CN102243094B - 光纤-液压组合式车辆动态称重装置 - Google Patents

光纤-液压组合式车辆动态称重装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤-液压组合式车辆动态称重装置，其特征在于：该装置包括光纤微弯传感器（1）、通过第二连接油管（5）与光纤微传感器（1）连接的光纤液压传感器（2）、通过第一连接油管（4）与光纤微弯传感器（1）连接的液压油泵（3）、通过第一传输光纤（1－4）和第二传输光纤（1－5）与光纤微弯传感器（1）连接的第一光强解调模块（6）、通过第三传输光纤（2－10）和第四传输光纤（2－11）与光纤液压传感器（2）连接的第二光强解调模块（7）。本发明提升的了该装置的稳定性和可靠性。

Description

光纤-液压组合式车辆动态称重装置
技术领域
本发明涉及一种车辆动态称重传感器，主要应用于桥梁、道路上行驶车辆的重量和速度的实时监测的车辆动态称重系统。
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具有对电信号干扰很大，易于受潮，工作性能不稳定、结构的耐久性较差；弯板式动态称重系统虽然具有结构简单，但采用的应变传感器为电阻式应变片，容易受到电磁干扰，长期使用会产生漂移和徐变等。光纤光栅传感器虽然精度高、耐久性好、抗电磁干扰能力强，但不能实现分布式测量，大量布置必然造成称重系统的造价较高，无法广泛推广应用。
采用能够实现分布式测量的光纤时域反射技术和光纤微弯技术是一种较好的解决方式。分布式光纤传感系统基于光时域反射（Optical Time Domain Reflectmetry）的技术原理：激光光源发出的光脉冲沿着光纤传输，大部分光向前传输，一小部分散射光信号会沿着光纤反射回来，利用这些反射回来的光强度对应变的和温度的敏感性对结构的应变和温度进行检测，同时利用不同位置处的反射时间的不同，实现分布式的测量。分布式光纤具有抗电磁干扰能力强、精度高、成本低、耐久性好等优点，是理想的应变传感材料。光纤微弯技术是利用光纤发生弯曲时，一部分光从纤芯耦合进入包层，到达光纤端部纤芯中的光强度减弱，引起光功率损耗。利用光功率的变化与引起光纤微弯的扰动物理量的大小成一一对应关系，达到对外部扰动物理量的测量。
由于车辆动态称重系统的车辆荷载比较复杂，外部干扰因素较多，采用单一的光纤时域反射测量系统或光纤微弯测量系统容易受到偶然因素的影响，造成测量结果不够准确。将两种测量技术结合，可有效减少偶然因素对测量结果的影响，增加称重系统的抗干扰能力。同时，两种测量系统可相互校核，进一步提高称重的准确性。
发明内容
技术问题：本发明要解决的技术问题是提出一种光纤-液压组合式车辆动态称重传感器，它能对桥梁、道路结构上行驶中的车辆的重量进行测量，具有结构简单、耐久性好、造价低廉、可远程监控等优点。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出一种光纤-液压组合式车辆动态称重装置，其特征在于：该装置包括光纤微弯传感器、通过第二连接油管与光纤微传感器连接的光纤液压传感器、通过第一连接油管与光纤微弯传感器连接的液压油泵、通过第一传输光纤和第二传输光纤与光纤微弯传感器连接的第一光强解调模块、通过第三传输光纤和第四传输光纤与光纤液压传感器连接的第二光强解调模块。
优选的，光纤微弯传感器包括弹性油管、第一液压油、第一测试光纤、底板、盖板、第一减振锲块、第二减振锲块；第一测试光纤螺旋缠绕并粘贴在弹性油管表面，第一液压油位于弹性油管内；弹性油管放置在底板上，盖板位于弹性油管上，底板与盖板固定连接；第一减振锲块、第二减振锲块放置在监测车道路面上并与地面锚固，第一减振锲块和第二减振锲块的顶面与盖板顶面相切。
优选的，光纤液压传感器包括液压油管、第二液压油、液压油缸、过流阀、油缸活塞头、弹性活塞圆管、第一光纤固定架、第二光纤固定架、第二测试光纤；过流阀为中部带孔密封连接件，过流阀与液压油管固定连接，第二液压油经过流阀流入、流出液压油缸；弹性活塞圆管一端与过流阀固定连接，另一端与油缸活塞头固定连接；油缸活塞头与过流阀相对设置且与液压油缸密封接触，液压活塞头在压力作用下沿液压油缸内壁滑动；第一光纤固定架和第二光纤固定架分别固定在弹性活塞圆管的内壁上，第一光纤固定架和第二光纤固定架相对设置；第二测试光纤自弹性活塞圆管中引出至第二光强解调模块；第二测试光纤两端分别与第三传输光纤、第四传输光纤连接。
优选的，弹性油管和第一液压油组合作为光纤微弯-油管传感器的弹性芯材。
有益效果：光纤微弯-液压组合式车辆动态称重系统，采用光纤微弯原理和光纤应变测试技术测量行驶中的车辆重量，该传感器具有以下优点：
（1）采用弹性油管作为车重的承载部件，不同部位的液压压强相同，改变了机械式结构由于应力分布不均匀造成的测试困难；
（3）系统由两个独立的传感器组成，相互测试无干扰，提升的了系统的整体稳定性和可靠性；
（3）两套独立的传感系统可以相互校核，提高测量的准确性；
（2）采用光纤作为敏感测试元件，耐久性好、抗电磁干扰能力强、造价低，同时易于实现远程测量、监控；
（4）整套系统在安装中不需要开挖路面，可实现无损安装，施工简单，检修维护方便；
（5）系统整体结构简单，容易加工成便携式测试仪器，进一步降低测试成本。
附图说明
图1是本发明的系统结构图；
图2是本发明的光纤微弯-油管传感器三维图；
图3a是本发明的光纤-液压传感器结构图；
图3b是图3a中A-A剖面；
图3c是图3a中B-B剖面；
图4a是本发明的光纤液压传感器弹性活塞圆管结构图；
图4b是第一光纤固定架、第二光纤固定架大样图1；
图4c是第一光纤固定架、第二光纤固定架大样图2；
图5是本发明的现场安装示意图；
图中有：光纤微弯传感器1、光纤液压传感器2、液压油泵3、第一连接油管4、第二连接油管5、第一光强解调模块6、第二光强解调模块7、弹性油管1-1、第一液压油1-2、第一测试光纤1-3、第一传输光纤1-4、第二传输光纤1-5、底板1-6、盖板1-7、第一减振锲块1-8、第二减振锲块1-9、液压油管2-1、第二液压油2-2、液压油缸2-3、过流阀2-4、油缸活塞头2-5、弹性活塞圆管2-6、第一光纤固定架2-7、第二光纤固定架2-8、第二测试光纤2-9、第三传输光纤2-10、第四传输光纤2-11、第一安装光纤微弯-弹性油管传感器8、第二安装光纤微弯-弹性油管传感器9、第一安装光纤-液压传感器10、第二安装光纤-液压传感器11、第三连接油管12、第四连接油管13、第五连接油管14、第六连接油管15、第一安装光纤-液压传感器16、第二安装光纤-液压传感器17。
具体实施方式   
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明由光纤微弯-弹性油管传感器1、光纤液压传感器2、液压油泵3、第一连接油管4、第二连接油管5、第一光强解调模块6、第二光强解调模块7组成。
第一连接油管4连接弹性油管1-1与液压油泵3，第二连接油管5连接弹性油管1-1与光纤液压传感器2。 液压油泵3输出第一液压油1-2至光纤微弯-弹性油管传感器1，输出第二液压油2-2至光纤液压传感器2，达到设计油压后关闭液压油泵3，将出油口锁紧。第一光强解调模块6发射激光，激光经第一传输光纤1-4进入第一测试光纤 1-3 ，经第二传输光纤 1-5 返回第一光强解调模块 6 。第二光强解调模块 7 发射激光，激光经第三传输光纤 2-10 进入第二测试光纤 2-9 ，经第四传输光纤 2-11 返回第二光强解调模块 7 。
如图2所示，将弹性油管 1-1 表面清洁处理后，将测试光纤 1-3 螺旋缠绕并粘贴至弹性油管1-1，测试光纤 1-3 两端与第一传输光纤 1-5 和第二传输光纤 1-6 相连，第一传输光纤 1-4 和第二传输光纤 1-5 分别接第一光强解调模块 6 的输出端口和输入端口。将底板1-6安装至测试路面上，将安装有测试光纤 1-3 的弹性油管 1-1 安装至底板，将弹性油管 1-1 两端分别与第一连接油管 4 、第二连接油管 5 连接，盖上盖板 1-7 ，盖板 1-7 与底板 1-6 锚固连接，将第一减振锲块 1-8 和第二减振锲块 1-9 安装至盖板 1-7 和底板 1-6 的边缘。开启第一光强解调模块 6 ，激光经第一传输光纤 1-4 输入第一测试光纤 1-3 ，经第二传输光纤 1-5 返回第一光强解调模块 6 。当汽车经过并碾压盖板 1-7 ，弹性油管 1-1 因车辆重量作用发生变形，同时弹性油管 1-1 内第一液压油 1-2 的压强升高。相应压迫位置的第一测试光纤 1-3 随着液压油管的变形而发生微弯曲，曲率半径变小，一部分光从纤芯耦合进入包层，返回第一光强解调模块 6 的光功率减弱。公式 （1） ：
Figure 411349DEST_PATH_IMAGE001
                                                              （1）式中， 
Figure 53945DEST_PATH_IMAGE002
— 汽车重量；
Figure 551922DEST_PATH_IMAGE003
— 返回第一光强解调模块光功率；
Figure 385886DEST_PATH_IMAGE004
— 标定常数，由现场标定得到，计算得到汽车重量。汽车经过后，弹性油管 1-1 恢复原来形状，第一测试光纤 1-3 也随之恢复原形。
如图3a、3b、3c所示，如上所述，在汽车经过弹性油管 1-1 时，弹性油管 1-1 内第一液压油 1-2 的压强升高。由于封闭腔内的液体压强处处相等，经第二连接油管 5 、过流阀 2-4 与弹性油管 1-1 相连的液压油缸 2-3 内的第二液压油 2-2 压强随之升高，且升高值相同。第二液压油 2-2 压强升高使得作用在液压活塞头 2-5 上的压力增加，与液压活塞头 2-5 密封固接的弹性活塞圆管 2-6 的发生受拉变形，与弹性活塞管 2-6 内侧两端相连的第一光纤固定架2-7 、第二光纤固定架2-8 的相对距离增加，第二测试光纤 2-9 的应变增加，由第二光强解调模块 7 射入的激光的布里渊散乱光的频率发生漂移。利用第三传输光纤 2-10 、第四传输光纤 2-11 作为温度补偿光纤，由公式（2） ：
Figure 336525DEST_PATH_IMAGE005
                                       （2） 式中：
Figure 281347DEST_PATH_IMAGE006
 —  第二测试光纤布里渊散乱光的初始频率偏移；
      
Figure 633831DEST_PATH_IMAGE007
 —  第二测试光纤发生应变或温度变化后布里渊散乱光的频率偏移；
 — 布里渊光的频率偏移的应变系数和温度系数。
计算得到测试光纤的应变，进而得到汽车重量。
如图4所示，第一光纤固定架2-7和第二光纤固定架2-8的悬臂端布置有弧形孔道,第二测试光纤2-9通过第二光强解调模块7引到弹性活塞圆管2-6，依次穿过第二光纤固定架2-8的孔道、第一光纤固定架2-7的孔道后，再次穿过第二光纤固定架2-8的孔道、第一光纤固定架2-7的孔道；重复上述过程数次后，第二测试光纤2-9自弹性活塞圆管2-6中引出至第二光强解调模块7。如上所述，弹性活塞圆管 2-6 两端的相对变形集中两个圆孔间的长度范围内；由式 （3） ：
Figure 660920DEST_PATH_IMAGE009
                                                              （3） 式中：
Figure 81537DEST_PATH_IMAGE010
 — 第二测试光纤应变；
      
Figure 616424DEST_PATH_IMAGE011
 — 弹性活塞圆管应变；、
      
Figure 729873DEST_PATH_IMAGE012
 — 弹性活塞圆管的长度；
      
Figure 717421DEST_PATH_IMAGE013
 — 光纤固定架1和光纤固定架2孔道间距离。
得：第二测试光纤 2-8 的应变被放大，增大光纤应变测试的敏感度。
如图5所示，将第一安装光纤微弯-液压油管传感器 8 、第二安装光纤微弯-液压油管传感器 9 安装至测试车道，分别通过第三连接油管 12 、第四连接油管13 连接至液压油泵 3 ，分别通过第五连接油管14 、第六连接油管15 连接至第一安装光纤-液压传感器10 、第二安装光纤液压传感器11 。
如图5所示，以两轴四轮汽车为例，对车辆到达时间、车辆速度、轴距的测试机理进行叙述。如上所述，将系统安装至测试车道上，汽车的右前轮到达第二安装光纤微弯-液压油管传感器 9 时光功率发生损失 或第二安装光纤-液压传感器11 中测试光纤应变突变 的时间，右后轮经过第二安装光纤微弯-液压油管传感器 9 时光功率发生损失 或第二安装光纤-液压传感器11 中测试光纤应变突变 的时间
Figure 65542DEST_PATH_IMAGE015
，左前轮经过达到光纤微弯-弹性油管传感器1 8 ，记录光功率发生损失或第一安装光纤-液压传感器10 中测试光纤应变突变 的时间
Figure 349893DEST_PATH_IMAGE016
，左后轮经过第一安装光纤微弯-弹性油管传感器 8 时光功率发生损失 或第一光纤-液压传感器10 中测试光纤应变突变 的时间
Figure 326202DEST_PATH_IMAGE017
，已知第一安装光纤微弯-弹性油管传感器 8 和第二安装光纤微弯-弹性油管传感器9 沿汽车行驶方向的距离
Figure 354201DEST_PATH_IMAGE013
，则汽车行驶速度：
Figure 598100DEST_PATH_IMAGE018
                                                           （4） 
或  
Figure 787773DEST_PATH_IMAGE019
                                                           （5）   
式中：— 汽车行驶速度；
      
Figure 316023DEST_PATH_IMAGE013
— 第一、第二安装光纤微弯-弹性油管传感器沿车道方向的距离；
      
Figure 680009DEST_PATH_IMAGE021
—左前轮到达第一安装光纤微弯-弹性油管传感器的时间；
      
Figure 40583DEST_PATH_IMAGE014
— 右前轮到达第二安装光纤微弯-弹性油管传感器的时间；
          
Figure 988554DEST_PATH_IMAGE022
—左后轮到达第一安装光纤微弯-弹性油管传感器的时间；
          
Figure 358355DEST_PATH_IMAGE023
—右后轮到达第二安装光纤微弯-弹性油管传感器的时间。
汽车的轴距为：
Figure 311268DEST_PATH_IMAGE024
                                                           （6） 
或  
Figure 170639DEST_PATH_IMAGE025
                                                          （7） 
式中：— 汽车的轴距。

Claims (2)

1.一种光纤-液压组合式车辆动态称重装置，其特征在于：该装置包括光纤微弯传感器（1）、通过第二连接油管（5）与光纤微弯传感器（1）连接的光纤液压传感器（2）、通过第一连接油管（4）与光纤微弯传感器（1）连接的液压油泵（3）、通过第一传输光纤（1－4）和第二传输光纤（1－5）与光纤微弯传感器（1）连接的第一光强解调模块（6）、通过第三传输光纤（2－10）和第四传输光纤（2－11）与光纤液压传感器（2）连接的第二光强解调模块（7）；
光纤微弯传感器（1）包括弹性油管（1-1）、第一液压油（1-2）、第一测试光纤（1-3）、底板（1-6）、盖板（1-7）、第一减振锲块（1-8）、第二减振锲块（1-9）；
第一测试光纤（1-3）螺旋缠绕并粘贴在弹性油管（1-1）表面，第一液压油（1-2）位于弹性油管（1-1）内；
弹性油管（1-1）放置在底板（1-6）上，盖板（1-7）位于弹性油管（1-1）上，底板（1-6）与盖板（1-7）固定连接；
第一减振锲块（1-8）、第二减振锲块（1-9）放置在监测车道路面上并与地面锚固，第一减振锲块（1-8）和第二减振锲块（1-9）的顶面与盖板（1-7）顶面相切；
光纤液压传感器（2）包括液压油管（2-1）、第二液压油（2-2）、液压油缸（2-3）、过流阀（2-4）、油缸活塞头（2-5）、弹性活塞圆管（2-6）、第一光纤固定架（2-7）、第二光纤固定架（2-8）、第二测试光纤（2-9）；
过流阀（2-4）为中部带孔密封连接件，过流阀（2-4）与液压油管（2-1）固定连接，第二液压油（2-2）经过流阀（2-4）流入、流出液压油缸（2-3）；弹性活塞圆管（2-6）一端与过流阀（2-4）固定连接，另一端与油缸活塞头（2-5）固定连接；油缸活塞头（2-5）与过流阀（2－4）相对设置且与液压油缸（2-3）密封接触，油缸活塞头（2-5）在压力作用下沿液压油缸（2-3）内壁滑动；
第一光纤固定架（2-7）和第二光纤固定架（2-8）分别固定在弹性活塞圆管（2-5）的内壁上，第一光纤固定架（2-7）和第二光纤固定架（2-8）相对设置；
第二测试光纤（2-9）自弹性活塞圆管（2-6）中引出至第二光强解调模块（7）；
第二测试光纤（2-9）两端分别与第三传输光纤（2-10）、第四传输光纤（2-11）连接。
2.根据权利要求1所述的光纤-液压组合式车辆动态称重装置，其特征在于：弹性油管（1-1）和第一液压油（1-2）组合作为光纤微弯传感器（1）的弹性芯材。
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