CN205607579U - 用于公路动态称重的轮辐式轴力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于公路动态称重的轮辐式轴力传感器，包括轮辐式弹性元件和光纤光栅测量元件，轮辐式弹性元件包括底座、外环、中央受力柱和若干轮辐，光纤光栅测量元件包括光纤光栅传感器、光纤耦合器、光源和光探测器，通过轮辐式结构将轴向压力转化为剪力，可消除加工误差和外力作用点对精度的影响；通过调整中央受力柱与底座之间的间隙，使得当轴力较大时中央受力柱直接压在底座上，荷载主要由中央受力柱承担，轮辐仅产生有限的剪切变形，从而对轮辐进行保护。通过在底座的外圈上设置安装螺栓孔，可便于安装和替换。

Description

用于公路动态称重的轮辐式轴力传感器

技术领域

本实用新型涉及一种基于传感技术的轴力测量工具技术领域，具体是涉及一种基于光纤光栅技术的轮辐式轴力传感器，特别适用于公路、桥梁结构的动态称重。

背景技术

公路和桥梁结构是承载着社会经济命脉的交通枢纽，对社会生活、生产顺利进行具有重要意义。然而，由于经济利益驱动，重载卡车数目增长迅速，同时超载现象也十分严重，因超载造成的重大安全事故也屡有发生。因此，需要采用方便、有效的称重系统来辅助公路部门的超限治理。

目前，广泛使用的公路称重系统大多基于压电陶瓷和电阻式应变片。此类传感系统基于电信号，需要对整套系统进行防水和电磁屏蔽，因此造价及维护费用较高，不利于普遍推广。且电类传感器存在长期稳定性差及信号传输距离短的缺点。

发明内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提出一种用于公路动态称重的轮辐式轴力传感器，能够满足公路动态称重的需要，具有测量精度高、抗电磁干扰、耐腐蚀和适合恶劣环境下工作等特点；且能够在路桥超载工况时保护传感器系统。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种用于公路动态称重的轮辐式轴力传感器，包括轮辐式弹性元件和光纤光栅测量元件，所述轮辐式弹性元件包括底座、外环、中央受力柱和若干轮辐，所述外环固设于所述底座一侧中部，所述中央受力柱设于所述外环中心处，且通过对称排布的若干所述轮辐连接至所述外环内侧，所述中央受力柱的顶端高于所述外环的顶端，所述中央受力柱的底端与所述底座之间具有第一间隙，所述轮辐的底端与所述底座之间具有第二间隙，所述第一间隙的高度不大于所述第二间隙，在作用于所述中央受力柱上的轴力大于设定值时，所述中央受力柱底端直接压在所述底座上，所述外环外侧的底座上设有若干个安装螺栓孔；所述光纤光栅测量元件包括光纤光栅传感器、光纤耦合器、光源和光探测器，所述光纤光栅传感器粘贴于所述轮辐侧面中性轴上，并与所述中性轴成设定角度，所述光纤光栅传感器通过光纤连接至所述光纤耦合器的一端，所述光源、所述光探测器分别通过光纤连接至所述光纤耦合器的另一端。

进一步的，所述底座为圆形，所述外环为圆形，所述外环外侧的底座上设有6个或8个所述安装螺栓孔。

进一步的，设有4个或6个或8个所述轮辐，4个或6个或8个所述轮辐沿所述中央受力柱周向均匀排布。

进一步的，所述第一间隙与所述第二间隙的高度相同或相近。

进一步的，所述轮辐的顶端与所述外环的顶端平齐或接近平齐。

进一步的，所述光纤光栅传感器与所述轮辐的中性轴成45度角或135度角。

进一步的，在同一平面的两个轮辐上布置两个光纤光栅传感器，这两个光纤光栅传感器保持平行。

进一步的，两个所述光纤光栅传感器串接后通过光纤连接至所述光纤耦合器。

进一步的，所述外环上设有供光纤穿过的通孔。

本实用新型的有益效果是：

(1)采用光纤光栅传感器作为测量元件，天然具有抗电磁干扰、耐腐蚀的特点，适用于公路、桥梁等结构所处的野外恶劣工作环境，且不需考虑防水，安装方便，后期维护费用较小。

(2)采用的光纤光栅传感器具有信号衰减小的特点，适用于公路、桥梁等大跨度结构，可以较为方便的实现远距离测量和无人值守。

(3)采用的光纤光栅传感器具有便于串接的特点。当需要测量多个车道时，可以将多个光纤光栅传感器串接到同一根光纤上，因此布线简便，易于施工。

(4)采用轮辐式设计，通过对中央受力柱与底座的间隙进行优化设计，实现了在轴力较大时中央受力柱直接落在底座上承受轴力，从而避免破坏轮辐及轮辐上的光纤光栅传感器。这有利于在路桥超载工况时保护传感器系统。

(5)光纤光栅传感器在中性轴上沿45度方向平行布置，实现一个受拉而另一个受压。这种设计较为方便的实现了温度补偿。

附图说明

图1为本实用新型中轮辐式弹性元件的正视图；

图2为本实用新型中轮辐式弹性元件的剖视图；

图3为本实用新型中轮辐式弹性元件俯视图；

图4为本实用新型用于公路动态称重的轮辐式轴力传感器结构示意图；

图5为本实用新型用于公路动态称重的轮辐式轴力传感器承受轴力时的测量值；

其中，1-底座，2-外环，3-中央受力柱，4-轮辐，5-第一间隙，6-第二间隙，7-安装螺栓孔，8-光纤光栅传感器，9-光纤耦合器，10-光源，11-光探测器，12-光纤。

具体实施方式

为使本实用新型能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。

如图1、图2、图3和图4所示，一种用于公路动态称重的轮辐式轴力传感器，包括轮辐式弹性元件和光纤光栅测量元件，所述轮辐式弹性元件包括底座1、外环2、中央受力柱3和若干轮辐4，所述外环固设于所述底座一侧中部，所述中央受力柱设于所述外环中心处，且通过对称排布的若干所述轮辐连接至所述外环内侧，所述中央受力柱的顶端高于所述外环的顶端，所述中央受力柱的底端与所述底座之间具有第一间隙5，所述轮辐的底端与所述底座之间具有第二间隙6，所述第一间隙的高度不大于所述第二间隙，在作用于所述中央受力柱上的轴力大于设定值时，所述中央受力柱底端直接压在所述底座上，所述外环外侧的底座上设有若干个安装螺栓孔7；所述光纤光栅测量元件包括光纤光栅传感器8、光纤耦合器9、光源10和光探测器11，所述光纤光栅传感器粘贴于所述轮辐侧面中性轴上，并与所述中性轴成设定角度，所述光纤光栅传感器通过光纤12连接至所述光纤耦合器的一端，所述光源、所述光探测器分别通过光纤连接至所述光纤耦合器的另一端。具体结构为，外环上设有供光纤穿过的通孔，光纤穿过通孔连接至光纤耦合器。这样，通过轮辐式结构将轴向压力转化为剪力，可消除加工误差和外力作用点对精度的影响；通过调整中央受力柱与底座之间的间隙，使得当轴力较大时中央受力柱直接压在底座上，可保护轮辐结构及光纤光栅传感器；其原理是：将传感器所承受的荷载按照幅值分为测量段和保护段两部分，通过对中央受力柱及其与底座之间的间隙的优化设计，实现轴力测量和传感器保护功能。在测量段，传感器所受的轴荷载较小，中央受力柱不与底座接触，荷载将由中央受力柱传导至轮辐上，轮辐产生剪切应变。在保护段，传感器所受荷载较大，中央受力柱直接落在底座上，荷载主要由中央受力柱承担，轮辐仅产生有限的剪切变形，从而对轮辐进行保护。通过在底座的外圈上设置安装螺栓孔，可便于安装和替换。

优选的，所述底座为圆形，所述外环为圆形，所述外环外侧的底座上均匀排布6个或8个所述安装螺栓孔。但不限于此，本实施例中为8个均布的安装螺栓孔，在其他实施例也可以根据实际需要设计成5个或7个等。

优选的，设有4个或6个或8个所述轮辐，4个或6个或8个所述轮辐沿所述中央受力柱周向均匀排布。但不限于此，本实施例中为4个轮辐，在其他实施例中，也可以根据实际需要设计成其他偶数。

作为优选实施例，所述第一间隙与所述第二间隙的高度相同或相近，也就是轮辐的底端与中央受力柱的底端平齐或接近平齐。

作为优选实施例，受力柱、轮辐及外环可采用线切割一体加工，然后焊接在底座上。

作为优选实施例，所述轮辐的顶端与所述外环的顶端平齐或接近平齐。

所述光纤光栅传感器与所述轮辐的中性轴成45度角或135度角。这样，保证一个承受拉应变而另一个承受压应变。这种设计较为方便的实现了温度补偿。但不限于此，本实施例中光纤光栅传感器布置在轮辐侧面中性轴处，与中性轴夹角为45度，在同一平面的两个轮辐上布置两个光纤光栅传感器，这两个传感器保持平行。两个光纤光栅传感器串接后通过光纤连接至光纤耦合器。该设计的原理为：对于轮辐式弹性元件，可以将每对轮辐视为一根两端固定的弹性梁。对于四个轮辐的典型设计，若中央受力柱承受轴力为P，则每根轮辐分担的荷载为P/4。对于矩形截面的轮辐，其中性轴处的剪应力最大，为平均剪应力的1.5倍，即中性轴处剪应力为：

${\mathrm{\τ}}_{max}=1.5\×\frac{P}{4}\×\frac{1}{bh}=\frac{3P}{8bh}---\left(1\right)$

式中，b、h分别为轮辐的宽度和高度。

由材料力学可知，在与中性轴45度方向上的正应力等于最大剪应力τ_max。将光纤光栅传感器沿45度布置可测得此正应变，并以此推算轴力大小。

根据光纤光栅传感器的工作原理，由应力引起的传感器中心波长变化量为K_p·τ_max，由温度变化引起的传感器中心波长变化量为K_T·ΔT。对于沿45度布设的一对光纤光栅传感器，其中心波长变化量分别为：

令Δλ₁-Δλ₂则得到由此可知光纤光栅传感器波长差与轴力存在正比例函数关系，以此可以测量轴力荷载。参见图5，承受轴力时的测量值。传感器中心波长的变化量与外界轴向压力具有很好的线性关系。

以上实施例是参照附图，对本实用新型的优选实施例进行详细说明。本领域的技术人员通过对上述实施例进行各种形式上的修改或变更，但不背离本实用新型的实质的情况下，都落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于公路动态称重的轮辐式轴力传感器，其特征在于：包括轮辐式弹性元件和光纤光栅测量元件，所述轮辐式弹性元件包括底座(1)、外环(2)、中央受力柱(3)和若干轮辐(4)，所述外环固设于所述底座一侧中部，所述中央受力柱设于所述外环中心处，且通过对称排布的若干所述轮辐连接至所述外环内侧，所述中央受力柱的顶端高于所述外环的顶端，所述中央受力柱的底端与所述底座之间具有第一间隙(5)，所述轮辐的底端与所述底座之间具有第二间隙(6)，所述第一间隙的高度不大于所述第二间隙，在作用于所述中央受力柱上的轴力大于设定值时，所述中央受力柱底端直接压在所述底座上，所述外环外侧的底座上设有若干个安装螺栓孔(7)；所述光纤光栅测量元件包括光纤光栅传感器(8)、光纤耦合器(9)、光源(10)和光探测器(11)，所述光纤光栅传感器粘贴于所述轮辐侧面中性轴上，并与所述中性轴成设定角度，所述光纤光栅传感器通过光纤(12)连接至所述光纤耦合器的一端，所述光源、所述光探测器分别通过光纤连接至所述光纤耦合器的另一端。

2.根据权利要求1所述的用于公路动态称重的轮辐式轴力传感器，其特征在于：所述底座为圆形，所述外环为圆形，所述外环外侧的底座上设有6个或8个所述安装螺栓孔。

3.根据权利要求1所述的用于公路动态称重的轮辐式轴力传感器，其特征在于：设有4个或6个或8个所述轮辐，4个或6个或8个所述轮辐沿所述中央受力柱周向均匀排布。

4.根据权利要求1所述的用于公路动态称重的轮辐式轴力传感器，其特征在于：所述第一间隙与所述第二间隙的高度相同或相近。

5.根据权利要求1所述的用于公路动态称重的轮辐式轴力传感器，其特征在于：所述轮辐的顶端与所述外环的顶端平齐或接近平齐。

6.根据权利要求1所述的用于公路动态称重的轮辐式轴力传感器，其特征在于：所述光纤光栅传感器与所述轮辐的中性轴成45度角或135度角。

7.根据权利要求6所述的用于公路动态称重的轮辐式轴力传感器，其特征在于：在同一平面的两个轮辐上布置两个光纤光栅传感器，这两个光纤光栅传感器保持平行。

8.根据权利要求7所述的用于公路动态称重的轮辐式轴力传感器，其特征在于：两个所述光纤光栅传感器串接后通过光纤连接至所述光纤耦合器。

9.根据权利要求8所述的用于公路动态称重的轮辐式轴力传感器，其特征在于：所述外环上设有供光纤穿过的通孔。