CN111521248A - 一种光纤光栅车辆动态称重传感器、装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光纤光栅车辆动态称重传感器、装置及方法，包括：上方开口的壳体，和与壳体的上方开口连接的应变片；壳体内壁设置有若干个悬臂梁，悬臂梁的一端与壳体内壁连接，悬臂梁的另一端为自由端；应变片的顶面的中心设有凸起，底面的中心与传动杆的一端连接，传动杆的另一端与悬臂梁的自由端接触；悬臂梁与光纤光栅连接。还提供了一种光纤光栅车辆动态称重装置，包括：基座，所述基座上安装若干个动态称重传感器，所述称重传感器的顶部与称重板配合连接；解决了光纤称重传感结构的重心偏移问题，可对传感器组进行单个称重传感器的更换，方便后期维护。

Description

一种光纤光栅车辆动态称重传感器、装置及方法

技术领域

本发明属于光电子测量器件技术领域，具体涉及一种光纤光栅车辆动态称重装置及方法，主要应用于类似城市道路、高架桥、高速路口等安全要求高的场所。

背景技术

随着国民经济的发展、物流行业的兴起与繁荣、以及客运行业的振兴，公路运输在各种运输行业中占据着重要位置，其事关人民财产和生命安全。尤其是公路超重、超员等超载行为，严重影响了公路寿命、车辆和乘客安全。目前，汽车荷载标准是进行公路桥梁设计、承载能力检测评估的重要依据，而实际公路桥梁上的汽车荷载状况与现行规范标准的差异较大，由此引发桥梁的各种病害十分多见。因此，公路超载的监管工作一直是交通行业的重点。至于超载监测分为静态监测和动态监测，静态监测需要车辆减速甚至是停车才能称重，因此静态监测不利于交通的顺畅和监管手段的隐蔽，因此动态监测是目前最受欢迎的监测技术。

动态称重系统能对运动中车辆进行称重，而被测量车辆无需在测量中停止。动态称重系统在道路铺设、桥梁设计和监控、交通管理中有重要的作用。动态称重系统还能提高静态称重的效率，减少违章车辆，为交通管理者提供准确的道路流量等统计数据。

对于压电陶瓷动态称重传感器，压电材料的内在特性，如滞后效应，蠕变效应和温度敏感性大大限制了它的应用。由于这些缺点，传感器的零点漂移可能随机发生，并不能完全去除。因此，这种方法不能达到高精度，需要经常进行校准。近二十年来，随着光信息技术的发展，光信息产品价格逐渐降低，光纤传感技术也得到很大的发展。相比于传统的基于电学量的动态测量技术，光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、重量轻、耗电少等优点。

目前，光纤光栅动态称重系统如光纤光栅高速动态的汽车动态称重方法、光纤光栅的齿条动态称重传感器、便携式光纤动态称重系统和基于光纤光栅传感技术的动态称重系统通过将光纤光栅串粘贴到应力板上进行动态车辆重量测量；如强度解调型光纤啁啾光栅称重传感器通过悬臂梁进行动态车辆重量测量。

目前，光纤光栅动态称重系统如一种基于光纤光栅高速动态的汽车动态称重方法(CN201410091018)、一种基于光纤光栅的齿条动态称重传感器 (CN201721192342)等存在重心偏移引起测量误差的问题，即重力点与测量光纤光栅位置的偏差导致测量的应变量不同，引起测量上的误差；如便携式光纤动态称重系统(CN201410654078)、强度解调型光纤啁啾光栅称重传感器 (CN200910097187)和一种基于光纤光栅传感技术的动态称重系统(201620564898.X)存在密封性差的问题，传感结构和传感光栅容易受到恶劣环境侵蚀的问题。更重要的是目前这些光纤光栅称重传感器都缺少可更换维护的功能，通常情况下，弯曲梁大又重而且传感器探头必须嵌入到砾石，混凝土或装入土壤或路面(沥青或混凝土)，若光纤光栅串中若一处出现问题，则整个传感器只能作废，更需要大量的人力物力来更换安装传感器；目前这些光纤光栅称重传感器缺少整车辆识别功能，需要通过其他技术手段(如感应线圈、红外感应)等手段进行辅助；所有这些弊端将限制动态称重系统的应用。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明很好地实现了光纤光栅动态车辆重量传感器的密封，使传感器的内部传感结构与外界完全隔开。同时通过将传统的应力板根据光纤光栅分成独立的各个小块，并且增加重心支撑点，解决传统传感器的重心偏差问题。而且本发明通过基座将各个光纤光栅称重传感器进行连接，实现光纤光栅称重传感器的可更换，大大地方便称重系统的可维护性。本发明还增加了高灵敏度的光纤光栅加速度传感器，实现了整车识别功能。

所述方法能测量动态车辆的轮重、轴重、整车重量、车宽、轴数、轴距、总轴长、到达时间、行驶速度，实现动态车辆类型识别和重量的实时监测。

第一方面，本发明提供了一种光纤光栅车辆动态称重传感器，包括：上方开口的壳体，和与壳体的上方开口连接的应变片；壳体内壁设置有若干个悬臂梁，悬臂梁的一端与壳体内壁连接，悬臂梁的另一端为自由端，悬臂梁的中段与光纤光栅连接；应变片的顶面的中心设有凸起，底面的中心与传动杆的一端连接，传动杆的另一端与每个悬臂梁的自由端接触。

第二方面，本发明还提供了一种光纤光栅车辆动态称重装置，包括：基座，所述基座上安装若干个如第一方面所述的动态称重传感器，所述称重传感器的顶部与称重板配合连接；所述基座包括若干个传感器安装孔，两个传感器安装孔之间具有设定距离；所述称重板的下表面中心设有与应力片的凸起配合的凹槽结构。

第三方面，本发明提供了一种光纤光栅车辆动态称重方法，采用如上述实施例所述的动态称重装置进行车辆称重，步骤包括：

通过光纤光栅解调仪实时测量各个光纤光栅反射波长的漂移量，并计算得到各个称重传感器测量的重量值和振动数据；

对测得的数据进行整车分析，并得到动态车辆的轮重、轴重、整车重量、车宽、轴数、轴距、总轴长、行驶速度和重心位置。

与现有技术对比，本发明具备以下有益效果：

1、本发明通过壳体、应变片、悬臂梁和光纤光栅的结构设置，应变片的顶面的中心设有凸起，构成重力支撑点，在实现更好的传感器密封隔离的前提下，解决了光纤称重传感结构的重心偏移问题。

2、本发明通过壳体、应变片、悬臂梁和光纤光栅的结构设置，传统的应力板根据光纤光栅分成独立的应变片，构成独立的各个小块，实现了动态称重传感器的独立可更换，在不需要大量人力物力的前提下，可对传感器组进行单个称重传感器的更换，方便后期维护。

3、本发明通过在称重传感器中还增加由第二悬臂梁、重块和第二光纤光栅配合构成的振动传感结构，用于测量振动加速度，在确保全光纤传感的前提下实现动态车辆整车识别，振动结构的数量和位置还可根据需要随意调整。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的动态称重装置的基座俯视图；

图2为动态称重装置的基座正视图的剖视图；

图3为动态称重装置的称重传感器的俯视图；

图4为动态称重装置的称重传感器一的正视图的剖视图；

图5为动态称重装置的称重传感器的悬臂梁结构传感结构示意图；

图6为动态称重装置的称重传感器二的正视图的剖视图；

图7为动态称重装置正视图的剖视图；

图8为动态称重装置增加盖板后正视图的剖视图；

图9为动态称重装置增加盖板后的俯视图；

图10为动态称重装置及方法的安装示意图；

包括1、基座；2、传感器安装孔；3、固定沉孔；4、传感器连接孔；5、光缆接头；6、光缆；7、重心支撑点；8、应变片；9、传感器壳体；10、传感器固定孔；11、光纤跳线；12、传动杆；13、第一悬臂梁；14、第一应力光纤光栅；15、温补光纤光栅；16、光纤；17、第二悬臂梁；18、第二应力光纤光栅； 19、重块；20、密封垫片；21、称重板；22、光纤光栅解调仪。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

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。

实施例1

本发明很好地实现了光纤光栅动态车辆重量传感器的密封，使传感器的内部传感结构与外界完全隔开。同时通过将传统的应力板根据光纤光栅分成独立的各个小块，并且增加重心支撑点，解决传统传感器的重心偏差问题。而且本发明通过基座将各个光纤光栅称重传感器进行连接，实现光纤光栅称重传感器的可更换，大大地方便称重系统的可维护性。本发明还增加了高灵敏度的光纤光栅加速度传感器，实现了整车识别功能。

如附图1-10所示，本发明提供了一种光纤光栅车辆动态称重传感器，包括：上方开口的壳体，和与壳体的上方开口连接的应变片；壳体内壁设置有若干个悬臂梁，悬臂梁的一端与壳体内壁连接，悬臂梁的另一端为自由端，悬臂梁的中段与光纤光栅连接；应变片的顶面的中心设有凸起，底面的中心与传动杆的一端连接，传动杆的另一端与每个悬臂梁的自由端接触。光纤光栅通过悬臂梁将应变片的形变量转换为作用在光纤光栅上的拉伸量，通过光纤将数据传输至光纤光栅解调仪，进行计算获取车辆动态重量。

进一步的，所述凸起具有圆弧形曲面，优选的，凸起为半圆形结构。

进一步的，所述应变片的应变部分为圆形，配合凸起确保最大的应变位置始终处于圆心的位置，凸起为重力支撑点；应变片的尺寸大于壳体的上方开口尺寸。

进一步的，所述悬臂梁为等边梯形梁，悬臂梁垂直于壳体内壁的安装面，所述光纤光栅沿轴向粘贴在悬臂梁表面上。悬臂梁为等边梯形梁，梯形梁可近似等效为等强度梁，具体尺寸可根据实际情况进行调整。

进一步的，所述壳体内壁与若干个第一、第二悬臂梁的一端连接，第一悬臂梁的自由端与传动杆接触；第二悬臂梁的自由端与重块连接；第一悬臂梁和第二悬臂梁各自与一光纤光栅连接，即第一悬臂梁与第一光纤光栅连接，第二悬臂梁与第二光纤光栅连接。由第二悬臂梁、重块和第二光纤光栅配合构成振动传感结构，用于测量振动加速度，通过振动加速度的测量来进行动态车辆的整车识别。

进一步的，所述第一应力光纤光栅沿轴向粘贴在第一悬臂梁表面上。

进一步的，所述壳体还与温补光纤光栅连接，温补光纤光栅处于无应力状态，通过光纤与第一光纤光栅连接。温补光纤光栅主用于对传感器里的应力光纤光栅进行温度补偿；温补光纤光栅始终处于无应力状态，只受温度变化的影响，具体反射波长需配合光纤光栅解调仪根据实际情况进行选择。

进一步的，所述壳体可采用方形、圆形或多边形结构，优选为上方开口的空心柱状结构。

进一步的，所述光纤光栅通过光纤传输信号至光纤光栅解调仪。

进一步的，所述光纤光栅为应力光纤光栅。应力光纤光栅主要用于将悬臂梁自由端的形变量转换为光信号的变化量；应力光纤光栅使用树脂胶沿轴向粘贴于悬臂梁的中心位置，具体反射波长需配合光纤光栅解调仪根据实际情况进行选择。

实施例2

如附图1-10所示，本发明提供了一种光纤光栅车辆动态称重装置，包括基座，所述基座上安装若干个如上述实施例所述的动态称重传感器，所述称重传感器的顶部与称重板配合连接；所述基座包括若干个传感器安装孔，两个传感器安装孔之间具有设定距离；所述称重板的下表面中心设有与应力片的凸起配合的凹槽结构。

进一步的，称重板的凹槽结构的凹槽中心的所处区域的厚度高于称重板的其他区域厚度。作为优选的，称重板与应力片配合后，重力板除了凹槽结构的其他区域与应力片除了凸起的其他区域具有设定距离。所述凹槽结构具有圆弧形曲面。

进一步的，所述传感器安装孔用于安装动态称重传感器，传感器安装孔底部还设有用于放置光纤跳线的通孔，光纤跳线主要用于将各个称重传感器连接起来，实现光路连通；光纤跳线的具体参数可根据实际情况进行调整。

进一步的，两个称重板之间具有设定距离，称重板之间的距离小于传感器之间的距离。当车辆通过时，如果车辆的车轮从两个应力片之间通过，则两个应力片上方的称重板共同承担重量，通过两个传感器同时检测车轮的重量，采用检测结构相加的方式计算车辆实际重量。

进一步的，称重传感器和基座的连接处通过密封垫片进行密封处理。所述应变片的尺寸大于壳体的上方开口，应变片的下表面较壳体多出的部分通过密封垫片进行密封处理。通过应变片与壳体焊接固定，并采用密封垫片进行密封处理，使得传感器处于密封状态，实现更好的传感器密封隔离的前提下，解决了光纤称重传感结构的重心偏移问题。

具体来说，基座1主要用于将各个称重传感器进行连接安装，使称重传感器排列在一起，并起到支撑和密封的作用；基座的长度可根据实际需要进行增减，基座的外尺寸可根据使用环境进行更改，只需保证基座的强度足够大。作为优选的方案，基座外尺寸为长7米、宽14cm、高8cm的整块不锈钢制作而成，有48个传感器安装孔，孔直径为12cm。

传感器2安装孔主要用于安装传感器和放置光纤跳线；传感器安装孔的大小可根据实际情况进行调整，但两个称重传感器安装孔的距离一般最大取值 14cm，因国内的轮胎宽度为145mm-285mm，需保证轮胎压过时至少有一个重心支撑点受力。作为优选的方案，传感器安装孔直径为12cm，每个传感器安装孔到外壁最薄处有1cm的厚度，每两个传感器安装孔中间最薄处有2cm，安装孔的深度有6cm，底部有传感器连接孔对每个传感器安装孔进行连通。

固定沉孔3主要用于连接固定称重传感器和基座；固定沉孔有内螺纹，大小可根据实际情况调整。作为优选的方案，使用内径为8mm的内螺纹沉孔。

传感器连接孔4主要用于通过光纤跳线，使各个称重传感器里的光纤光栅能连接到光纤光栅解调仪上，实现信号解调；具体尺寸可根据实际情况调整。作为优选的方案，使用直径1cm的传感器连接孔。

光缆接头5主要用于连接基座和光缆，同时具有防水密封的效果；具体尺寸可根据实际情况调整。作为优选的方案，使用M20的不锈钢防水接头，外接线通径8-12mm。

光缆6主要用于连接称重传感器和光纤光栅解调仪，实现光信号的传输；光缆的材质、芯数、大小等具体参数可根据实际情况更改。作为优选的方案，使用外径10mm的10芯单模室外光缆。

重心支撑点7主要将轮胎的压力转移至重心支撑点处，确保轮胎从不同位置驶过时压力都会落在重心支撑点处，从而解决重心偏移的问题；重心支撑点的为平滑的突起，具体大小和高度可根据实际情况进行调整。作为优选的方案，使用直径2cm，高1cm的平滑突起。

应变片8主要用于测量轮胎传递过来的重力；应变片位于传感器安装孔上，当车辆驶过传感器时，应变片的应变部分为圆形，配合重心支撑点确保最大的应变位置始终圆心的位置。作为优选的方案，应变区域为直径12cm的圆片，弹性模量E＝1.3X10¹¹Pa，泊松比μ＝0.8，膜片厚度8X10^-3m。

传感器壳体9主要用于安装和保护光纤光栅等测量结构；壳体与应变片使用激光焊接在一起，确保密封性的同时拥有足够的机械强度；传感器壳体的外径小于或等于传感器安装孔的直径；具体尺寸可根据实际情况调整。作为优选的方案，使用外径12cm、壁厚2mm的不锈钢圆桶，下端有光纤跳线导出口，上端与应变片密封焊接在一起。

传感器固定孔10主要用于将称重传感器固定在基座上；传感器固定孔的大小可根据实际情况进行调整。作为优选的方案，使用直径8mm的圆孔作为传感器固定孔，通过8M的平头螺丝将称重传感器固定于基座上。

光纤跳线11主要用于将各个称重传感器连接起来，实现光路连通；光纤跳线的具体参数可根据实际情况进行调整。作为优选的方案，使用的光纤跳线为线径0.3mm的松套管跳线。

传动杆12主要用于将应变片形变量传递到第一悬臂梁的自由端上；传动杆的一端焊接在重心支撑点的正下方，即应变片的中心位置，另一端与第一悬臂梁的自由端紧密接触；传动杆的尺寸可根据实际情况进行调整。作为优选的方案，使用直径1mm、长度1cm的不锈钢棒作为传动杆。

第一悬臂梁13主要用于粘贴第一光纤光栅，第一光纤光栅为第一应力光纤光栅，将应变片的形变量转换为作用在第一应力光纤光栅上的拉伸量；第一悬臂梁13为等边梯形梁，等边梯形梁可近似等效为等强度梁，具体尺寸可根据实际情况进行调整。作为优选的方案，使用弹性模量E＝1.3X10¹¹Pa，泊松比μ＝ 0.8，膜片厚度1X10^-3m，其有效臂长为60mm，上底1mm、下底25mm、厚度1mm。

第一应力光纤光栅14主要用于将第一悬臂梁自由端的形变量转换为光信号的变化量；第一应力光纤光栅使用树脂胶沿轴向粘贴于第一悬臂梁的中心位置，具体反射波长需配合光纤光栅解调仪根据实际情况进行选择。作为优选的方案，使用1520-1560nm的光纤光栅，光纤光栅长度1cm。

温补光纤光栅15主用于对传感器里的应力光纤光栅进行温度补偿；温补光纤光栅始终处于无应力状态，只受温度变化的影响，具体反射波长需配合光纤光栅解调仪根据实际情况进行选择。温补光纤光栅可通过第三悬臂梁与壳体内壁连接，也可以直接与壳体内壁或底部连接。作为优选的方案，使用1520-1560nm 的光纤光栅，光纤光栅长度1cm。

光纤16主要用于将传感器里的所有光纤光栅进行连接；具体参数可根据实际情况进行调整。作为优选的方案，使用康宁单模光纤G.652D。

第二悬臂梁17主要用于粘贴第二光纤光栅，配合重块将垂直方向上的振动量转换为应变量传递到第二光纤光栅上；第二悬臂梁为等边梯形梁，等边梯形梁可近似等效为等强度梁，由第二悬臂梁、重块和第二应力光纤光栅配合测量振动加速度，通过振动加速度的测量来进行动态车辆的整车识别；具体尺寸可根据实际情况进行调整。作为优选的方案，使用弹性模量E＝1.3X10¹¹Pa，泊松比μ＝0.8，膜片厚度1X10^-3m，其有效臂长为40mm，上底2mm、下底25mm、厚度1mm。

第二应力光纤光栅18主要用于将第二悬臂梁自由端的形变量转换为光信号的变化量；第二应力光纤光栅使用树脂胶沿轴向粘贴于第二悬臂梁的中心位置，具体反射波长需配合光纤光栅解调仪根据实际情况进行选择。作为优选的方案，使用1520-1560nm的光纤光栅，光纤光栅长度1cm。

重块19主要用于配合第二悬臂梁和第二应力光纤光栅进行振动量的测量；测量的数据用于进行整车区分，具体尺寸和材质等可根据实际情况调整。作为优选的方案，使用100g的正方体重块。

密封垫片20主要用于将称重传感器和基座的连接处进行密封处理；密封垫片的具体尺寸和材质等可根据实际情况调整。作为优选的方案，使用圆形硅橡胶垫片，内径12cm、外径14cm、厚度4mm。

称重板21主要用于保护应变片和扩大承重面积；称重板需要足够强度，不易损坏、变形，称重板底部有凹槽，配合重心支撑点的凸出部分，具体尺寸和材质等可根据实际情况调整。作为优选的方案，使用上表面为宽14cm、长30cm、厚1.5cm的钢板作为承重板。

在其他实施例中，本发明还提供了：

一种光纤光栅车辆动态称重方法，采用如上述实施例所述的动态称重装置进行车辆称重，步骤包括：

确定需要监控道路的宽度，并将组装好的两组称重传感器组按固定宽度平行安装到待监控路面上，称重板与路面齐平；

将两组称重传感器通过光缆与光纤光栅解调仪连接起来并标定所有传感器里的光纤光栅；

通过光纤光栅解调仪实时测量各个光纤光栅反射波长的漂移量，并计算得到各个称重传感器测量的重量值和振动数据；

对测得的重量值和振动数据进行整车分析，并得到动态车辆的轮重、轴重、整车重量、车宽、轴数、轴距、总轴长、行驶速度和重心位置。

进一步的，沿轴向粘贴在第一悬臂梁表面上的第一应力光纤光栅的反射中心波长漂移量与作用在重心支撑点处的重量的关系可表示为：

其中，λ_B是Λ和n_eff的函数，n_eff为激光在光纤内传播的有效折射率，Λ为布拉格光栅的周期。P_e＝n_eff ²[P₂-μ(P₁+P₂)]/2,表示FBG材料的有效弹光系数，其中P₁和P₂为FBG材料的弹光系数；μ为FBG材料的泊松比；r₀为传动杆端面的半径；FBG材料为应变片材料；h为膜片的厚度；E为应变片的弹性模量。b₁、 b₂、L和d分别为第一悬臂梁的上底宽度、下底宽度、长度和厚度；C是一常数，与第一悬臂梁的上、下底的宽度之比有关；Z为轴距；m为作用在重心支撑点处的重量；g为地球的重力加速度。

进一步的，在测得各个称重传感器测量到重量的前提下，若相邻的称重传感器都有测到重量时，只需将相邻的测得的重量相加则为轮重；把单排所有传感器测得的重量全加起来则为轴重。把整车的所有轴重加起来则为车辆的总重量。

进一步的，由第二悬臂梁、重块和第二光纤光栅配合构成的振动传感结构检测到振动加速度，测得前轴通过的速度可等同于整车的速度，可通过同一组称重传感器测得的前轴和后轴通过的时间差，计算前轴到后轴的轴距，轴数和各个轴之间的轴距，总轴长。

进一步的，根据车辆的前轴到达第一组称重传感器的时间，和到达第二组称重传感器的时间，计算得到汽车的速度。

进一步的，通过两个称重传感器之间的距离得到两个轮胎之间的距离，约等于车宽。

具体来说，光纤布拉格光栅是一种使用强烈的紫外线激光以空间变化的方式而刻录在标准、单模光纤中心的光学传感器。短波长紫外线光子具有足够的能量打破高稳定度的氧化硅粘结料，破坏光纤的结构并轻微增加其折射率。两条连续的激光束之间或光纤与其遮罩物的干涉，会使紫外线光产生强烈的空间周期性变化，从而导致光纤的折射率相应地产生周期性的变化。在发生此变化的光纤区域形成的光栅会变为一个波长选择镜像：光沿着光纤往下传播并在每个微小变化处发生反射，但这些反射会在大多数波长上产生破坏性的干涉，并沿着光纤连续传播。然而，在某个特定的窄带波长范围内，会产生有用的干涉，这些干涉会沿着光纤返回。

布拉格波长λ_B由下式决定：

λ_Β＝2n_effΛ...........(1-1)

式中：n_eff为激光在光纤内传播的有效折射率；Λ为布拉格光栅的周期。λ_B是Λ和n_eff的函数。

当FBG不受外力场的影响和环境温度变化△T时，λ_B发生漂移，其漂移量与温度变化的关系可写成

△λ_B＝λ_B(α+ζ)△T...........(1-2)

式中：α为FBG材料的热膨胀系数；ζ为FBG材料的热光系数；△T为温度变化量。

当环境温度恒定时，FBG受外力场的作用，λ_B发生漂移，漂移量为：

△λ＝λ_B(1-P_e)△ε...........(1-3)

式中：△ε为应力变化量；P_e＝n_eff ²[P₂-μ(P₁+P₂)]/2,表示FBG材料的有效弹光系数，其中P₁和P₂为FBG材料的弹光系数；μ为FBG材料的泊松比。

当应变和温度同时作用在FBG上时，λ_B发生漂移，漂移量为：

△λ＝λ_B(1-P_e)△ε+λ_B(α+ζ)△T...........(1-4)

当车辆驶过称重传感器时，重力作用于重心支撑点处，即应变片的中心位置，重力F可以表示为

F＝mg..........(1-5)

其中m为作用在重心支撑点处的重量；g为地球的重力加速度。

当应力片受到竖直方向上的重力F时，膜片的上下位移形变量，即传动杆传递到第一悬臂梁自由端处的位移的大小△ω为：

其中，r₀为传动杆端面的半径；μ为应变片材料的泊松比；h为膜片的厚度； E为应变片的弹性模量。

当第一悬臂梁的自由端发生位移量△ω时，应力光纤光栅受到的应力ε(Z)为：

其中，b₁、b₂、L和d分别为第一悬臂梁的上下底的宽度、长度和厚度；C 是一常数，与第一悬臂梁的上下底的宽度之比有关。当b₂/b₁较大时，第一悬臂梁可近似等效为等强度梁。

综上所述，在恒温条件下，沿轴向粘贴在第一悬臂梁表面上的第一应力光纤光栅的反射中心波长漂移量与作用在重心支撑点处的重量的关系可表示为：

同理，当振动传感结构中的重块质量固定时，可由公式(1-8)可知由第二应力光纤光栅的反射中心波长漂移量算得振动加速度，从而得到振动加速度。

在测得各个称重传感器测量到重量的前提下，若相邻的称重传感器都有测到重量时，只需将相邻的测得的重量相加则为轮重；把单排所有传感器测得的重量全加起来则为轴重。把整车的所有轴重加起来则为车辆的总重量。

本发明通过在称重传感器里增加振动传感结构，实现动态车辆的整车识别，当车辆位于带有振动传感结构的称重传感器二上面时，振动传感器能检测到振动加速度，反之，当车辆完全驶离，不在称重传感器上面时，振动传感器检测不到振动加速度。称重传感器二的数量和位置可根据实际需要进行调整。

由于每个称重传感器的间隔距离固定不变，所以可以通过两个称重传感器之间的距离得到两个轮胎之间的距离，约等于车宽。

本发明使用两组传感器配合使用时，如图10所示，将两组称重传感器以固定间隔S平行安装至检测车道上，以两轴四轮车辆为例，车辆的前轴到达第一组称重传感器的时间为t₁，到达第二组称重传感器的时间为t₂，可得到汽车的速度υ为

同理，测得前轴通过的速度可等同于整车的速度，可通过同一组称重传感器测得的前轴和后轴通过的之间差△t算得前轴到后轴的轴距Z为：

Z＝υ△t........(1-10)

同理，当车辆轴数增加时，可算得轴数和各个轴之间的轴距，总轴长。

因此，本发明可测得动态车辆的轮重、轴重、整车重量、车宽、轴数、轴距、总轴长、到达时间、行驶速度，还可以进行车型类别分类、重心位置的计算等。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种光纤光栅车辆动态称重传感器，其特征在于，包括：上方开口的壳体，和与壳体的上方开口连接的应变片；壳体内壁设置有若干个悬臂梁，悬臂梁的一端与壳体内壁连接，悬臂梁的另一端为自由端，悬臂梁的中段与光纤光栅连接；应变片的顶面的中心设有凸起，底面的中心与传动杆的一端连接，传动杆的另一端与每个悬臂梁的自由端接触。

2.如权利要求1所述的动态称重传感器，其特征在于，所述壳体内壁与若干个第一、第二悬臂梁的一端连接，第一悬臂梁的自由端与传动杆接触；第二悬臂梁的自由端与重块连接；第一悬臂梁与第一光纤光栅连接，第二悬臂梁与第二光纤光栅连接。

3.如权利要求1所述的动态称重传感器，其特征在于，所述凸起具有圆弧形曲面。

4.如权利要求1所述的动态称重传感器，其特征在于，所述悬臂梁为等边梯形梁，所述光纤光栅沿轴向粘贴在悬臂梁表面上。

5.如权利要求1所述的动态称重传感器，其特征在于，所述壳体还与温补光纤光栅连接，温补光纤光栅处于无应力状态通过光纤与第一光纤光栅连接。

6.一种光纤光栅车辆动态称重装置，其特征在于，包括：基座，所述基座上安装若干个如权利要求1-5任一所述的动态称重传感器，所述称重传感器的顶部与称重板配合连接；所述基座包括若干个传感器安装孔，两个传感器安装孔之间具有设定距离；所述称重板的下表面中心设有与应力片的凸起配合的凹槽结构。

7.如权利要求6所述的动态称重装置，其特征在于，还包括光纤光栅解调仪，各个称重传感器的光纤光栅通过光纤与光纤光栅解调仪连接；所述传感器安装孔用于安装动态称重传感器，传感器安装孔底部还设有用于放置光纤跳线的通孔，光纤跳线将各个称重传感器连接起来实现光路连通。

8.如权利要求6所述的动态称重装置，其特征在于，称重传感器和基座的连接处通过密封垫片进行密封处理。

9.一种光纤光栅车辆动态称重方法，其特征在于，采用如权利要求6-8任一所述的动态称重装置进行车辆称重，步骤包括：

通过光纤光栅解调仪实时测量各个光纤光栅反射波长的漂移量，并计算得到各个称重传感器测量的重量值和振动数据；

对测得的重量值和振动数据进行整车分析，并得到动态车辆的轮重、轴重、整车重量、车宽、轴数、轴距、总轴长、行驶速度和重心位置。

10.如权利要求6所述的车辆动态称重方法，其特征在于，沿轴向粘贴在第一悬臂梁表面上的第一应力光纤光栅的反射中心波长漂移量与作用在重心支撑点处的重量的关系可表示为：

其中，λ_B是Λ和n_eff的函数，n_eff为激光在光纤内传播的有效折射率，Λ为布拉格光栅的周期；P_e＝n_eff ²[P₂-μ(P₁+P₂)]/2,表示FBG材料的有效弹光系数，其中P₁和P₂为FBG材料的弹光系数；μ为FBG材料的泊松比；r₀为传动杆端面的半径；FBG材料为应变片材料；h为膜片的厚度；E为应变片的弹性模量；b₁、b₂、L和d分别为第一悬臂梁的上底宽度、下底宽度、长度和厚度；C是一常数，与第一悬臂梁的上、下底的宽度之比有关；Z为轴距；m为作用在重心支撑点处的重量；g为地球的重力加速度。

Images