RO127980A2 - Metodă şi dispozitiv cu senzor optoelectronic cu fibră optică folosind efectul de microbending pentru determinarea sarcinii autovehiculelor aflate în deplasare - Google Patents

Metodă şi dispozitiv cu senzor optoelectronic cu fibră optică folosind efectul de microbending pentru determinarea sarcinii autovehiculelor aflate în deplasare Download PDF

Info

Publication number
RO127980A2
RO127980A2 ROA201100380A RO201100380A RO127980A2 RO 127980 A2 RO127980 A2 RO 127980A2 RO A201100380 A ROA201100380 A RO A201100380A RO 201100380 A RO201100380 A RO 201100380A RO 127980 A2 RO127980 A2 RO 127980A2
Authority
RO
Romania
Prior art keywords
optical fiber
weight
fiber
radiation
led
Prior art date
Application number
ROA201100380A
Other languages
English (en)
Other versions
RO127980B1 (ro
Inventor
Sorin Micloş
Ion Ioan-Ferdinand Lăncrănjan
Dan Savastru
Marina Nicoleta Tăutan
Original Assignee
Institutul Naţional De Cercetare-Dezvoltare Pentru Optoelectronică - Inoe 2000
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institutul Naţional De Cercetare-Dezvoltare Pentru Optoelectronică - Inoe 2000 filed Critical Institutul Naţional De Cercetare-Dezvoltare Pentru Optoelectronică - Inoe 2000
Priority to ROA201100380A priority Critical patent/RO127980B1/ro
Publication of RO127980A2 publication Critical patent/RO127980A2/ro
Publication of RO127980B1 publication Critical patent/RO127980B1/ro

Links

Landscapes

  • Traffic Control Systems (AREA)

Abstract

Invenţia se referă la o metodă de determinare a greutăţii vehiculelor aflate în deplasare, fără restricţionarea în vreun fel a traficului autovehiculelor ce se cântăresc, şi la un dispozitiv ce aplică metoda. Metoda conform invenţiei măsoară variaţia puterii optice transmise printr-o fibră optică în funcţie de o greutate variabilă aplicată, folosind un dispozitiv optoelectronic cu fibră optică monomod sau multimod, prin care se propagă o radiaţie luminoasă cu lungimea de undă din domeniul spectral infraroşu apropiat, emisă în undă continuă de către o diodă laser sau de un led, fibra optică fiind montată într-un dispozitiv mecanic ce îi asigură curbarea în funcţie de greutatea de măsurat. Dispozitivul conform invenţiei este alcătuit dintr-o sursă de radiaţie () în infraroşu apropiat, ce poate fi o diodă laser sau led, care injectează radiaţia infraroşie într-o fibră optică () ce se curbează sub acţiunea greutăţii autovehiculului cântărit în ansamblul de curbare a fibrei, format din două suporturi () cilindrice fixe şi un suport () cilindric mobil, provocând modificarea puterii radiaţiei transmise prin fibra optică (), modificare înregistrată de o fotodiodă () care generează o tensiune măsurată printr-o placă () de achiziţie conectată la un computer ().

Description

FOLOSIND EFECTUL DE MICROBENDING PENTRU DETERMINAREA SARCINII AUTOVEHICULELOR AFLATE ÎN DEPLASARE
Invenția se referă la o metodă de determinare a greutății vehiculelor aflate în deplasare fără restricționarea în vreun fel a traficului autovehiculelor ce se cântăresc folosind un senzor optoelectronic cu fibră optică funcționând pe baza efectului de microbending al fibrei optice și la un dispozitiv care aplică metoda.
Se cunosc metode și dispozitive construite pe baza acestor metode folosite pentru determinarea greutății vehiculelor aflate în mișcare pe drumuri asfaltate. Aceste metode și dispozitive se bazează pe folosirea unor senzori seismici electronici cu preț de cost și de utilizare mare și complicat de montat și utilizat. în acest sens amintim brevetele S.U.A. nr. 6692567, 7684946, 6459050, 7305324 și 20040112149 care se referă la metode și aparate de determinare a greutății vehiculelor aflate în trafic. Dezavantajul principal al acestor soluții este acela al necesității reducerii semnificative, mult sub limita legală, a vitezei autovehiculelor la efectuarea acestor măsurători. De asemenea, aceste soluții impun ca o condiție esențială trecerea autovehiculelor de investigat prin puncte speciale de control amenajate pe marginea șoselelor.
Metoda conform invenției înlătură dezavantajele arătate mai înainte prin aceea că permite evaluarea directă a greutății vehiculelor aflate în trafic „pe osie”, la viteza curentă a vehiculului. Acesta se realizează prin utilizarea senzorilor cu fibră optică ce folosesc efectul de microbending. Senzorul cu fibră optică destinat construcției unui dispozitiv conform invenției este constituit din fibră optică mono sau multi mod și utilizează ca sursă de radiație luminoasă ce se propagă prin fibră un LED (diodă cu emisie de luminescență/fluorescență) sau o diodă laser de mică putere. Conform metodei propuse nu există specificații restrictive stricte, mai ales în ceea ce privește valorile lungimii de undă folosite, referitoare la sursa de lumină folosită.
Problema tehnică pe care prezenta invenție își propune să o rezolve constă în determinarea greutății vehiculelor aflate în trafic „pe osie” iară restricționarea în vreun fel a traficului autovehiculelor ce se cântăresc, măsurând variația puterii optice transmise printr-o fibră optică supusă unui efect de microbending funcție de greutatea variabilă aplicată.
Funcționarea unui senzor optoelectronic cu fibră optică pe baza efectului de microbending poate fi analizată considerând ecuațiile cuplate de propagare ale amplitudinii câmpului electric al undelor electromagnetice care se propagă în sensul pozitiv al axei fibrei !? V - 9 C 3 c O - 2l-0‘r2i)11 ^3 optice optice (unda „directă”, de amplitudine A/) și în sensul negativ axei fibrei optice (unda „inversă”, de amplitudine A/,). în principiu, printr-o fibră optică liniară, rnultimod sau monomod, fabricată din materiale neabsorbante sau care să producă împrăștierea radiației electromagnetice, radiația luminoasă se propagă pe distanțe infinite, fără a se înregistra vreo pierdere de putere. Prin producerea unei curbări, îndoiri a fibrei optice, principiul invarianței translaționale aplicabil ce guvernează propagarea rectilinie a luminii este încălcat, fapt care se manifestă prin pierderi de putere de către modurile de propagare a radiației luminoase. Această pierdere de putere de către modurile de propagare poate fi observată în cazul modului fundamental de propagare în fibrele optice monomod sau la modurile „legate” ce se pot propaga prin nucleul unei fibre optice rnultimod la propagarea luminii prin, în lungul și în afara porțiunii curbate a fibrei optice.
în cazul efectului de microbending sunt luate în considerare două tipuri de pierderi: A - pierderi de tranziție - acestea sunt asociate cu modificări mari și/sau rapide ale curburii fibrei optice la începutul sau sfîrșitul unui microbending al fibrei optice;
B - pierderi de îndoire - asociate cu o îndoire de curbură constantă a fibrei optice.
Pierderile de tranziție pot fi descrise printr-o schimbare de amplitudine mare a curburii k a fibrei optice de la situația în care aceasta este liniară (k =0) la situația unei curburi constante cu raza Rb definită prin relația k = 1/Rb- Modul fundamental de propagare prin fibra optică este deplasat ușor spre exteriorul miezului fibrei optice, spre învelișul acesteia, în planul curburii, producându-se astfel o nepotrivire spațială, o nesuprapunere față de distribuția de câmp electromagnetic a fibrei optice liniare, așa cum este prezentat schematic în fig. 1. în fig. 1 se pot observa elementele constitutive ale fibrei optice, adică miezul (1), având diametrul de maxim 8-9 pm (fibră optică monomod) sau de maxim 100 - 150 pm (fibră optică rnultimod), având indicele de refracție nc0 și învelișul (2), având diametrul exterior de maxim 200 - 250 pm având indicele de refracție nci- Indicii de refracție îndeplinesc condiția esențială pentru ghidarea radiației: nco > nc/. Se poate observa distribuția de câmp electromagnetic a modului fundamental de propagare (3), în situația normală, adică a propagării printr-o fibră optică liniară și ușor deplasată spre interfața miez - înveliș, deplasare produsă în cazul propagării printr-o fibră optică curbată având o rază de curbură (4).
Pierderea relativă de putere a modului fundamental, ΔΡΙΡ, poate fi dedusă din integrala de suprapunere a acestor două câmpuri, în condițiile în care distribuția caracteristică modului fundamental de propagare este aproximată ca fiind Gaussiană și se consideră că razele spotului și miezului sunt aproximativ egale, printr-o relație de forma
CX-2 0 1 1 - 0 0 3 8 0 - 2 1 -04- 2011 ^«±44 η,
P 16 Δ2 Rj unde p este raza miezului fibrei optice, V este parametrul ce definește frecvența specifică a acesteia iar Δ este diferența relativă a indicilor de refracție. în fig. 1 este prezentă schematic o fibră optică pentru care se înregistreazaă fenomenul pierderilor de tranziție prin efectul de microbending.
Pierderile „pure” de îndoire ale unei fibre optice sunt definite prin pierderile continue de putere înregistrate de modul fundamental de propagare prin fibra optică în cazul propagării acestuia de-a lungul căii optice curbate cu o rază de curbură constantă Rh a miezului fibrei optice supuse fenomenului de îndoire. Se presupune faptul că învelișul fibrei optice nu este în mod esențial folosit pentru propagarea modurilor de undă ale radiației luminoase ce se propagă prin fibra optică, fiind deci „nelegaf ’ pentru acestea și neafectat de curbarea fibrei optice, păstrînd o valoare nemodificată a indicelui de refracție ncț. Pierderile de putere ale radiației luminoase cresc rapid cu micșorarea razei de curbură a îndoirii fibrei optice. Aceste pierderi de putere ale radiației luminoase se înregistrează predominant în planul îndoirii fibrei optice. în oricare alt plan raza de curbură efectivă este mai mare și deci pierderilor sunt mult mai mici, așa cum este prezentat în fig. 2. Se cunoaște faptul că viteza de fază în orice poziție aflată pe suprafața de fază constantă a modului supus fenomenului de rotație în jurul îndoiturii, curburii fibrei optice nu poate avea o valoare mai mare decît aceea a luminii în înveliș. Prin urmare, sub o anumită valoare, Rracț, câmpul de radiație al modului de propagare prin fibra optică trebuie, în mod necesar, să treacă în înveliș, radiația propagându-se tangențial față de miez. Pentru un mod de propagare prin fibra optică, interfața dintre zonele de propagare ghidată în lungul îndoiturii fibrei optice și aceea de iradiere în înveliș la Rrad este cunoscută drept “caustica de radiație”. Caustica de radiație apare ca sursa aparentă de radiație luminoasă. între miez și caustica de radiație, modul de propagare devine evanescent, puterea lui scăzând exponențial cu distanța radială față de C, centrul de curbură al fibrei optice. Caustica de radiație se deplasează în interiorul învelișului odată cu scăderea razei de curbură, puterea luminoasă a modului de propagare scăzând în acest mod. Rracieste definită prin relația:
unde c este viteza luminii în vid, Ω este viteza unghiulară de rotație a modului de propagare în jurul punctului C, conform fig. 2. In practică, puterea luminoasă iradiată de la îndoitura fibrei optice este absorbită de stratul de protecție de acrilat depus la exteriorul învelișului și/sau se propagă în exteriorul fibrei optice, în spațiul liber. în fig. 2 este prezentată schematic analiza <2 01 1-00380-11 -04- 2011 de mai sus a fenomenului pierderilor „pure” observate în cazul fenomenului de microbending a unei fibre optice. Se pot observa elementele constitutive ale fibrei optice, adică miezul 1 și învelișul (2), precum și frontul de undă caracteristic modului fundamental de propagare prin fibra optică (3), caracterizat de o valoare constantă a vitezei de fază. De asemenea se pot observa și centrul de curbură a fibrei optice (4), raza de curbură a acesteia (5) precum și raza (6) a frontului de undă al causticei de radiație (7).
Atenuarea modului de propagare prin fibra optică poate fi descrisă analitic printr-o funcție de z, unde z este distanța în lungul axei fibrei optice, măsurată de la zona de începere a curburii. Funcția mai sus pomenită descrie atenuarea puterii modului fundamental de propagare prin fibra optică, P(z) și este definită prin relația:
P(z)=P(0>-* (3) unde P(0) este puterea modului fundamental de propagare la intrarea în zona curbată a fibrei optice iar γ este coeficientul de atenuare a acestui mod. în cazul exprimării în decibeli (dB), această relație devine:
= 10 lg(e_?z) = 20 lg(e)^ (4) )
Această relație indică faptul că atenuarea puterii modului fundamental de propagare pe unitatea de lungime a fibrei optice curbate este 8.686/ dB. γ poate fi definit în condițiile considerării unei fibre optice de tip “step-index”, cu o variație de tip funcție treaptă a indicelui de refracție la trecerea de la miez la înveliș, având parametrii modali U și W ai miezului și
învelișului, cu o diferență relativă Δ a indicilor de refracție, cu un parametru modal V, cu r raza miezului și având raza curburii Rb, prin relația:
(5)
Metoda de determinare a sarcinii pe osie a autovehiculelor aflate în deplasare cu senzor optoelectronic cu fibră optică folosind efectul de microbending, conform invenției, constă în aceea că se măsoară variația puterii emise de o sursă de radiație luminoasă, de tipul diodă laser sau LED, având lungimea de undă situată într-o „fereastră de transmisie” a fibrei optice, în domeniul spectral infraroșu apropriat, unde atenuarea este mult redusă, la propagarea prin fibra optică având o îndoire proporțională cu o greutate aplicată printr-un dispozitiv mecanic. Este o măsurătoare relativă, determinându-se cu un fotodetector puterea luminoasă transmisă prin fibra optică liniară, adică fără aplicarea unei sarcini și prin aceași fibră optică atunci sarcina aplicată este diferită de zero, păstrând sursa de radiație în aceleași
C\-2 01 1-00380-2 1 -OV 2011 condiții. Metoda nu necesită restricționarea în vreun fel a traficului autovehiculelor ce se cântăresc.
Dispozitivul conform invenției este alcătuit dintr-o sursă de radiație în infraroșu apropiat (diodă laser sau LED) ce injectează radiația infraroșie în fibra optică care se curbează sub acțiunea sarcinii (greutății autovehiculului cântărit) în ansamblul de curbare a fibrei format din două suporturi cilndrice fixe și un suport cilindric mobil provocând modificarea puterii radiației transmise prin fibra optică, modificare înregistrată de o fotodiodă care generează o tensiune măsurată printr-o placă de achiziție conectată la un computer.
Invenția prezintă următoarele avantaje:
- Metoda este neinvazivă în raport cu traficul, nefiind nevoie să se scoată din trafic vehiculele astfel cântărite.
- Metoda este mai sensibilă decît alte metode destinate aceluiași scop, fiind sensibilă la valori mici ale greutății vehiculului ce se cântărește.
- Metoda este ieftină, aplicarea ei nu necesită cheltuieli deosebite de realizare, montare și exploatare.
în fig. 1 este prezentă schematic o fibră optică pentru care se înregistreazaă fenomenul pierderilor de tranziție prin efectul de microbending. în fig. 2 este prezentată schematic analiza fenomenului pierderilor „pure” observate în cazul fenomenului de microbending a unei fibre optice. Fig. 3 și 4 prezintă un mod de realizare a invenției.
O formă preferată de realizare a invenției se prezintă în continuare, în legătură cu fig.
și 4. Dn fig. 3, este prezentată schema dispozitivului realizat conform invenției, unde se pot observa blocul electronic (1) de la care primește curent de injecție sursa de radiație luminoasă care se propagă prin fibra optică fibra optică (2), doi suporți cilindrici ficși (3), pe suprafețele cărora fibra optică poate aluneca, un suport cilindric mobil (4) care poate culisa în plan vertical, axa sa fiind menținută paralelă cu axele celor doi suporți cilindrici ficși, fibra optică putînd să alunece pe suprafața acestui suport cilindric mobil, fotodetectorul (5), acesta fiind fiind realizat dintr-o fotodiodă cu siliciu montată într-un circuit de polarizare inversă, (5) generînd o tensiune electrică măsurată printr-o placă de achiziție (6) conectată la un computer (7). De asemenea, în fig. 3 se poate observa că pe suportul cilindric mobil (4) se aplică sarcina mecanică (8), greutatea de măsurat. în fig. 4 este prezentată o formă propusă de realizare a dispozitivului mecanic de îndoire a fibrei, alcătuit din placa plană suport (1), placa semicilindrică mobilă (2), arcurile (6) și suporții de ghidaj (7) care asigură o deplasare verticală controlată a plăcii semicilindrice de aceasta și de placa suport fixă, prin intermediul unor suporți mecanici (8) fixați rigid față de fiecare dintre aceste două plăci și având montate (Ν- 2 Ο 1 1 - Ο Ο 3 8 Ο - - Κ
1 -ΟΑ- 2011 rigid pe capete piese suport cilindrice fixe (4) și, alternativ, mobile (5), se asigură curbarea fibrei optice (3) cu o rază de curbură variabilă funcție de greutatea aplicată pe (2). Fibra optică, nu este fixată rigid față de (1) sau (2). Dimensiunea L indicată în fig. 4 este orientativă, fiind considerată mai mare cu 25 - 50 % față de cea mai mare lățime de anvelopă auto care se prevede a echipa vehiculele a căror greutate urmează să fie măsurată. Dimensiunea B indicată în fig. 4 este, de asemenea orientativă, fiind fixată în funcție de calitatea materialelor din care sunt confecționate cele două plăci, suport și semicilindrică mobilă, precum și de greutatea maximă care se estimează că va fi măsurată. Dispozitivul mecanic conform fig. 4 este îngropat în acostamentul, în bazamentul unei șosele astfel încât placa semicilindrică mobilă să fie la nivelul pavajului. Dispozitivele electronice de alimentare a sursei de radiație luminoasă și de măsurare și înregistrare fiind montate, după caz, la o anumită distanță de șosea.

Claims (2)

REVENDICĂRI
1. Metodă de determinare a sarcinii pe osie a autovehiculelor caracterizată prin aceea că se folosește un dispozitiv optoelectronic cu fibră optică monomod sau multimod prin care se propagă o radiație luminoasă cu lungimea de undă din domeniul spectral infraroșu apropiat emisă în undă continuă de către o diodă laser sau de un LED, fibra optică fiind montată într-un dispozitiv mecanic care îi asigură curbarea funcție de greutatea de măsurat, fiind măsurată variația puterii optice transmise prin fibra optică funcție de greutatea variabilă aplicată și că nu necesită restricționarea în vreun fel a traficului autovehiculelor ce se cântăresc.
2. Dispozitiv de determinare a sarcinii pe osie a autovehiculelor prin metoda definită în revendicarea 1, caracterizat prin aceea că este alcătuit dintr-o sursă de radiație în infraroșu apropiat (diodă laser sau LED) (1) ce injectează radiația infraroșie în fibra optică (2) care se curbează sub acțiunea greutății autovehiculului cântărit în ansamblul de curbare a fibrei format din două suporturi cilndrice fixe (3) și un suport cilindric mobil (4) provocând modificarea puterii radiației transmise prin fibra optică (2), modificare înregistrată de o fotodiodă (5) care generează o tensiune măsurată printr-o placă de achiziție (6) conectată la un computer (7).
ROA201100380A 2011-04-21 2011-04-21 Dispozitiv pentru determinarea greutăţii autovehiculelor aflate în mişcare RO127980B1 (ro)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ROA201100380A RO127980B1 (ro) 2011-04-21 2011-04-21 Dispozitiv pentru determinarea greutăţii autovehiculelor aflate în mişcare

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ROA201100380A RO127980B1 (ro) 2011-04-21 2011-04-21 Dispozitiv pentru determinarea greutăţii autovehiculelor aflate în mişcare

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RO127980A2 true RO127980A2 (ro) 2012-11-29
RO127980B1 RO127980B1 (ro) 2017-10-30

Family

ID=47220988

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ROA201100380A RO127980B1 (ro) 2011-04-21 2011-04-21 Dispozitiv pentru determinarea greutăţii autovehiculelor aflate în mişcare

Country Status (1)

Country Link
RO (1) RO127980B1 (ro)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10861328B2 (en) 2017-08-16 2020-12-08 Velsis Sistemas E Tecnologia Viaria S/A System for monitoring dynamic weighing and speed of vehicles on lanes

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BR102021004560A2 (pt) * 2021-03-10 2022-09-20 Velsis Sistemas E Tecnologia Viaria Ltda Sistema de pesagem em movimento para veículos automotores baseado em sensores flexíveis e a fibra ótica

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10861328B2 (en) 2017-08-16 2020-12-08 Velsis Sistemas E Tecnologia Viaria S/A System for monitoring dynamic weighing and speed of vehicles on lanes

Also Published As

Publication number Publication date
RO127980B1 (ro) 2017-10-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10317255B2 (en) Distributed fiber sensors and systems employing hybridcore optical fibers
WO2008042959A3 (en) Fiber optic device for measuring a parameter of interest
CA2509129C (en) Efficient distributed sensor fiber
WO2008111320A1 (ja) 光ファイバセンサ
Lin et al. Optofluidic gutter oil discrimination based on a hybrid-waveguide coupler in fibre
CN100593711C (zh) 一种高灵敏度微谐振腔光传感器
US20160018277A1 (en) Systems and methods for distributed pressure sensing
JP2005274329A (ja) フォトニック結晶を応用したセンサおよび検出対象物質の検出方法
CN103605187B (zh) 一种基于选择性填充的类双芯光子晶体光纤可调谐滤波器
EP3199994A1 (en) Optical coupler and method for branching light using optical coupler
Amanu Macro bending losses in single mode step index fiber
Wu et al. Less-mode optic fiber evanescent wave absorbing sensor: Parameter design for high sensitivity liquid detection
RO127980A2 (ro) Metodă şi dispozitiv cu senzor optoelectronic cu fibră optică folosind efectul de microbending pentru determinarea sarcinii autovehiculelor aflate în deplasare
Arman et al. Improving the sensitivity of the HC-PBF based gas sensor by optimization of core size and mode interference suppression
JP2008170327A (ja) 屈折率検出装置、および、液位検出装置
CN103134533B (zh) 基于双通道的分布式光纤传感装置及其运行方法
Chiang et al. Whispering gallery mode based optical fiber sensor for measuring concentration of salt solution
PL229961B1 (pl) Urządzenie do selektywnego zwiększania strat modów wyższych rzędów
Wei et al. Measurement of the optical absorption coefficient for liquid based on optical microfiber
CN102455418B (zh) 光纤磁场传感器
CN103123406A (zh) 一种光纤
Del Villar Propagation of light through optical fibre
WO2011042911A2 (en) Method and apparatus for demonstration and determination of material dispersion in optical fiber
Louvros et al. Time domain modeling and characterization of polymer optical fibers
Amanum Effects of macro bending losses in single mode step index fiber