CN102200466A - 光纤光栅高速称重装置及现场标定方法 - Google Patents

Abstract

一种光纤光栅高速称重装置，包括：光纤光栅、支承座、钢柱、弹性元件板；通过标定，确定其标定系数后，利用车辆经过弹性元件板，弹性元件板产生相应的变形，粘贴在其上的光纤光栅因应变变化，其对应的中心波长亦产生变化，通过检测光纤光栅中心波长的变化量，就可以实时测出车辆的重量。本发明对外界干扰不敏感，稳定性较高；称重精度高，系统误差在10％之内；适于工程应用。

Description

光纤光栅高速称重装置及现场标定方法

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅高速称重装置及现场标定方法，特别是指一种具有高精度、高过车速度、耐久性和抗环境干扰能力优异的光纤光栅高速称重装置及现场标定方法，用于公路桥梁健康监测中。

技术背景

在动态称重领域，已有的称重系统均为基于电阻应变片，压电晶体等传统的传感元件。光纤光栅由于具有精度高，稳定性好，可适应各种恶劣环境等众多优点，它与动态称重系统对传感元件的要求不谋而合。

1999年开始，美国俄勒冈州引入了光纤光栅传感器对其州下的几条高速公路做交通荷载调查；

2006年，哈尔滨工业大学刘静在其硕士论文中提出了一种基于光纤光栅的地磅秤，利用将光栅置于钢筋混凝土梁体内，利用光栅监测梁体变形间接获得导致梁体变形的汽车荷载；山东大学何西坤在其硕士论文中提出了利用光纤布拉格光栅作为传感元件来检测轴向压力。并结合使用光纤加强材料(FRC)，即很多层光纤加强材料被特殊封装胶固定在光纤布拉格光栅的两侧，光纤布拉格光栅被光纤加强材料紧紧包裹在其中，一直加到光纤加强材料层的厚度接近1厘米。光纤布拉格光栅的中心波长是1536.770nm，并据此设计出动态称重传感器；大连海事大学吴奇峰在其硕士论文中也提出一种基于马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪的频率输出型光纤动态称重传感器；

2008年，中科院的翟玉锋等人在实验室内搭建了一套光纤动态称重系统，该系统是基于普通单模光纤光栅传感技术。在实验小车经过支撑称重台面的金属弹性体时，将引起弹性体形变，采用光纤光栅传感器监测这一形变。通过分析光纤光栅解调仪采集到的光纤光栅传感信号，反演出实验小车的质量。实验结果表明系统精度优于±3％。在19th International Conference on Optical Fibre Sensors上，Zhang等人提出了一种基于FBG的轻便式动态称重传感器，该称重传感器能检测出轴重、轴距等车轴参数，检测速度达到了15英里/小时；

在已发表的文献来看，光纤光栅传感技术近年来在动态称重领域获得了蓬勃的发展。但绝大多数的研究仅停留在实验室阶段，尚未用于工程实际中，这些已提出的基于光纤光栅传感技术的动态称重系统或存在称重精度不高，或存在车辆通行速度不高等各种问题使其还不能面向于工程实际。为此研制了光纤光栅动态称重装置并设计了其标定方法，对于土木工程结构变形监测具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤光栅高速称重装置及现场标定方法，可方便的应用于工程实际中。

本发明一种光纤光栅高速称重装置，包括：光纤光栅、支承座、钢柱、弹性元件板；所述支承座为一长方体，沿长度方向设有一凹槽；所述弹性元件板的形状与所述支承座的相同并安装在所述支承座上；在所述凹槽中沿所述凹槽的长度方向设有一排钢柱，所述钢柱的上端面与所述弹性元件板的底面具有1～2mm的空隙；在所述弹性元件板的底面，沿所述弹性元件板中心轴线宽度方向粘贴有多根光纤光栅。

本发明中，所述弹性元件板与所述支承座2的接触面之间用防水密封胶密封。

本发明中，所述光纤光栅采用相位掩模法在掺锗光敏光纤中写入。

本发明中，所述弹性元件板采用65Mn作为称重板的弹性元件材料。

本发明中，光纤光栅采用乐泰326结构胶粘贴，它具有优良的疲劳性能，适合于系统的长期稳定工程环境。

本发明中，所述防水密封胶为丁基防水密封胶，它的机械性能优异对于界面形变和开裂适应性强，并且稳定的化学性能：具有优良的耐化学性，耐候性和耐腐蚀性。

本发明中，所述光纤光栅的粘贴方法是：

第一步：用砂布对弹性元件板上粘贴位置进行打磨，而后用酒精把粘贴处清洗干净；待酒精挥发，等弹性元件板表面风干后，在粘贴过程中施加适当的预应力，用环氧树脂胶将光纤光栅沿弹性元件板的轴线粘贴。

第二步：待环氧树脂胶完全固化后，在光栅表面均匀涂抹硅胶，待其固化，至此光纤光栅的粘贴工作完成。

本发明一种光纤光栅高速称重装置的现场标定方法，包括下述步骤：

第一步：将光纤光栅高速称重装置安装在待监测高速公路路面上，使支承座的长度方向与路面轴线方向垂直；

第二步：使重量为W的标定车辆以不同的速度V_i驶过本发明称重装置，i＝1.2…m，通过光纤光栅解调仪SM130以1000Hz采样频率对光纤光栅的波长值进行采样，即时间间隔Δt＝0.001秒时就采得一组数据，最终在c个时间点(t₁.t₂…t_s…t_c)一共采得了c组波长数据，按式

得到相应应变数据，式中：s＝1.2.3…c；

是指属于第s组数据的第k条光纤光栅波长的变化，α_ε为光纤光栅轴向应变与中心波长变化关系的灵敏度系数；

第三步，将第二步测得的数据，按以下步骤求出光纤光栅高速称重装置的动态输出Qⁱ

1、对时间点t_s上所测得的第s组数据，在板的长度方向对所有粘贴的光纤光栅测量值进行一次积分，算出在t_s时间点上整个板的应变和，积分的步长为两相邻光纤光栅间的距离l，根据数值积分中复化梯形求积公式可得应变和

式中：n为光纤光栅数量，l为两相邻光纤光栅应变片的距离；

2、将A_s对时间进行积分，积分的步长是采样频率的间隔时间Δt，根据数值积分中复化梯形求积公式可得称重板的动态输出为：

式中，n为光纤光栅数量；

3、根据弯板式动态称重基本原理公式计算得到相应的标定系数

第四步：以速度V为横坐标、标定系数S₀为纵坐标设置笛卡尔直角坐标系；根据第三步所得的V_i、

数据，得到标定系数S₀数据点的离散分布图，根据离散分布图中S₀数据点的分布形状，采用一次多项式对离散的数据点进行线性拟合，确定一次多项式为

式中φ(V_j)是以速度V_j为自变量的函数，其中V_j为实际工程中测得的车辆驶过光纤光栅高速称重装置时的速度；

第五步：根据最小二乘法原理，有

φ为一次多项式集合；取j＝i，得到：

令

即

将第二步所得的

V_i数据代入I中，当φ(V_i)满足时，由求多元极值的必要条件可得：

即得到含有2个未知数a、k的两个方程，解方程组，得a、k，从而得到拟合的

第六步：根据第五步得到的

按式

式中：Q^j为所测得的相应速度V_j下光纤光栅高速称重装置中光纤光栅的动态输出；即得到即时的车重P。

本发明制备的光纤光栅高速称重装置，按如下步骤获取所驶过车辆的重量：

本发明的敏感元件主要是弹性元件板与光纤光栅，当车辆经过弹性元件板时，弹性元件板产生相应的变形，粘贴在其上的光纤光栅因应变变化，其对应的中心波长亦产生变化，通过检测光纤光栅中心波长的变化量就可以测出车辆的重量。其中称重公式为，

式中Q^j为所测得的相应速度下光纤光栅高速称重装置中光纤光栅的动态输出，V_j为车辆驶过光纤光栅高速称重装置时的速度，可以通过测量和计算得到，

为标定系数，通过本发明所述标定方法得到。其中本发明所述标定方法原理为车辆经过称重板的输出并非一个移动恒载，由于跟路面不平整等因素有关，而更偏向于移动随机荷载的形式，由于不能做到路面十分平整，路面不平整引起的车辆附加动荷载不能忽略，所以称重板的标定系数是一个跟路面不平整综合参数和车辆速度有关的动态参数。

S₀＝F[a，v]

其中：a为称重板附近的路面不平整幅值和波长的综合影响参数，在称重板附近的一段有限长的路上，a为常量；v为车速

经过大量的实验，本发明提出的标定系数公式为：

S₀＝a·v+k

其中：S₀＝S·v/P；a为路面不平整影响参数，也是车速的贡献系数。路面平整度越高，a值越小；k为经验常数。两者需现场标定。

本发明采用经热处理工艺加工后的65Mn作为称重板的弹性元件材料，从而使称重系统具有较好的高技术性能和稳定性；其次对于严重超载的车辆荷载，称重板利用限制下挠量对其提供过载保护，能始终保证称重板始终在弹性范围内工作；总结起来，本发明具有以下优点：

(1)对外界干扰不敏感，在环境因素的干扰中，表现出了较高的稳定性。

(2)称重精度高。在和同路段的一套压电式称重系统的对比中(用同一辆标定车辆先后驶过两套系统)，光纤光栅高速称重系统表现出更高的测量精度：在7个不同车速的工况中，光纤光栅高速称重系统的误差基本在10％之内；而压电式称重系统只能处在10％至20％之间。

附图说明

附图1为本发明结构示意图。

附图2为本发明中光纤光栅结构示意图。

附图3为本发明实施例1所得的实验数据离散分布图。

附图4为本发明实施例2所得的实验数据离散分布图。

图中：1-光纤光栅，2-支承座，3-钢柱，4-弹性元件板，5-凹槽，9-纤芯，12-包层。

具体实施方式

本发明的具体实施方式，下面结合附图及实施例进行详细说明。

实施例1：

参见附图1、2，本发明一种光纤光栅高速称重装置，包括：光纤光栅1、支承座2、钢柱3、弹性元件板4。所述支承座2为一长方体，沿长度方向设有一凹槽5；所述弹性元件板4的形状与所述支承座2的相同并安装在所述支承座2上；在所述凹槽5中沿所述凹槽5的长度方向设有一排钢柱3，所述钢柱3的上端面与所述弹性元件板4的底面具有1～2mm的空隙；在所述弹性元件板4的底面，沿所述弹性元件板4的宽度方向粘贴有多根光纤光栅1。

本实施例中，所述弹性元件板4与所述支承座2的接触面之间用防水密封胶密封。

本实施例中，所述光纤光栅1，由含有10个光栅区的纤芯9构成，外面包有包层12，采用相位掩模法在掺锗光敏光纤中写入，布拉格波长为1550nm，反射率大于90％。本实施例中，所述弹性元件4板采用65Mn作为称重板的弹性元件材料。

本实施例中，光纤光栅1采用乐泰326结构胶粘贴，它具有优良的疲劳性能，适合于系统的长期稳定工程环境。

本实施例中，所述防水密封胶为丁基防水密封胶，它的机械性能优异对于界面形变和开裂适应性强，并且稳定的化学性能：具有优良的耐化学性，耐候性和耐腐蚀性。

本实施例中，所述光纤光栅1的粘贴方法是：

第一步：用砂布对弹性元件板上粘贴位置进行打磨，而后用酒精把粘贴处清洗干净；待酒精挥发，等弹性元件板表面风干后，在粘贴过程中施加适当的预应力，用环氧树脂胶将光纤光栅沿弹性元件板的轴线粘贴。

第二步：待环氧树脂胶完全固化后，在光栅表面均匀涂抹硅胶，待其固化，至此光纤光栅的粘贴工作完成。

本发明实施例制备的光纤光栅高速称重装置的现场标定方法是：

第一步：将光纤光栅高速称重装置安装在混凝土路面高速公路路面上，使支承座的长度方向与路面轴线方向垂直；

第二步：使重量为W的标定车辆以不同的速度V_i驶过本发明称重装置，i＝1.2…m，通过光纤光栅解调仪SM130以1000Hz采样频率对光纤光栅的波长值进行采样，即时间间隔Δt＝0.001秒时就采得一组数据，最终在c个时间点(t₁.t₂…t_s…t_c)一共采得了c组波长数据，按式

得到相应应变数据，式中：s＝1.2.3…c；

是指属于第s组数据的第k条光纤光栅波长的变化，α_ε为光纤光栅轴向应变与中心波长变化关系的灵敏度系数；

第三步，将第二步测得的数据，按以下步骤求出光纤光栅高速称重装置的动态输出Qⁱ

1、对时间点t_s上所测得的第s组数据，在板的长度方向对所有粘贴的光纤光栅测量值进行一次积分，算出在t_s时间点上整个板的应变和，积分的步长为两相邻光纤光栅间的距离l，根据数值积分中复化梯形求积公式可得应变和

式中：n为光纤光栅数量，l为两相邻光纤光栅应变片的距离；

2、将A_s对时间进行积分，积分的步长是采样频率的间隔时间Δt，根据数值积分中复化梯形求积公式可得称重板的动态输出为：

式中，n为光纤光栅数量；

3、根据弯板式动态称重基本原理公式

计算得到相应的标定系数

第二步原始数据、测量数据及第三步计算结果分别见表1、2：

表1标定车辆参数

标定车辆	前轴重(t)	后轴重(t)	整车重(t)
				东风本田C-RV	0.98	0.83	1.81

表2

第四步：以速度V为横坐标、标定系数S₀为纵坐标设置笛卡尔直角坐标系；根据第三步所得的V_i、

数据，得到标定系数S₀数据点的离散分布图，见附图3，根据离散分布图中S₀数据点的分布形状，采用一次多项式对离散的数据点进行线性拟合，确定一次多项式为式中φ(V_j)是以速度V_j为自变量的函数，其中V_j为实际工程中测得的车辆驶过光纤光栅高速称重装置时的速度；

第五步：根据最小二乘法原理，有

φ为一次多项式集合；取j＝i，得到：

令

即

将第二步所得的

V_i数据代入I中，当φ(V_i)满足

时，由求多元极值的必要条件可得：

即得到含有2个未知数a、k的两个方程，解方程组，得a、k，从而得到拟合的

第六步：根据第五步得到的

按式

式中：Q^j为所测得的相应速度V_j下光纤光栅高速称重装置中光纤光栅的动态输出；即得到即时的车重P。

实施例2：

采用实施例1的光纤光栅高速称重装置，现场标定方法是：

第一步：将光纤光栅高速称重装置安装在改性沥青路面高速公路路面上，使支承座的长度方向与路面轴线方向垂直；

第二步：使重量为W的标定车辆以不同的速度V_i驶过本发明称重装置，i＝1.2…m，通过光纤光栅解调仪SM130以1000Hz采样频率对光纤光栅的波长值进行采样，即时间间隔Δt＝0.001秒时就采得一组数据，最终在c个时间点(t₁.t₂…t_s…t_c)一共采得了c组波长数据，按式

得到相应应变数据，式中：s＝1.2.3…c；

是指属于第s组数据的第k条光纤光栅波长的变化，α_ε为光纤光栅轴向应变与中心波长变化关系的灵敏度系数；

第三步，将第二步测得的数据，按以下步骤求出光纤光栅高速称重装置的动态输出Qⁱ

1、对时间点t_s上所测得的第s组数据，在板的长度方向对所有粘贴的光纤光栅测量值进行一次积分，算出在t_s时间点上整个板的应变和，积分的步长为两相邻光纤光栅间的距离l，根据数值积分中复化梯形求积公式可得应变和

式中：n为光纤光栅数量，l为两相邻光纤光栅应变片的距离；

2、将A_s对时间进行积分，积分的步长是采样频率的间隔时间Δt，根据数值积分中复化梯形求积公式可得称重板的动态输出为：

式中，n为光纤光栅数量；

3、根据弯板式动态称重基本原理公式

计算得到相应的标定系数

第二步原始数据、测量数据及第三步计算结果分别见表3、4：

表3标定车辆重要参数

标定车辆	前轴重(t)	后轴重(t)	整车重(t)
				解放牌货车	4.59	11.18	15.77

表4  试验场地2标定数据

第四步：以速度V为横坐标、标定系数S₀为纵坐标设置笛卡尔直角坐标系；根据第三步所得的V_i、

数据，得到标定系数S₀数据点的离散分布图，见附图4，根据离散分布图中S₀数据点的分布形状，采用一次多项式对离散的数据点进行线性拟合，确定一次多项式为

式中φ(V_j)是以速度V_j为自变量的函数，其中V_j为实际工程中测得的车辆驶过光纤光栅高速称重装置时的速度；

第五步：根据最小二乘法原理，有

φ为一次多项式集合；取j＝i，得到：

令

即

将第二步所得的

V_i数据代入I中，当φ(V_i)满足

时，由求多元极值的必要条件可得：

即得到含有2个未知数a、k的两个方程，解方程组，得a、k，从而得到拟合的

第六步：根据第五步得到的

按式

式中：Q^j为所测得的相应速度V_j下光纤光栅高速称重装置中光纤光栅的动态输出；即得到即时的车重P。

Claims (8)

1.一种光纤光栅高速称重装置，包括：光纤光栅、支承座、钢柱、弹性元件板；所述支承座为一长方体，沿长度方向设有一凹槽；所述弹性元件板的形状与所述支承座的相同并安装在所述支承座上；在所述凹槽中沿所述凹槽的长度方向设有一排钢柱，所述钢柱的上端面与所述弹性元件板的底面具有1～2mm的空隙；在所述弹性元件板的底面，沿所述弹性元件板中心轴线宽度方向粘贴有多根光纤光栅。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅高速称重装置，其特征在于：所述弹性元件板与所述支承座2的接触面之间用防水密封胶密封。

3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅高速称重装置，其特征在于：所述光纤光栅采用相位掩模法在掺锗光敏光纤中写入。

本发明中，所述弹性元件板采用65Mn作为称重板的弹性元件材料。

4.根据权利要求1所述的一种光纤光栅高速称重装置，其特征在于：光纤光栅采用乐泰326结构胶粘贴，它具有优良的疲劳性能，适合于系统的长期稳定工程环境。

5.根据权利要求1所述的一种光纤光栅高速称重装置，其特征在于：所述防水密封胶为丁基防水密封胶，它的机械性能优异对于界面形变和开裂适应性强，并且稳定的化学性能：具有优良的耐化学性，耐候性和耐腐蚀性。

6.根据权利要求1所述的一种光纤光栅高速称重装置，其特征在于：所述光纤光栅的粘贴方法是：

第一步：用砂布对弹性元件板上粘贴位置进行打磨，而后用酒精把粘贴处清洗干净；待酒精挥发，等弹性元件板表面风干后，在粘贴过程中施加适当的预应力，用环氧树脂胶将光纤光栅沿弹性元件板的轴线粘贴。

第二步：待环氧树脂胶完全固化后，在光栅表面均匀涂抹硅胶，待其固化，至此光纤光栅的粘贴工作完成。

7.一种光纤光栅高速称重装置的现场标定方法，包括下述步骤：

第一步：将光纤光栅高速称重装置安装在待监测高速公路路面上，使支承座的长度方向与路面轴线方向垂直；

第二步：使重量为W的标定车辆以不同的速度Vi驶过本发明称重装置，i＝1.2…m，通过光纤光栅解调仪对光纤光栅的波长值进行采样，即时间间隔Δt＝0.001秒时就采得一组数据，最终在c个时间点(t₁.t₂…t_s…t_c)一共采得了c组波长数据，按式

得到相应应变数据，式中：s＝1.2.3…c；

是指属于第s组数据的第k条光纤光栅波长的变化，α_ε为光纤光栅轴向应变与中心波长变化关系的灵敏度系数；

第三步，将第二步测得的数据，按以下步骤求出光纤光栅高速称重装置的动态输出Qⁱ

1、对时间点t_s上所测得的第s组数据，在板的长度方向对所有粘贴的光纤光栅测量值进行一次积分，算出在t_s时间点上整个板的应变和，积分的步长为两相邻光纤光栅间的距离l，根据数值积分中复化梯形求积公式可得应变和式中：n为光纤光栅数量，l为两相邻光纤光栅应变片的距离；

2、将A_s对时间进行积分，积分的步长是采样频率的间隔时间Δt，根据数值积分中复化梯形求积公式可得称重板的动态输出为：

式中，n为光纤光栅数量；

3、根据弯板式动态称重基本原理公式

计算得到相应的标定系数

第四步：以速度V为横坐标、标定系数S₀为纵坐标设置笛卡尔直角坐标系；根据第三步所得的V_i、

数据，得到标定系数S₀数据点的离散分布图，根据离散分布图中S₀数据点的分布形状，采用一次多项式对离散的数据点进行线性拟合，确定一次多项式为式中φ(V_j)是以速度V_j为自变量的函数，其中V_j为实际工程中测得的车辆驶过光纤光栅高速称重装置时的速度；

第五步：根据最小二乘法原理，有

φ为一次多项式集合；取j＝i，得到：

令

即

将第二步所得的

V_i数据代入I中，当φ(V_i)满足

时，由求多元极值的必要条件可得：

即得到含有2个未知数a、k的两个方程，解方程组，得a、k，从而得到拟合的

第六步：根据第五步得到的

按式

式中：Q^j为所测得的相应速度V_j下光纤光栅高速称重装置中光纤光栅的动态输出；即得到即时的车重P。

8.根据权利要求6所述的一种光纤光栅高速称重装置的现场标定方法，其特征在于：所述纤光栅解调仪型号为SM130；采样频率为1000Hz。

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