基于光纤光栅的高速公路车辆检测系统研究

刘志英

（山西省交通建设工程质量检测中心（有限公司），山西 太原 030032）

0 引言

光纤光栅传感技术是目前国内研究的热点之一。其中FBG传感器具有灵敏度高、可靠性好、在一根光纤内可实现多点测量的优势。利用光纤光栅对温度、应变敏感的特性，通过对传感器进行不同的设计和封装，能够使光纤光栅产生轴向形变的物理量，光纤光栅传感技术可以测量各种物理参数，例如温度、应变、压力、位移、加速度等。

我国目前公路、铁路、地铁等桥梁隧道众多，如果没有一套完整的、科学的健康监测技术帮助维护人员进行分析，判断安全隐患，那安全问题将非常严峻。因此，为了确保建筑结构安全，对桥梁、隧道、大坝、钢结构建筑、矿井、边坡以及其他大型土木工程均有必要实施健康监测[1]。

目前，车辆检测技术具有很多种类别，具有不同的技术特点，相比传统的车辆检测技术，光纤光栅传感技术是一种新型的光纤传感技术，其是利用光栅的波长与温度、应力等物理量在一定范围内成线性关系的变化来做成各类传感器。光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、高精度、高灵敏度、防水、抗腐蚀以及耐久性长等特点，传感器体积小、重量轻，便于铺设安装，将其植入监测对象中不存在匹配的问题，对监测对象的性能和力学参数等影响较小，适合大面积、长距离，多种类综合性的实时在线监测，是目前最先进的结构监测技术，而且基于光纤光栅的车辆检测系统具有测量精确度高、反应灵敏和性能稳定等优点[2]。

1 光纤光栅测量原理

光纤光栅的测量原理就是拉伸或压缩光纤光栅，或者改变温度等其他物理量，来改变光纤光栅的周期L和有效折射率neff，从而达到改变光纤光栅的反射波长λB的目的。而且光纤光栅的中心波长的变化量和应变、温度的变化量成线性关系。

根据这样的特性，可将光纤光栅制作成应变、温度、压力、加速度、位移等多种传感器。光纤光栅信号处理器用于实时采集各光纤光栅传感器的波长值，通过光栅传感器波长变化量的大小推算出相应物理量（温度、应力等）的改变大小。这样就实现了物理量传感检测的目的。

图1 基于光纤光栅的车辆检测系统

2 基于光纤光栅的车辆检测系统

基于光纤光栅的车辆检测系统由波长解调模块、普通单模光缆、内置有光纤光栅的测量区域、数据存储服务器、车辆检测系统控制软件组成，系统框图如图1所示。

图1中1是波长解调模块，用于发射宽带光源，同时接收由普通单模光缆中反射回来的不同的偏移波长，通过中心波长的偏移量来解调相应的测量物理量，通过记录不同光纤光栅传感器的位置信息、波长偏移信息和偏移信息发生的时间来计算车辆运行参数。2和3是串有光纤光栅的普通单模光缆，用于传输光能量，将反射的光纤光栅偏移波长反射回波长解调模块。4是安装了光纤光栅传感器的测量区域，4中光纤光栅内置传感器如图1位置所示，利用光纤光栅矩阵所测得的应变值分布及其时间信息，可得到行驶车辆的信息。当没有车辆经过时，反射回的中心波长值固定不变，为最初的光纤光栅初始值，当有车辆经过时，部分位置光纤光栅传感器的中心波长发生偏移，通过光纤光栅传感器中心波长的偏移量、变化时间差和变化位置，最终可得出待测车辆的车速、车重、车型和轴距等相关信息[3]。5是数据存储服务器，可以实时存储测量区域全传感器应力值。6是车辆检测系统控制软件，主要用于数据分析、轨迹拟合、数值计算和特征值提取。

3 车辆信息检测实例分析

3.1 车辆检测系统实例简述

该文通过实例简述主要模拟车辆检测系统的基本工作流程，图2为基于光纤光栅车辆信息采集系统模拟运行图，其中M为待测车辆，圆形区域为其几何中心，M1～M4为待测车辆轮胎，A区域为内置有光纤光栅的测量区域，当车辆未进入时，A区域内光纤光栅波长未偏移，应变值信息均为0，数据存储服务器处于实时待命状态。当有车辆通过时，部分传感器检测到应力值，并同步触发数据存储服务器进行实时存储，且每经过一次标准时间段进行一次全矩阵应变值存储，当车辆完全驶离即多次标准时间段内全矩阵应变值均为0时，数据存储服务器回答待命状态，一次车辆检测结束。

3.2 车辆检测系统实例模拟

当车辆M开始进入A区域时，部分光纤光栅传感器应力值变化，在T1、T2时刻，车辆M几何中心分别到达图3中所示位置，且此时车辆均已完全进入测量区域， L为时间车辆M 2次中心位置变化距离，M3与M4距离为L1，M4与M1距离为L2。车辆M的车轮M3和M4均作用于2个光纤光栅传感器，根据2个传感器的物理位置及应力大小分布，可以得出M3和M4的几何中心，并可得出M3与M4距离L1，同理可得出M4与M1距离L2，其中L1为车宽， L2为车辆轴距，平行的数据数量即为轴数。当行驶距离L较短时，车辆运行可视为直线匀速行驶，即可得出车速为

多种标准车辆（不同重量不同轴距轴数）通过测量区域，多次试验后可得到车重与车型特征（轴距轴数）、应力值分布范围一一对应的关系图，可根据实时的应力值及车辆特征信息得出待测车辆重量。

图2 基于光纤光栅车辆信息采集系统模拟运行图

图3 车辆驶入内置有光纤光栅测量区域示意图

3.3 车辆检测系统实例扩展

根据以上实例可对系统进行扩展，不同车型、不同车速的标准车辆通过检测区域，且同一车辆重复进行多次采样，最终形成各种标准车型不同速度的特征检测数据库，这些特征检测数据可确定每一类车发生变化的传感器位置、拟合车辆及轮组几何中心位置和全周期运行轨迹。

当待测目标车辆通过检测区域，先对该车辆全时段内的全部传感器应力值进行采集，初步分析得出车重、车轮数、轴距等特征信息，判断确定其车型，通过与标准特征检测数据库进行详细比对，反向校准检测参数。对于单次车速检测，可通过多实例重复拟合方法，取多组T1、T2时刻进行车速测量计算，使平均车速更精确、更接近真实值。可通过丰富标准的车辆特征数据库和增加单位检测区域光纤光栅传感器数量等方法，提高车辆检测系统的检测精度，减少系统误差。

4 结论

基于光纤光栅的车辆检测系统加入了一个内置有光纤光栅传感器的测量区域，其内部的光纤光栅传感器由两路光纤串联而成，以矩阵排列的形式分布，通过光纤光栅传感器中心波长偏移值、偏移值产生的位置和产生的时间差等信息，可得出行驶车辆的相关特征参数，利用标准检测数据库可对检测数据进行校准和优化，与传统的测量技术相比具有测量精确度高、反应灵敏和性能稳定的优点。