CN102521988A - 车辆行驶速度及位置光纤光栅测定系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种车辆行驶速度及位置光纤光栅测定系统。它包括三组梁式光纤光栅传感组件，梁式光纤光栅传感组件A与梁式光纤光栅传感组件C平行布置，梁式光纤光栅传感组件B设置在梁式光纤光栅传感组件A和梁式光纤光栅传感组件C之间，与传感器起始线成30°至60°。梁式光纤光栅传感组件由光纤光栅应变传感器、工字型钢梁和钢槽组成，光纤光栅应变传感器粘贴于工字型钢梁腹板的侧面，工字型钢梁置于钢槽内部。本发明结构形式简单、信息采集方便、利用光纤光栅应变传感器使用方便、耐久性好和精度高的特点，对沥青混凝土或水泥路面上车辆的行驶速度及其位置进行测定。

Description

车辆行驶速度及位置光纤光栅测定系统

(一)技术领域

本发明涉及传感器测量检测技术，具体说就是一种车辆行驶速度及位置光纤光栅测定系统。

(二)背景技术

自从1989年美国的Morey等人首次进行光纤光栅的应变与温度传感器研究以来，世界各国都对其十分关注并开展了广泛的应用研究，在短短的20多年时间里光纤光栅已成为传感领域发展最快的技术，并在很多领域取得了成功的应用，如航空航天、土木工程、复合材料、石油化工等领域。所涉及到的传感器主要包括光纤光栅应变传感器、温度传感器、加速度传感器、位移传感器、压力传感器等。但是，在交通领域，如运用光纤光栅传感器对车辆的行驶速度及位置测定等的实际应用几乎为零。而运用光纤光栅传感器代替传统的电信号传感器进行应变测量的试验表明，光纤光栅应变传感器在抗振动、抗电磁干扰等方面性能更好，更能满足应变测量的要求。该测量方法具有实用性强，可靠性大，灵敏度高，低成本等优点。目前关于车辆行驶速度的测量方法有以下几种：1.雷达测速：雷达测速仪是一种新型的微波测速仪，它利用多普勒效应对地面运动目标的速度进行测量。雷达测速仪测速时是通过向被测汽车发射出脉冲微波，如果脉冲微波射向静止的汽车，则被反射回来的微波频率不变；如果汽车在行使，而且速度很快，那么，根据多普勒效应反射波的频率与发射波的频率就不同，通过对这种微波频率微小差异的精确测定，再通过比对频率的差异与速度的关系，电脑自动换算成汽车的速度。2.激光测速：激光测速仪是采用激光测距的原理。激光测距是通过向被测物体发射激光光束，并接受该激光光束的反射波，记录该时间差，来确定被测物体与测试点的距离。激光测速是对被测物体进行两次有特定时间间隔的激光测距，取得在该一时间段内的被测物体移动的距离，从而得到物体移动速度。生活中我们看到交警在警车内测量车辆行使的速度，就是利用这个原理测量的。3.视频测速：高速公路视频超速监控系统利用视频图像处理技术，对高速公路车道上的汽车进行非接触式监控，获得超速车辆车速。通过在一定时间内连续两次对车辆进行图像的抓捕，利用图像上特征点的相对位移来计算车速。4.IC卡测速：IC卡测速是一种最简单、最有效的新的测速方法，根据IC卡计算出每辆车在高速公路行驶期间的平均速度，它的主要原理是：通过司机所持的IC卡，利用车辆进出高速公路的准确时刻和运行里程，来测算车辆平均行驶速度。这是一种全天候全过程的测速方法，让司机明白车辆一旦上了高速公路后就被测速的道理，从而达到威慑的作用，可以减少高速公路因超速而造成的交通事故。目前关于车辆行驶位置测量的方法有GPS车辆定位系统：GPS系统应用在交通管理方面，可以将道路网上的车辆实时位置、运行轨迹准确地反映在控制中心的电子地图上，犹如给道路交通管理者增添了一双千里眼，实时监视着道路网上的车辆流向、流量、流速、密度、路网负荷程度等各种交通信息。GPS系统与城市交通信号控制系统、交通地理信息系统、交通情报信息系统相连接可以进行实时的交通信号控制，交通诱导和交通流组织优化，从而达到充分利用路网、缩短车辆旅行时间、降低行车延误、减少车辆空驶、保障行车安全、提高道路通行能力的目的。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种车辆行驶速度及位置光纤光栅测定系统。

本发明的目的是这样实现的：它包括在沥青混凝土或水泥路面下埋入的三组梁式光纤光栅传感组件，梁式光纤光栅传感组件A与梁式光纤光栅传感组件C平行布置，梁式光纤光栅传感组件B设置在梁式光纤光栅传感组件A和梁式光纤光栅传感组件C之间，梁式光纤光栅传感组件B斜向布置与传感器起始线成α角，α角取值范围是30°至60°，以串联的方式连接三组梁式光纤光栅传感组件。

本发明还有以下技术特征：所述的梁式光纤光栅传感组件，它是由光纤光栅应变传感器、工字型钢梁和钢槽组成的，光纤光栅应变传感器粘贴于工字型钢梁腹板的侧面，在工字型钢梁长度的二分之一处，并靠近下翼缘，工字型钢梁置于钢槽(3)内部。

本发明一种车辆行驶速度及位置光纤光栅测定系统，运用梁式光纤光栅传感组件，利用光纤光栅应变传感器来捕捉车辆在道路上行驶时的时间信息，同时结合几何算法测定出车辆的行驶速度及位置，满足道路检测的需要。本发明结构形式简单、信息采集方便、利用光纤光栅应变传感器使用方便、耐久性好和精度高的特点，对沥青混凝土或水泥路面上车辆的行驶速度及其位置进行测定。本发明采用的光纤光栅应变传感器对梁弯曲时的变形反应进行测量有以下优点：1.光纤光栅应变传感器具有耐腐蚀、传感精度高、抗电磁干扰、绝对测量、准分布、抗潮防水、稳定性与耐久性好等优点，同时由于其封装材料采用的是FRP材料，可以大大提高传感器耐久性。2.可以方便的将其黏贴于结构的表面，连接及测量形式简单。利用光纤光栅测量应变原理、优良的应用性能和此种传感器的结构形式，可以对车辆行驶过该测试系统时，梁的纵向应变进行准确，灵敏的监测，从而为确定车辆行驶速度及位置提供有效的数据信息。

(四)附图说明

图1为本发明实施方案的结构示意图；

图2为本发明的梁式光纤光栅传感组件结构示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1：结合图1、图2，本发明一种车辆行驶速度及位置光纤光栅测定系统，它包括在沥青混凝土或水泥路面下埋入的三组梁式光纤光栅传感组件，其特征在于：梁式光纤光栅传感组件A与梁式光纤光栅传感组件C平行布置，梁式光纤光栅传感组件B设置在梁式光纤光栅传感组件A和梁式光纤光栅传感组件C之间，梁式光纤光栅传感组件B斜向布置与传感器起始线成α角，α角为30°至60°，以串联的方式连接三组梁式光纤光栅传感组件。

本发明还有以下技术特征：所述的梁式光纤光栅传感组件，它是由光纤光栅应变传感器(1)、工字型钢梁(2)和钢槽(3)组成的，光纤光栅应变传感器(1)粘贴于工字型钢梁(2)腹板的侧面，在工字型钢梁长度的二分之一处，并靠近下翼缘，工字型钢梁(2)置于钢槽(3)内部。

实施例2：结合图1、图2，车辆行驶位置及速度测定系统原理，结合图1，计算过程如下：

$v=\frac{x}{t_2-t_1}---\left(1\right)$

$v=\frac{f+x^{\′}}{t_2-t_1}---\left(2\right)$

$x^{\′}=\frac{x}{t_2-t_1}\×(t_2-t_1)-f---\left(3\right)$

$\tan \mathrm{\α}=\frac{y^{\′}}{x^{\′}}---\left(4\right)$

$y^{\′}=\tan \mathrm{\α}\×[\frac{x}{t_3-t_1}\×(t_2-t_1)-f]---\left(5\right)$

式中：v——车辆行驶速度；

t₁，t₂，t₃——车辆经过各传感器的时间；

α——传感器2与传感器起始线夹角；

x——传感器1与3水平距离；

f——传感器1与2起始点水平距离；

y‘——轮迹线与传感器起始线垂直距离。

将传感器组1与传感器组2平行布置，传感器组3斜向布置与传感器起始线成α度角，当车辆行驶过该测试系统时，工字型钢梁受到车的重力作用，将产生弯曲变形，在梁的下部将产生纵向的拉应变，该应变被光纤光栅应变传感器接收到并传输至解调设备，将产生波形图并对应相应的时间t₁、t₂、t₃，根据上述公式，由公式(1)及公式(5)计算出车辆的速度以及y‘的值，即确定车的行驶位置。

图2为梁式光纤光栅传感组件示意图，①为光纤光栅应变传感器；②为工字型钢梁；③为钢槽。将光纤光栅应变传感器粘贴于工字型钢梁腹板的侧面，在工字型钢梁长度的二分之一处，并靠近下翼缘，因为其应变值接近梁受到车辆荷载时底部纵向应变的最大值，便于数据的采集；按照上述几何位置布置，并以串联的方式连接好三组传感器组件，将工字型钢梁放入钢槽内，并埋于路面下，再对车辆进行测量工作。钢槽对工字型钢梁提供支撑，起约束作用，并保护光纤光栅传感器受到其他力的干扰。

本发明的技术指标见表1：

表1技术参数说明

*备注：本发明可以测量宽度3.75米单车道内车辆行驶的任意位置。

实施例3：结合图1、图2，将梁式光纤光栅传感组件A与梁式光纤光栅传感组件C平行布置，梁式光纤光栅传感组件B斜向布置与传感器起始线成α度角，并以串联的方式连接好三组梁式光纤光栅传感组件。当车辆行驶过该测试系统时，工字型钢梁受到车的重力作用，将产生弯曲变形，在梁的下部将产生纵向的拉应变，该应变被光纤光栅应变传感器接收到并传输至解调设备，将产生波形图并对应相应的时间t1、t2、t3，根据上述公式，由公式(1)及公式(5)计算出车辆的速度以及y’的值，即确定车的行驶位置。将梁式光纤光栅传感组件埋于路面下，再对车辆进行测量工作。钢槽对工字型钢梁提供支撑，约束作用，并保护光纤光栅传感器受到其他力的干扰。

实施例4：结合图1，已知一辆汽车驶入测试区域，仅单侧轮驶过埋有梁式光纤光栅传感组件的路面，传感器组件布置情况，f＝11.25m，x＝25用，α＝45°，当车辆行驶过该区域后，通过接收到的应变反应，测得t₁＝2s，t₂＝2.5s，t₃＝3s，则通过公式(1)和公式(5)知，

$v=\frac{x}{t_3-t_1}=\frac{25}{3-2}=25m/s=90\mathrm{km}/h$

所以，经测定，该车车速为90km/h，车轮驶入位置距离传感器起始线为1.25m。

Claims (2)

1.一种车辆行驶速度及位置光纤光栅测定系统，它包括在沥青混凝土或水泥路面下埋入的三组梁式光纤光栅传感组件，其特征在于：梁式光纤光栅传感组件A与梁式光纤光栅传感组件C平行布置，梁式光纤光栅传感组件B设置在梁式光纤光栅传感组件A和梁式光纤光栅传感组件C之间，梁式光纤光栅传感组件B斜向布置与传感器起始线成α角，α角为30°至60°，以串联的方式连接三组梁式光纤光栅传感组件。

2.根据权利要求1所述的一种车辆行驶速度及位置光纤光栅测定系统，其特征在于：所述的梁式光纤光栅传感组件，它是由光纤光栅应变传感器(1)、工字型钢梁(2)和钢槽(3)组成的，光纤光栅应变传感器(1)粘贴于工字型钢梁(2)腹板的侧面，在工字型钢梁长度的二分之一处，并靠近下翼缘，工字型钢梁(2)置于钢槽(3)内部。

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