动周期内处于失重状态，从而载荷对称 台的压力小于自身真实重量，使称重结果偏小；而在后半个振动周期内处于超 重状态，从而载荷对秤台的压力大于自身真实重量，使称重结果偏大。 为了说明汽车速度对整车称重结果的影响，假定系统振动的频率是5 h z ， 即周期是0 2s ，所用称重仪为轴重仪，即对汽车各轴重量分别测量。现有2 辆 完全相同的汽车分别以3 0m s 和6 0m s 的速度通过称重平台，汽车的轴距为 3m ，则两汽车称重时间分别为0 1s 和0 0 5s 。显然速度快的汽