CN107389254B - 轮胎-路面三向力测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感器测量领域，公开了一种轮胎‑路面三向力测量装置，包括底板、安装在底板上的接触板及安装在底板上的传感器阵列，传感器阵列包括阵列支架，阵列支架上安装有若干个光纤光栅传感器组，每个光纤光栅传感器组包括n个竖直平行排列的光纤光栅传感器，传感器阵列还包括光纤光栅解调仪，光纤光栅传感器均与光纤光栅解调仪相连，光纤光栅传感器均穿过设在接触板上的通孔伸出接触板的上表面，本发明还公开了轮胎‑路面三向力测量装置的测量方法。本发明可在单位面积布置更多的传感器，提高了测量精度，具有更好的抗电磁干扰性能，且大大减少通道数量，使测量装置结构更简单，节省了成本。
Description
技术领域
本发明涉及传感器测量领域，具体涉及一种轮胎-路面三向力测量装置及其测量方法。
背景技术
轮胎-路面三向力的测量对研究轮胎的性能、轮胎对车辆的操纵稳定性、驾驶安全性的影响以及整体和零部件的使用寿命有重大意义，同时也是研究路面早期破坏，如裂缝、车辙、表面磨光等的重要依据，因此对其进行测量是非常有必要的。
现有的轮胎-路面三向力测量装置以单点布置或阵列布置三向力传感器的方式进行测量，其中阵列布置的精度更高，所采用的传感器以电磁类传感器为主，但电磁类传感器易受电磁干扰、抗腐蚀能力差等缺点在一定程度上影响了测量的准确性，特别的，电磁传感器受其体积的影响，在单位面积可布置数目有限，相应的测量数据点也有限，因此其测量结果的精度难以提高。
发明内容
本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种轮胎-路面三向力测量装置及其测量方法，可在单位面积布置更多的传感器，提高了测量精度，具有更好的抗电磁干扰性能，且大大减少通道数量，使测量装置结构更简单，节省了成本。
为实现上述目的，本发明所设计的轮胎-路面三向力测量装置，包括底板、通过固定连接件安装在所述底板上的接触板及安装在所述底板上的传感器阵列，所述传感器阵列包括阵列支架，所述阵列支架上安装有若干个光纤光栅传感器组，每个所述光纤光栅传感器组包括n个竖直平行排列的光纤光栅传感器，n为大于的整数，所述光纤光栅传感器包括底座、安装在所述底座上的内杆及安装在所述内杆上的直杆，所述光纤光栅传感器均通过所述底座固定安装在所述阵列支架上，所述传感器阵列还包括光纤光栅解调仪，所述光纤光栅传感器均与所述光纤光栅解调仪相连，所述光纤光栅传感器的直杆均穿过设在所述接触板上的通孔伸出所述接触板的上表面，所述通孔的直径大于所述直杆的直径。
优选地，所述光纤光栅传感器的所述内杆为镂空结构内杆，所述直杆为悬臂梁结构弹性体，所述直杆上沿直杆轴线方向粘贴有平行的第一光纤光栅和第二光纤光栅，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅的顶端通过连接导线连接，所述第一光纤光栅的底端连有引入导线，所述第二光纤光栅的底端连有引出导线，所述内杆内部设有与所述内杆轴线方向平行的第三光纤光栅，所述第三光纤光栅的一端通过点胶固定在设在所述内杆上的点胶孔上，所述第三光纤光栅的另一端通过点胶固定在设在所述底座上的点胶孔上，，所述第三光纤光栅)从所述底座伸出。
优选地，所述光纤光栅传感器组中，n个所述光纤光栅传感器中位于首端的第一个所述光纤光栅传感器的所述第三光纤光栅与所述引入导线连接，第一个所述光纤光栅传感器的所述引出导线与与第一个所述光纤光栅传感器相邻的第二个所述光纤光栅传感器的引入导线连接，第二个所述光纤光栅传感器的引出导线与与第二个所述光纤光栅传感器相邻的第三个所述光纤光栅传感器的引入导线连接，以此类推，直至第n-个所述光纤光栅传感器的引出导线与第n个所述光纤光栅传感器的引入导线连接，第n个所述光纤光栅传感器的引出导线与所述光纤光栅解调仪连接，且第二个所述光纤光栅传感器、第三个所述光纤光栅传感器～第n个所述光纤光栅传感器的第三光纤光栅均与所述光纤光栅解调仪连接，
优选地，所述第三光纤光栅与所述内杆的内壁不接触。
优选地，所述第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅的中心波长均不同。
优选地，所述内杆通过螺纹连接安装在所述底座上，所述直杆通过螺纹连接安装在所述内杆上。
优选地，所述直杆的外表面上设有与所述直杆轴线方向平行的两个粘贴面，两个所述粘贴面成°夹角，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅分别粘贴在两个所述粘贴面上。
优选地，所述阵列支架上设有螺孔，所述阵列支架通过螺栓穿过所述螺孔固定在所述底板上。
优选地，所述固定连接件的两端均通过螺栓分别固定在所述底板和所述接触板上。
一种轮胎-路面三向力测量装置的测量方法，包括以下步骤：
A)将所述传感器阵列上的光纤光栅传感器编号为1～n，将所述光纤光栅传感器上的第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅分别编号为X、Y、Z，则所述传感器阵列中每个光纤光栅传感器上的第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅对应的编号即为Xn、Yn、Zn，则与所述光纤光栅解调仪连接的即为Z2、Z3……Zn以及Yn；
B)当轮胎在所述接触板通孔位置对所述接触板施加三向力后，所述传感器阵列中每个光纤光栅传感器上的第一光纤光栅Xn、第二光纤光栅Yn和第三光纤光栅Zn的中心波长均会发生相应变化，通过与所述光纤光栅解调仪连接的Z2、Z3……Zn以及Yn，使所述光纤光栅解调仪测得所有的中心波长变化，通过中心波长变化与力的关系取得每个光纤光栅传感器与轮胎接触点位置的三向力的大小；
C)根据所述步骤B中取得的每个光纤光栅传感器与轮胎接触点位置的三向力的大小，通过数据拟合得到所述接触板与所述轮胎接触面上的三向力分布。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、利用光纤光栅传感器体积小、抗电磁干扰、可多个传感器串接复用、易于组网阵列测量的优点，大幅度减小传感器的体积，可大面积密集布置得到更加精确的数据，且具有更好的抗电磁干扰性能；
2、直杆上沿直杆轴线方向粘贴有第一光纤光栅和第二光纤光栅，使用双光纤预警安装，可进行温度补偿和啁啾现象，提高传感器的灵敏度和精度；
3、光纤光栅传感器分为通过螺纹连接的底座、内杆和直杆三部分，可以根据实际的测量需要调整三部分的尺寸，适应多种测量需求；
4、轮胎-路面三向力测量装置采用光纤光栅传感器，大大减少通道数量，使测量装置结构更简单。
附图说明
图1为本发明轮胎-路面三向力测量装置的结构示意图；
图2为图1中传感器阵列的结构示意图；
图3为图2中光纤光栅传感器的结构示意图。
图中各部件标号如下：
底座1、内杆2、直杆3、第一光纤光栅4、第二光纤光栅5、连接导线6、引入导线7、引出导线8、第三光纤光栅9、点胶孔10、粘贴面11、底板12、固定连接件13、接触板14、传感器阵列15、阵列支架16、光纤光栅传感器17、光纤光栅解调仪18、通孔19、螺孔20、光纤光栅传感器组21。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图3所示，本实施例中光纤光栅传感器17，包括底座1、通过螺纹连接安装在底座1上的内杆2及通过螺纹连接安装在内杆2上的直杆3，内杆2为镂空结构内杆2，直杆3为圆柱形悬臂梁结构弹性体，镂空结构的刚度远小于悬臂梁结构，减少了测量时水平方向和竖直方向结构之间的相互影响，本实施例中，直杆3长度为66mm、直径5mm，内杆2的镂空结构为三段式总长12mm，两端各10mm，材料为316L钢，直杆3的外表面上设有与直杆轴线方向平行的两个粘贴面11，粘贴面11宽1mm、长25㎜，两个粘贴面11成90°夹角，两个粘贴面11上沿直杆轴线方向粘贴有平行的第一光纤光栅4和第二光纤光栅5，第一光纤光栅4和第二光纤光栅5的顶端通过连接导线6连接，第一光纤光栅4的底端连有引入导线7，第二光纤光栅5的底端连有引出导线8，内杆2内部设有与内杆轴线方向平行的第三光纤光栅9，第三光纤光栅9与内杆2的内壁不接触，第三光纤光栅9的一端通过点胶固定在设在内杆2上的点胶孔10上，第三光纤光栅9的另一端通过点胶固定在设在底座1上的点胶孔10上，，第三光纤光栅9从底座1伸出，两个点胶孔10的直径均为1㎜，另外，第一光纤光栅4、第二光纤光栅5和第三光纤光栅9的中心波长均不同。
如图1所示，本实施例中轮胎-路面三向力测量装置，包括底板12、通过固定连接件13安装在底板12上的接触板14及安装在底板12上的传感器阵列15，如图2所示，传感器阵列15包括阵列支架16，阵列支架16上安装有一个光纤光栅传感器组21，每个光纤光栅传感器组21包括八个竖直平行排列的光纤光栅传感器17，光纤光栅传感器17均通过底座1固定安装在阵列支架16上，传感器阵列15还包括光纤光栅解调仪18，其中，八个光纤光栅传感器17中位于首端的第一个光纤光栅传感器17的第三光纤光栅9与引入导线7连接，第一个光纤光栅传感器17的引出导线8与与第一个光纤光栅传感器17相邻的第二个光纤光栅传感器17的引入导线7连接，第二个光纤光栅传感器17的引出导线8与与第二个光纤光栅传感器17相邻的第三个光纤光栅传感器17的引入导线7连接，以此类推，直至第七个光纤光栅传感器17的引出导线8与第八个光纤光栅传感器17的引入导线7连接，第八个光纤光栅传感器17的引出导线8与光纤光栅解调仪18连接，且第二个光纤光栅传感器17、第三个光纤光栅传感器17～第八个光纤光栅传感器17的第三光纤光栅9均与光纤光栅解调仪18连接，最终使传感器阵列15上的所有引入导线7和引出导线8共用一个通道，数据采集通道的要求大大简化，结合图1所示，光纤光栅传感器17的直杆3均穿过设在接触板14上的通孔19伸出接触板14的上表面1mm，通孔19的直径为6mm，用于光纤光栅传感器17的直杆3与轮胎接触，以防止光纤光栅传感器17的直杆3水平方向变形时与接触板14产生接触影响精度。
另外，阵列支架16上设有螺孔20，阵列支架16通过螺栓穿过螺孔20固定在底板12上，固定连接件13的两端均通过螺栓分别固定在底板12和接触板14上。
本实施例轮胎-路面三向力测量装置中，第一光纤光栅4、第二光纤光栅5和第三光纤光栅9分别测量三个方向的力，其中，第一光纤光栅4和第二光纤光栅5测量水平方向的力，在标定和实际安装过程中使第一光纤光栅4和第二光纤光栅5与实际受力中水平力方向一致，若安装时有角度差异，可以测量偏角，将测得的两个方向的力分解到所需要的方向，当水平方向标定后，由于受拉和受压时直杆3的变形有差异，因此需要将受拉和受压分开标定，提高传感器的精度。
一种轮胎-路面三向力测量装置的测量方法，包括以下步骤：
A)将传感器阵列15上的光纤光栅传感器17编号为1～n，其中n＝8，将光纤光栅传感器17上的第一光纤光栅4、第二光纤光栅5和第三光纤光栅9分别编号为X、Y、Z，则传感器阵列15中每个光纤光栅传感器17上的第一光纤光栅4、第二光纤光栅5和第三光纤光栅9对应的编号即为Xn、Yn、Zn，则与光纤光栅解调仪18连接的即为Z2、Z3……Z8以及Y8；
B)当轮胎在接触板14通孔19位置对接触板14施加三向力后，传感器阵列15中每个光纤光栅传感器17上的第一光纤光栅4Xn、第二光纤光栅5Yn和第三光纤光栅9Zn的中心波长均会发生相应变化，通过与光纤光栅解调仪18连接的Z2、Z3……Z8以及Y8，使光纤光栅解调仪18测得所有的中心波长变化，通过中心波长变化与力的关系取得每个光纤光栅传感器17与轮胎接触点位置的三向力的大小；
C)根据步骤B中取得的每个光纤光栅传感器17与轮胎接触点位置的三向力的大小，通过数据拟合得到接触板14与轮胎接触面上的三向力分布。
本发明轮胎-路面三向力测量装置可在单位面积布置更多的传感器，提高了测量精度，具有更好的抗电磁干扰性能，且大大减少通道数量，使测量装置结构更简单，节省了成本。
Claims (8)
1.一种轮胎-路面三向力测量装置，包括底板(12)、通过固定连接件(13)安装在所述底板(12)上的接触板(14)及安装在所述底板(12)上的传感器阵列(15)，其特征在于：所述传感器阵列(15)包括阵列支架(16)，所述阵列支架(16)上安装有若干个光纤光栅传感器组(21)，每个所述光纤光栅传感器组(21)包括n个竖直平行排列的光纤光栅传感器(17)，n为大于2的整数，所述光纤光栅传感器(17)包括底座(1)、安装在所述底座(1)上的内杆(2)及安装在所述内杆(2)上的直杆(3)，所述光纤光栅传感器(17)均通过所述底座(1)固定安装在所述阵列支架(16)上，所述传感器阵列(15)还包括光纤光栅解调仪(18)，所述光纤光栅传感器(17)均与所述光纤光栅解调仪(18)相连，所述光纤光栅传感器(17)的直杆(3)均穿过设在所述接触板(14)上的通孔(19)伸出所述接触板(14)的上表面，所述通孔(19)的直径大于所述直杆(3)的直径，所述光纤光栅传感器(17)的所述内杆(2)为镂空结构内杆(2)，所述直杆(3)为悬臂梁结构弹性体，所述直杆(3)上沿直杆轴线方向粘贴有平行的第一光纤光栅(4)和第二光纤光栅(5)，所述第一光纤光栅(4)和所述第二光纤光栅(5)的顶端通过连接导线(6)连接，所述第一光纤光栅(4)的底端连有引入导线(7)，所述第二光纤光栅(5)的底端连有引出导线(8)，所述内杆(2)内部设有与所述内杆轴线方向平行的第三光纤光栅(9)，所述第三光纤光栅(9)的一端通过点胶固定在设在所述内杆(2)上的点胶孔(10)上，所述第三光纤光栅(9)的另一端通过点胶固定在设在所述底座(1)上的点胶孔(10)上，所述第三光纤光栅(9)从所述底座(1)伸出，所述光纤光栅传感器组(21)中，n个所述光纤光栅传感器(17)中位于首端的第一个所述光纤光栅传感器(17)的所述第三光纤光栅(9)与所述引入导线(7)连接，第一个所述光纤光栅传感器(17)的所述引出导线(8)与与第一个所述光纤光栅传感器(17)相邻的第二个所述光纤光栅传感器(17)的引入导线(7)连接，第二个所述光纤光栅传感器(17)的引出导线(8)与与第二个所述光纤光栅传感器(17)相邻的第三个所述光纤光栅传感器(17)的引入导线(7)连接，以此类推，直至第n-1个所述光纤光栅传感器(17)的引出导线(8)与第n个所述光纤光栅传感器(17)的引入导线(7)连接，第n个所述光纤光栅传感器(17)的引出导线(8)与所述光纤光栅解调仪(18)连接，且第二个所述光纤光栅传感器(17)、第三个所述光纤光栅传感器(17)～第n个所述光纤光栅传感器(17)的第三光纤光栅(9)均与所述光纤光栅解调仪(18)连接。
2.根据权利要求1所述轮胎-路面三向力测量装置，其特征在于：所述第三光纤光栅(9)与所述内杆(2)的内壁不接触。
3.根据权利要求1所述轮胎-路面三向力测量装置，其特征在于：所述第一光纤光栅(4)、第二光纤光栅(5)和第三光纤光栅(9)的中心波长均不同。
4.根据权利要求1所述轮胎-路面三向力测量装置，其特征在于：所述内杆(2)通过螺纹连接安装在所述底座(1)上，所述直杆(3)通过螺纹连接安装在所述内杆(2)上。
5.根据权利要求1所述轮胎-路面三向力测量装置，其特征在于：所述直杆(3)的外表面上设有与所述直杆轴线方向平行的两个粘贴面(11)，两个所述粘贴面(11)成90°夹角，所述第一光纤光栅(4)和所述第二光纤光栅(5)分别粘贴在两个所述粘贴面(11)上。
6.根据权利要求1所述轮胎-路面三向力测量装置，其特征在于：所述阵列支架(16)上设有螺孔(20)，所述阵列支架(16)通过螺栓穿过所述螺孔(20)固定在所述底板(12)上。
7.根据权利要求1所述轮胎-路面三向力测量装置，其特征在于：所述固定连接件(13)的两端均通过螺栓分别固定在所述底板(12)和所述接触板(14)上。
8.一种权利要求2～7中任一项所述轮胎-路面三向力测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
A)将所述传感器阵列(15)上的光纤光栅传感器(17)编号为1～n，将所述光纤光栅传感器(17)上的第一光纤光栅(4)、第二光纤光栅(5)和第三光纤光栅(9)分别编号为X、Y、Z，则所述传感器阵列(15)中每个光纤光栅传感器(17)上的第一光纤光栅(4)、第二光纤光栅(5)和第三光纤光栅(9)对应的编号即为Xn、Yn、Zn，则与所述光纤光栅解调仪(18)连接的即为Z2、Z3……Zn以及Yn；
B)当轮胎在所述接触板(14)通孔(19)位置对所述接触板(14)施加三向力后，所述传感器阵列(15)中每个光纤光栅传感器(17)上的第一光纤光栅(4)Xn、第二光纤光栅(5)Yn和第三光纤光栅(9)Zn的中心波长均会发生相应变化，通过与所述光纤光栅解调仪(18)连接的Z2、Z3……Zn以及Yn，使所述光纤光栅解调仪(18)测得所有的中心波长变化，通过中心波长变化与力的关系取得每个光纤光栅传感器(17)与轮胎接触点位置的三向力的大小；
C)根据所述步骤B)中取得的每个光纤光栅传感器(17)与轮胎接触点位置的三向力的大小，通过数据拟合得到所述接触板(14)与所述轮胎接触面上的三向力分布。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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