CN102155974A - 车辆动态称重传感器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种车辆动态称重传感器，包括长宽比大于2：1的长方形载荷板，在所述载荷板下表面间隔刻有多条凹槽，载荷板的下表面设置有与凹槽相垂直的整根通长的分布式光纤，所述分布式光纤两端分别为入射端和出射端；载荷板下表面设置的测试区敷设有将分布式光纤包裹住的高强度粘合剂，分布式光纤的测试段分布于测试区内，分布式光纤的非测试段位于载荷板的两端。本发明利用分布式光纤对载荷板底部的应变进行测量并输出，由应变输出得到作用于板上部的车辆重量，达到实时动态测试的效果，具有精度高、集成度高、抗电磁干扰能力强、工作性能稳定、造价低廉、易于产品化等优点。

Description

车辆动态称重传感器

技术领域

本发明涉及一种称重传感器，具体涉及一种车辆动态称重传感器。

背景技术

动态称重系统目前是国际科研领域的前沿课题，世界各国都很注重动态称重技术的开发和应用。自上个世纪50年代以来，发达国家就开始对汽车动态称重系统进行研究，并取得了相应的成果。从目前市场上已经成功应用的动态称重系统来看，汽车动态称重系统根据原理主要有：压电式、电容式、秤台式、剪切梁式和弯板式等几种，其中以弯板式和压电式的应用最为广泛。

其中，压电式动态称重系统为利用压电材料的压电效应原理而工作，由于为非绝缘体，对电信号干扰很大，而且易于受潮；同时，其工作性能不稳定，结构的耐久性较差。而弯板式动态称重系统利用应变传感器对金属板的底部应变进行测量，由系统的应变输出计算得到动态重量值，该系统具有结构简单、系能稳定、耐久性好等优点。由于传统的弯板式动态称重系统采用的应变传感器为电阻式应变片，容易受到电磁干扰而产生信号失真、长期使用过程中会产生漂移和徐变等，无法满足动态称重的要求。目前部分学者和研究人员采用光纤光栅作为应变传感器用来测试弯板底部的应变，虽然精度高、耐久性好、抗电磁干扰能力强，但是光纤光栅无法实现分布式应变测量，应变输出的精度有限，若通过密集布置光纤光栅传感器，则造价较高，无法广泛推广应用。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能精确测量行驶中的车辆重量的动态称重传感器。

技术方案：本发明的车辆动态称重传感器，包括长宽比大于2：1的长方形载荷板，在所述载荷板下表面间隔刻有多条凹槽，载荷板的下表面设置有与凹槽相垂直的整根通长的分布式光纤，所述分布式光纤两端分别为入射端和出射端；载荷板下表面设置的测试区敷设有将分布式光纤包裹住的高强度粘合剂，分布式光纤的测试段分布于测试区内，分布式光纤的非测试段位于载荷板的两端。

所述的凹槽可以是横向刻在载荷板的下表面，也可以是纵向刻在载荷板的下表面。

作为本发明的一种实现方式，所述分布式光纤来回设置在载荷板的下表面。

作为本发明一种结构简单、成本低的实现方式，所述的凹槽横向刻在载荷板的下表面，所述分布式光纤沿载荷板的下表面纵向中线单根设置；所述分布式光纤两端的入射端和出射端分别位于载荷板的两端。

所述分布式光纤与凹槽的垂直角度偏差≤5°。

所述凹槽的间距5cm—20cm，深度1 cm—2.5 cm，宽度1 cm—3 cm，所述的非测试区宽度≥5 cm。

所述的高强度粘合剂可以采用聚酯胶、环氧树脂胶等。

为了便于分布式光纤的敷设和提高安装精度，可以在凹槽中填充柔性填充材料，例如发泡聚乙烯等。柔性填充材料密实填充于凹槽中并与载荷板下表面找平，这样分布式光纤在敷设时就不易变形错位。

本发明在安装时，将载荷板下表面朝下安装，载荷板上表面与路面平齐。本发明是利用设置于载荷板底部的分布式光纤获得车辆经过时弯板底部中心线应变输出或全场应变输出，由车重与板底应变输出和行车速度乘积之间的线性关系，测得车辆行驶时的重量。将荷载板底面加工成横向带凹槽的型式，增加车辆经过时的板底的相对变形，放大粘贴在底部的分布式光纤的应变，满足分布式光纤应变测试精度的需要。将分布式光纤采用高强度粘合剂粘贴于载荷板下表面，可以保证光纤与载荷板之间无相对滑移。

根据经典板壳力学：当长板的场边边界条件对称且长宽比                                                

时，如不考虑奇点效应，则在无限长板远离端部的区域内，荷载在板内产生的应变只与荷载大小有关，而与荷载的作用位置及分布形式无关。根据该原理，当车辆匀速通过传感器时：

（1）当只能得到长边中心线上的应变输出时，传感器动态应变输出仅仅与总荷载和速度有关，与荷载的长度和分布无关。当弯板传感器长度足够，轮载位置距弯板端部距离足够，轮载以匀速v通过弯板传感器时，动态称重公式为：

P=S·v/S_o    （1）

式中，P—车轮的荷载，v—车辆行驶的速度，S—传感器动态应变输出，S₀—常数，可通过现场标定得到。

（2）当可得到全场分布式应变输出时，传感器动态应变输出仅仅与总荷载有关，而与荷载的长度、分布以及车辆的行驶速度无关。当弯板传感器长度足够，轮载位置距弯板端部距离足够，动态称重公式为：

P=S/ S₀       （2）

式中，P—车轮的荷载， S—传感器动态应变输出，S₀—常数，可通过现场标定得到。

采用分布式光纤测量载荷板底面的应变分布，通过积分方法可得到传感器的应变输出，进而由公式（1）、（2）得到轮压，由测得的各个轮压求和得到车辆轴重、整车的重量。当光纤的某处的温度、应变发生变化时，光纤中的后向布里渊散乱光谱的频率会发生相应的偏移，频率的偏移量与光纤应变、温度变量成良好的线性关系。光纤测试段任一点

处发生应变、温度时，测试段、非测试段布里渊散乱光的频率偏移量分别为：

v_B,t(z)=v_B,t ⁰(z)+c₁·△ε_t(z)+c₂·△T_t(z)       （3）

v_B (z^’)=v_B ⁰(z^’)+c₁·△ε(z^’)+c₂·△T_t(z^’)       （4）

式中：v_B,t (z)—  测试段

点发生应变或温度变化后布里渊光的频率偏移；

v_B,t ⁰(z)— 测试段

点处布里渊光的初始频率偏移；

v_B (z^’) —非测试段

点处布里渊光的频率偏移

v_B ⁰(z^’)— 非测试段

点处布里渊光的初始频率偏移；

△ε_t(z)— 测试段光纤点

处轴线应变变化；

△ε(z^’)— 非测试段光纤点

处轴线应变变化，；

△T_t(z)— 测试段光纤温度变化；

△T(z^’)— 非测试段光纤温度变化；

c₁ 、c₂— 布里渊光的频率偏移的应变系数和温度系数。

以板底的非测试段光纤作为温度补偿光纤，将测试段与非测试段的光纤的频率偏移量相减后得到测试段应变引起的布里渊频率偏移量，即：

v_B,t(z)-v_B (z^’)=[v_B,t ⁰(z)-v_B ⁰(z^’)]+ c₁· [△ε(z)-△ε(z^’)]+ c₂·[△T_t(z)-△T_t(z^’)]        (5)

令v_B,t(z)-v_B(z^’)=△v_B,t(z)，v_B,t ⁰(z)-v_B ⁰(z^’)=△v_B,t ⁰(z)，△T_t(z)-△T(z^，)=△T_t ^，（z)，△ε_t(z)-△ε(z^’)=△ε_t ^，(z)，则（5）式变为：

△v_B,t(z)=△v_B,t ⁰(z)+ c₁·△ε_t ^，(z)+ c₂·△T_t ^，（z)         （6）

由于测试段与非测试段光纤温度相等，即△T_t(z)-△T_t(z^’)=△T_t ^，（z)=0；同时，非测试段光纤轴向应变为零，即△ε_t(z)-△ε(z^’)=△ε_t ^，(z)=△ε_t(z)

则式（6）变为：

△v_B,t(z)=△v_B,t ⁰(z)+ c₁·△ε_t(z)                 （7）

移向化简得：△ε_t(z)=[△v_B,t(z)-△v_B,t ⁰(z)]/c₁      （8）

式中：v_B,t (0)— 测试段

点处布里渊光的初始频率偏移；

v_B,t (z)— 测试段

点发生应变或温度变化后布里渊光的频率偏移；

c₁ 、c₂— 布里渊光的频率偏移的应变系数和温度系数

△ε_t(z)— 测试段z点处光纤轴线应变变化；

△T_t(z)—测试段z点处光纤温度变化。

光纤中发生应变或温度变化的位置Z可由下式确定：

Z=c·T/(2n)      （9）

式中：Z— 发生应变或温度变化的位置距起点的距离；

c—  真空中的光速；

T— 发送脉冲光导接受散乱光的时间差；

n— 光纤的屈折率。

则板底的应变输出可由各测试点的积分得到：

S=∫_z∈Z  △ε(z)       （10）

式中：Z— 积分域，为测试段光纤总长。

利用公式（1）、（2）可以计算出车辆经过时作用在载荷板上的轮压，累加后得到车辆的轴重、整车重量。

本发明在使用时，将两个车辆动态称重传感器前后交错布置于车道中线的左右两边，利用车轮到达两个传感器的时间差、传感器在车辆前进方向的距离，求得车辆的行驶速度；利用前后车轮达到同一个传感器的时间差和测得的行驶速度，求得车辆的轴距。

有益效果：利用分布式光纤对载荷板底部的应变进行测量并输出，由应变输出得到作用于板上部的车辆重量，达到实时动态测试的效果，具有精度高、集成度高、抗电磁干扰能力强、工作性能稳定、造价低廉、易于产品化等优点。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图，图2是实施例2的结构示意图，图3是实施例3的结构示意图。

图4是本发明实施例1中分布式光纤在载荷板上的设置示意图，图5是本发明实施例2中分布式光纤在载荷板上的设置示意图，图6是本发明实施例3中分布式光纤在载荷板上的设置示意图。

图7是本发明传感器在路面敷设位置示意图。

图中有：载荷板1，分布式光纤3，入射端31，出射端32，光纤测试段33，光纤非测试段34，高强粘合剂4，凹槽5，测试区6，载荷板下表面7，载荷板上表面8。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1中，如图1和图4所示，包括长宽比大于2：1的长方形载荷板1，在载荷板1下表面间隔刻有多条横向凹槽5，载荷板1的下表面设置有整根来回设置的通长的分布式光纤3，分布式光纤3与凹槽5相垂直设置，分布式光纤3两端分别为入射端31和出射端32。载荷板1下表面的测试区6敷设有将分布式光纤3包裹住的高强度粘合剂4，分布式光纤的测试段33分布于该区域内，分布式光纤的非测试段34位于载荷板1的两端。非测试段34可以是在载荷板的两端都设置，也可以是只在一端设置。

实施例2中，如图2和图5所示，所述载荷板1下表面间隔刻有多条纵向凹槽5，相应的，分布式光纤3的设置方向也发生改变，其余同实施例1。

实施例3中，如图3和图6所示，其结构同实施例1相类似，所不同的是，分布式光纤3沿载荷板1的下表面纵向中线单根设置，分布式光纤3的入射端31和出射端32分别位于载荷板1的两端。

分布式光纤与凹槽的垂直角度偏差≤5°。凹槽的间距5cm—20cm，深度1 cm—2.5 cm，宽度1 cm—3 cm，非测试区宽度≥5 cm。

将本发明的车辆动态称重传感器安装至监测车道位置，载荷板下表面朝下安装，载荷板上表面与路面找平。车辆行驶经过传感器，承载板1弯曲，承载板1板底发生拉应变。因板底凹槽处截面刚度削弱，承载板1凹槽边缘相对变形增大，该位置测试段光纤33轴向应变增大，增大光纤测试敏感度，提高动态测试精度。

如图中所示，激光发射器发射的激光由入射端31进入测试段光纤33。车辆以速度v经过时，测试段光纤33发生轴线变形，导致测试段光纤33的后向布里渊散乱光谱发生偏移。获取测试段光纤33和非测试段34反射回的连续光的功率，分别得到它们的光频率偏移量，代入公式8、9得到测试段光纤33的轴向应变和分布，进而由公式10得到应变输出S，由公式1或2得到车辆轮重P。

将一组两个传感器按图7所示位置安装至监测车道上，即可实现对汽车轴重、整车重量、到达时间、行驶速度、轴距等参数的测量。以两轴四轮汽车为例，监测记录下各车轮的轮重后，分别累加前、后轮重即得到汽车前、后轴重，累加各轴轴重得到整车重量。计汽车的右前轮到达车道右侧的传感器时光纤应变发生突变的时间t₁，右后轮到达车道右侧的传感器时光纤应变发生突变的时间t₂，左前轮到达车道右侧的传感器时光纤发生突变的时间t₁ ^，，左到达车道右侧的传感器时光纤发生突变的时间t₂ ^，。已知传感器之间沿汽车行驶方向的距离s，则汽车行驶速度：v=s/(t₁ ^，-t₁)或v=s/(t₂ ^，-t₂)；汽车的轴距为d=v·(t₂-t₁)或d=v·(t₂ ^,-t₁ ^，)。

Claims (8)

1.一种车辆动态称重传感器，其特征在于，该传感器包括长宽比大于2：1的长方形载荷板（1），在所述载荷板（1）下表面间隔刻有多条凹槽（5），载荷板（1）的下表面设置有与凹槽（5）相垂直的整根通长的分布式光纤（3），所述分布式光纤（3）两端分别为入射端（31）和出射端（32）；载荷板（1）下表面设置的测试区（6）敷设有将分布式光纤（3）包裹住的高强度粘合剂（4），分布式光纤的测试段（33）分布于测试区（6）内，分布式光纤的非测试段（34）位于载荷板（1）的两端。

2.根据权利要求1所述的车辆动态称重传感器，其特征在于，所述凹槽（5）横向或纵向刻在载荷板（1）的下表面。

3.根据权利要求1所述的车辆动态称重传感器，其特征在于，所述分布式光纤（3）来回设置在载荷板（1）的下表面。

4.根据权利要求1所述的车辆动态称重传感器，其特征在于，所述凹槽（5）横向刻在载荷板（1）的下表面，所述分布式光纤（3）沿载荷板（1）的下表面纵向中线单根设置；所述分布式光纤（3）两端的入射端（31）和出射端（32）分别位于载荷板（1）的两端。

5.根据权利要求1、2或3所述的车辆动态称重传感器，其特征在于，所述分布式光纤（3）与凹槽（5）的垂直角度偏差≤5°。

6.根据权利要求1、2或3所述的车辆动态称重传感器，其特征在于，所述凹槽（5）的间距5cm—20cm，深度1 cm—2.5 cm，宽度1 cm—3 cm。

7.根据权利要求1、2或3所述的车辆动态称重传感器，其特征在于，所述的非测试区（6）宽度≥5 cm。

8.根据权利要求1、2或3所述的车辆动态称重传感器，其特征在于，所述的凹槽（5）中填充有柔性填充材料。

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