（测试计量技术及仪器专业论文）光纤光栅动态称重系统的研究.pdf

哈尔滨理t 大学t 学硕f 学位论文 光纤光栅动态称重系统的研究与应用 摘要 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 因此加强公路运输的管理 保障行车安全 等问题显得日趋重要 有效的抑制超限超载的重要手段就是实现对车辆的计重 收费 而计重收费的关键技术就是车辆的动态称重 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 近年来 随着智能感知材料的发展 尤其是以光纤光栅为代表的光纤传感 元件的发展 为称重系统的研究提供了崭新的途径和广阔的生机 本文选片j 光 纤光栅作为敏感元件 对基于光纤光栅的汽车动态称重系统进行了研究 首先 介绍了光纤布拉格光栅的结构 原理 制作方法 实际应用和国内外的研究现 状和发展趋势 分析了光纤布拉格光栅作为传感器对应变 压力和温度的传感 特性 在光纤光栅匹配原理研究的基础上 结合实际采用了一种基于单片机的 光纤光栅匹配解调方案 并建立了解调实验系统 本系统硬件设计主要分光纤传感部分 模拟电路 数字电路和通信传输四 大部分 光纤传感部分由光源 光纤光栅匹配解调仪 光电转换器等组成 负 责提取过往车辆参数信息 模拟信号部分负责对光纤干涉仪输出的信号进行调 适 由隔直 滤波 放大等电路组成 数字部分以t i 公司生产的数字信号处 理器 d s p 为核心 负责数字的采集 数据处理和与p c 机通信等 通信部分选 用平行接口 通过它和计算机进行传输 本文采用了模块化的思想进行了软件 设计 使软件容易升级 人机界面友好 使系统操作简便 最后对本文设计的整个系统进行了性能试验和误差分析 实验分析表明 基于光纤光栅传感器的称重系统具有结构简单 实施方便 精度较高 耐久可 靠且造价不高等特点 具有很好的应用前景 关键词动态称重 光纤 传感器 解调 哈尔滨理 t 人学t 学硕l j 学位论文 t h es t u d ya n d a p p l i c a t i o no nf i b e rg r a t i n g d y n a m i cw e i g h i n gs y s t e m a b s t r a c t a tp r e s e n t t h ev e h i c l eo v e r l o a d so f0 1 1 1 c o u n t r yi se x t r e m e l yc o m m o n i ns o m e a r e a n e a r l ya l lv e h i c l e se x i s to v e r l o a d i n go fv a r y i n gd e g r e e s s ot h a ti tb e c o m e s m o r ea n dm o r ei m p o r t a n tt or e i n f o r c ec o n t r o lo v e rr o a dt r a n s p o r t a t i o n t h ei m p o r t a n t m e a n st oe f e c t i v e l yr e s t r a i no v e r l o a d si st oc h a r g eb yw e i g h t a n dt h ek e yt e c h n o l o g y o fc h a r g i n gb yw e i g h ti s w e i g h ti nm o t i o n t h es t u d yo fd y n a m i cw e i g h i n g t e c h n o l o g yi so 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 e u s eo ft h er o a d s n o w a d a y s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tm a t e r i a l s e s p e c i a l l yt h ef i b e r s e n s o rr e p r e s e n t e db yf i b e rg r a t i n g i tp r o v i d e sn e wa p p r o a c h e sa n dp r o s p e r o u s f u t u r ef o rt h er e s e a r c ho fw e i g h i n gs y s t e m s ow es e l e c tf i b e rg r a t i n ga st h es e n s e o r g a nf o rt h er e s e a r c h i n go ft h ev e h i c l ew e i g h i n m o t i o ns y s t e m f i r s to fa l l t h i s p a p e ri n t r o d u c e sf b g ss t r u c t u r e p r i n c i p l e m a k i n gm e t h o d s i t sa p p l i c a t i o na n dt h e r e s e a r c hs i t u a t i o ni nt h ew o r l d t h e na n a l y s i sf b gs e n s o r sc h a r a c t e r sa b o u ts t r a i n a n dt e m p e r a t u r e o nt h eb a s i so fp r i n c i p l er e s e a r c ho nf i b e rg r a t i n gm a t c h m a t c h e d d e m o d u l a t i o nm e t h o do ff i b e rg r a t i n gb a s e do nm i c r o c o n t r o l l e ri sp u tf o r w a r dw i m p r a c t i c e a n dt h ed e m o d u l a t i o ne x p e r i m e n t a ls y s t e mi sb u i l t t h eh a r d w a r eo ft h i sw i ms y s t e mi sm a i n l ym a d eu po ff o u rp a r t s o p t i cf i b e r s e n s o r a n a l o gc i r c n i t d i g i t a lc i r c u i ta n dt h ec o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o n t h ef i r s t p a r tc o n s i s t so fl a m p h o u s e i n t e r f e r o m e t e r p i nd e t e c t o r t h es e c o n dp a r tc o n s i s t so f t h eb a n d p a s sf i l t e r a m p l i f i e rc i r c u i to fa n a l o gs i g n a l d i g i t a lc i r c u i t i sb a s e do nd s p f i g u r er e s p o n s i b l ef o r t h ea c q u i s i t i o n d a t ap r o c e s s i n ga n dc o m m u n i c a t i o n se t h c o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o n su s et h eh p i t h r o u g hi t st r a n s m i s s i o na n dc o m p u t e r t h i sp a p e rm a k e ss o f t w a r ee a s yt ou p d a t eb ya d o p t i n gm o d u l a r i z a t i o ni d e at od e s i g n s o f t w a r ea n dm a k e ss y s t e mo p e r a t i o ns i m p l ef o rf r i e n d l ym a n m a c h i n ei n t e r f a c e f i n a l l y t h i sp a p e rm a k e sp e r f o r m a n c et e s ta n de r r o ra n a l y s i sf o rt h ed e t e c t i n g s y s t e m n l ee x p e r i m e n ti n d i c a t e st h i sk i n do fw e i g h i n gs y s t e ms h o w st h ef e a t u r e so f s i m p l i c i t y c o n v e n i e n c e h i g hp r e c i s i o n g o o dd u r a b i l i t y l o wc o s ta n ds oo n w h i c h i i 哈尔滨理t 大学t 学硕l 学位论文 s h o w sg o o dp r o s p e c ti nf u t u r e k e y w o r d sd y n a m i cw e i g h i n g o p t i c a lf i b e r s e n s i o r d e m o d u l a t e i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明 此处所提交的硕士学位论文 光纤光栅动态称重系统的研 究 是本人在导师指导下 在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期 日j 独立进 j 二 i i i 究工作所取得的成果 据本人所知 论文中除已注明部分外不包含他人已发表 或撰写过的研究成果 对本文研究工作做出贡献的个人和集体 均已在文1 1 i 以 明确方式注明 本声明的法律结果将完全由本人承担 作者签名 l 惠葬乏尸期 2 7 年岁月 6r 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 光纤光栅动态称重系统的研究 系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期间在导师指导下完成的硕士学位论文 本论文的研究成果归哈尔滨理工大学 所有 本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表 本人完全了解哈尔滨理 工大学关于保存 使用学位论文的规定 同意学校保留并向有关部门提交论文 和电子版本 允许论文被查阅和借阅 本人授权哈尔滨理工大学可以采用影 印 缩印或其他复制手段保存论文 可以公布论文的全部或部分内容 本学位论文属于 保密口 在年解密后适用授权书 不保密团 请在以上相应方框内打 作者签名 动蠹数日期 二 7 年 月 多h 别磁各历司乃 嗍伽卵鸭 7 r 哈尔滨理丁人学t 学硕i j 学位论义 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 随着国民经济的快速发展 作为经济命脉的我国交通公路运输量也随之急 剧增加 调查表明 我国运输车辆的超载 超限现象也极为普遍 几乎所有的 货运车辆都存在不同程度的超载 超限行为 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 造成极大危害 使公路运输市场恶性竞争 造成道路结构受损 路面车辙 变 形 坑槽等严重病害 使路面的使用寿命短 维修 养护费加剧 同时超限运 输严重危及通行秩序和行车安全 超限车辆长期处于超负荷运转状念 使车辆 的制动性和操作性能迅速下降 恶性交通事故时有发生 1 目前 国家 政府 先后颁布了相关法规及有效行政措施 同时很多省 市均已运用经济手段 公路计重收费 即把动态称重技术 应用到公路计重收费中 为保证交通公路 运输的正常运行 国民经济快速发展 称重技术体现出应有的作用和价值 对于车辆的称重 传统的方法都是在静态下进行的 这种整车测量方 法准 确度虽然很高 但是存在着很大的缺点 如价格较高 不能分别测出轴重等 另外 实际应用中停止汽车运行进行重量测量也是不方便的 因此 近年来许 多国家都对车辆动态称重技术进行了研究 并有一些实际的应用 动态称再是 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 态称重系统是一套传感器和支持仪器 用来测量在特定地点特定时间 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 仅从敏感元件的角度分 析 存在电阻应变片式 压电式 电容式 液压式等多种动态称重系统 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 安装施上以及系 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 动态称重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 而且具有可刈 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 同时还叮构成各种 哈尔滨理丁大学丁学硕f j 学位论文 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榆 测 从而能够极大地提高产品的安全性 可靠性 以及灵敏性 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 1 2 1 动态称重系统的发展概况 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丰见公路动 态称重系统的研究 几个主要研究的国家有 美国 英国 德国 法周 南非 危靠 3 守o 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 公司丌始 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 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 最 j 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 f h w a 提议研究 低本动态车辆称重 系统 p v d f 压电材料用作动态你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盟 f e h r i 发起 按照欧盟运 输委员会 e c t 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 我国则起步较晚 于2 0 世纪8 0 年代才出现了带基坑和无基坑两种电子汽车 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论义 衡卜 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p 1 的优点于一身 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士1 0 置信度为 9 5 早期中国市场上的称重系统大都从国外引进 1 9 9 9 年 德国p a t 载荷 监控产品开始进入中国市场 但是 引进的称重系统大都是国外己经被特换 f 来的产品 存在着各种问题 比如 适用速度范围小 精度不高 以及传感器 庞大 给安装和使用都带来了不便 目前国内有好多家厂商生产动态称重系 统 其中国内厂家生产的部分典型动态称重系统有德峰精密机械有限责任公司 生产的b d z a e 型便携式动态轴重检测仪 合肥市正茂称重系统有限公司生产 的g c s 便携式电子汽车轴重检测仪 广东华普电器实业集团有限公司f 卜产的 x k 3 1 2 1 双路多功能称重仪 但动态汽车称重在国内外都还处于比较自扛沿的位 置 相较而言 在国内的研究应用时间更短 因此技术都还没有成熟 特别是 测量的精度 汽车的通行速度 系统的结构都需要很大的改进 1 2 2 光纤传感器的发展概况 称重传感器是检测系统的重要的一环 外界的模拟信号经过传感器转换成 电信号 进入a i d 转换器 只有传感器的性能好 不受外界环境 如温度 电 磁等 的影响 才能得到可靠 真实的数据 使系统性能更好 目前在车辆动 态称重系统中比较常用的动态称重传感器主要有电阻应变片式传感器 压电式 传感器 电容式传感器及光纤传感器 光纤传感器与其他类型的传感器相比具 有若干优点如它不受电磁干扰 包括光照射 和路面振动的影响 尺寸小 质最 轻 低功耗 能够在较为恶劣的环境下使用 并且其响应频率相当高 因此 在动态测量中是比较理想的传感器 光纤光栅是一种新型的光纤无源器件 它是在光纤中建立起一种空l 日j 周期 性的折射率分布 使得光在其中的传播行为得以改变和控制 光纤光栅具有抗 干扰性 电磁场 湿度 化学腐蚀等 强 寿命长 复用性 时分复用 波分复 用 空分复用等 好等优良特性 由于光纤传感器具有传统传感器不可比拟的多种优点 在问世的三十多年 里 得到了广泛的关注与发展 国际上将光纤传感器用于大型结构的健康检测 时间不长 它是随着现代光纤工程中应用十分广泛的光时域反射技术的出现而 发展起来的 目前正处于从萌芽发展的过度期 1 9 8 9 年 m e n d e z 等人首先提 出了把光纤传感器用于混凝土结构的检测一1 之后 日本 美国 德国等许多 哈尔滨理工人学工学硕i j 学位论文 国家的研究人员先后对光纤传感系统在土木工程中的应用进行了研究 同本 美国和瑞士的光纤传感器在土木工程中的应用领域相对较广泛 已经从混凝土 的浇筑过程扩展到桩柱 地基 桥梁 大坝 隧道 大楼 地震和山体滑坡等 复杂系统的测量和监测 k r o n e n b e r g 和g l i s i c 等在瑞士和法国的边界一个发电 站水库的大坝上安装了光纤传感器 由于一些原有的传感器取代传统的传感器 不方便 对温度 湿度和电磁场等敏感 安装困难 所以用光纤传感器取代传 统的传感器对测量坝体的裂纹和基础的位移 安装了两根超长位移计 一根长 3 0 m 另一根长6 0 m 测试结果表明光纤传感器与原来的杆式伸长计算结果非 常吻合 测试结果更精确 更灵敏 t n a u d i 及他们的小组到2 0 0 1 年为止在约 9 年的时间内共在桥梁 水坝 隧道发电站等7 0 多个不同场合成功安装了约 1 5 0 0 个光纤传感器 用于检测结构的应力 应变 振动 损伤和裂缝等或者进 行大型结构的健康检测 其中9 5 1 0 0 都达到了预期的设计功能 随着光 纤光栅写入技术的逐渐完善 世界各国掀起了光纤光栅技术研究的热潮 光纤 光栅被广泛应用于光纤通信 光纤传感和光信息处理等各个领域 近年来 对光纤光栅的研究取得了重大进展 主要集中于光纤光栅的紫外 光照射生长动力学 光学特性和成栅技术的研究 光栅的制备技术r 趋成熟 现阶段则主要集中于非均匀光纤光栅的制作 光纤光栅光学特性及其在光通信 及光纤传感中的应用研究 光纤传感技术是一种以光为载体 光纤为媒质 感 知和传输外界信号 被测量 的新型传感技术 当这种外界信号为压力时 即构 成光纤压力传感器 光纤压力传感器作为一种新型的传感器 与传统的压力传 感器相比体积小 重量轻 具有电绝缘性 不受电磁干扰 可用于易燃易爆的 环境中等优点 另外还可以构成光纤分布式压力传感器 对桥梁 人坝等进jj 健康状况的实时监测 因此我们决定运用光纤传感器于车辆超载检测系统的的 研究 1 3 本文主要研究内容 鉴于上面所叙述的 本文的主要内容如下 1 介绍本课题研究的背景和意义以及国内外研究概况 2 对现有的车辆动态称重传感器进行简要的分析比较 选择使用光纤光 栅压力传感器 介绍光纤光栅的基本原理与主要特性 系统研究光纤光栅传感 原理 指出光纤光栅传感器的优越性 3 详细介绍系统的结构设计和具体实现 这其中包括称重平台的建 立 哈尔滨理t 火学t 学硕i j 学位论义 车重数据的采集 光电转换和信号调试电路的设计 数据采集处理系统的建立 与运行 应用程序的编写 4 对系统的光路部分 信号处理部分和整体称重部分进行试验 并对试 验结果进行分析 哈尔滨理t 人学t 学硕i 学位论义 第2 章动态称重传感技术及相关理论 2 1 车辆的动态称重 动态称重简称为w i m w e i g h i n m o t i o n 是指汽车在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l 兀j 效 率高 使得称重不至于造成对正常交通的干扰 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 但另一 方面 静态称重时车辆平稳地作用在称重仪上 除汽车的真实重量外无其他任 何干扰 因此容易实现高精度测量 而动态称重时除汽车的真实重量外还有其 他许多因素 如汽车结构及载荷状况 车辆行驶状态 路面状况等会产牛干 扰 严重影响测量结果 对实现高精度的动态称重造成很大困难 目i 酉汽牟动 态称重系统已经在一些发达国家 如美国 德国 日本等得到广泛应用 其中 德国p a t 公司生产的产品精度已达4 3 而国内在这方面研究的起步比较 晚 目前产品的平均误差从4 5 到4 3 0 不等 在过去几十年的动态称重技术研究中 在如何保持检测精度的前提下提高 车辆通过速度一直是各研究机构所致力解决的问题 不懈的努力使动念称重技 术已经得到了很大的发展 综述国内外资料 目前动态称重方法主要有以下几 种 1 a d v 法 d v 法 v 法该类方法是2 0 世纪8 0 年代的r 本小野敏郎为解 决动态称重问题所提出来的 其测量思路主要是同时或单独测量重物移动的位 移 速度和加速度 然后用直接方法或数值积分方法来求解称重过程的微分方 程p 一1 以获得力值 这类方法有些是因需同时使用多种不同类型传感器而难以实 现 有些虽然只使用同类传感器 但由于采用积分方法因而准确度较差 h 彳芋 往只适用于噪声很小的场合 2 位移积分法该方法是目前国内多个科研单位主要采用的方法 也是 a d v 法 d v 法 v 法的一种沿袭 其原理大致是 将称重系统的输出信号对 1 1 段位移 l 沿其长度三方向积分 厶的两端通过对称重系统各传感器的输 出信号进行比较而定 如图2 1 所示 动态分量在积分区间被平均 使车辆振 动造成的干扰影响较小 因此精度相对也较高 但这需要较长的数据彳 能保订e 精度 这也是目前动态称重系统当提高车辆通过速度时 测量精度无法保证的 原因所在 哈尔滨理t 大学t 学硕1 j 学位论文 幽2 1 轮重的典掣波形 f i g 2 1t y p i c a lw a v eo fw h e e lw e i g h t 3 补偿法该方法主要是针对传感器的响应速度慢和超调量大 在很大 程度上限制了动态称重速度和准确度的提高的缺点 从而提出通过设计补偿元 件 在比 称重传感器稳定时间 更短的时间里完成测量 因此动态称重装置 主要由称重传感器和动态补偿元件组成 4 专家系统该方法主要是引入知识模型而构成专家系统 即把优秀称 重测力专家的思维过程固化到测量程序中 并与计算机修证程序结合起来 进 而提高计量仪器的测试能力和故障检测能力 5 参数估计法该方法主要是把动态测量作为一个参数估计和预测问题 来处理 即首先根据有关称重测力系统的先验知识 推导出一个含有未知参 数的模型 然后用该模型去拟合称重测力过程的输出信号 从而获得最小平方 误差意义上的参数估计 由于被测重量或力值可以看成是称重测力过年譬的终 值 因此它们可以用模型参数进行估计或预测 6 神经网络该方法主要是基于并行技术的思想 以神经网络技术为控 制核心 采取多因素协调 将检测过程中对影响称重精度和限制车辆通过速度 起主导作用的因素作为训练样本川 通过训练获得较好的网络模型 再根据垓 模型和网络输入数据得出车重 并期望提高检测精度 目前来看 利用数学模型的称重检测方法是比较有前途的 绝大多数称氧 系统基本上是具有二阶 或准二阶 传递特性的系统 假如称重系统采用二阶的 自回归滑动模型a r m a 再借助于这个模型和递推的最小二乘法r l s f l l 可由极 短的称重阶跃响应估计出模型参数和被称重量 在现有的车辆动态称重系统 中 为了提高检测精度 信号的测量往往是在衰减到一定程度并稳定后彳 进 行 这就大大限制了车辆通过速度 哈尔滨理下大学t 学硕l 学位论义 2 2 动态称重传感器 称重传感器 卅作为动态称重系统的核心器件 是检测系统的重要的一环 外界的模拟信号经过传感器转换成电信号 进入 d 转换器 只有传感器的性 能好 不受外界环境 如温度 电磁等 的影响 才能得到可靠 精确的数据 为车辆的动态称重系统中信号调适 信号处理和显示 记录三部分的实现提供 了可靠的技术保障和实践基础 用于动态称重和测量各种公路交通l 其的传撼 器应该表现出动态范围宽 可称量的重量范围 抗干扰能力强 使用寿命长和 高精度 高灵敏度等主要特性 目前在车辆动态称重系统中比较常用的动态称 重传感器主要有以下几种 2 2 1 电阻应变片式传感器 电阻应变片是一种电阻式的敏感元件 电阻应变片一般山基底 敏感栅 覆盖层和引线四部分组成 在测量应变时 要用粘贴剂把电阻应变片牢牢的贴 在试件的测点上 以保证电阻应变片的应变与被测试件的应变相等 当被测试 件受到外力作用时 测点处的变形通过粘贴剂和电阻应变片的基底传递给电阻 应变片的敏感栅 于是敏感栅也随试件测点同时变形 从而引起电阻的变化 电阻变化率的大小与电阻应变片下被覆盖的试件处的平均应变成证比 电阻应 变片式传感器主要包括剪切梁式 轮辐式 弯板式等方式 把电阻应变片粘贴在一块弹性平板上 并把它铺设在公路表面上 均汽车 轮胎经过平板时 平板由于受到轮胎的压力而发生变形 从而造成电阻应变片 变形 使它的电阻发生变化 测量这个电阻值变化 并经过放大 处理 标定 即可推知作用于平板上汽车轮胎的压力 把所有轮胎的压力加起来 即可得到 汽车的总重量 这就是电阻应变片式动态称重系统的基本原理 电阻应变片作为动态称重系统的敏感元 优点如下 1 结构简单 使用方便 2 性能稳定可靠 易于实现测试过程中自动化和多点同步测量 远距离 测量 3 灵敏度高 测量速度快 适合静态 动态测量 但是 它的缺点也很明显 主要包括 1 长时间使用后 应变片易变形 需重新校正 2 在潮湿和有腐蚀环境下寿命短 精度差 3 易受电磁干扰 哈尔滨理t 大学t 学硕i j 学位论文 2 2 2 压电式传感器 压电式传感器 叫是由一种特殊材料做成的 在外力的作用下发生机械形 变 就会有电荷生成 并且电荷量的多少与外力的大小成正例 当车辆通过压 电传感器时 系统测量出传感器产生的电荷 由此计算出动念重量值 然后利 用测量出的动态重量值预测出车辆的真实轴重 这种传感器可以直接放置在路 基的凹槽内 传感器可以有防护性涂层 用于永久性的应用 或者裸露着 作 为便携式应用 基于压电式传感器的动态称重系统 在车辆行使速度为3 0 1 0 0 英里 4 时 时的精确度为 1 5 压电式传感器的优点如下 1 原理简单 成本低 2 结构简单 安装方便 可做成便携式 缺点如下 1 压电传感器的灵敏度在出厂时做了标定 但随着使用时间的增加灵敏度 会有些变化 其主要原因是压电片性能发生了变化 实验表明 压电陶瓷的压 电常数随着使用时间的增加而减小 因此为了保证称重仪的精度 每隔一段时 间应该进行 次灵敏度校正 2 称重仪的误差比较大 2 2 3 电容式传感器 电容式传感器的感应面由两个同轴金属电极构成 很象打开的电容器电 极 该两个电极构成一个电容 串接在r c 振荡回路内 电源接通时 r c 振荡器 不振荡 当一目标朝着电容器的电靠近时 电容器的容量增加 振荡器丌始振 荡 通过后级电路的处理 将振和振荡两种信号转换成开关信号 从向 起到了检 测有无物体存在的目的 该传感器能检测会属物体 也能检测非金属物体 对 金属物体可以获得最大的动作距离 对非金属物体动作距离决定于材料的介电 常数 材料的介电常数越大 可获得的动作距离越大 电容式动态称重系 统一般由两块或多块导体板 通常由不锈钢 铜 聚氨脂或硬的橡胶构成 组 成 各导体板带有等量异号电荷 电容器的两极板之问充有不导电的电介质 当有一个压力施加在导体板上时 导体板之间的距离将发生变化 从而导致电 容器的电容发生变化 通过检测电容的变化 就可以把压力测量出米 这就足 电容式动态称重仪的基本原理 它既可以设计成固定式 也可以设计成便携 式 电容式传感器优点如下 哈尔滨理t 大学t 学硕f 学位论文 1 原理及结构简单 使用方便 2 灵敏度高 测量速度快 适合静态 动态测量 缺点如下 1 长时间使用后 电容器内填充介质易变形 需重新校 f 2 易受电磁干扰 基于以上三种传感器的优缺点 为了适应迅速发展的交通运输业 保障公 路交通安全 近期以来国内外科学家们都开始了基于光纤光栅传感器的动念称 重系统的研究与开发 与传统的传感器相比 光纤光栅传感器具有抗电磁干 扰 耐腐蚀 电绝缘 本质安全 灵敏度高 体积小重量轻外形可变 便于复 用成网等优点 本文的工作也是基于该方面的一些探讨和研究 因此 有必要 就光纤光栅传感器的一些原理和技术作一下详细的介绍和说明 2 3 光纤压力传感器的介绍 2 3 1 光纤光栅的分类 随着光纤光栅应用范围的日益扩大 光纤光栅的重力也同趋增多 光纤光 栅可以根据其模式间耦合 空间周期的分布 折射率的分御等依据分成很多类 型 下面介绍几种典型的光纤光栅 1 光纤b r a g g 光栅光纤b r a g g 光栅 叫是最早发展出来的光纤光栅 也是 应用最广泛的光纤光栅 光纤b r a g g 光栅的折射率呈固定的周期性分布 即沿 光栅长度方向光栅的周期4 和等效折射率m 绑是常数 光栅波矢方向与光栅 轴线方向一致 这种光栅的周期较短 约为0 5 2 3 u m 左右 当光经过光纤 b r a g g 光栅时 对满足b r a g g 相位匹配条件的光产生很强的反射弘 能够 艾射 五 2 h e y 4 波长 对不满足b r a g g 条件的光由于相位不匹配 只有很微弱的部分 被反射回来 该类光纤光栅在通信和传感领域均有广泛的应用 作为商品的光 纤b r a g g 光栅 其典型的技术数据如下 1 中心波长 9 8 0 n m 1 0 2 0 n m 1 5 5 0 n m 2 波长准确度 0 2 n m 3 反射率 0 9 9 4 带宽 0 1 0 2 1 0 n m 5 插入损耗 0 1 d b 2 光纤啁瞅光栅是指光栅的光学周期沿光纤轴向变化的一种光纤光 栅 其中 线性啁啾光纤光栅 u 的光学周期则是沿光栅长度方向发生线性变 哈尔滨理丁大学t 学硕l j 学位论文 化 因此 可以把它看作是数个反射波长递增或递减的布拉格光栅光纤的叠 加 相当于形成了一个多布拉格波长反射光栅阵列 不同波长的光波被义寸庸的 不同的小段光栅反射 使导波光程随波长而单调递增或递减 从而形成一段连 续的反射波长范围 表现为反射谱带宽的展宽 相位上表现为相移色散 所以 是进行色散补偿的理想器件 3 长周期光纤光栅长周期光纤光栅 叫时指栅格周期大于l o o u m 的光纤 光栅结构 长周期光纤光栅在光通信系统中有着重要的应用 可作为光栅模式 转换器和旋光滤波器 由于长周期光纤光栅的耦合特性对外界m 境测索1 州0 敏 感 它在光纤传感领域也有着广泛的应用 长周期光纤光栅是 种透射型光 栅 其功能是将光纤中传播的特定波长的光波耦合到包层中损耗掉 但由于导 模与包层模间藕合容易受到诸如纤芯与包层界面间的微缺陷 应力弯曲等因素 的影响 其谱线形状设计比较难于控制 长周期光纤光栅的周期通常为几向 微 米 4 切趾光纤光栅理论与实验研究表明 采用折射率调制强度a n 的渐变 可以有效地抑制反射及色散谱的振荡 从而制作形成的光栅称之为切趾光纤光 栅 5 相移光纤光栅当光栅周期中存在相位跳变或者光栅写入过程中有与 光栅周期可比拟的错位位移时 就会形成相移光纤光栅p 其表现形式足卉i 光 栅透射谱上的阻带中会出现带宽很窄的通带 由于光纤b r a g g 光栅在传感技术中应用最广 而且当布拉格光纤光栅受到 外界影响使其产生了横向应变或轴向应变 或者环境温度发生了变化 都会造 成布拉格光纤光栅中心波长变化 通过检测中心波长的变化 即可获得待测物 理量的变化情况 故选用光纤b r a g g 光栅作为本设计的所采用的传感器p 1 2 3 2 光纤光栅的结构及其工作原理 图2 2 是光纤布拉格光栅的反射特性示意图 入射进光纤光栅的宽谱光 只有满足一定条件的波长的光能被反射回来 其余的光都被透射出去 由耦合模理论可知 光纤光栅的布拉格中心波长以的计算公式为式 2 一1 砧2 2 z a 2 一1 式中么 光栅条纹周期 n 光栅的有效折射率 可见布拉格波长以随 z 和以的变化而变化 而 t 和人的改变与应变和温度 有关 应变和温度分别通过弹光效应和热光效应影响 2 通过长度改变和热膨 哈尔滨理t 大学t 学硕f j 学位论文 胀效应影响a 进而使以发生移动 若光纤布拉格光栅受到外界影响使其产生 了横向应变或轴向应变 或者环境温度发生了变化 都会造成光纤布喇格光栅 中心波长变化 通过检测中心波长的变化 即可获得待测物理量的变化情况 这就是光纤布喇格光栅用作传感器的基本原划2 0 1 赢 二 皿 二 磊 f b g 入射光谱透射光谱反射光谱 图2 2f b g 反射特性不意图 f i g 2 2f b g r e f l c ti d e n t i t yd i a g r a m 2 4 光纤布拉格光栅传感特性 由式 2 2 可知 任何能够改变光栅有效折射率或光栅周期的物理量都能改 变光栅中心波长 应力和温度是最能直接显著的改变布拉格光栅波长的物理 量 当布拉格光栅受到外界应力作用时 光栅周期卜 会发生变化 同时弹光效 应会导致光栅有效折射率变化 当光纤布拉格光栅受到外界温度的影响时 热 膨胀会使光栅周期发生变化 同时热敏效应会导致光栅的有效折射率变化 2 4 1 光纤光栅的均匀轴向应力传感特性 为了使问题既简单又能最接近实际情况 提出以下几点假设 1 光纤光栅作为传感元 其自身结构仅包含纤芯和包层两层 忽略所有 外包层的影响 2 由石英材料制成的光纤光栅在所研究的应力范围内为一理想弹性体 遵循虎克定律 即盯 c s i j 1 2 3 4 5 6 o 为应力张量 c y 为弹性模量 占 为应变张量 且内部不存在切应变 哈尔滨理丁大学t 学硕f 二学位论文 3 紫外光引起的光敏折射率变化在光纤横截面上均匀分布 且这种光致 折变不影响光纤自身各向同性的特性 即光纤光栅区仍满足弹性常数多苇简并 的特点 4 所有应力问题均为静应力 不考虑应力随时间变化的情况 对光纤布拉格光栅方程 即中心波长的表达式 2 1 两边微分 得 d 2 8 2 a d n 2 n d a 2 2 将式 2 2 两端分别除以 2 1 两边项 得 d 2 d nd a 乎 一 了 2 3 1 一一 b hn 线弹性范围内 有 d a s 2 4 彳 7 式中占 轴向应变 一般情况下 由于光纤光栅属于各向同性柱体结构阱1 所以施加其上应力 可在柱坐标系下分解为4 磊和皖三个方向力 我们称单纯有色作用的情况 为轴向应力作用 露和莎称为横向应力作用 三者同时存在称为体应力作 用 不考虑波导效应 即不考虑光纤径向变形对折射率的影响 只考虑轴向变 形的弹光效应 光纤在轴向变形下的折射率的影响 d n n 2 一 一c 刀 2 p 1 2 v p 1 1 p 1 2 式中p p 为弹光常数 即纵向应变分别导致折射率变化 比 2 5 y 为泊松 令p 2 b 一y g p 由式 2 3 2 4 2 5 可得 华 1 叩b 2 6 b 上式为光纤布拉格光栅轴向应变下的波长变化数学表达式 它是处理光纤 光栅应变传感的基本关系式 可以看出当光纤光栅的材料一旦确定后 光纤光 栅对应变的传感特性系数m 引基本上为与材料系数相关的常数 这就从理论j 保 证了光纤光栅作为应变传感器有很好的线性输出 令口 九 1 呻 口 可视为光栅轴向应变与中心波长变化关系的灵敏系 数 由此可得 a b2 口 占 2 7 上式即为光纤光栅中心波长变化与轴向应变的数学关系 它可以方便的将 哈尔滨理t 大学t 学硕 学位论文 波长变化数据处理为应变结果 对于纤芯是纯石英的光纤情况 刀习 4 5 6 p 0 1 2 1 p 0 2 7 0 u 0 1 7 得p 值约为0 2 2 若分别取中心波k 为 1 5 4 5 n l n 1 5 5 0 n l n 1 5 5 5 1 1 1 1 1 由式 2 7 计算得每微应变导致的波长变化分别 为1 2 0 5p m 1 2 0 9 p m 1 2 1 2 p m 由此表明 中心波长变化不大时 每微应 变产生的波长约为1 2 p m 即口 1 2 p m g m 左右 由于采用的光纤不同 写 入光栅的工艺不同以及退火工艺的差别 不同的光纤光栅的传感灵敏度k 叫会有 差异 因此不同的光纤光栅必须经过标定才能用作实际测量 2 4 2 光纤光栅的温度传感特性 温度变化引起光纤布拉格光栅有效折射率的变化 热敏效应 同时由于热 膨胀也引起栅距的变化 热膨胀效应 与轴向应力作用下的光纤光栅传感特性 分析相类似 我们可得出光纤布拉格光栅温度变化作用下的波长变化数学表达 式 磐 f 切 2 8 锄 它是处理光纤光栅温度传感的基本关系式 令口 以厅k f 口 为光纤光栅温度传感的灵敏度系数 可得 a a 2 t 2 ra t 2 9 上式即为光纤光栅波长变化与温度变化关系 若分别取光栅中心波长为 1 5 4 5n m 1 5 5 0n l n 1 5 5 5n l l l 则相应的温度灵敏系数诉分别为 1 0 7 6 p m c 1 0 8 0 p m c 和1 0 8 3p m c 由此表明 中心波长变化不大时 每摄氏度导致的波长变化为l o 8 0 p m 左右 同样的道理 由于采用的光纤不 同 写入光栅的工艺不同以及退火的工艺差别 不同的光纤光栅的传感灵敏度 会有差异 尤其光纤光栅经过封装后 封装材料卜叫会极大的改变光纤光栅的温 度传感特性 因此不同的光纤光栅必须经过标定才能用作实际测量 2 4 3 光纤光栅应变传感器的温度补偿技术 光纤光栅的温度灵敏度约为应变灵敏度的1 0 倍左右 因此 当温度变化 较大时 用光纤光栅作应变传感必须考虑如何剔除温度的影响 否则 会洲温 度的变化影响应变测量的精度 尤其在称重系统的长期使用当中 这个问题很 突出 因为公路的年温差达几十甚至上百度 光纤光栅应变测试温度补偿技术主要有不受力光栅温度补偿法弘 1 聚合 物封装法 啁啾法 负温材料法和应变 温度双参量同时测试法等技术 综合 比较这些方法的优缺点 认为聚合物封装法和负温材料法弘叫只是消除了光栅热 哈尔滨理t 人学t 学硕l 学位论文 敏的热膨胀部分 不能消除光敏部分 啁啾法成本过高且不一定可靠 而双参 量往往因为双光栅的灵敏度系数过于接近 容易导致组成的方程呈现病态 即 计算求得的值误差过大 综上所述 考虑结构监测本身就需要把握结构温度衙 载这一事实 采用不受力光栅补偿法是最简单 而又最经济的可靠方法 经过分析 在己知光栅传感特性和基体材料的热膨胀系数p w 的情况下 只 要测得两根光栅的波长变化值 就可以方便地得到剔除温度效应的准确应变 值 对于不同的光栅 此方法也可以实现一个光栅对多个应变传感器进行温度 补偿 准分布式应变测量时使用起来很方便 如果光纤布拉格光栅的传感特性 一致 而基体材料也一样 即光栅的温度传感系数一致 将给实际操作带来极 大的方便 我们所做的光纤光栅智能称重结构系统的温度补偿部分就是基于此 考虑的 2 5 本章小结 本章概述了动态称重的基本理论和光纤光栅的分类 根据各自特点的比较 选择了光纤布拉格光栅 并介绍了光纤布拉格光栅的基本结构及传感特性 在 布拉格方程的基础上 对光纤光栅应变与传感特性进行了分析 得到了光纤光 栅中心波长变化与轴向应变及温度的数学关系 是其作为应变传感器的理论基 础 在温度传感特性的基础上提出了光纤光栅应变测试的温度补偿方法 采用 不受力光栅温度补偿法是最为简单可靠的方法 哈尔滨理t 大学t 学硕 学位论文 第3 章车辆动态称重系统整体设计 3 1 系统的基本结构设计 车辆超载自动检测系统主要由称重平台 光电转换器 信号的滤波和放 大 a d 转换器 传输和显示等几部分组成 在距离超限收费检查站 监摔中心 一定距离的地方设置高精度的动态称重系统和汽车牌照识别设备p 当车辆驶 过秤台时 检测到车辆到达 产生 个信号 通知动态称重模块进入称重工作 状态 每一轴重量经两侧轮胎作用于秤台上 称重传感器输出与重量成币比例 的电信号 放大 转换后经数据处理模块处理 完成每一轴重动态称量 当车 辆完全驶过秤台 将各轴重累计 即得到车辆总重 轮