CN110530479B - 基于直线型Sagnac干涉式光纤传感的车辆称重方法及系统 - Google Patents

基于直线型Sagnac干涉式光纤传感的车辆称重方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于直线型Sagnac干涉式光纤传感的车辆称重监控方法及系统，采用直线型Sagnac干涉式光纤作为外部传感器，通过车辆碾压光纤传感器造成光线拉伸，引起传输光的相位的改变，根据光电转换器采集的信号波形计算车辆重量。本发明设备简单，铺设方便快捷、测量精度高，并形成了一套完整的车辆重量监测系统。

Description

基于直线型Sagnac干涉式光纤传感的车辆称重方法及系统
技术领域
本发明涉及车辆称重技术领域，特别是基于直线型Sagnac干涉式光纤传感的车辆称重方法及系统。
背景技术
在我国经济迅猛发展的背景下，交通运输行业得到了大力发展，但目前公路运输中存在的大量汽车超载超限的运输现象，对道路交通造成了非常大的安全隐患，也给国家经济造成了极大的损失。因此车辆载重监控在交通、物流和各种仓储管理等方面突显了极其重要的作用，具有广泛应用前景及社会价值。
与传统的车辆重量传感系统相比，光纤传感器中光纤作为光波传输媒质具有长距离传输信号衰减低、传感测量区域无需供电、抗电磁干扰能力强、灵敏度高、价格低廉、野外布设的光纤传输和传感线路不怕雷击等优点。而目前存在的动态称重系统多采用FBG传感器与弯板称重相结合，需要对路面进行开挖施工，结构复杂，施工及维护成本较高，而且功能较为单一，无法对车辆信息进行统计。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于直线型Sagnac干涉式光纤传感的车辆称重方法及系统，设备简单，铺设方便快捷，测量精度高。
本发明采用以下方案实现：一种基于直线型Sagnac干涉式光纤传感的车辆称重监控方法，具体为：
将一条光纤作为外部传感器，将其分N段铺设于测量区域路段；
令待测车辆通过测量区域，采集测量期间的光纤的信号波形，根据信号的积分面积计算待测车辆的重量。
进一步地，所述根据信号的积分面积计算待测车辆的重量，具体采用下式计算待测车辆的重量M：
M＝αS；
式中，α为影响因子，通过初始化时标定得到；S为待测车辆碾压光纤时光纤信号产生的平均积分面积。
进一步地，S的计算为：
式中，S11表示待测车辆的前轮通过第一段光纤时，信号波形上产生的积分面积；S12表示待测车辆的后轮通过第一段光纤时，信号波形上产生的积分面积；SN1表示待测车辆的前轮通过第N段光纤时，信号波形上产生的积分面积；SN2表示待测车辆的后轮通过第N段光纤时，信号波形上产生的积分面积。
进一步地，每段光纤之间的距离大于待测车辆的前后轮间距。
进一步地，所述影响因子α的选取与标定具体为：
在初始化标定时，选择已知质量M0的车辆，分多次试验，令车辆以不同的车速通过测量区域，并取得每次试验测量期间的光纤信号，得到对应的平均积分面积，采用得到不同车速对应的影响因子α,其中，S(v)是与速度相关的面积函数，由标定时曲线拟合所得；
在实际测量时，影响因子α的选取具体为：根据测量时待测车辆的速度，选取标定时确定的对应车速范围内的α。
进一步地，在测量区域前方的待测车辆必经点安装摄像头，通过摄像头拍摄即将进入测量区域的车辆，当在视频流中获取车辆牌照图像时，采用树莓派控制启动数据采集卡开始采集光纤传感信号。
进一步地，获取待测车辆的图像，进行车型、车牌识别，并将识别结果上传云端数据库，以供终端通过对应Web端管理系统或手机APP应用软件实时查看称重车辆的信息。
本发明还提供了一种直线型Sagnac干涉式光纤传感的车辆称重监控方法的系统，具体包括一条作为外部传感器的光纤，将其分N段铺设于车辆重量测量区域的路段；还包括宽带光源、环行器、耦合器、光纤延迟线、反射镜、光电转换器以及数据采集卡；所述宽带光源经环形器、耦合器以及光纤延迟线连接至光纤的首端，光纤的尾端连接至所述反射镜，所述环形器经光电转换器连接至数据采集卡，当待测车辆通过测量区域，待测车辆碾压光纤造成光线拉伸，引起传输光的相位的改变，数据采集卡用以将采集到的数据传输至后续处理终端进行运算得到待测车辆的重量。
进一步地，还包括摄像头，所述摄像头设置于待测区域前方的待测车辆必经点，用以采集待测车辆的图像信息；树莓派连接摄像头，通过摄像头提前拍摄即将进入测量区域的车辆，当在视频流中获取车辆牌照图像时，由树莓派控制启动数据采集卡开始开始采集光纤传感信号，保证数据采集卡的高效运行；
通过获取的待测车辆的图像，进行车型、车牌识别，并将识别结果上传云端数据库，以供终端通过对应Web端管理系统或手机APP应用软件实时查看称重车辆的信息。
进一步地，还包括铺设于光纤下方的一定厚度的硅橡胶垫上，用以使得光纤传感器获得较为稳定的波形信号。
较佳的，所述一定厚度为2mm；所述硅橡胶垫与光纤采用警示胶带固定。
较佳的，所述后续的处理终端包括电脑或服务器。
较佳的，还包括示波器，所述示波器与环形器相连，用以显示采集到的光纤波形。
较佳的，所述反射镜采用法拉第全反射镜，用以提高系统的信噪比。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：1、灵敏度高；2、可以用在强电磁干扰的环境中；3、安全，耐高温高压，可用于恶劣的环境当中；4、光纤传感器中光纤既是传感元件又是传输元件，集传感与传输于一身；5、结构简单；6、安装简易、设备操作简单；7、动态车辆称重，无需停车，高效、方便、快捷；8、具有车辆称重监控系统，具有称重车辆信息的数据库，易于管理与查询，同时具有超重超限报警功能。
附图说明
图1为本发明实施例的原理示意图。
图2为本发明实施例的光纤传感部分电性连接示意图。
图3为本发明实施例的光纤信号波形图。
图4为本发明实施例的软件架构示意图。
图5为本发明实施例的APP界面图。
图6为本发明实施例的Web端车辆检测记录界面。
图7为本发明实施例的Web端车辆称重实时监控界面。
图8为本发明实施例的Web端检测车辆统计界面。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和 /或它们的组合。
如图1所示，本实施例提供了一种基于直线型Sagnac干涉式光纤传感的车辆称重监控方法，具体为：
将一条光纤作为外部传感器，将其分N段铺设于测量区域路段；
令待测车辆通过测量区域，采集测量期间的光纤的信号波形，根据信号的积分面积计算待测车辆的重量。
在本实施例中，所述根据信号的积分面积计算待测车辆的重量，具体采用下式计算待测车辆的重量M：
M＝αS；
式中，α为影响因子，通过初始化时标定得到；S为待测车辆碾压光纤时光纤信号产生的平均积分面积。
在本实施例中，S的计算为：
式中，S11表示待测车辆的前轮通过第一段光纤时，信号波形上产生的积分面积；S12表示待测车辆的后轮通过第一段光纤时，信号波形上产生的积分面积；SN1表示待测车辆的前轮通过第N段光纤时，信号波形上产生的积分面积；SN2表示待测车辆的后轮通过第N段光纤时，信号波形上产生的积分面积。
在本实施例中，每段光纤之间的距离大于待测车辆的前后轮间距。
在本实施例中，所述影响因子α的选取与标定具体为：
在初始化标定时，选择已知质量M0的车辆，分多次试验，令车辆以不同的车速通过测量区域，并取得每次试验测量期间的光纤信号，得到对应的平均积分面积，采用得到不同车速对应的影响因子α,其中，S(v)是与速度相关的面积函数，由标定时曲线拟合所得；
在实际测量时，影响因子α的选取具体为：根据测量时待测车辆的速度，选取标定时确定的对应车速范围内的α。
在本实施例中，在测量区域前方的待测车辆必经点安装摄像头，通过摄像头拍摄即将进入测量区域的车辆，当在视频流中获取车辆牌照图像时，采用树莓派控制启动数据采集卡开始采集光纤传感信号。
在本实施例中，获取待测车辆的图像，进行车型、车牌识别，并将识别结果上传云端数据库，以供终端通过对应Web端管理系统或手机APP应用软件实时查看称重车辆的信息。
本实施例还提供了一种直线型Sagnac干涉式光纤传感的车辆称重监控方法的系统，具体包括一条作为外部传感器的光纤，将其分N段铺设于车辆重量测量区域的路段；还包括宽带光源、环行器、耦合器、光纤延迟线、反射镜、光电转换器以及数据采集卡；所述宽带光源经环形器、耦合器以及光纤延迟线连接至光纤的首端，光纤的尾端连接至所述反射镜，所述环形器经光电转换器连接至数据采集卡，当待测车辆通过测量区域，待测车辆碾压光纤造成光线拉伸，引起传输光的相位的改变，数据采集卡用以将采集到的数据传输至后续处理终端进行运算得到待测车辆的重量。
在本实施例中，还包括摄像头，所述摄像头设置于待测区域前方的待测车辆必经点，用以采集待测车辆的图像信息；
树莓派连接摄像头，通过摄像头提前拍摄即将进入测量区域的车辆，当在视频流中获取车辆牌照图像时，由树莓派控制启动数据采集卡开始开始采集光纤传感信号，保证数据采集卡的高效运行；
通过获取的待测车辆的图像，进行车型、车牌识别，并将识别结果上传云端数据库，以供终端通过对应Web端管理系统或手机APP应用软件实时查看称重车辆的信息。
在本实施例中，还包括铺设于光纤下方的一定厚度的硅橡胶垫上，用以使得光纤传感器获得较为稳定的波形信号。
较佳的，所述一定厚度为2mm；所述硅橡胶垫与光纤采用警示胶带固定。
较佳的，所述后续的处理终端包括电脑或服务器。
较佳的，还包括示波器，所述示波器与环形器相连，用以显示采集到的光纤波形。
较佳的，所述反射镜采用法拉第全反射镜，用以提高系统的信噪比。
如图1所示，本实施例以N为2进行举例说明。本实施采用直线型Sagnac干涉式光纤传感系统，将同一条光纤作为外部传感器，分两段铺设于车辆待测区域的路段，分别为“光纤1段”与“光纤2段”。为保证波形不叠加，需要保证两段光纤间距大于车辆长度。当待测车辆两个前轮碾压光纤1段时，将产生第一个波形信号；当待测车辆两个后轮轮碾压光纤1段时，将产生第二个波形信号；当待测车辆继续前行的两个前轮碾压光纤2段时，将产生第三个波形信号；当待测车辆继续前行的两个后轮碾压光纤2段时，将产生第四个波形信号。每辆称重车辆将产生四个波形信号，由数据采集卡采集上传至电脑终端进行数据处理。
在被测车辆必经点安装摄像头，通过摄像头拍摄即将进入称重区域的车辆；通过树莓派运用OpenCV读取摄像头拍摄的视频，当在视频流中获取车辆牌照图像时，树莓派启动数据采集卡开始采集光纤传感信号，并由电脑终端处理数据计算所测车辆的重量、车速；同时树莓派将获取的车辆图像进行车型、车牌识别，并将此称重车辆的相关信息上传云端数据库，供电脑终端读取。
本实施例还设计了对应Web端管理系统及手机APP应用软件，方便管理员及用户使用终端实时查看称重车辆的信息，并设置了超重提醒功能，可及时杜绝超重超限车辆上路的安全隐患，实现车辆重量监测系统。
本实施例的光纤部分电性连接图如图2所示，，包括宽带光源(ASE)、环行器，耦合器，光纤延迟线，光纤、反射镜、光电转换器(PD)。光纤信号通过PD转换为电压信号，可采用示波器进行观察信号波形，也可用数据采集卡直接采集至PC 端进行数据显示及处理。
本实施例为避免光纤长期经受车辆碾压、直接接触粗糙的地面造成磨损，将光纤铺设于厚度为2mm的硅橡胶垫上方，并用警示胶带将其固定，经多次实验对比，铺设的硅橡胶垫具备一定弹性，能够使得光纤传感器获得较稳定的波形信号。
经过采集多组数据进行研究，车速恒定的条件下，系统的输出信号幅度在一定范围内随着压力的增大而增大，通过积分计算信号波形与横坐标所围的面积也随之增大，因此本实施例利用这一关系来车辆重量检测的定量分析。信号波形图如图3所示，横坐标为数据采集的时间，纵坐标为光电转化后的电压幅值。
由实验数据可得，当改变车速时，积分面积随车速增加而减少，因此在实际进行重量检测之前，应先对系统进行标定，找到不同车速范围情况下的影响因子α，当测量时，通过当前车辆的速度与标定时的车速进行比较，选取对应车速范围内的影响因子进行测量。其中车速的测量可通过两根光纤已知的铺设距离，与信号波形图中的信号起止时间差的比值，计算车辆通过重量检测区域的速度。
例如，采用2mm厚度的硅橡胶垫铺设在光纤下方，并采用已知重量为1110kg 的车辆用不同的速度通过本实施例的测量区域，得到多组速度与积分面积平均值数据，进行曲线拟合，获得关于速度v的面积函数S(v)，
S(v)＝-624.1v+20401
则影响因子
从而得到以下标定影响因子。
车辆速度 积分面积平均值 影响因子α
10km/h 13980 0.078
15m/h 10860 0.101
20m/h 7739 0.140
25m/h 4620 0.231
30m/h 1498 0.662
在实际测量时，将当前车辆的速度带入上表中得到对应的影响因子，再根据积分面积来计算当前车辆的重量。
特别的，由于系统采用的光纤、铺设条件等外界因素不同，都会影响每次的标定得到的外界影响因子值，所以系统每次铺设好投入使用前，均需进行标定得到对应的影响因子值。
本实施例开发的车辆称重监控系统，还包含Web端与APP应用软件，实现后台数据管理、监控、报警、数据与图像的可视化等功能。此系统可通过“检测记录”界面对已检测车辆信息进行查询，查询信息包括：“车牌号查询”、“车辆类型查询”、“是否超重查询”；并“实时监控”则提供摄像头的实时录像；“信息统计”则自动对每天所测量的车辆数进行统计，并绘制出柱状图，便于观看和统计。
具体的软件架构图如图4所示。App端主要供用户对车辆称重记录进行查询，其界面如图5所示。Web端主要供检测管理人员使用，具体界面如图6，图7，图 8所示。
综上，本实施例采用直线型Sagnac干涉式光纤作为外部传感器，通过车辆碾压光纤传感器造成光线拉伸，引起传输光的相位的改变，根据光电转换器采集的信号波形计算车辆重量。同时结合摄像头采集车辆信息，当识别到车辆时利用树莓派控制数据采集卡采集处理数据，并将称重数据、车牌信息、车辆类型、车辆数量等信息上传至云端，并开发了对应的Web端管理系统及APP应用软件，方便用户及管理人员实时查看称重车辆的重量数据和车辆相关信息。通过硬件和软件的结合，本实施例设备简单，铺设方便快捷、测量精度高，并形成了一套完整的车辆重量监测系统。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/ 或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于直线型Sagnac干涉式光纤传感的车辆称重监控方法，其特征在于，
将一条光纤作为外部传感器，将其分N段铺设于测量区域路段；
令待测车辆通过测量区域，采集测量期间的光纤的信号波形，根据信号的积分面积计算待测车辆的重量；
所述根据信号的积分面积计算待测车辆的重量，具体采用下式计算待测车辆的重量M：
M＝αS；
式中，α为影响因子，通过初始化时标定得到；S为待测车辆碾压光纤时光纤信号产生的平均积分面积；
S的计算为：
式中，S11表示待测车辆的前轮通过第一段光纤时，信号波形上产生的积分面积；S12表示待测车辆的后轮通过第一段光纤时，信号波形上产生的积分面积；SN1表示待测车辆的前轮通过第N段光纤时，信号波形上产生的积分面积；SN2表示待测车辆的后轮通过第N段光纤时，信号波形上产生的积分面积；
每段光纤之间的距离大于待测车辆的前后轮间距。
2.根据权利要求1所述的一种基于直线型Sagnac干涉式光纤传感的车辆称重监控方法，其特征在于，所述影响因子α的选取与标定具体为：
在初始化标定时，选择已知质量M0的车辆，分多次试验，令车辆以不同的车速通过测量区域，并取得每次试验测量期间的光纤信号，得到对应的平均积分面积，采用得到不同车速对应的影响因子α,其中，S(v)是与速度相关的面积函数，由标定时曲线拟合所得；
在实际测量时，影响因子α的选取具体为：根据测量时待测车辆的速度，选取标定时确定的对应车速范围内的α。
3.根据权利要求1所述的一种基于直线型Sagnac干涉式光纤传感的车辆称重监控方法，其特征在于，在测量区域前方的待测车辆必经点安装摄像头，通过摄像头拍摄即将进入测量区域的车辆，当在视频流中获取车辆牌照图像时，开始采集光纤传感信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于直线型Sagnac干涉式光纤传感的车辆称重监控方法，其特征在于，获取待测车辆的图像，进行车型、车牌识别，并将识别结果上传云端数据库，以供终端通过对应Web端管理系统或手机APP应用软件实时查看称重车辆的信息。
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