基于光纤光栅的动态称重传感器设计与实验分析

白磊　曹桂芳　张佳鹏

摘 要：伴随着交通运输业的不断发展，车辆超载现象变得越来越严重，因此保障行车安全、加强公路运输的管理等问题显得颇为重要。车辆动态称重就是在不停车的运动状态下进行车辆称重，该技术的研究对于保护公路的使用有着很重要的社会价值和经济意义。本文提出了一种基于光纤光栅的动态称重传感器，并通过称重原理介绍、搭建系统平台和实验数据对比，证明了所设计的动态称重传感器的可行性。

关键词：光纤光栅；传感器；动态称重

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.263

1 引言

目前国际上许多国家，在货物运输时都存在着超重现象。而在近年来，我国的公路超重运输现象也很严重，它不仅更容易损坏公路，同时增加了养护成本，提高了交通事故发生的概率，因此，加强交通运输管理，提高动态称重系统的性能和降低成本变显得尤为重要[1]。

动态称重系统是对整车的重量在车辆行驶的情况下进行测量，这样能够在检测过程中降低对正常交通秩序的干扰。光纤光栅传感技术是一种新型的传感技术，它通过利用光纤光栅中心波长的偏移量来计算出其所对应监测的物理量，包括应力、位移、温度、加速度和振动等[2]。光纤光栅是一种无源的光器件，具有测量精度高、抗电磁干扰、耐腐蚀性、体积小、重量轻、传输损耗小等特点。本文基于光纤光栅传感器的采集原理，构建了一种有较高精度和性能的动态称重传感器，并对其测量精度进行了实验分析。

2 光纤光栅称重原理

20世纪90年代在光纤传感器领域最主要发明之一就是光纤光栅（FBG）传感器，光纤光栅是在光纤的纤芯中利用紫外刻蚀的方式导致一段光纤的折射率可以进行周期性变化，当宽带光源进入光纤后，经过光纤光栅会反射回来特定波长的光[3]，如图1所示。

结构中反射回的光的的中心波长为：

λB=2neffΛ （1）

其中，被反射回的波长为λB，光纤光栅的有效折射率为neff，光纤光栅的光栅周期为Λ。

通过对光纤光栅的拉伸或压缩，或者改变温度、位移等物理量可以达到改变光纤光栅的有效折射率neff和光栅周期Λ，使得光纤光栅的反射波长λB也发生改变。整个过程如方程（2）所示：

（2）

ΔλB=λ（1-Pe）ε （3）

其中为光纤的有效弹光常数[4]。

在方程（2）中第二项为在传感器中由温度变化引起的光纤光栅的波长漂移，整理可得：

ΔλB=λB（α+ζ）ΔT （4）

其中光纤的膨胀系数为α，光纤的热光系数为ζ。

光纤光栅传感器中心波长的变化量和应变、温度等物理量的变化量成线性关系。基于这种特性，可以将其制作成压力、应变、位移、温度、加速度等多种物理量的传感器[5-6]。将普通动态称重的传感器用光纤光栅应力传感器进行替换，利用特殊结构，将动态行进车辆的重量即压力转化为光纤光栅轴向的应力，通过对光纤光栅中心波长便宜的精确解调，计算出动态车辆的重量，基本原理图如图2所示。

3 动态称重传感器设计

设计基于光纤光栅的动态称重传感器，需要对在称重过程中的受力情况和载荷情况从静力学和动力学的角度进行分析。特别是在传感器进行动态称重时，影响称重的关键因素主要是车辆的垂直振动[7]。其中有很多导致振动的原因，主要的是汽车自身造成的，由于导致汽车振动原因的很复杂，造成了对地面载荷的多样性，主要可分为主要分为稳态载荷、随机载荷和冲击载荷三种形式。

通过对称重传感器在整个称重过程进行受力分析，可得出应尽量减少车辆振动载荷和横向冲击力对光纤光栅传感器的影响，图3为改进后设计的称重传感器结构示意图。

由图中可得出，在称重平台上装了一对轴承，同时在其对应的两边都加装了限位档板，可使整个称重平台在水平方向上的位移不会超过2mm。当称重平台上有车辆通过时，双轴承的滚动会使得车辆对称重传感器横向的冲击力大幅度降低，提高了测量精度。

称重平台的侧边共装有8个轴承，在称重平台基座的正下方，分别固定了8个等强度梁，均粘贴有灵敏度高光纤光栅传感器，传感器轴向与等强度梁中心轴平行。在等强度梁与镂空的基座之间安装称重平台，如有车辆通过，梁上的光纤光栅会产生轴向形变，通过高精度光纤光栅解调仪进行波长解调，然后通过优化算法将所得到的8组波长数据转化为实际的车辆重量。

4 实验结果分析

由图4所示结构平台对动态称重系统进行实验测试，下表1为不同速度通过传感器称重平台时，对应的8组光纤光栅解调波长值，表2为其通过不同光纤光栅采集点波长值计算后的车重量，同时计算出与静态状态下精确值的相对偏差。

5 结论

由实验结果得出，在车辆低速通过时，设计的基于光纤光栅传感器动态称重系统的车辆称重检测误差在3%之内，在车辆运行状态不发生突变时检测性能良好，这充分证明了所设计的传感器结构合理，可应运用于道路动态称重系统中。

参考文献：

[1]杨卫东.动态称重系统仪器软硬件设计[J].交通与计算机，1995，13（06）：45-48.

[2]凌杰.公路动态称重系统的设计理论研究[D].长安大学，2001.

[3]常国伟.光纤光栅在高速公路隧道火灾报警系统中的应用研究[J].山西交通科技，2014（02）：56-57.

[4]Taylor B， Bergan T. Sensor array system for determining axle spacing.U. S.pat，1997

[5]杨卫东.动态称重系统仪器软硬件设计[J].交通与计算，1995，13（06）：45-48

[6]贺曙新.车辆动态称重技术的历史、现状与展望[J].中外公路，2004，24（06）：105-106

[7]Hill K O， Fujii Y， Johnson D C， et al. Photosensitivity in optical fiber waveguides： Application to reflection filter fabrication[J]. Applied Physics Letters， 1978， 32（10）： 647-649.

基金项目：山西省交通运输厅科技计划项目，课题编号： 2015-1-25

作者简介：白磊（1987-），男，山西太原人，工学硕士，助理工程师，主要从事：面向智能交通行业的光纤传感和软件开发。