CN114993433B - 一种基于光纤光栅的桥梁高精度动态称重装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光纤光栅的桥梁高精度动态称重装置、系统及方法，属于涉及光电子测量器件技术领域，是针对解决桥上移动车载的分级高精度测量，实现动态车辆的轮重、轴重、整车重量、车宽、轴数、轴距、到达时间、行驶速度等参数的识别的问题所提出。一种基于光纤光栅的桥梁高精度动态称重装置，包括减速带、初始感应杆、离开感应杆、定位螺杆、光纤光栅分级压力传感器、受力杆、空气弹簧、中间定位销；包括光纤光栅分级压力传感器模块、无线传输模块、数据感知汇聚模块、数据压缩模块、数据传输模块、数据预处理模块、数据储存模块和多参数识别及分析模块；能够解决桥上移动车载的分级高精度测量以及多参数识别的问题。

Description

一种基于光纤光栅的桥梁高精度动态称重装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及光电子测量器件技术领域，特别是涉及一种基于光纤光栅的桥梁高精度动态称重装置、系统及方法。

背景技术

目前，国内外在桥梁领域研发了多种称重系统，如称台式、弯板式、石英式、薄板式计重设备。这些计重设备存在着诸多不足之处，如称台式安装及后期维护复杂、受环境影响大、易受电磁干扰；石英式计重设备在车辆低速行驶时的测量误差较大；弯板式计重设备温度漂移大，受气候、季节影响明显，冬夏更替时需对系统进行标定等。且这些计重设备基本都依赖于传统的电学原理，所测数据受电磁干扰影响较大。

光纤光栅传感器以其体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、灵敏度高等优点成为桥梁称重领域的研究热点。在众多光纤光栅解调方案中，光强解调以其光路简单、传感器易于铺设，输出信号易于检测等优点被广泛应用于实际检测中。但常用的光强解调方案受光纤光栅反射光谱带宽较小，导致其测量范围较小。传统方法为扩大测量范围而将悬臂梁的厚度设计的较大，这种方法实际上降低了传感器的分辨力，不适合实际使用。如何在桥梁上实现不同重量的车载信号的高精度测量以及车速，车辆轨迹，车距等车辆基本参数的识别是未来桥梁动态称重系统的发展方向。

现有技术1：

现有技术中的申请号为：CN201710226570.6的专利申请，其公开了：一种基于伸缩杆结构的光纤光栅多级称重传感器，该发明提出了一种基于伸缩杆结构的光纤光栅多级称重传感器，由光源、光分路器、光功率计、解调光路和伸缩杆多级传感箱体结构组成。其中箱体内部结构包括：顶部称重板，支撑弹簧，位置调节孔，紧固件，限位杆，悬臂梁，伸缩杆。悬臂梁上下表面分别粘贴有光纤光栅。载荷重力经过伸缩杆传递使悬臂梁发生形变，引起光纤光栅产生应变，解调光路输出光功率值发生变化，经过计算即可实现对载荷的测量。传感器设计为多级，随载荷质量增加，各级分别进入工作状态，并设置有过载保护装置。该结构实现了在保证传感器测量分辨力的同时，提高测量范围。解决了现有光纤称重传感器测量范围小或因需提高测量范围而减小测量分辨力的问题，并对传感器过载进行保护。

该发明采用双光纤光栅强度解调方式，双光纤光栅粘贴于悬臂梁上下两表面，若设拉为正，则上表面光纤光栅测的应变＝拉应变+温度影响，下表面光纤光栅测应变＝压应变绝对值约等于拉应变+温度影响，上表面跟下表面一个受拉一个受压，两者相减则可得2倍拉应变，消除了温度的影响。该发明可实现多级传感，载荷质量不同时，相应级别传感结构进入工作状态，测量范围大，当达到传感结构工作量程上限时，限位杆可保护悬臂梁不过载，多级系统分别工作，使用寿命长。

其缺点在于：

未考虑整个车道的车载数量或者轴距间的不同对测量带来的影响，若轴距过短则会存在荷载集中的影响，而产生承重板存在偏心的影响，该发明未明确说明承重板尺寸与车道或者车距的关系。该装置更倾向于测单个载重装置，对于桥梁多个车道未明确说明如何使用，且对于车辆的速度，车距等基本参数都无法测量或明确说明。

现有技术2：

现有技术中的申请号为：CN202010386718.4的专利申请，其公开了：一种光纤光栅车辆动态称重传感器、装置及方法，该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。

该发明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。

该发明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。

其缺点在于：

该发明功能较为齐全，但未考虑超重大车或者移动小车的测量区别，即未考虑多级称重结构和缓冲装置。对于依靠应力板挤压凸起来防止偏心确实可行，但也容易造成局部或者由于突加荷载过大导致悬臂梁应变过大而损坏。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种基于光纤光栅的桥梁高精度动态称重装置、系统及方法，不仅可以解决桥上移动车载的分级高精度测量，还能实现动态车辆的轮重、轴重、整车重量、车宽、轴数、轴距、到达时间、行驶速度等参数的识别，亦不会受重力偏心的影响，也不会因为局部荷载过大导致装置破坏，且可以依据桥上车道长度进行装置长度调节或者装置内传感器的更换。

本发明采用的技术方案一在于：

一种基于光纤光栅的桥梁高精度动态称重装置，包括减速带、初始感应杆、离开感应杆、定位螺杆、光纤光栅分级压力传感器、受力杆、空气弹簧；

所述减速带上平行嵌入设置有初始感应杆和离开感应杆，在减速带的中部设置有一字排布的两组压力检测部，每组压力检测部包括光纤光栅分级压力传感器、受力杆和空气弹簧，受力杆的底部设置有两个光纤光栅分级压力传感器，每个光纤光栅分级压力传感器的两侧均设置有空气弹簧，两个受力杆的相邻端通过连接器连接，两个受力杆的远离端通过定位螺杆与减速带建立连接，且受力杆的顶面高于减速带。

进一步地，所述初始感应杆和离开感应杆结构一致，均包括支座和两个光纤光栅应变传感器，所述两个光纤光栅应变传感器安装在支座底面上，支座嵌入设置在减速带上。

进一步地，所述光纤光栅分级压力传感器包括压力板、螺纹式旋转高度调节传力杆、悬臂梁、光纤跳线、光纤光栅温度补偿传感器、光纤光栅测应变传感器、支撑圆柱杆、和光纤光栅分级压力传感器外壳；

受力杆下方连接压力板，所述压力板置于光纤光栅分级压力传感器外壳上方，所述压力板下部连接螺纹式旋转高度调节传力杆，所述光纤光栅分级压力传感器外壳底面设置有支撑圆柱杆，螺纹式旋转高度调节传力杆与支撑圆柱杆上下对应设置，所述悬臂梁置于支撑圆柱杆之间，且悬臂梁的一端通过基座与光纤光栅分级压力传感器外壳连接，悬臂梁上设置有传感器，基座上设置有光纤光栅温度补偿传感器，传感器以及光纤光栅温度补偿传感器通过光纤跳线连接。

进一步地，所述螺纹式旋转高度调节传力杆分为三级包括螺纹式旋转高度调节一级传力杆、螺纹式旋转高度调节二级传力杆、螺纹式旋转高度调节三级传力杆、螺纹式旋转高度调节一级传力杆下端、螺纹式旋转高度调节二级传力杆下端和螺纹式旋转高度调节三级传力杆下端；

螺纹式旋转高度调节一级传力杆和螺纹式旋转高度调节一级传力杆下端螺旋连接、螺纹式旋转高度调节二级传力杆和螺纹式旋转高度调节二级传力杆下端螺旋连接，螺纹式旋转高度调节三级传力杆和螺纹式旋转高度调节三级传力杆下端螺旋连接；

所述螺纹式旋转高度调节一级传力杆、螺纹式旋转高度调节二级传力杆和螺纹式旋转高度调节三级传力杆一字排列与压力板连接。

进一步地，所述支撑圆柱杆分为三级包括一级支撑圆柱杆、二级支撑圆柱杆和三级支撑圆柱杆，所述一级支撑圆柱杆、二级支撑圆柱杆和三级支撑圆柱杆一字排列放置于光纤光栅分级压力传感器外壳的底部，

三级的螺纹式旋转高度调节传力杆分别与三级的支撑圆柱杆上下对应设置。

进一步地，所述光纤光栅测应变传感器包括上下对应设置的上表面光纤光栅测应变传感器和下表面光纤光栅测应变传感器。

进一步地，上表面光纤光栅测应变传感器包括上表面光纤光栅一级测应变传感器、上表面光纤光栅二级测应变传感器和上表面光纤光栅三级测应变传感器；下表面光纤光栅测应变传感器包括下表面光纤光栅一级测应变传感器、下表面光纤光栅二级测应变传感器和下表面光纤光栅三级测应变传感器；光纤光栅三级测应变传感器的水平位置置于螺纹式旋转高度调节三级传力杆下端与螺纹式旋转高度调节二级传力杆下端之间，光纤光栅二级测应变传感器的水平位置置于螺纹式旋转高度调节二级传力杆下端与螺纹式旋转高度调节一级传力杆下端之间，光纤光栅一级测应变传感器的水平位置置于螺纹式旋转高度调节一级传力杆下端的另一侧。

本发明采用的技术方案二在于：

一种基于光纤光栅的桥梁高精度动态称重系统，依赖于前文所述的装置实现，包括无线传输模块、数据感知汇聚模块、数据压缩模块、数据传输模块、数据预处理模块、数据储存模块和多参数识别及分析模块；

所述光纤光栅分级压力传感器的输出端与无线传输模块的输入端连接，无线传输模块的输出端与数据感知汇聚模块的输入端连接，数据感知汇聚模块的输出端连接数据压缩模块的输入端，数据压缩模块的输出端连接数据传输模块的输入端，数据传输模块的输出端连接数据预处理模块的输入端，数据预处理模块的输出端连接数据储存模块，多参数识别及分析模块与数据储存模块双向连接；

所述光纤光栅分级压力传感器：用于采集压力信息；

所述无线传输模块：用于通过无线信号进行数据传输；

所述数据感知汇聚模块：用于将多个光纤光栅应变传感器采集的数据汇聚至该模块，实现数据汇聚的功能；

所述数据压缩模块：用于将一定时间段内的数据进行压缩，实现一定时间内汇聚数据的压缩，降低数据传输流量；

所述数据传输模块：用于将压缩后的数据通过传输模块，传到监控中心的数据预处理模块；

所述数据预处理模块：用于将传输模块传输过来的数据进行解压，并通过小波变换进行数据的降噪处理，得到数据预处理之后的数据；

所述数据储存模块：用于存储数据预处理以及多参数识别及分析过程产生的数据；

所述多参数识别及分析模块：用于读取数据储存模块的信息，通过识别，基于设定的移动车载分类指标，完成移动车载的分类和统计，通过分类和统计结果，实现超重、超速、超限车辆的治理和预警，并将信息存储到数据储存模块。

本发明采用的技术方案三在于：

一种基于光纤光栅的桥梁高精度动态称重方法，依赖于前文所述的系统实现，包括以下步骤：

步骤S1，通过光纤光栅分级压力传感器分级获取压力信息，具体实施方式如下：

步骤S11，对光纤光栅分级压力传感器进行标定，统计螺纹式旋转高度调节一级传力杆的高度变化与光纤光栅波长的变化关系，标定螺纹式旋转高度调节一级传力杆最大位移高度为悬臂梁所接触的支撑圆柱体的高度；

步骤S12，然后依次标定螺纹式旋转高度调节二级传力杆、螺纹式旋转高度调节三级传力杆高度变化与光纤光栅测应变传感器的关系；

步骤S13，标定各类位移情况下，空气弹簧的压力值F空气弹簧；

步骤S14，在实测移动车载过程中，通过光纤光栅波长变化计算出光纤光栅分级压力传感器承担的压力，通过标定的关系反算出竖向位移并反算出空气弹簧承担的压力值；

步骤S15，最终实测移动车载大小＝左边F_{空气弹簧*2+光纤光栅分级压力传感器}+右边F_{空气弹簧*2+光纤光栅分级压力传感器}；

步骤S2，通过所述一种基于光纤光栅的桥梁高精度动态称重系统实现多参数识别方案，具体实施方式如下：

步骤S21，将信息传输至无线传输模块，无线传输模块将信息传输给数据感知汇聚模块；

步骤S22，数据感知汇聚模块进行数据的采集汇聚，然后将信息传输给数据压缩模块；

步骤S23，数据压缩模块对信息进行压缩，降低数据量的大小，将信息传输给数据传输模块；

步骤S24，数据传输模块将压缩后的数据传输至数据预处理系统，数据预处理系统将压缩后的数据进行解压，并利用小波变换对数据进行降噪处理，通过对光纤光栅温度补偿传感器采集的数据进行处理，处理后将数据传输给数据存储模块，将降噪处理后的数据进行保存；

步骤S25，多参数识别及分析模块读取数据储存模块的信息，通过识别基于设定的移动车载分类指标，完成车辆多参数信息的分类和统计，通过分类和统计结果实现超重、超速、超限车辆的治理和预警信息，以及并将信息存储到数据储存模块。

进一步地，所述车辆多参数信息包括轮重、轴重、整车重量、车宽、初始行驶速度、减速后速度、轴距、轴数、轮子总数、行驶速度和重心位置。

本发明的有益效果是：

1.能够解决桥上移动车载的分级高精度测量，还能实现动态车辆的轮重、轴重、整车重量、车宽、轴数、轴距、到达时间、行驶速度等参数的识别。

2.不会受重力偏心的影响，也不会因为局部荷载过大导致装置破坏，且可以依据桥上车道长度进行装置长度调节或者装置内传感器的更换。

3.空气弹簧应用于称重系统，避免局部压力过大破坏传感器。

在有效的行程内的高度、内腔容积、承载能力随着振动载荷的递增与减小发生了平稳的柔性传递、振幅与震动载荷的高效控制。还可以用增、减充气量的方法，调整弹簧的刚度和承载力的大小，还可以附设辅助气室，实现自控调节。

4.分级压力传感器这个结构的设计方案使得移动车载的测量具有精度高，量程大的优势。

5.以减速带的形式即避免对桥梁本身结构的破坏，也增加了减速带的功能；设置在桥梁的入口和出口，可以通过测量移动车载的在桥时间，计算其行驶速度。判断该移动车载是否超速。

6.将减速带和车载接触的过程划分为三种状态，即车辆初始速度状态，经过初始感应杆；前轮继续往前，经过减速带上的称重压力传感器，减速状态；前轮继续往前，经过减速带和离开感应杆的中间部分，即加速离开状态。使得速度测量更加接近实际，更加精准。再结合行驶速度的测量，可判断6个过程的移动车辆速度变化：初始速度状态-减速状态-加速离开状态-桥上行驶速度状态-减速状态-加速离开状态。

附图说明

图1是本申请一种基于光纤光栅的桥梁高精度动态称重装置的结构图；

图2是本申请装置的空气弹簧、光纤光栅分级压力传感器、压力板和受力杆连接结构图；

图3是本申请装置的初始感应杆和离开感应杆结构图；

图4是本申请装置的光纤光栅分级压力传感器上部结构图；

图5是本申请装置的光纤光栅分级压力传感器内部结构；

图6是本申请装置的分级测量总体方案、三级测量方案示意图；

图7是本申请装置的一级测量方案示意图；

图8是本申请装置的二级测量方案示意图；

图9是本申请装置的空气弹簧以及光纤光栅分级压力传感器；

图10是本申请装置的移动车载多参数识别方案的示意图；

图11是本申请装置的动态车辆的轮重计算原理示意图；

图12是本申请装置的车宽计算原理示意图；

图13是本申请装置的车辆行使参数计算原理图；

图14是本申请装置的重心位置判断原理图；

图15是本申请一种基于光纤光栅的桥梁高精度动态称重系统的框图。

图中：1、减速带；2、初始感应杆；3、离开感应杆；4、定位螺杆；5、光纤光栅分级压力传感器；5-1、压力板；5-2、螺纹式旋转高度调节传力杆；5-2-1、螺纹式旋转高度调节一级传力杆；5-2-2、螺纹式旋转高度调节二级传力杆；5-2-3、螺纹式旋转高度调节三级传力杆；5-2-4、螺纹式旋转高度调节一级传力杆下端；5-2-5、螺纹式旋转高度调节二级传力杆下端；5-2-6、螺纹式旋转高度调节三级传力杆下端；5-3、悬臂梁；5-4、光纤跳线；5-5、光纤光栅温度补偿传感器；5-6、光纤光栅测应变传感器；5-6-1、上表面光纤光栅一级测应变传感器；5-6-2、上表面光纤光栅二级测应变传感器；5-6-3、上表面光纤光栅三级测应变传感器；5-6-4、下表面光纤光栅一级测应变传感器；5-6-5、下表面光纤光栅二级测应变传感器；5-6-6、下表面光纤光栅三级测应变传感器；5-6-7、光纤光栅线路；5-7、支撑圆柱杆；5-7-1、一级支撑圆柱杆；5-7-2、二级支撑圆柱杆；5-7-3、三级支撑圆柱杆；5-8、光纤光栅分级压力传感器外壳；6、受力杆；7、空气弹簧；8、中间定位销；9、支座；10、光纤光栅应变传感器；11-1、第一基于光纤光栅的桥梁高精度动态称重装置；11-2、第二基于光纤光栅的桥梁高精度动态称重装置。

具体实施方式

具体实施方式一：

如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，实施过程介绍：一种基于光纤光栅的桥梁高精度动态称重装置，包括减速带1、初始感应杆2、离开感应杆3、定位螺杆4、光纤光栅分级压力传感器5、受力杆6、空气弹簧7；

所述减速带1上平行嵌入设置有初始感应杆2和离开感应杆3，在减速带1的中部设置有一字排布的两组压力检测部，每组压力检测部包括光纤光栅分级压力传感器5、受力杆6和空气弹簧7，受力杆6的底部设置有两个光纤光栅分级压力传感器5，每个光纤光栅分级压力传感器5的两侧均设置有空气弹簧7，两个受力杆6的相邻端通过连接器连接，两个受力杆6的远离端通过定位螺杆4与减速带1建立连接，且受力杆6的顶面高于减速带1。

所述初始感应杆2和离开感应杆3结构一致，均包括支座9和两个光纤光栅应变传感器10，所述两个光纤光栅应变传感器10安装在支座9底面上，支座9嵌入设置在减速带1上。

所述光纤光栅分级压力传感器5包括压力板5-1、螺纹式旋转高度调节传力杆5-2、悬臂梁5-3、光纤跳线5-4、光纤光栅温度补偿传感器5-5、光纤光栅测应变传感器5-6、支撑圆柱杆5-7、和光纤光栅分级压力传感器外壳5-8；

受力杆6下方连接压力板5-1，所述压力板5-1置于光纤光栅分级压力传感器外壳5-8上方，所述压力板5-1下部连接螺纹式旋转高度调节传力杆5-2，所述光纤光栅分级压力传感器外壳5-8底面设置有支撑圆柱杆5-7，螺纹式旋转高度调节传力杆5-2与支撑圆柱杆5-7上下对应设置，所述悬臂梁5-3置于支撑圆柱杆5-7之间，且悬臂梁5-3的一端通过基座与光纤光栅分级压力传感器外壳5-8连接，悬臂梁5-3上设置有传感器5-6，基座上设置有光纤光栅温度补偿传感器5-5，传感器5-6以及光纤光栅温度补偿传感器5-5通过光纤跳线5-4连接。

所述螺纹式旋转高度调节传力杆5-2分为三级包括螺纹式旋转高度调节一级传力杆5-2-1、螺纹式旋转高度调节二级传力杆5-2-2、螺纹式旋转高度调节三级传力杆5-2-3、螺纹式旋转高度调节一级传力杆下端5-2-4、螺纹式旋转高度调节二级传力杆下端5-2-5和螺纹式旋转高度调节三级传力杆下端5-2-6；

螺纹式旋转高度调节一级传力杆5-2-1和螺纹式旋转高度调节一级传力杆下端5-2-4螺旋连接、螺纹式旋转高度调节二级传力杆5-2-2和螺纹式旋转高度调节二级传力杆下端5-2-5螺旋连接，螺纹式旋转高度调节三级传力杆5-2-3和螺纹式旋转高度调节三级传力杆下端5-2-6螺旋连接；

所述螺纹式旋转高度调节一级传力杆5-2-1、螺纹式旋转高度调节二级传力杆5-2-2和螺纹式旋转高度调节三级传力杆5-2-3一字排列与压力板5-1连接。

所述支撑圆柱杆5-7分为三级包括一级支撑圆柱杆5-7-1、二级支撑圆柱杆5-7-2和三级支撑圆柱杆5-7-3，所述一级支撑圆柱杆5-7-1、二级支撑圆柱杆5-7-2和三级支撑圆柱杆5-7-3一字排列放置于光纤光栅分级压力传感器外壳5-8的底部；

三级的螺纹式旋转高度调节传力杆5-2分别与三级的支撑圆柱杆5-7上下对应设置，螺纹式旋转高度调节一级传力杆5-2-1与一级支撑圆柱杆5-7-1上下对应，螺纹式旋转高度调节二级传力杆5-2-2与二级支撑圆柱杆5-7-2上下对应，螺纹式旋转高度调节三级传力杆5-2-3与三级支撑圆柱杆5-7-3上下对应。

所述光纤光栅测应变传感器5-6包括上表面光纤光栅一级测应变传感器5-6-1、上表面光纤光栅二级测应变传感器5-6-2和上表面光纤光栅三级测应变传感器5-6-3，与下表面光纤光栅一级测应变传感器5-6-4、下表面光纤光栅二级测应变传感器5-6-5和下表面光纤光栅三级测应变传感器5-6-6在悬臂梁5-3的上下表面对应设置，所述光纤光栅测应变传感器5-6水平置于螺纹式旋转高度调节传力杆5-2和支撑圆柱杆5-7之间；

光纤光栅三级测应变传感器5-6-3的水平位置置于螺纹式旋转高度调节三级传力杆下端5-2-6与螺纹式旋转高度调节二级传力杆下端5-2-5之间，光纤光栅二级测应变传感器5-6-2的水平位置置于螺纹式旋转高度调节二级传力杆下端5-2-5与螺纹式旋转高度调节一级传力杆下端5-2-4之间，光纤光栅一级测应变传感器5-6-1的水平位置置于螺纹式旋转高度调节一级传力杆下端5-2-4的另一侧，在该方向上继续设置有光纤光栅温度补偿传感器5-5。

1、光纤光栅分级压力传感器功能实现技术方案

如图6所示，为分级测量总体方案，所述光纤光栅分级压力传感器5具有分级测量的功能。并且具有双温度补偿功能。利用螺纹式旋转高度调节一级传力杆5-2-1、螺纹式旋转高度调节二级传力杆5-2-2和螺纹式旋转高度调节三级传力杆5-2-3以及一级支撑圆柱杆5-7-1、二级支撑圆柱杆5-7-2和三级支撑圆柱杆5-7-3，可避免荷载过大导致应力过大而损坏悬臂梁的变形能力。

通过对光纤光栅温度补偿传感器5-5采集的数据进行处理：

通过光纤光栅温度补偿传感器5-5(上表面测的应变：受力的拉应变+温度影响应变；下表面测的应变：受力的压应变+温度影响应变；拉应变和压应变理论上是绝对值相等，故上下相减为原来受力应变的2倍，从而抵消温度带来的影响应变。目前通过在上下表面设置两个光纤光栅应变传感器可以抵消温度带来的影响，但是对于一些微小振动带来的应变，却无法判断是否是温度本身带来的应变(如温度骤降，昼夜温差大等影响)还是小荷载带来的影响，比如两轮车。因此本文在设置温度补偿装置的同时，通过设置温度补偿光纤光栅实现温度影响判断+外界微小扰动识别的功能。)

ε_{上表面应变}＝ε_控+ε_温度 (1)ε_{下表面应变}＝ε_压+ε_温度 (2)

ε_控＝-ε_压 (3)

式(1)中，ε_{上表面应变}是光纤光栅应变传感器10所测悬臂梁上表面应变；ε_温度是温度对光纤光栅应变传感器10的影响应变；C_控是悬臂梁上表面受力发生的应变；

式(2)中，ε_{下表面应变}是光纤光栅应变传感器10所测悬臂梁下表面应变；ε_压是悬臂梁下表面受力发生的应变；

式(1)-式(2)，可得ε_{上表面应变}-e_{下表面应变}＝ε_控-ε_压＝2ε_控 (4)

得到无温度影响的受力应变：

(1)+(2)，可得

以上为上下表面设置光纤光栅应变传感器进行温度补偿的方法。

由于单独设置了一个不受力的光纤光栅温度补偿传感器，将其与公式(5)进行数据对照，可判断实测应变是否是温度本身带来的应变(如温度骤降，昼夜温差大等影响)还是小荷载带来的影响，比如两轮车。因为温度骤降，影响应变也很大。

1.1分级测量功能

一级传力杆由螺纹式旋转高度调节一级传力杆5-2-1和螺纹式旋转高度调节一级传力杆下端5-3-1螺旋连接；二级传力杆由螺纹式旋转高度调节二级传力杆5-2-2和螺纹式旋转高度调节二级传力杆下端5-3-2螺旋连接；三级传力杆由螺纹式旋转高度调节三级传力杆5-2-3和螺纹式旋转高度调节三级传力杆下端5-3-3螺旋连接，可根据需求设置长度，进而实现不同量程的测量和调节。

压力板5-1与受力杆6紧密切合，在受力杆6上预留两个压力板5-1大小的空间，将光纤光栅分级压力传感器5装在两端，两边放置空气弹簧7。由于压力板5-1的尺寸较小，宽度与受力杆6一致，故受力杆6承受的压力可完全等效两端光纤光栅分级压力传感器5和空气弹簧7承受的压力之后，且受力杆6、空气弹簧7、压力板5-1传感器测的应变可反演竖向位移三者的竖向位移一致。

如图7所示，一级测量方案，当移动车载作用在受力杆6上时，受力杆6将车载力左右均匀传给压力板5-1，压力板5-1下的不同高度的一级传力杆、二级传力杆和三级传力杆会依次挤压悬臂梁，首先由于高度的原因，一级传力杆会将力作用于悬臂梁上，如未发生车载作用时，一级传力杆与悬臂梁紧密贴合。上表面光纤光栅测量拉力带来的应变，下表面光纤光栅测量压力带来的应变，两者相减可抵消温度带来的影响。

如图8所示，二级测量方案，当一级传力杆完全挤压悬臂梁，使其与支撑圆柱杆紧密相连时，若还有力的作用，则二级传力杆开始工作，此时形成以一级传力杆为节点的悬臂梁，应力导致的应变为两级应变的和。二级传力杆工作的节点为，一级传力杆与对应支撑圆柱杆紧密相连时，二级传力杆正好接触悬臂梁。这是二级传力杆和一级传力杆高度差的设计依据。

如图6所示，当一级传力杆和二级传力杆均达到量程时，三级传力杆开始工作，其形成了以二级传力杆和二级支撑圆柱杆为节点的悬臂梁，应力导致的应变为三级应变的和。三级传力杆的高度设计准则与前者相同。

本实施方式可通过改变相应传力杆圆柱的底面积和改变相应传力杆的高度，达到量程的调节。通过增加传力杆的数量来增加分级调节的数量，实现多级车载的高精度测量。

目前通过在上下表面设置两个光纤光栅可以抵消温度带来的影响，但是对于一些微小振动带来的应变，却无法判断是否是温度本身带来的应变如温度骤降，昼夜温差大等影响是否是小荷载带来的影响，比如两轮车。因此本文在设置温度补偿装置的同时，通过设置光纤光栅温度补偿传感器5实现温度影响判断以及外界微小扰动识别的功能。

1.2防止重力偏心，避免局部压力过大的方案

如图9所示，为防止局部荷载过大或者突变荷载，导致结构发生破坏而设置。该空气弹簧7内充入空气，受压时会由于空气压缩而承担弹簧的职能，且左右设置，可平衡局部带来的突变荷载的影响。当压力消失时，空气弹簧7自动回归原位，协助光纤光栅压力传感器上部归位。采用空气弹簧7的好处是避免选择弹簧时因考虑弹簧刚度的不同导致微小扰动不敏感或者荷载太大，变形剧烈，更有利于自动调节刚度。空气弹簧7与压力板5-1的位移趋于一致，利用该位移可测算出空气弹簧7所承担的压力，进而得出该节点处的总重。

具体方法：

1在实验室对分级传感器进行标定，如一级传力杆的高度变化与光纤光栅波长的变化关系，一级传力杆最大位移高度为悬臂梁接触支撑圆柱体的高度。

2)然后依次标定二级、三级传力杆高度变化与各种光纤光栅的关系。

3)标定各类位移大小下，空气弹簧7的压力值F_空气弹簧。

4)在实测移动车载过程中，通过光纤光栅波长变化计算出分级压力传感器承担的压力，通过标定的关系反算出竖向位移。并反算出空气弹簧承担的压力值。

5)最终实测移动车载大小为左边F_{空气弹簧*2+光纤光栅分级压力传感器}+右边F_{空气弹簧*2+光纤光栅分级压力传感器}。

2、移动车载多参数识别方案

如图10所示，可通过根据桥梁上不同车道的车流量，进行选择性布设光纤光栅称重传感器的数量，图10中在单车道驶入口和出口各布设一个光纤光栅称重传感器或各布设两个光纤光栅称重传感器。根据前轮接触驶入口光纤光栅称重传感器的时间即光纤光栅发生波动的时间作为第一次开始时间，后轮离开驶入口光纤光栅称重传感器的时间即光纤光栅第二次发生波动的时间作为第一次结束时间；根据前轮接触出口光纤光栅称重传感器的时间即光纤光栅发生波动的时间作为第二次开始时间，后轮离开出口光纤光栅称重传感器的时间即光纤光栅第二次发生波动的时间作为第二次结束时间；荷载离得越近的光纤光栅压力传感器感应越快，光纤光栅波长变化越快越剧烈。图中11-1为第一基于光纤光栅的桥梁高精度动态称重装置；11-2为第二基于光纤光栅的桥梁高精度动态称重装置。

2.1动态车辆的轮重计算

如图11所示，以四轮车为例，前轮两个经过称重传感器时，受力杆6传导压力，根据两个光纤光栅分级压力传感器5测量的压力来计算轮重。

2.2轴重计算

两个轮重之和，便是前轴的轴重。

2.3整车重量计算

将前后轴重叠加则为整车质量，即光纤光栅分级压力传感器波长变化开始-衰减结束，再到开始-衰减结束这段时间，为一辆车的整车总量所致光纤光栅波长变化。

2.4车宽计算

如图12所示，通过材料力学中，简支梁受力可以反演出车宽。通过弯矩拟合法将两个车轮力矩支座的位置反演出来，即可实现车宽的计算。

2.5初始行驶速度、减速后速度、轴距、轴数和轮子总数计算

如图3、图13所示，当车轮在感应杆上经过时，光纤光栅应变传感器10会感受到应变杆的压力而产生的应变，导致光纤光栅波长发生变化，进而基于该原理判断车轮的各种参数。

根据初始感应杆和称重传感器之间的距离，前轮触碰的时间差，可计算车辆瞬时车速，即初始行驶速度，公式如下：

V1＝L0/t2-t1 (7)

式(7)中，V1为初始行驶速度，L0为初始感应杆2与受力杆6之间的距离，t2为车轮压过受力杆6的时间，t1为车轮压过初始感应杆2的时间；

根据称重传感器和离开感应杆之间的距离，前轮触碰的时间差，可计算车辆经过减速带后速度的变化，即减速带减速后的速度，公式如下：

V2＝L1/t3-t2 (8)

式(8)中，V2为减速后的速度，L1为离开感应杆3与受力杆6之间的距离，t2为车轮压过受力杆6的时间，t3为车轮压过离开感应杆3的时间。

根据前轮和后轮分别接触称重传感器的时间差，结合车速的识别，判断轴距。

根据前轮到达初始感应杆2导致光纤光栅波长的变化，作为车辆到达时间，根据后轮导致离开感应杆3导致光纤光栅波长的变化，作为车辆离开时间，根据初始感应杆2和离开感应杆3短时间的波长变化次数，可计算车辆的轴数和轮子总数。

2.6行驶速度计算

根据桥长，入口称重传感器的时间和出口称重传感器的时间差，计算车辆的行驶速度。

2.7车型类别分类

根据车距、车轴数量等参数，实现车辆的车型类别分类。

2.8重心位置的计算

如图14所示，根据前后左右轮的距离，建立重心判断网，根据四边形重心求解法判断重心位置。

3、动态称重系统

基于该动态称重装置，利用光纤光栅分布式串联和布设的优势，采用光纤光栅解调仪对数据进行解算，利用无线传输装置，将数据传输至数据中心，对数据进行进一步的算法计算。在入口和出口位置，各布设一个摄像头，实现车辆的分类和移动车载过减速带数量的同步校核和记录。进一步补偿动态称重装置的不足，实现桥梁动态称重系统的功能实现。

该方案特点为：

1、通过桥梁出口和入口设置减速带式称重传感器，实现桥梁上移动车载的多参数识别，也不破坏桥梁自身结构。也能够对车辆起到减速的作用。

2、在减速带内镶嵌光纤光栅分级压力传感器5，实现不同大小，不同数量移动车载的分级分类识别。达到微小扰动精准识别，移动重载准确识别的目的。实现高精度，大量程的功能。

3、通过光纤光栅分级压力传感器与空气弹簧的结构设置，利用两者竖向位移一致，实现传感器刚度的自调节，避免局部压力过大破坏传感器，也防止重心偏心带来的影响。

具体实施方式二：

如图15所示，一种基于光纤光栅的桥梁高精度动态称重系统，包括无线传输模块、数据感知汇聚模块、数据压缩模块、数据传输模块、数据预处理模块、数据储存模块和多参数识别及分析模块；

所述光纤光栅分级压力传感器5的输出端与无线传输模块的输入端连接，无线传输模块的输出端与数据感知汇聚模块的输入端连接，数据感知汇聚模块的输出端连接数据压缩模块的输入端，数据压缩模块的输出端连接数据传输模块的输入端，数据传输模块的输出端连接数据预处理模块的输入端，数据预处理模块的输出端连接数据储存模块，多参数识别及分析模块与数据储存模块双向连接；

所述光纤光栅分级压力传感器5：用于采集压力信息；

所述无线传输模块：用于通过无线信号进行数据传输；

所述数据感知汇聚模块：用于将多个光纤光栅应变传感器采集的数据汇聚至该模块，实现数据汇聚的功能；

所述数据压缩模块：用于将一定时间段内的数据进行压缩，实现一定时间内汇聚数据的压缩，降低数据传输流量；

所述数据传输模块：用于将压缩后的数据通过传输模块，传到监控中心的数据预处理模块。起到传输的功能；

所述数据预处理模块：用于将传输模块传输过来的数据进行解压，并通过小波变换进行数据的降噪处理，得到数据预处理之后的数据；

所述数据储存模块：用于存储数据预处理以及多参数识别及分析过程产生的数据；

所述多参数识别及分析模块，用于读取数据储存模块的信息，通过识别，基于设定的移动车载分类指标，完成移动车载的分类和统计，通过分类和统计结果，实现超重、超速、超限车辆的治理和预警，并将信息存储到数据储存模块。

光纤光栅分级压力传感器5获取压力信息，将信息传输至无线传输模块，无线传输模块将信息传输给数据感知汇聚模块，由该模块进行数据的采集汇聚，然后将信息传输给数据压缩模块进行压缩，降低数据量的大小，然后将信息传输给数据传输模块，数据传输模块将压缩后的数据传输至数据预处理系统，数据预处理系统将压缩后的数据进行解压，并利用小波变换对数据进行降噪处理，处理后将数据传输给数据存储模块，将降噪处理后的数据进行保存，多参数识别及分析模块读取数据储存模块的信息，通过识别基于设定的移动车载分类指标，完成移动车载的分类和统计，通过分类和统计结果，实现超重、超速、超限车辆的治理和预警信息，并将信息存储到数据储存模块。

本实施方式具有以下优点：

1、空气弹簧应用于称重系统，避免局部压力过大破坏传感器的设计方案和思路。

在有效的行程内的高度、内腔容积、承载能力随着振动载荷的递增与减小发生了平稳的柔性传递、振幅与震动载荷的高效控制。还可以用增、减充气量的方法，调整弹簧的刚度和承载力的大小，还可以附设辅助气室，实现自控调节。

2、分级压力传感器这个结构的设计方案使得移动车载的测量具有精度高，量程大的优势。

3、以减速带的形式即避免对桥梁本身结构的破坏，也增加了减速带的功能；设置在桥梁的入口和出口，可以通过测量移动车载的在桥时间，计算其行驶速度。判断该移动车载是否超速。

4、将减速带和车载接触的过程划分为三种状态，即车辆初始速度状态，经过初始感应杆；前轮继续往前，经过减速带上的称重压力传感器，减速状态；前轮继续往前，经过减速带和离开感应杆的中间部分，即加速离开状态。使得速度测量更加接近实际，更加精准。再结合行驶速度的测量，可判断6个过程的移动车辆速度变化：初始速度状态-减速状态-加速离开状态-桥上行驶速度状态-减速状态-加速离开状态。

需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。

本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于光纤光栅的桥梁高精度动态称重装置，其特征在于，包括减速带(1)、初始感应杆(2)、离开感应杆(3)、定位螺杆(4)、光纤光栅分级压力传感器(5)、受力杆(6)、空气弹簧(7)；

所述减速带(1)上平行嵌入设置有初始感应杆(2)和离开感应杆(3)，在减速带(1)的中部设置有一字排布的两组压力检测部，每组压力检测部包括光纤光栅分级压力传感器(5)、受力杆(6)和空气弹簧(7)，受力杆(6)的底部设置有两个光纤光栅分级压力传感器(5)，每个光纤光栅分级压力传感器(5)的两侧均设置有空气弹簧(7)，两个受力杆(6)的相邻端通过连接器连接，两个受力杆(6)的远离端通过定位螺杆(4)与减速带(1)建立连接，且受力杆(6)的顶面高于减速带(1)；

所述光纤光栅分级压力传感器(5)包括压力板(5-1)、螺纹式旋转高度调节传力杆(5-2)、悬臂梁(5-3)、光纤跳线(5-4)、光纤光栅温度补偿传感器(5-5)、光纤光栅测应变传感器(5-6)、支撑圆柱杆(5-7)、和光纤光栅分级压力传感器外壳(5-8)；

受力杆(6)下方连接压力板(5-1)，所述压力板(5-1)置于光纤光栅分级压力传感器外壳(5-8)上方，所述压力板(5-1)下部连接螺纹式旋转高度调节传力杆(5-2)，所述光纤光栅分级压力传感器外壳(5-8)底面设置有支撑圆柱杆(5-7)，螺纹式旋转高度调节传力杆(5-2)与支撑圆柱杆(5-7)上下对应设置，所述悬臂梁(5-3)置于支撑圆柱杆(5-7)之间，且悬臂梁(5-3)的一端通过基座与光纤光栅分级压力传感器外壳(5-8)连接，悬臂梁(5-3)上设置有光纤光栅测应变传感器(5-6)，基座上设置有光纤光栅温度补偿传感器(5-5)，光纤光栅测应变传感器(5-6)以及光纤光栅温度补偿传感器(5-5)通过光纤跳线(5-4)连接；

所述螺纹式旋转高度调节传力杆(5-2)分为三级包括螺纹式旋转高度调节一级传力杆(5-2-1)、螺纹式旋转高度调节二级传力杆(5-2-2)、螺纹式旋转高度调节三级传力杆(5-2-3)、螺纹式旋转高度调节一级传力杆下端(5-2-4)、螺纹式旋转高度调节二级传力杆下端(5-2-5)和螺纹式旋转高度调节三级传力杆下端(5-2-6)；

螺纹式旋转高度调节一级传力杆(5-2-1)和螺纹式旋转高度调节一级传力杆下端(5-2-4)螺旋连接、螺纹式旋转高度调节二级传力杆(5-2-2)和螺纹式旋转高度调节二级传力杆下端(5-2-5)螺旋连接，螺纹式旋转高度调节三级传力杆(5-2-3)和螺纹式旋转高度调节三级传力杆下端(5-2-6)螺旋连接；

所述螺纹式旋转高度调节一级传力杆(5-2-1)、螺纹式旋转高度调节二级传力杆(5-2-2)和螺纹式旋转高度调节三级传力杆(5-2-3)一字排列与压力板(5-1)连接；

所述支撑圆柱杆(5-7)分为三级包括一级支撑圆柱杆(5-7-1)、二级支撑圆柱杆(5-7-2)和三级支撑圆柱杆(5-7-3)，所述一级支撑圆柱杆(5-7-1)、二级支撑圆柱杆(5-7-2)和三级支撑圆柱杆(5-7-3)一字排列放置于光纤光栅分级压力传感器外壳(5-8)的底部；

三级的螺纹式旋转高度调节传力杆(5-2)分别与三级的支撑圆柱杆(5-7)上下对应设置；螺纹式旋转高度调节一级传力杆(5-2-1)与一级支撑圆柱杆(5-7-1)上下对应，螺纹式旋转高度调节二级传力杆(5-2-2)与二级支撑圆柱杆(5-7-2)上下对应，螺纹式旋转高度调节三级传力杆(5-2-3)与三级支撑圆柱杆(5-7-3)上下对应；

所述光纤光栅测应变传感器(5-6)包括上下对应设置的上表面光纤光栅测应变传感器和下表面光纤光栅测应变传感器；上表面光纤光栅测应变传感器包括上表面光纤光栅一级测应变传感器(5-6-1)、上表面光纤光栅二级测应变传感器(5-6-2)和上表面光纤光栅三级测应变传感器(5-6-3)；下表面光纤光栅测应变传感器包括下表面光纤光栅一级测应变传感器(5-6-4)、下表面光纤光栅二级测应变传感器(5-6-5)和下表面光纤光栅三级测应变传感器(5-6-6)；

光纤光栅三级测应变传感器(5-6-3)的水平位置置于螺纹式旋转高度调节三级传力杆下端(5-2-6)与螺纹式旋转高度调节二级传力杆下端(5-2-5)之间，光纤光栅二级测应变传感器(5-6-2)的水平位置置于螺纹式旋转高度调节二级传力杆下端(5-2-5)与螺纹式旋转高度调节一级传力杆下端(5-2-4)之间，光纤光栅一级测应变传感器(5-6-1)的水平位置置于螺纹式旋转高度调节一级传力杆下端(5-2-4)的另一侧。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的桥梁高精度动态称重装置，其特征在于，所述初始感应杆(2)和离开感应杆(3)结构一致，均包括支座(9)和两个光纤光栅应变传感器(10)，所述两个光纤光栅应变传感器(10)安装在支座(9)底面上，支座(9)嵌入设置在减速带(1)上。

3.一种基于光纤光栅的桥梁高精度动态称重系统，依赖于权利要求1或2所述的装置实现，其特征在于，包括无线传输模块、数据感知汇聚模块、数据压缩模块、数据传输模块、数据预处理模块、数据储存模块和多参数识别及分析模块；

所述光纤光栅分级压力传感器(5)的输出端与无线传输模块的输入端连接，无线传输模块的输出端与数据感知汇聚模块的输入端连接，数据感知汇聚模块的输出端连接数据压缩模块的输入端，数据压缩模块的输出端连接数据传输模块的输入端，数据传输模块的输出端连接数据预处理模块的输入端，数据预处理模块的输出端连接数据储存模块，多参数识别及分析模块与数据储存模块双向连接；

所述光纤光栅分级压力传感器(5)：用于采集压力信息；

所述无线传输模块：用于通过无线信号进行数据传输；

所述数据感知汇聚模块：用于将多个光纤光栅应变传感器采集的数据汇聚至该模块，实现数据汇聚的功能；

所述数据压缩模块：用于将一定时间段内的数据进行压缩，实现一定时间内汇聚数据的压缩，降低数据传输流量；

所述数据传输模块：用于将压缩后的数据通过传输模块，传到监控中心的数据预处理模块；

所述数据预处理模块：用于将传输模块传输过来的数据进行解压，并通过小波变换进行数据的降噪处理，得到数据预处理之后的数据；

所述数据储存模块：用于存储数据预处理以及多参数识别及分析过程产生的数据；

所述多参数识别及分析模块：用于读取数据储存模块的信息，通过识别，基于设定的移动车载分类指标，完成移动车载的分类和统计，通过分类和统计结果，实现超重、超速、超限车辆的治理和预警，并将信息存储到数据储存模块。

4.一种基于光纤光栅的桥梁高精度动态称重方法，依赖于权利要求3所述的系统实现，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，通过光纤光栅分级压力传感器(5)分级获取压力信息，具体实施方式如下：

步骤S11，对光纤光栅分级压力传感器(5)进行标定，统计螺纹式旋转高度调节一级传力杆(5-2-1)的高度变化与光纤光栅波长的变化关系，标定螺纹式旋转高度调节一级传力杆(5-2-1)最大位移高度为悬臂梁(5-3)所接触的支撑圆柱体的高度；

步骤S12，然后依次标定螺纹式旋转高度调节二级传力杆(5-2-2)、螺纹式旋转高度调节三级传力杆(5-2-3)高度变化与光纤光栅测应变传感器(5-6)的关系；

步骤S13，标定各类位移情况下，空气弹簧的压力值F空气弹簧；

步骤S14，在实测移动车载过程中，通过光纤光栅波长变化计算出光纤光栅分级压力传感器5承担的压力，通过标定的关系反算出竖向位移并反算出空气弹簧承担的压力值；

步骤S15，最终实测移动车载大小＝左边F_{空气弹簧*2+光纤光栅分级压力传感器}+右边F_{空气弹簧*2+光纤光栅分级压力传感}器；

步骤S2，通过所述一种基于光纤光栅的桥梁高精度动态称重系统实现多参数识别方案，具体实施方式如下：

步骤S21，将信息传输至无线传输模块，无线传输模块将信息传输给数据感知汇聚模块；

步骤S22，数据感知汇聚模块进行数据的采集汇聚，然后将信息传输给数据压缩模块；

步骤S23，数据压缩模块对信息进行压缩，降低数据量的大小，将信息传输给数据传输模块；

步骤S24，数据传输模块将压缩后的数据传输至数据预处理系统，数据预处理系统将压缩后的数据进行解压，并利用小波变换对数据进行降噪处理，通过对光纤光栅温度补偿传感器(5-5)采集的数据进行处理，处理后将数据传输给数据存储模块，将降噪处理后的数据进行保存；

步骤S25，多参数识别及分析模块读取数据储存模块的信息，通过识别基于设定的移动车载分类指标，完成车辆多参数信息的分类和统计，通过分类和统计结果实现超重、超速、超限车辆的治理和预警信息，以及并将信息存储到数据储存模块。

5.根据权利要求4所述的一种基于光纤光栅的桥梁高精度动态称重方法，其特征在于，所述车辆多参数信息包括轮重、轴重、整车重量、车宽、初始行驶速度、减速后速度、轴距、轴数、轮子总数、行驶速度和重心位置。

Images