CN115014475A - 一种用于监测车辆轴载信息的光纤传感器及监测结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于监测车辆轴载信息的光纤传感器及监测结构，涉及道路上正常行驶车辆的轴载、车速等信息的监测系统，可以推广应用到道路养护管理、超载检测、交通量监测、交通控制、不停车收费等领域，光纤传感器包括光纤跳线(1)、敏感性控制结构(2)和保护盖(3)，敏感性控制结构(2)包括两根竖杆(21)和多根横杆(22)，两根竖杆(21)平行设置，多根横杆(22)沿垂直于竖杆(21)的方向平行间隔设置在两根竖杆(21)之间，光纤跳线(1)上下穿插在多根横杆(22)上，敏感性控制结构(2)位于保护盖(3)内。与现有技术相比，本发明具有性价比高、准确灵敏、安装便捷、稳定耐久等优点。

Description

一种用于监测车辆轴载信息的光纤传感器及监测结构

技术领域

本发明涉及交通轴载监测领域，尤其是涉及一种用于监测车辆轴载信息的光纤传感器及监测结构。

背景技术

车辆轴载是指由车辆一根轴上的所有轮子传递到路面上的全部荷载，是影响路面使用的关键因素。获取车辆真实轴载数据能够提升路面结构设计水平，并在运维管理中促进形成更加科学的评估结果与养护决策，对于提升道路基础设施建管养水平具有重大意义。

车辆轴载信息获取技术得到了研究人员的广泛关注和发展，已经取得了较为丰富的成果。当前，用于车辆轴载信息获取的主流动态称重传感器包括弯板式称重传感器、电容式称重传感器、压电式称重传感器、光纤式称重传感器等，各类传感器的主要优缺点如下：

弯板式动态称重传感器：主要优点包括性能相对可靠、能够实现快速测量、灵敏度高、所测压力与荷载大小成线性关系、受车辆加速度影响较小等，主要缺点为所需要的安装空间较大、对路面会造成较大的破坏、在长期使用中由于弯板自身可能出现变形、电阻应变片的灵敏度会受到影响而导致测量精度大幅降低、长期稳定性还有待提升等；

电容式称重传感器：主要优点包括结构较为简单、成本较低、响应速度快等，但缺点也十分明显，包括容易受到电磁干扰、工作状态不稳定、电路中寄生电路的影响会降低测量精度等。目前电容式称重传感器在车辆轴载动态获取中的应用较少。

压电石英传感器：主要优点包括灵敏度较好、准确性、稳定性较高等，但前提条件是路面自身需要具有较好的技术状况，且最好为刚性路面。在沥青路面布置此类设备时，往往需要对一定范围内的路面进行水泥化改造，增加了成本和施工的复杂性。如果不进行水泥化改造直接安装传感器，一旦路面出现车辙或平整度发生变化，传感器的使用寿命和准确率均会大幅降低。

压电薄膜传感器：优点在于安装较为便捷，维护较为方便，其缺点也比较明显，例如，由于聚偏氟乙烯材料受温度变化影响较大，且测量精度较低；由于传感器为线缆式设计，路面病害的出现同样会对称重准确性带来较大的负面影响。

光纤式称重传感器：光纤式称重传感器是利用光调制效应将作用于光纤的压力转化为内部传播光线的相位、强度、波长等参数的变化进行测量。常见的光纤称重传感器有偏振光纤传感器、干涉光纤传感器、强度光纤传感器、光纤光栅传感器等。相较于其他称重传感器，光纤式称重传感器较为新颖，具有抗干扰能力强、灵敏度高、响应速度快、整体结构简单以及安装方便等特点。但由于光强和相位测量技术相对复杂、部分解调设备价格昂贵等原因，仍处于研究和实验阶段，尚未在车辆轴载信息监测中进行普及应用。

综上，现有的用于车辆轴载信息获取的传感器布置方式存在以下问题：

(1)对传感器封装材料及工艺要求高：为了使传感器能够实现与路面的协调变形，且适应粗犷的路面施工环境，需要有合适的传感器封装材料使其在承受高温、碾压等作用的情况下依旧保持良好的性能，且传感器与原有路面结构之间可以较好地进行应力传递。

(2)布置周期长：光纤传感器布置过程中，可能经历混合料摊铺、路面开槽、槽内清理、传感器安装、回填、压实、形成强度等过程。导致上述光纤传感器的布置工作需要耗费数个甚至数十个小时，可能会对交通造成较大的影响。

(3)布置难度大：对路面进行开槽需要保证槽内没有杂物且具有较好的平整度，开槽所用到的切割机、电镐等工具难以直接满足上述要求，需要在初步开槽后进行槽底清灰、找平等工作。开槽完成后，传感器放置到槽内还需要用胶料、压块、螺栓等对传感器进行固定，由于槽内的操作空间非常有限，上述固定工作具有一定的难度，且不同位置的固定效果也难以保持一致。另外，道路施工环境复杂，且时间较为紧张，往往需要大量的人员、机械同时进行操作，由于光纤传感器本身较为脆弱，在布置过程中，可能会由于操作不当导致传感器破坏。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于监测车辆轴载信息的光纤传感器及监测结构，准确率高，使用寿命长，成本低，拆装简便。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于监测车辆轴载信息的光纤传感器，包括光纤跳线、敏感性控制结构和保护盖，所述的敏感性控制结构包括两根竖杆和多根横杆，所述的两根竖杆平行设置，所述的多根横杆沿垂直于竖杆的方向平行间隔设置在两根竖杆之间，所述的光纤跳线上下穿插在多根横杆上，所述的敏感性控制结构位于保护盖内。

进一步地，所述的保护盖包括上盖板、粘接条和下盖板，所述的上盖通过粘接条与下盖板粘接，所述的敏感性控制结构位于上盖板和下盖板之间。

进一步地，所述的粘接条、上盖板和下盖板之间构成一个安装空腔，所述的敏感性控制结构位于安装空腔内，所述的粘接条上设有用于光纤跳线伸出的接线口。

进一步地，所述的粘接条的厚度大于敏感性控制结构的厚度。

进一步地，所述的上盖板和下盖板的材料为不锈钢片。

进一步地，所述的粘接条的材料为胶皮。

进一步地，所述的胶皮通过胶水或胶带分别与上盖板和下盖板粘接。

进一步地，所述的竖杆和横杆为实心不锈钢管。

进一步地，所述的竖杆与横杆焊接。

一种用于监测车辆轴载信息的监测结构，包括光纤传感器以及设于路面表面的布置区域，所述的光纤传感器固定在布置区域上。

与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：

(1)本发明光纤传感器包括光纤跳线、敏感性控制结构和保护盖，敏感性控制结构包括两根竖杆和多根横杆，两根竖杆平行设置，多根横杆沿垂直于竖杆的方向平行间隔设置在两根竖杆之间，所述的光纤跳线上下穿插在多根横杆上，敏感性控制结构位于保护盖内，封装好的光纤传感器粘在路面或开槽以后布置在路面表面，车轮压上去以后，光纤传感器的整体结构会受压，受压后由于敏感控制结构的存在，光纤跳线会发生弯曲，并产生损耗，通过损耗值来判断轴载大小，光纤跳线和敏感性控制结构实现无胶化组合，避免了由于胶结带来的变形恢复滞后引起的测量性能影响，稳定性强，测量结果的准确率高，使用寿命长，同时易于快速制作和封装，成本较低，安装十分便捷，如果光纤传感器出现损坏，可以直接快速进行更换，能够满足大范围、多点位道路车辆轴载信息监测的需求；

(2)本发明光纤传感器安装可根据实际需求选取表面布置或开槽布置方法。采用表面布置方法时，传感器布置于路面表面而非路面结构内部，无需路面开槽、灌胶、等待形成强度等操作，施工难度大幅降低，能够实现快速布置，对交通基本不会造成影响，如果传感器发生故障，可快速进行拆除和更换，方便快捷地对特定点位的交通轴载状况进行短期数据采集，可实现测试时快速安装和测试结束后快速拆除，不影响路面原有结构，避免了埋入传感器可能引起的道路破损等风险；

(3)本发明采用开槽布置方法时，只需对传感器布设位置进行确定并通过画线进行定位，再沿着画线进行开槽，然后对槽底进行清理和整平，之后放入传感器，填入灌缝材料，并在灌缝材料凝固成型后将其表面打磨平整。该布置方式可快速将传感器安装到路表内部，提升行车舒适性，更能满足长期监测的需求；

(4)本发明保护盖包括上盖板、粘接条和下盖板，上盖通过粘接条与下盖板粘接，敏感性控制结构位于上盖板和下盖板之间，粘接条、上盖板和下盖板之间构成一个安装空腔，敏感性控制结构位于安装空腔内，所述的粘接条上设有用于光纤跳线伸出的接线口，粘接条的厚度略大于敏感性控制结构的厚度，一方面粘接条承载了大部分的荷载，可以有效保护组合构件，另一方面通过调整粘接条的高度调节整个光纤传感器的敏感性，因为于安装空腔仅仅略大于由光纤跳线和敏感性控制结构构成的组合件的空间，所以可以放进去并实现位置固定，结构稳定。

附图说明

图1为光纤传感器的爆炸结构示意图；

图2为保护结构的爆炸结构示意图；

图3为敏感性控制结构与光纤跳线的装配示意图；

图4为三种布置区域示意图；

图5为单车道布置示意图；

图中标号说明：

1.光纤跳线，2.敏感性控制结构，3.保护盖，4.光纤传感器，5.路边机柜，6.路面表面，7.布置区域，21.竖杆，22.横杆，31.上盖板，32.粘接条，33.下盖板，321.接线口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种用于监测车辆轴载信息的光纤传感器，如图1，包括光纤跳线1、敏感性控制结构2和保护盖3；

光纤跳线1两头设有连接器(常见的连接器选用SC和FC接头)。

如图3，敏感性控制结构2包括两根竖杆21和多根横杆22，两根竖杆21平行设置，多根横杆22沿垂直于竖杆21的方向平行间隔设置在两根竖杆21之间，竖杆21和横杆22的材料为实心的直径为2mm的不锈钢管，竖杆21与横杆22焊接，敏感性控制结构2为长条形的网格状结构，每个网格为边长是25mm的正方形，这个间距和不锈钢直径都是灵活的，可以根据实际工程需要进行设计和调节。

如图2，保护盖3包括上盖板31、粘接条32和下盖板33，上盖31通过粘接条32与下盖板33粘接，敏感性控制结构2位于上盖板31和下盖板33之间。粘接条32的材料为胶皮，胶皮通过胶水或胶带分别与上盖板31和下盖板33粘接。

粘接条32、上盖板31和下盖板33之间构成一个安装空腔，敏感性控制结构2位于安装空腔内，粘接条32上设有用于光纤跳线1伸出的接线口321。上盖板31和下盖板33的材料为不锈钢片，不锈钢片厚度可以加厚，以保护光纤跳线1不被因路面不平整而局部被扎破。

光纤跳线1上下穿插在多根横杆22上，即从敏感性控制结构2的网格状结构的间隔中一上一下地进行穿插，并拉紧两端，使光纤跳线1绷直。

粘接条32的厚度略大于敏感性控制结构2的厚度，一方面可以有效保护组合构件(粘接条32承载了大部分的荷载)，另一方面通过调整粘接条32的高度调节整个光纤传感器的敏感性；因为于安装空腔仅仅略大于由光纤跳线1和敏感性控制结构2构成的组合件的空间，所以可以放进去并实现位置固定。

光纤传感器的工作原理为：

封装好的光纤传感器粘在路面或开槽以后布置在路面表面，车轮压上去以后，光纤传感器的整体结构会受压，受压后由于敏感控制结构的存在，光纤跳线1会发生弯曲，并产生损耗，通过损耗值来判断轴载大小。

光纤跳线1和敏感性控制结构2实现无胶化组合，避免了由于胶结带来的变形回复滞后引起的测量性能影响；同时易于快速制作和封装，成本较低，安装十分便捷，如果光纤传感器出现损坏，可以直接快速进行更换，能够满足大范围、多点位道路车辆轴载信息监测的需求。

敏感性控制结构2可采用金属焊接、数字切割、3D打印、模型制作等方式制作，其间隔长度、间隔宽度、细管直径均可按需定制，且制作方便，敏感性控制结构2也可采用组装式，能够方便快捷的根据实际需求调整光纤传感器的敏感度。

实施例2

一种用于监测车辆轴载信息的监测结构，如图5，包括实施例1中所述的光纤传感器以及设于路面表面6的布置区域7，光纤传感器4固定在布置区域上。

如图4，将光纤跳线1与路边机柜5中的相关设备进行连接，光纤传感器的宽度与车道宽度一致(全幅布置)，或为车道宽度的一半(半幅布置)，或横跨多个车道。

光纤传感器布置于路面表面而非路面结构内部，无需路面开槽、灌胶、等待形成强度等操作，施工难度大幅降低，能够实现快速布置，对交通基本不会造成影响，布置时间从开槽方法的几小时甚至几十个小时缩短到几十分钟甚至几分钟。

监测结构采用表面固定式布置方法，如果传感器发生故障，可快速进行拆除和更换，既可以满足长期监测的需求，又可以方便快捷地对特定点位的交通轴载状况进行短期数据采集，可实现测试时快速安装和测试结束后快速拆除，不影响路面原有结构，避免了埋入传感器可能引起的道路破损等风险。

光纤传感器安装布置的方式分为表面布置和开槽布置，表面布置的具体过程包括以下步骤：

1)选定适合的路面并选定布置区域；

2)对布置区域进行表面处理；

3)将光纤传感器固定于路面表面。

上述各步骤还包括以下特点：

光纤传感器布置在路面表面时不会对正常交通及行车安全造成影响；

光纤传感器的长度远大于其宽度，形状为长条带状或类似形状，其整体厚度小于5cm；

步骤1)中路面可以为多种类型道路的路面，包括水泥混凝土路面、沥青混凝土路面等；

步骤1)中的路面需要具有较好的技术状况，路面平整，无坑槽、裂缝等病害；

步骤1)中的路面最好位于平直的路段，无明显纵向和横向坡度变化，当路面具有一定坡度时，后续数据处理需对坡度造成的影响进行修正；

所述的步骤1)中的布置区域在道路路基段与桥梁段均可，当位于桥梁段时，所选布置区域宜位于在桥墩上方以减弱桥体振动造成的负面影响。

步骤2)中的布置区域应略大于传感器本身尺寸，与车道长度方向垂直，布置区域根据实际需求可覆盖半个车道、一个车道或多个车道；

步骤2)中的布置区域表面处理包括清除路面灰尘、杂物等，必要情况下可以对路面进行进一步处理以提升其平整度，进一步处理的方式包括对传感器布置区域内的路面进行磨平；实施能够提升路面平整度的预防性养护等。

步骤3)中传感器固定于路面表面需牢固并长期可靠，不会在行车作用和气候环境影响下松动、脱落；

步骤3)中的固定传感器可能用到的方法包括但不限于用胶料直接与路面粘接、将传感器粘接在平整的刚性底板上并用螺丝等方式固定在路面上等。刚性底板固定后若与路面存在一些间隙，可采用胶料对间隙进行填充。

本实施例中的路面类型为沥青路面，采用表面布置方法进行单车道布置，光纤传感器4布置于路面表面6上方选定的布置区域7内。

光纤传感器4形状为长条带状，已完成保护封装，可以承受各类车辆的直接碾压作用，并有良好的数据响应，光纤传感器4长度与单个车道宽度相同，为3.75米，传感器宽度为5厘米，其中敏感性控制结构区域宽度为3厘米，厚度为12毫米。

选定布置区域：选定光纤传感器4的布置区7，布置区域7的尺寸略大于光纤传感器4的尺寸，其长度为3.75米，宽度为6厘米，方向垂直于道路延伸方向。所选择的布置区域7具有较好的技术状况，路面平整，无明显纵向和横向坡度变化，无坑槽、裂缝等病害。用粉笔或白灰画出布置区域7的轮廓。

表面处理：对布置区域7进行表面处理，用砂轮机磨平布置区域7，使平整度偏差小于3毫米，然后移除表面杂物、用吹风机清除路面灰尘，确保布置区域7内的路面表面6干净平整。

传感器固定：将宽度与光纤传感器4相同的双面聚氨酯泡沫胶带粘贴在光纤传感器4的一面，胶带需要避免位于敏感性控制结构所对应的区域上方(目的在于保持敏感区无胶化结构)，然后将其与路面表面6进行粘接，粘接时，光纤传感器4长度方向需垂直于道路延伸方向，适当按压使光纤传感器4与路面表面6粘接牢固，即完后才能安装。

开槽布置的具体过程如下：

1.确定布设位置；

2.画线定位；

3.沿着划线开槽；

4.槽底清理，整平；

5.放入传感器；

6.四周灌胶成型；

7.表面处理平整。

实施例1和实施例2提出了一种用于监测车辆轴载信息的光纤传感器及监测结构，涉及道路上正常行驶车辆的轴载、车速等信息的监测系统，可以推广应用到道路养护管理、超载检测、交通量监测、交通控制、不停车收费等领域，基于光纤传感技术，借助能够兼顾光纤保护与信号敏感范围调节的传感器敏感性控制与保护结构，形成能够用于车辆轴载信息监测的光纤传感器4，可以实现沥青路面/水泥路面道路的单车道/多车道车辆轴载信息监测，具有性价比高、准确灵敏、安装便捷以及稳定耐久的优点。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于监测车辆轴载信息的光纤传感器，其特征在于，包括光纤跳线(1)、敏感性控制结构(2)和保护盖(3)，所述的敏感性控制结构(2)包括两根竖杆(21)和多根横杆(22)，所述的两根竖杆(21)平行设置，所述的多根横杆(22)沿垂直于竖杆(21)的方向平行间隔设置在两根竖杆(21)之间，所述的光纤跳线(1)上下穿插在多根横杆(22)上，所述的敏感性控制结构(2)位于保护盖(3)内。

2.根据权利要求1所述的一种用于监测车辆轴载信息的光纤传感器，其特征在于，所述的保护盖(3)包括上盖板(31)、粘接条(32)和下盖板(33)，所述的上盖(31)通过粘接条(32)与下盖板(33)粘接，所述的敏感性控制结构(2)位于上盖板(31)和下盖板(33)之间。

3.根据权利要求2所述的一种用于监测车辆轴载信息的光纤传感器，其特征在于，所述的粘接条(32)、上盖板(31)和下盖板(33)之间构成一个安装空腔，所述的敏感性控制结构(2)位于安装空腔内，所述的粘接条(32)上设有用于光纤跳线(1)伸出的接线口(321)。

4.根据权利要求2所述的一种用于监测车辆轴载信息的光纤传感器，其特征在于，所述的粘接条(32)的厚度大于敏感性控制结构(2)的厚度。

5.根据权利要求2所述的一种用于监测车辆轴载信息的光纤传感器，其特征在于，所述的上盖板(31)和下盖板(33)的材料为不锈钢片。

6.根据权利要求2所述的一种用于监测车辆轴载信息的光纤传感器，其特征在于，所述的粘接条(32)的材料为胶皮。

7.根据权利要求6所述的一种用于监测车辆轴载信息的光纤传感器，其特征在于，所述的胶皮通过胶水或胶带分别与上盖板(31)和下盖板(33)粘接。

8.根据权利要求1所述的一种用于监测车辆轴载信息的光纤传感器，其特征在于，所述的竖杆(21)和横杆(22)为实心不锈钢管。

9.根据权利要求8所述的一种用于监测车辆轴载信息的光纤传感器，其特征在于，所述的竖杆(21)与横杆(22)焊接。

10.一种用于监测车辆轴载信息的监测结构，其特征在于，包括权利要求1所述的光纤传感器(4)以及设于路面表面(6)的布置区域(7)，所述的光纤传感器(4)固定在布置区域上(7)。

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