CN205300728U - 基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感装置，属于光纤传感和车辆动态测量领域。该装置包括脉冲光源、导入光纤、耦合器、传感头、传输光纤、导出光纤、光电探测器、示波器以及用于数据处理的计算机；耦合器包括一号耦合器和二号耦合器，传感头包括一号传感头和二号传感头；一号耦合器、一号传感头、二号传感头、二号耦合器通过传输光纤组成环形谐振腔，本实用新型结构简单，方法新颖，测量精度高，重复性好，并且能够同时实现车辆动态称重和速度监测，在公路交通实时监测领域具有广泛的应用前途。

Description

基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感装置

技术领域

本实用新型涉及一种光纤环形腔衰荡光谱技术和车辆动态称重及速度监测的动态测量传感装置，具体涉及一种基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感装置及方法，属于光纤传感和车辆动态测量领域；本实用新型的装置是基于光纤环形腔衰荡光谱技术、车辆动态称重技术和速度监测技术相结合的动态测量传感装置。

背景技术

公路作为一个国家重要的经济命脉，交通运输行业的信息化目前正处于高速发展阶段。实现对机动车的自动检测和实时监测是实现交通信息化的必不可少的手段。而对于车辆的称重，传统的方法都是在静态下进行的，这种整车测量方法精度虽然很高，但是存在很大的缺陷，如价格高，不能分别测出轴重等。且公路交通正朝着高速化和信息化发展，这种耗时长、价格昂贵的传统方法将会渐渐被淘汰。

压电薄膜传感器是目前一种较新的车辆综合信息采集传感器，是国内外研究应用的一个热点。压电薄膜利用压电效应(piezoelectriceffect)的原理，当汽车轮胎经过压电薄膜时，传感器受冲击产生电荷信号，通过解调冲击电荷信号，可获取车辆的速度、重量、车型等信号，也能很容易的得到车流量信息。虽然这种技术能够实现车速、车重、车流量、车型的测量，但也存在明显缺点，例如压电信号可直接传输的距离短，因此信号处理中心距离传感器不能太远，系统一致性较差，并且目前产品技术主要为进口，所用压电薄膜材料价格昂贵，不适于推广应用。

光纤车辆信息传感器在交通中尚未获得实际应用，且目前研究最热的莫过于光纤布拉格光栅传感器。光纤Bragg光栅传感器的基本原理是：当光栅周围的温度、应变、应力或其他待测物理量发生变化时，将导致光栅周期或者纤芯折射率的变化，从而产生光栅Bragg信号的波长漂移Δλ，通过检测Bragg波长的漂移情况，即可获得待测物理量的变化情况。光栅Bragg传感器最显著的优势就是有相当高的灵敏度，能探测微小信号的变化。同时，又由于对微弱信号的过于敏感，从而对一些外界变化不能够明显区分，给实验设备提出了更高的要求。因此，光纤光栅传感器价格比较昂贵，离实用化和产业化还有相当长的一段距离。

除此之外，近年来，基于干涉原理的光纤压力传感器也应运而生，例如：F-P(法布里珀罗)干涉、迈克尔逊干涉、马赫增得干涉等，其原理都是通过采集干涉图案从而分析得到外界信号。但是，由于基于干涉原理的传感器要求的应用环境比较苛刻，很难在室外推广和应用。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术存在的缺点和不足，提出一种基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感装置及方法。该装置构思新颖，设计简单，成本较低，适用于公路交通车辆动态测量。

为解决以上技术问题，本实用新型给出以下技术方案：

一种基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感装置，其特殊之处在于：包括脉冲光源1、导入光纤2、耦合器、传感头、传输光纤5、导出光纤6、光电探测器7、示波器8以及用于数据处理的计算机9；

耦合器包括一号耦合器3a和二号耦合器3b，传感头包括一号传感头4a和二号传感头4b；

所述传感头包括光纤和两个缓冲板，光纤设置在两个缓冲板之间，缓冲板与光纤接触面为波纹面(即传感头可采用微弯结构的传感头)；

一号耦合器3a、一号传感头4a、二号耦合器3b和二号传感头4b通过传输光纤连接构成环形谐振腔；

所述脉冲光源通过导入光纤与一号耦合器3a相连，二号耦合器3b通过导出光纤与光电探测器7相连，光电探测器7通过示波器8与计算机9相连；

脉冲光源的脉冲宽度为t₂，脉冲时间间隔为t₁，脉冲光源的光束在环形谐振腔内环形一周的时间为τ_r；脉冲光源经环形谐振腔传输至光电探测器，光电探测器将接收到的光信号转换为电信号，并将电信号显示在示波器上，显示的光谱为衰荡光谱，衰荡光谱的衰荡时间为τ，其中，t₂＜τ_r，t₁＞τ。

环形谐振腔呈矩形，矩形环形谐振腔的四个角采用圆弧过渡；耦合器和传感头均设置在矩形环形谐振腔的直线段。

一号传感头4a和二号传感头4b的位置正对。

上述传感头可由特种光纤替代。

上述特种光纤是D型光纤、光子晶体光纤或裸光纤。

上述传输光纤采用多模熔融石英光纤或单模熔融石英光纤。

环形谐振腔的长度为10m，一号传感头4a和二号传感头4b之间的距离为1m。

脉冲光源的重复频率为1MHZ，脉宽为10ns。

上述耦合器是2×2耦合器，耦合器的耦合比是1∶99、12∶88、0.1∶99.9或8∶92。

耦合器的耦合比满足以下原则：

二号耦合器输出的衰荡光谱中峰值光强越大越好，二号耦合器输出的衰荡光谱中的衰荡峰数量越多越好。

利用上述传感装置进行车辆动态测量的方法，包括测量车辆重量M的步骤，具体如下：

1)计算k，k的单位为kg·s

1.1)获得空载时环形谐振腔输出的光强衰减到输入到环形谐振腔光强的1/e所需时间τ₀

空载时，脉冲光源产生的光束经由导入光纤2进入环形谐振腔，多次经过传感头，进入环形谐振腔的部分光波经导出光纤进入到光电探测器，光电探测器将光信号转化为电信号，并在示波器上显示相应的衰荡光谱，由衰荡光谱直接获得时间τ₀；τ₀的单位为s；

1.2)选取多个已知重量的被测单元；

1.3)将被测单元分别放置在本实用新型的其中一个传感头上，根据步骤1.1)的方法，分别获得各个被测单元不同的衰荡时间τ_n；

1.4)以被测单元的重量为纵坐标，以为横坐标进行线性曲线拟合，通过拟合公式得到k；

2)获得车轮经过时该压力作用下环形谐振腔输出的光强衰减到输入到环形谐振腔光强的1/e所需时间τ

车轮经过时，脉冲光源产生的光束经由导入光纤2进入环形谐振腔，多次经过传感头，进入环形谐振腔的部分光波经导出光纤进入到光电探测器，光电探测器将光信号转化为电信号，并在示波器上显示相应的衰荡光谱，由衰荡光谱直接获得时间τ；τ的单位为s；

3)根据如下公式，计算压过传感头的车辆的重量M：

$M=K(\frac{1}{\mathrm{\τ}}-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_0})$

其中，M的单位为kg。

在步骤1)中，被测单元采用砝码，被测单元的数量为10个；为了减小测量车辆重量M的误差，在计算k时，选取的被测单元越多越好。

还包括获得车速的步骤：

两个传感头之间的距离为d，

车轮压过传感头时，记录车轮经过一号传感头和二号传感头所对应的时间间隔τ_d，通过公示获得对应的车速。

本实用新型具有以下技术效果：

1、本实用新型将腔衰荡技术与压力传感技术相结合，从而将功率信号的测量转化在时域上的测量，方便信号探测与处理；

2、本实用新型使用全光纤结构，极大的减小了传统光学结构带来的损耗；

3、本实用新型利用光纤环形谐振腔，使得光波多次通过传感头，增加了吸收光程，相当于将外界信号进行放大，极大地提高了该系统的监测灵敏度，适合微弱信号的测量；

4、本实用新型采用“跑道型”环形谐振腔，一方面有利于光束的耦合，减小耦合带来的幅值损失和相位差；另一方面有利于传感头的安装，减小因为光纤本身弯曲带来的损失；

5、本实用新型传感头采用微弯结构，对于解释光束在多模光纤中传输对外界压力的响应具有较强的理论依据；

6、本实用新型将压力监测系统同速度检测系统融为一体，实现了速度和车重的实时测量；

7、本实用新型不易受光源波动的影响，衰荡谱测量的是光的衰荡时间，它只是一个光强的比值，是一个相对量，不会因为光源光强的不稳定而受影响；

8、本实用新型具有很强的灵活性，根据不同被测物理量，可采用不同的传感头，实现不同物理量的测量；

9、该结构系统简单，结构紧凑，性能稳定，成本低廉；

10、本实用新型能够实现车辆动态监测，缓解了目前需要停车测量带来的交通不便。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型中环形谐振腔空载(即没有车轮压过传感头)和有压力作用下(即有车轮压过传感头)衰荡光谱示意图；

图3为本实用新型中不同重量车辆作用于传感头衰荡光谱示意图，图中P1、P2、P3、P4和P5表示不同重量的车辆产生的压强；

图4为本实用新型中不同重量砝码对应的衰荡时间线性拟合曲线示意图；

图5为本实用新型中脉冲光源示意图。

附图标记：1为脉冲光源，2为导入光纤，3a为一号耦合器，3b为二号耦合器，4a为一号传感头、4b为二号传感头、5为传输光纤、6为导出光纤、7为光电探测器、8为示波器，9为计算机，10为缓冲板，11为传感头中的光纤，12为波纹面。

具体实施方式

如图1，本实用新型提供了一种基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感装置，该装置主要由脉冲光源1、导入光纤2、一号2×2耦合器3a、一号传感头4a、二号传感头4b、传输光纤5、二号2×2耦合器3b、导出光纤6、光电探测器7、示波器8以及用于数据处理的计算机9组成。一号传感头4a和二号传感头4b均可采用微弯结构，微弯结构局部放大图如图1；一号2×2耦合器3a、一号传感头4a、二号2×2耦合器3b和二号传感头4b通过传输光纤连接构成光纤“跑道型”环形谐振腔；

脉冲光源通过导入光纤与一号2×2耦合器3a相连，二号2×2耦合器3b通过导出光纤与光电探测器7相连，光电探测器7通过示波器8与计算机9相连；

脉冲光源的脉冲宽度为t₂，脉冲时间间隔为t₁，脉冲光源的光束在环形谐振腔内环形一周的时间为τ_r；脉冲光源经环形谐振腔传输至光电探测器，光电探测器将接收到的光信号转换为电信号，并将电信号显示在示波器上，显示的光谱为衰荡光谱，衰荡光谱的衰荡时间为τ，其中，t₂＜τ_r，t₁＞τ。

环形谐振腔呈矩形，矩形环形谐振腔的四个角采用圆弧过渡；耦合器和传感头均设置在矩形环形谐振腔的直线段。

在空载时(空载是指本实用新型在没有受到额外压力的状态，即没有车辆压过传感头的状态)，脉冲光源产生的光束经由导入光纤2经一号耦合器3a进入光纤“跑道型”环形谐振腔，进入环形谐振腔的光束在腔内多次往返，通过采用不同耦合比的耦合器，当光束经过二号耦合器时，会有一小部分光波被导出进入导出光纤，绝大部分被反射回腔内，多次经过传感头，此过程循环往复。

经导出光纤的光波信号，通过光电探测器将光信号转化为电信号，并在示波器上进行图形展示，最终到达数据处理系统，进行相应的数据处理；数据处理系统可采用计算机9。

通过示波器观察得到，到达探测器的光强呈现指数衰减，并且衰减时间和耦合器的耦合比、光纤长度以及环形谐振腔内的损耗有关。于是，通过测量衰荡光谱，就可获得环形谐振腔内光强随时间的变化关系：

$I=I_0\exp (-\frac{c}{nL}At)---\left(1\right)$

上式中，I₀为入射光强，c为真空中光速，n为传输光纤芯层折射率，L为传输光纤长度，A代表光束在环形谐振腔内的损失，包括光纤吸收损失、光纤耦合插入损失以及光束在光纤内部散射损失。

衰荡时间τ₀为由环形谐振腔输出的光强衰减到输入到环形谐振腔光强的1/e所需时间，满足以下公式：

${\mathrm{\τ}}_0=\frac{nL}{cA}---\left(2\right)$

定义光束在环形谐振腔内传播一周的时间为τ_r，具体表达式为：

${\mathrm{\τ}}_r=\frac{nL}{c}---\left(3\right)$

对比公式(2)和公式(3)，则环形谐振腔内的损耗A可以表示为：

$A=\frac{{\mathrm{\τ}}_r}{{\mathrm{\τ}}_0}---\left(4\right)$

当车轮作用于一号传感头4a时，此时在环形谐振腔内将产生额外的损失，但光波衰荡信号依然呈现e指数衰减形式，如图2曲线b所示，从曲线中可以看出，额外的损失将导致衰减速度加快，衰荡时间减少。

此时，环形谐振腔内光强随时间变化关系满足下式：

$I=I_0\exp \[-\frac{c}{nL}(A+B)t\]---\left(5\right)$

其中，B为：运动中的车轮压过传感头产生的损耗，B与车轮和传感头的接触长度和接触面积有关，具体表达式为：

B＝ηlSP(6)

其中η定义为损失系数，η的单位为m^-3pa^-1，l为传感头缓冲板的长度，S为传感头中的缓冲板与光纤的接触面积，P为车轮压过传感头产生的压强。

此时，将导致衰荡光谱中衰荡时间τ₀的改变，改变以后的衰荡时间为τ，具体表达式为：

$\mathrm{\τ}=\frac{nL}{c(A+B)}---\left(7\right)$

当不同重量的汽车压过一号传感头4a时，将得到不同的衰减曲线，如图3所示，同理，也将得到不同的衰荡时间τ₁，τ₂，τ₃，τ₄……对比公式(2)和(7)，将发现：

$(\frac{1}{\mathrm{\τ}}-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_0})=\frac{c}{nL}B=\frac{c\mathrm{\η}ls}{nL}P=\mathrm{\β}P---\left(8\right)$

其中对于本实用新型，β是一个常数，从公式(7)就可以发现，与P满足很好的线性关系，通过测量本实用新型空载时衰荡时间τ₀以及在不同压力作用下的衰荡时间τ，就可以确定作用在传感头上的压强大小。

$M=\frac{{\mathrm{PS}}_0}{g}=\frac{(\frac{1}{\mathrm{\τ}}-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_0}){\mathrm{nLS}}_0}{c\mathrm{\η}lSg}=\frac{(\frac{1}{\mathrm{\τ}}-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_0})S_0}{\mathrm{\β}g}=K(\frac{1}{\mathrm{\τ}}-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_0})---\left(9\right)$

上式中，M表示被测车辆的重量，S₀代表传感头的面积，g表示当地的重力加速度；为比例系数，是一个常数。

k的测定方法：

1.1)测出空载时候的衰荡时间τ₀；

1.2)在本实用新型传感头上依次放置10个已知重量的砝码(M₀)，得到不同的衰荡时间τ_n；

1.3)然后以砝码重量为纵坐标，以为横坐标进行线性曲线拟合，拟合曲线如图4所示，通过拟合公式可以得到k。

对于本实用新型，通过测量某一车辆压过传感头的衰荡时间，利用公式(9)，即可得到该车的重量M。

同时，当车轮以一定的速度再次经过二号传感头4b时，对于本实用新型，两个传感头之间的距离是固定的，设为d，记录车轮经过一号传感头和二号传感头所对应的时间间隔τ_d，通过公示就能很容易实现对车速的实时监测。

进一步地，该装置中两个传感头的位置正对，能够实现车辆双向监测，同时，在环形谐振腔中增加不同的传感头或采用不同类型的传感头时，能够实现多点测量和不同信号的测量。

为能够很好的在示波器上进行分辨，在选取脉冲光源时应该满足以下原则：

设脉冲宽度为t₂，脉冲时间间隔为t₁，如图5所示。

①t₂＜τ_r，即脉冲宽度t₂小于光波在环形谐振腔内环形一周的时间τ_r；

②t₁＞τ，即脉冲时间间隔大于衰荡时间。

由于两个耦合器的耦合比将会影响光波在环形光纤中的衰荡时间，从而在选择耦合器的耦合比时，需要满足以下原则：

①从二号耦合器输出的衰荡光谱中峰值光强越大越好；

②从二号耦合器输出的衰荡光谱中的衰荡峰数量越多越好；

实施例

本实用新型的脉冲光源重复频率1MHZ，脉宽10ns，传感头采用微弯结构，也可以是其他特种光纤，比如D型光纤，光子晶体光纤，裸光纤等；环形谐振腔采用“跑道型”光纤环形谐振腔，两个耦合器耦合比都为1∶99，传输光纤采用多模熔融石英光纤(芯层折射率1.58)，整个环形谐振腔长度10m，两传感头之间距离1m；其他还包括导入、导出光纤、光电探测器、示波器以及计算机。

脉冲光源产生重频为1MHz(周期为1us)的光波经导入光纤进入“跑道型”光纤环形谐振腔，光波在环形谐振腔内环形一周的时间约为53ns，衰荡时间大约为几百个纳秒，当汽车车轮压过传感头时，导致光纤发生弯曲，模式发生泄漏，产生额外的损失，从而导致整个衰荡时间减少，经过上面分析，通过衰荡时间的测量就可以得到压过传感头的行驶车辆重量大小。同时，记录车轮经过两个传感头的时间间隔，就可以得到车辆行驶的速度。

Claims (7)

1.一种基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感装置，其特征在于：包括脉冲光源(1)、导入光纤(2)、耦合器、传感头、传输光纤(5)、导出光纤(6)、光电探测器(7)、示波器(8)以及用于数据处理的计算机(9)；

耦合器包括一号耦合器(3a)和二号耦合器(3b)，传感头包括一号传感头(4a)和二号传感头(4b)；

所述传感头包括光纤和两个缓冲板，光纤设置在两个缓冲板之间，缓冲板与光纤接触面为波纹面；

一号耦合器(3a)、一号传感头(4a)、二号耦合器(3b)和二号传感头(4b)通过传输光纤连接构成环形谐振腔；

所述脉冲光源通过导入光纤与一号耦合器(3a)相连，二号耦合器(3b)通过导出光纤与光电探测器(7)相连，光电探测器(7)通过示波器(8)与计算机(9)相连；

脉冲光源的脉冲宽度为t₂，脉冲时间间隔为t₁，脉冲光源的光束在环形谐振腔内环形一周的时间为τ_r；脉冲光源经环形谐振腔传输至光电探测器，光电探测器将接收到的光信号转换为电信号，并将电信号显示在示波器上，显示的光谱为衰荡光谱，衰荡光谱的衰荡时间为τ，其中，t₂＜τ_r，t₁＞τ。

2.根据权利要求1所述的基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感装置，其特征在于：环形谐振腔呈矩形，矩形环形谐振腔的四个角采用圆弧过渡；耦合器和传感头均设置在矩形环形谐振腔的直线段。

3.根据权利要求2所述的基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感装置，其特征在于：一号传感头(4a)和二号传感头(4b)的位置正对。

4.根据权利要求3所述的基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感装置，其特征在于：所述传感头由特种光纤替代。

5.根据权利要求4所述的基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感装置，其特征在于：所述特种光纤是D型光纤、光子晶体光纤或裸光纤。

6.根据权利要求5所述的基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感装置，其特征在于：所述传输光纤采用多模熔融石英光纤或单模熔融石英光纤；

所述环形谐振腔的长度为10m，一号传感头4a和二号传感头4b之间的距离为1m；

脉冲光源的重复频率为1MHz，脉宽为10ns；所述耦合器是2×2耦合器，耦合器的耦合比是1∶99、12∶88、0.1∶99.9或8∶92。

7.根据权利要求6所述的基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感装置，其特征在于：耦合器的耦合比满足以下原则：

二号耦合器输出的衰荡光谱中峰值光强越大越好，二号耦合器输出的衰荡光谱中的衰荡峰数量越多越好。