CN203848919U - 一种光纤光栅高速动态的汽车动态称重板的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种光纤光栅高速动态的汽车动态称重板的装置，该光纤光栅高速动态的汽车动态称重板的装置包括：弹性元件板、封装螺栓、封装板、光纤、下垫板、称重板、限位柱。本实用新型通过设置光纤和称重板，实现了传统的弯板式动态称重方法与光纤传感技术进行开创性结合，走出实验室迈向实际工程测试中，动态称重具有一定的先进性和实际应用价值，提高了桥梁的设计和综合服务水平，降低了桥梁的维护次数和维护成本，保障了交通运输的高效畅通和舒适性，具有较好的直接经济效益和社会效益。

Description

一种光纤光栅高速动态的汽车动态称重板的装置

技术领域

本实用新型属于汽车动态称重技术领域，尤其涉及一种光纤光栅高速动态的汽车动态称重板的装置。

背景技术

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。

过去由于技术和手段的限制，对汽车荷载的调查主要以人工调查的方式进行，这在样本的代表性和容量等方面均存在不足，制约着对实际公路上汽车荷载的研究。由于对实际汽车荷载的观测资料较少，进行桥梁的各种工作基本上采用规范给定的汽车荷载标准，其结果往往与实际不符合是显然的。

随着电子技术的发展，利用动态汽车称重方法(WIM)进行汽车荷载等信息进行自动化、大容量的调查采集成为可能，且在实际中的应用也日益广泛，这为汽车荷载等的研究工作提供有利条件。

国外到20世纪90年代基本形成成熟的WIM产品及相应的技术标准。国内对此的研究起步晚且时间短，其测试精度不高、车辆通过速度低且耐用性也不能满足实际工作的需要，关键元件仍然以进口为主。

WIM主要有压电式、电容式和弯板应变式三种，从称重方法精度、年平均使用费、可靠性、使用寿命等技术经济指标进行对比发现，弯板应变式WIM具有较大优势。

目前弯板应变式WIM主要以电阻应变片式作为敏感元，易受电磁干扰影响、电绝缘性差等不足，在现场潮湿的工作环境中容易出现异常。而光纤光栅传感器具有抗电磁干扰强、电绝缘性好、耐腐蚀能力强、性能稳定、安全性能好等优点，可以弥补电阻应变测量的不足，近年来在土木工程中的应用逐渐增多。而利用光纤光栅传感技术进行汽车动态称重方法的研究，由于受到解调仪解调速度等的制约，目前以室内研究为主，且要求通过车辆的速度较低，不能满足现场高速测试需要，尚未有现场实际应用的报道或产品出现。

实用新型内容

本实用新型为解决目前动态汽车称重方法以室内研究为主，且要求通过车辆的速度较低，不能满足现场高速测试需要，尚未有现场实际应用的报道或产品出现的问题而提供一种结构简单、安装使用方便、提高工作效率的光纤光栅高速动态的汽车动态称重板的装置。

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

本实用新型实施例的光纤光栅高速动态的汽车动态称重板的装置，该光纤光栅高速动态的汽车动态称重板的装置包括：弹性元件板、封装螺栓、封装板、光纤、下垫板、称重板、限位柱；

元件板设置在称重板的中间位置，封装螺栓设置在弹性元件板的前端和后端，封装板设置在弹性元件板的左右两侧，光纤设置在弹性元件板的下面，下垫板设置在弹性元件板的下面，限位柱设置在称重板的底部。

本实用新型还可以采用如下技术措施：

进一步，称重板的一阶固有振动频率为1099Hz。

进一步，采用热处理加工后的65Mn钢板的弹性元件板。

本实用新型具有的优点和积极效果是：由于本实用新型通过设置光纤和称重板，实现了传统的弯板式动态称重方法与光纤传感技术进行开创性结合，走出实验室迈向实际工程测试中，动态称重具有一定的先进性和实际应用价值，提高了桥梁的设计和综合服务水平，降低了桥梁的维护次数和维护成本，保障了交通运输的高效畅通和舒适性，具有较好的直接经济效益和社会效益。本实用新型的结构简单，操作方便，较好的解决了前动态汽车称重方法以室内研究为主，且要求通过车辆的速度较低，不能满足现场高速测试需要，尚未有现场实际应用的报道或产品出现的问题。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的光纤光栅高速动态的汽车动态称重板的装置结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的光纤光栅高速动态的汽车动态称重板的装置的剖视图；

图中：1、弹性元件板；2、封装螺栓；3、封装板；4、光纤；5、下垫板；6、称重板；7、限位柱。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的实用新型内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。本实用新型不存在软件或方法的创新。

请参阅图1和图2：

如图1和图2所示，本实用新型实施例的光纤光栅高速动态的汽车动态称重板的装置主要由弹性元件板1、封装螺栓2、封装板3、光纤4、下垫板5、称重板6、限位柱7组成；

弹性元件板1设置在称重板6的中间位置，封装螺栓2设置在弹性元件板1的前端和后端，封装板3设置在弹性元件板1的左右两侧，光纤4设置在弹性元件板1的下面，下垫板5设置在弹性元件板1的下面，限位柱7设置在称重板6的底部；

本实用新型的工作原理：将称重板的长边采用双排螺栓固定在底座上。此外，为防止称重板过载产生过大变形，在称重板底座中间设置限位柱，限位柱与称重板之间的间隙以满足最大轮载作用的变形为宜。

称重板的验算，考虑实际调查所得的最大轮载情况，选择75kN的单轮和150kN的双轮作用于称重板上，考虑轮胎的接触面积，分析得板的最大主应力分别为560MPa和535MPa，最大下挠分别为1.0mm和0.9mm。且称重板的一阶固有振动频率为1099Hz，远高于车辆的竖向振动频率，不会与通过的车辆发生共振，称重板的竖向抗弯刚度较高，在车辆通过后能迅速回归平衡位置。

称重板中心线上应变的测试，由称重板原理知，动态称重系统设计的核心是实现轮载在称重板上移动过程对板中心线上Y方向应变的测量，该应变采用光纤Bragg光栅应变传感器进行测量，其光栅中心波长为1525nm～1565nm，分辨率为0.5με。

本实用新型的使用方法为：

步骤一，采用首波判读原理，由称重板上的各传感器的应变增量信息判断车轮通过与否，毋需设地感线圈对通过车辆进行触发；

步骤二，首波的起跳点为车轮载踏上称重板的开始时刻，并通过前后两车轮轴出现的时间间隔、速度差信息进行前后车辆分割；

步骤三，实时处理通过车辆的时间、车速、轮重、轴重、轴间距等信息；

步骤四，自纠错功能，当某个传感器出现故障时，自动报警，并利用插值技术重新计算应变输出。

在步骤一中，采集各传感器首波到达之前一定时间的应变信号，其平均值作为对该车轮称重的基准应变，认为称重板在车轮载通过期间其温度不变，消除了温度对应变测量的影响；

在步骤二中，车辆速度和前后轴间距的测量称重公式P＝v·S/S₀表明，车辆的行驶速度也参与轮载的计算，对其准确测量十分必要。系统将两块称重板分别安装在行车道上的左右两侧，在行车方向间距为1m。由左右侧车轮分别通过称重板的时间差计算得车辆速度，为提高计算精度，对解调仪系统时间按微秒级读取。由测得的车辆速度和车辆前后轮轴通过称重板的时间差，可计算得车辆前后轮轴的间距。

本实用新型的具体步骤为：

称重板作为称重系统的传感装置，直接承载车轮荷载并产生应变，要求弹性性能好，均匀稳定性好，具有一定的强度和刚度，并在反复轮载作用下不会产生过大的塑性变形。经过比选，采用一种经过热处理工艺加工后的65Mn钢板作为弹性元件材料，经检验其极限抗拉强度达到783MPa，屈服强度626MPa，其冲击韧性和耐磨性能均良好。

称重系统的结构设计，由称重板的原理及其测试需要，称重板的宽度大小要求车辆轮载在其上滚动过程中车轮有全部作用在其上面的瞬间，过窄的板会使得车轮滚动过程中不能将全部荷载作用在板上而导致误差。根据对轮胎着地几何特征的研究结果，结合公路上的路幅宽度，选定两块尺寸为1875mm×320mm×8mm的称重板作为称重传感器，分别安装的行车道的左右两侧。

结合以下验证和实施例对本实用新型做进一步的说明：

1、称重装置的验证与标定：分别对称重板和光纤光栅传感器组成的组装件进行静力性能和疲劳性能的试验，验证了系统的线性度、稳定性和可靠性。

将安装在现场的称重装置，分别利用经过地磅称量得轴重的小客车和货车进行现场对比实测，以检验系统的精度。表1和表2分别为小客车和货车进行现场实测结果，表3为美国ASTM标准委员会所制定的称重装置误差标准。对比结果表明，实测结果的误差均满足ASTM E1318标准的要求，且称量误差与车辆速度不存在相关性，所研制的称重装置可满足现场实测要求。

表1小客车的实测结果对比

表2货车的实测结果对比

表3WIM系统性能的ASTM E1318标准

2、动态称重装置的现场实测及对比

现场实测情况，为进一步验证动态称重装置的实测效果，在广东虎门渡口东引道上埋设了该动态称系统，同时在该称重装置的前方30米处安装了一套HI-TDX商用动态称重装置，以兹对比。利用该两称重装置在现场连续7天进行车辆的动态称重，共得到约6万部车辆的相关信息。

实测结果对比，由于上述两套动态称重装置的现场测试结果均存在一定的误差，不存在一个真实值来进行误差评价。事实上，分析单个轮荷载或车辆重的意义不大，对汽车荷载的研究都是在大量的观测的基础上，采取概率统计技术进行处理的。因此，对这两套系统的观测值的对比，主要从测试结果的概率统计的角度进行。

行检验。对于非正态分布，由于其概率分布函数未知，可从总体相等性角度检验样本的一致性。

对两个样本分别采用偏峰检验法由样本的偏度和峰度统计量进行检验，结果表明均不服从正态分布。于是采用秩和检验法对两称重装置的实测结果进行总体相等性检验。

所谓的秩就是实测值由小到大排列成序后某个观测值的次序号数。将两个样本混合在一起后，寻找任意一个样本各观测值在混合样本中的秩，这些秩的累加起来得到一个量T，称之为秩和。当样本足够大时，有统计量

$T^{*}=\frac{T-n(2n+1)/2}{\sqrt{n^2(2n+1)}}\→N\left(\mathrm{0,1}\right)---\left(1\right)$

其中的n为样本容量。

公式(1)表明，当样本量足够大时，统计量T^*服从正态分布。按照假设检验理论，假定两样本的分布是相等的，在显著性水平α=0.01下，得到统计量T^*拒绝域的临界值u_1-α/2=2.576。

秩和检验法结果表明，两套系统实测结果的统计量T^*为2.089，小于拒绝域临界值，可以接受检验的假设条件，认为这两套系统实测结果的总体分布是相等的。本实用新型的光纤动态称重装置与商用的动态称重装置对汽车荷载的称量效果一样。

本实用新型利用光纤Bragg光栅传感器研制一套能够满足实测、具有一定精度的弯板式高速动态称重装置，为桥梁的荷载研究提供必要手段，同时为光纤光栅传感技术在桥梁工程中的应用，提供了新思路。由数理统计理论知，两样本之间的统计对比可分为正态分布与非正态分布两个不同情形。对于正态分布的情形可对两样本的均值和方差的相等性进。

本实用新型可以应用于：路桥工程中需要对汽车进行称重调查的工作、治超检查站、交通荷载长期观测调查等。

本实用新型以汽车荷载调查为立足点和出发点，首先以无限长板理论为基础，以光纤传感器的应用技术为根本，研发了基于光纤光栅高速动态的汽车动态称重方法，经标定后实测得广东省公路上的实际交通荷载的状况；对实测结果经统计分析，参照规范中对汽车荷载的确定原则，在车辆总重、车辆轴重等的概率分布曲线上，按一定的分位值确定得，进而得到汽车荷载参数等。

本实用新型以弯板式动态称重方法的原理为基础，通过结构选型、计算分析等的论证，研制出汽车动态称重方法的弹性载体结构；利用光纤传感器为动态称重方法的基本测试手段，经过软件设计、疲劳性能试验、静动态性能试验等的整体性能研究，研制得动态称重方法；经过现场标定和与商用动态称重方法的实测对比，验证了称重装置的精度；根据现场实测得汽车荷载状况，提出了基于实测结果的汽车荷载参数，并结合实桥计算，分析得到实际桥上的汽车荷载效应情况。

本实用新型提高了桥梁的设计和综合服务水平，降低了桥梁的维护次数和维护成本，保障了交通运输的高效畅通和舒适性，具有较好的直接经济效益和社会效益。

以上所述仅是对本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种光纤光栅高速动态的汽车动态称重板的装置，其特征在于，该光纤光栅高速动态的汽车动态称重板的装置包括：弹性元件板、封装螺栓、封装板、光纤、下垫板、称重板、限位柱；

元件板设置在称重板的中间位置，封装螺栓设置在弹性元件板的前端和后端，封装板设置在弹性元件板的左右两侧，光纤设置在弹性元件板的下面，下垫板设置在弹性元件板的下面，限位柱设置在称重板的底部。

2.如权利要求1所述的光纤光栅高速动态的汽车动态称重板的装置，其特征在于，称重板的一阶固有振动频率为1099Hz。

3.如权利要求1所述的光纤光栅高速动态的汽车动态称重板的装置，其特征在于，采用热处理加工后的65Mn钢板的弹性元件板。