CN113483871A - 高速公路桥梁动态计重及监测一体化装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于高速公路桥梁动态计重及监测一体化装置，包括一台窄线宽激光器、两个耦合器、一个声光调制器、一个掺铒光纤放大器、一个滤波器、一个环形器、两条减速带、若干条宽带弱反射光纤光栅序列、若干个摄像头、一个平衡探测器、一个数据采集卡、一个工控机；不同的载重车辆经过减速带时会产生不同的振动信号，宽带弱反射光纤光栅序列会很好的感应到这种振动信号，并将感受到的振动信号输送到探测解调装置之中，探测解调装置解调出振动信号的振动频率，由载重车辆重量与振动信号频率的平方成反比得到载重车辆的重量，通过工控机连接到摄像头即实现了高速公路桥梁动态计重及监测一体化。

Description

高速公路桥梁动态计重及监测一体化装置

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及基于高速公路桥梁动态计重及监测一体化装置。

背景技术

随着我国经济社会的不断发展，我国的高速桥梁建设里程每年都在不断刷新着新纪录，这些重大民生工程的建设使得海关、水泥厂、石料厂等运货量加大，同时也造成了按重量交易的场所不断增加，因此运输车辆的超载问题及测重问题随之而来，运输车的超重不仅会损坏高速公路路基和桥梁结构，还会给人们的生命财产安全带来很大的威胁。道路交通安全飞速发展带来的一个很大的问题就是如何对超载车辆进行有效安全的管理。

近年来，超载检测系统的研发取得了重大的进步，各种检测系统都不断的被研发应用，现有的有关超载检测的技术有：汽车轮载检测系统、不停车称重快速路段检测系统、一级物联网技术的汽车轮载检测系统等，现在高速桥梁中最常用的车辆称重系统即在收费关口停车计重，当车辆驶入称重秤板时，车辆必须要彻底停止且达到秤板位置的中心，通过测量车辆给予秤板带来的形变量来测量出车辆的重量，该系统最大的优点就是测量精确，但是该测量装置耗时较长，通行效率很低，在许多的收费口都会引起拥堵现象，导致车辆通行速度缓慢，且该测重系统费时费力。

由于传统测重系统的局限性，不停车测重系统的研发越来越受到人们的关注，不停车测重系统主要应用于高速公路入口和桥梁入口处，用来检测汽车的动态重量，该系统可以有效及时制止车辆在道路桥梁超重行驶的情况，可以很好地避免由于汽车超重所带给道路桥梁的损坏，但是该系统的研究大多不能全面推广到所有的道路之中，因为该系统的研究还不完善，称重的准确度也不高，对于在节假日等高流量的道路桥梁中也不适用。

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外曝光的方法，沿纤芯轴向形成永久性的折射率呈周期性变化的光纤器件，其实质是在纤芯内形成一个窄带的反射(或透射)式光学滤波器，基于光纤光栅的传感过程是通过外界参量(如应力、振动、温度等)对其中心波长的调制来获取传感信息，因此光纤光栅是一种波长调制型光纤传感器。光纤光栅中心λ_B与应变ε和温度T的关系可简化为公式

根据应力、振动、温度等发生改变引起的波长漂移，光纤光栅可制成用于检测应力、应变、压力、振动、温度、等多种参量的光纤光栅传感器。

针对传统的高速桥梁测重装置通行率低下，耗时长等问题，本发明提出了一种高速公路桥梁动态计重及监测一体化装置。本发明具有准确度高、测量速度快、可进行多参数测量、测重监测一体等优点。

发明内容

针对传统的高速桥梁测重装置通行率低，耗时长问题，本发明提出了一种测量速度快，测量准确，测量监测并行的高速公路桥梁动态计重及监测一体化装置。

本发明为解决技术问题所采取的方法包括如下步骤：

步骤一：选择一个光脉冲产生装置，其包含一台窄线宽激光器、一个耦合器、一个声光调制器、一个掺铒光纤放大器、一个滤波器，一个探测解调装置，其包含一个环形器、一个耦合器、一个平衡探测器、一个数据采集卡、一个工控机，再选择两条减速带、若干条宽带弱反射光纤光栅序列、若干个摄像头，所述的两条减速带铺设在高速公路测重路段的两端或桥梁的入口及出口处，若干条宽带弱反射光纤光栅序列铺设在高速测重车道内或桥梁上，摄像头架设在路面或者桥梁上方，探测解调装置、窄线宽激光器等铺设在高速路基边缘或桥梁护栏处。

步骤二：光脉冲产生装置中的窄线宽激光器的输出端与第一个耦合器的输入端相连，第一个耦合器的分光比为1:99，第一个耦合器99％的输出端与声光调制器的输入端相连，1％的输出端与第二个耦合器的输入端相连，声光调制器的输出端经过一个掺铒光纤放大器与滤波器的输入端相连，滤波器的输出端与探测解调装置中的环形器第一端口相连，环形器的第二端口与宽带弱反射光纤光栅序列相连，环形器的第三端口与第二个耦合器的输入端口相连，第二个耦合器的耦合比是50:50，第二个耦合器的输入端分别接收来自第一耦合器分光比占1％的窄线宽激光束和宽带弱反射光纤光栅序列反射回来的光束，在第二个耦合器中两信号进行相干差频，产生的差频信号由探测解调装置进行信号处理，探测解调装置的输出端最后与若干个摄像头的输入端相连。两条减速带的中间埋设宽带弱反射光纤光栅序列，减速带下也铺设宽带弱反射光纤光栅序列，铺设的光纤条数与高速公路或桥梁车道数相同。

步骤三：当车辆经过第一条减速带时，减速带会让车辆产生振动，车辆重量的不同会产生不同的振动信号，宽带弱反射光纤光栅序列对振动信息十分灵敏，会采集到振动信息并传回探测解调装置中。

其中探测解调装置中所接收的信号为：

I_ri是探测解调装置的接收信号，I_i是宽带弱反射光纤光栅序列的反射光，I₀是光源的光强，t是时间，

是来自于宽带弱反射光纤光栅序列和光源之间的相位差，Δf是声光调制器带来的频移，反射信号中包含了每个光纤光栅的强度和相位信息。

宽带弱反射光纤光栅序列之间由声光调制器带来的的频移和时间是固定的，差频信号只有在宽带弱反射光纤光栅和光源之间的相位差

改变时才会发生变化，并且第i和第i+1个差频信号之间的强度相对变化表示从第i和第i+1个光纤光栅之间的连接光栅产生的相位变化，其可以被描述为：

因此沿着光纤的相位变化可以通过两个宽带弱反射光纤光栅序列的差频信号之间的互相关来计算。

宽带弱反射光纤光栅序列之间光纤光纤振动事件通过探测解调装置之后可以获得振动信号的振幅和频率信息。

步骤四：当探测解调装置解调出振动信号的振幅和频率信息后，依据振动信号的振动频率可推断出经过宽带弱反射光纤光栅序列车辆的重量，车辆在经过减速带时可以简化为做自由振动，振动的频率与初始条件无关，而仅与系统的固有特性有关。

车辆在经过减速带做自由振动时，其振动频率和质量的关系可以用下式来进行表示：

k为物体的刚度，只与物体自身的属性有关，f为车辆经过减速带的振动频率，由式(3)可得质量与振动频率的平方成反比，当宽带弱反射光纤光栅序列测得过往车辆的振动频率时便可以得到车辆的重量信息，探测解调装置解调出车辆的振动频率和车辆重量信息后，将信息存储在工控机中，当车辆重量超过路面限重或者桥梁限重时，与工控机相连的摄像头就会进行拍照，并将车辆信息上传至交警大队的网络系统。

该系统利用宽带弱反射光纤光栅序列可以完成对行驶中车辆重量的测量，并通过工控机连接摄像头对超载超速的车辆进行拍照，实现了对高速公路桥梁动态计重及监测的一体化。

为了实现以上步骤，本发明采用如下结构，其特征在于包括一个光脉冲产生装置、一个探测解调装置、两条减速带、若干条宽带弱反射光纤光栅序列、若干个摄像头；所述的光脉冲产生装置包含一台窄线宽激光器、两个耦合器、一个声光调制器、一个掺铒光纤放大器、一个滤波器；所述的探测解调装置包含一个环形器、一个平衡探测器、一个数据采集卡、一个工控机；所述的光脉冲产生装置中的窄线宽激光器经单模光纤连接到第一个耦合器之中；所述的第一个耦合器99％分光比的通道经声光调制器连接到掺铒光纤放大器之中，分光比为1％的通道连接到第二耦合器之中；所述的掺铒光纤放大器经滤波器与探测解调装置中的环形器的第一端口相连；所述的探测解调装置中的环形器的第二端口连接到宽带弱反射光纤光栅序列，第三端口与第二耦合器相连；所述的第二耦合器经过一个平衡探测器连接到数据采集卡；所述的数据采集卡经过一个工控机与摄像头相连；所述的两条减速带铺设在高速公路测重路段的两端或桥梁的入口及出口处；所述的若干条宽带弱反射光纤光栅序列铺设在高速测重车道内或桥梁上；所述的摄像头架设在路面或者桥梁上方，窄线宽激光、工控机等铺设在高速路基边缘或桥梁护栏处。

本发明的有益效果为：

1、利用宽带弱反射光纤光栅序列可以很好的检测到载重车辆的振动信号，通过探测解调装置解调出振动信号的振动频率，与传统计重方式相比，车辆无需停车，增加了车辆的通行效率，也减少了人力使用。

2、该装置可以很好的监测到载重车辆的重量，并通过工控机与摄像头相连，可实现对车辆的测重，违章车辆拍照上传等一体化测试。

附图说明

图1为一种高速公路桥梁动态计重及监测一体化装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图1所示，一种高速公路桥梁动态计重及监测一体化装置示意图，包括减速带1、宽带弱反射光纤光栅序列2、摄像头3、光脉冲产生装置4、窄线宽激光器5、耦合器6、声光调制器7、掺铒光纤放大器8、滤波器9、探测解调装置10、环形器11、耦合器12、平衡探测器13、数据采集卡14、工控机15。光脉冲产生装置4中的窄线宽激光器5的输出端与第一个耦合器6的输入端相连，第一个耦合器6的分光比为1:99，第一个耦合器6的99％输出端与声光调制器7的输入端相连，1％的输出端与第二个耦合器12的输入端相连，声光调制器7的输出端经过一个掺铒光纤放大器8与滤波器9的输入端相连，滤波器9的输出端与探测解调装置10中的环形器11第一端口相连，环形器11的第二端口与宽带弱反射光纤光栅序列2相连，环形器11的第三端口与第二个耦合器12的输入端口相连，第二个耦合器12的耦合比是50:50，第二个耦合器12的输入端分别接收来自第一耦合器6分光比占1％的窄线宽激光束和宽带弱反射光纤光栅序列2反射回来的光束，在第二个耦合器12中两信号进行差频，产生的差频信号由探测解调装置10进行信号处理，探测解调装置10的输出端最后与若干个摄像头3的输入端相连。

本发明的工作方式为：光脉冲产生装置4中的窄线宽激光器5发出的光束进入耦合器6，耦合器6的耦合比为99:1,99％的光源进入声光调制器7,1％的光源进入耦合器12，进入声光调制器7的光束，被调制成脉冲信号并产生一个频移，产生的脉冲信号经过掺铒光纤放大器8时脉冲信号被放大，放大的信号然后经过滤波器9时，被进行滤波处理，再通过环形器11进入到宽带弱反射光纤光栅序列2中。减速带1与宽带弱反射光纤光栅序列2相连，当载重车辆经过减速带1时，会产生振动信号，不同的载重车辆经过减速带1时会产生不同的振动信号，宽带弱反射光纤光栅序列会很好的感应到这种振动信号，并将感受到的振动信号返回到环形器11中，然后与来自耦合器6的信号在耦合器12中形成差频信号，最后差频信号由探测解调装置10解调，得到振动信号的振动频率，由公式(3)可知载重车辆的重量与振动频率的平方成反比，由得到的振动信号即可得出载重车辆的重量，探测解调装置10中的工控机15与摄像头3相连，当载重车辆的重量超过该路段或桥梁限额时，摄像头3即进行拍照并上传车辆信息，从而实现了高速公路桥梁动态计重及监测一体化。

该装置能够实现高速公路桥梁动态计重及监测一体化的关键技术有：

1、探测解调装置：解调的准确度是该监测一体化装置的关键，振动信号的监测与解调直接与载重车辆的重量有关，探测解调装置在得到两个相邻的光纤光栅的相位信息后，可以通过两个宽带弱反射光纤光栅序列的差频信号之间的互相关来计算出振动信号的振动频率。

2、窄线宽激光器：对于相敏光时域反射仪，窄线宽激光的使用将增强脉冲内各散射分量之间的相干效应，其特征是激光光谱线宽非常狭窄，线宽＜10kHz，其相干长度可达100百公里以上。

3、宽带弱反射光纤光栅序列：借助于拉塔技术和紫外曝光制作的宽带弱反射光纤光栅序列可以提供强信号光反射光，所有的宽带弱反射光纤光栅序列具有相同的中心波长和相同的弱反射率，且相邻宽带弱反射光纤光栅序列之间的空间间隔决定系统的分辨率。

本发明的一个具体实施例中，窄线宽激光器的激光线宽为1kHz，声光调制器输出的脉冲宽度为300ns,峰值功率为8dBm，两个耦合器的耦合比分别为99:1和50:50，宽带弱反射光纤光栅宽度0.5nm，宽带弱反射光纤光栅反射率1％，两相邻宽带弱反射光纤光栅间隔10m,每条宽带弱反射光纤光栅序列上刻录300个宽带弱反射光纤光栅，宽带弱反射光纤光栅序列分别铺设在四条道路上。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。

本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的保护范围。

Claims (2)

1.基于高速公路桥梁动态计重及监测一体化装置，其特征在于如下步骤：

步骤一：选择一个光脉冲产生装置，其包含一台窄线宽激光器、一个耦合器、一个声光调制器、一个掺铒光纤放大器、一个滤波器，一个探测解调装置，其包含一个环形器、一个耦合器、一个平衡探测器、一个数据采集卡、一个工控机，再选择两条减速带、若干条宽带弱反射光纤光栅序列、若干个摄像头，所述的两条减速带铺设在高速公路测重路段的两端或桥梁的入口及出口处，若干条宽带弱反射光纤光栅序列铺设在高速测重车道内或桥梁上，摄像头架设在路面或者桥梁上方，探测解调装置、窄线宽激光器等铺设在高速路基边缘或桥梁护栏处；

步骤二：光脉冲产生装置中的窄线宽激光器的输出端与第一个耦合器的输入端相连，第一个耦合器的分光比为1:99，第一个耦合器99％的输出端与声光调制器的输入端相连，1％的输出端与第二个耦合器的输入端相连，声光调制器的输出端经过一个掺铒光纤放大器与滤波器的输入端相连，滤波器的输出端与探测解调装置中的环形器第一端口相连，环形器的第二端口与宽带弱反射光纤光栅序列相连，环形器的第三端口与第二个耦合器的输入端口相连，第二个耦合器的耦合比是50:50，第二个耦合器的输入端分别接收来自第一耦合器分光比占1％的窄线宽激光束和宽带弱反射光纤光栅序列反射回来的光束，在第二个耦合器中两信号进行相干差频，产生的差频信号由探测解调装置进行信号处理，探测解调装置的输出端最后与若干个摄像头的输入端相连。两条减速带的中间埋设宽带弱反射光纤光栅序列，减速带下也铺设宽带弱反射光纤光栅序列，铺设的光纤条数与高速公路或桥梁车道数相同；

步骤三：当车辆经过第一条减速带时，减速带会让车辆产生振动，车辆重量的不同会产生不同的振动信号，宽带弱反射光纤光栅序列对振动信息十分灵敏，会采集到振动信息并传回探测解调装置中；

其中探测解调装置中所接收的信号为：

I_ri是探测解调装置的接收信号，I_i是宽带弱反射光纤光栅序列的反射光，I₀是光源的光强，t是时间，

是来自于宽带弱反射光纤光栅序列和光源之间的相位差，Δf是声光调制器带来的频移，反射信号中包含了每个光纤光栅的强度和相位信息；

宽带弱反射光纤光栅序列之间由声光调制器带来的的频移和时间是固定的，差频信号只有在宽带弱反射光纤光栅和光源之间的相位差

改变时才会发生变化，并且第i和第i+1个差频信号之间的强度相对变化表示从第i和第i+1个光纤光栅之间的连接光栅产生的相位变化，其可以被描述为：

因此沿着光纤的相位变化可以通过两个宽带弱反射光纤光栅序列的差频信号之间的互相关来计算；

宽带弱反射光纤光栅序列之间光纤光纤振动事件通过探测解调装置之后可以获得振动信号的振幅和频率信息；

步骤四：当探测解调装置解调出振动信号的振幅和频率信息后，依据振动信号的振动频率可推断出经过宽带弱反射光纤光栅序列车辆的重量，车辆在经过减速带时可以简化为做自由振动，振动的频率与初始条件无关，而仅与系统的固有特性有关；

车辆在经过减速带做自由振动时，其振动频率和质量的关系可以用下式来进行表示：

k为物体的刚度，只与物体自身的属性有关，f为车辆经过减速带的振动频率，由式(3)可得质量与振动频率的平方成反比，当宽带弱反射光纤光栅序列测得过往车辆的振动频率时便可以得到车辆的重量信息，探测解调装置解调出车辆的振动频率和车辆重量信息后，将信息存储在工控机中，当车辆重量超过路面限重或者桥梁限重时，与工控机相连的摄像头就会进行拍照，并将车辆信息上传至交警大队的网络系统；

该系统利用宽带弱反射光纤光栅序列可以完成对行驶中车辆重量的测量，并通过工控机连接摄像头对超载超速的车辆进行拍照，实现了对高速公路桥梁动态计重及监测的一体化。

2.一种实现权利要求1所述的基于高速公路桥梁动态计重及监测一体化装置，其特征在于包括一个光脉冲产生装置、一个探测解调装置、两条减速带、若干条宽带弱反射光纤光栅序列、若干个摄像头；所述的光脉冲产生装置包含一台窄线宽激光器、两个耦合器、一个声光调制器、一个掺铒光纤放大器、一个滤波器；所述的探测解调装置包含一个环形器、一个平衡探测器、一个数据采集卡、一个工控机；所述的光脉冲产生装置中的窄线宽激光器经单模光纤连接到第一个耦合器之中；所述的第一个耦合器99％分光比的通道经声光调制器连接到掺铒光纤放大器之中，分光比为1％的通道连接到第二耦合器之中；所述的掺铒光纤放大器经滤波器与探测解调装置中的环形器的第一端口相连；所述的探测解调装置中的环形器的第二端口连接到宽带弱反射光纤光栅序列，第三端口与第二耦合器相连；所述的第二耦合器经过一个平衡探测器连接到数据采集卡；所述的数据采集卡经过一个工控机与摄像头相连；所述的两条减速带铺设在高速公路测重路段的两端或桥梁的入口及出口处；所述的若干条宽带弱反射光纤光栅序列铺设在高速测重车道内或桥梁上；所述的摄像头架设在路面或者桥梁上方，窄线宽激光、工控机等铺设在高速路基边缘或桥梁护栏处。

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