专利名称：啁啾光纤光栅称重传感器及其强度解调系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种啁啾光纤光栅称重传感器及其强度解调系统，特别适用于行驶中车辆的称重。
背景技术：
目前已有的动态车辆称重系统分为两种，一种是便携式称重仪，另一种是固定称重仪，用于高速公路管理和收费的是固定称重仪。中外文献报导的这类称重仪绝大部分是采用电类传感器，包括电阻应变片、压电传感器、电容条、线性可变差动变压器等。由于固定称重仪都安装在室外的恶劣环境下进行工作，因此，可靠性较差、易受电磁干扰、怕潮湿、且信号不能远距离传输。动态车辆称重系统大多安装于高速公路上，其工作环境恶劣，传感部分始终位于路面以下，容易浸泡在积水中。因此，现有的称重传感器容易损坏，不能长期可靠工作，同时需充分考虑排水问题，所以结构复杂。为解决上述问题，美国公开一份专利，专利号为4560016的“Method and Apparatus for measuring the weight of a vehicle while the vehicleis in motion”。该发明利用光纤微弯效应的原理，发明一种称重仪，该称重仪避免了电类传感器的缺点，但是，采用光纤微弯作为传感机理，它的测量精度低、可靠性差、且结构复杂。
光纤光栅传感器及解调系统是近些年来发展起来的新型传感技术，它采用波长编码，具有测量精度高，长期工作可靠性好等优点。然而，基于法布里—珀罗滤波器的波长解调仪成本较高，这类传感系统仅适合应用于分布式多点测量的大型工程领域，而在单点或少量点测量的仪器仪表领域的应用受到限制。文献“Identical broadband chirped FratinF interroFationtechnique for temperature and strain sensinF”中，R.W.Fallon等人提出利用完全相同的两个啁啾光纤光栅进行传感解调应变、温度测量系统，避免了使用法布里—珀罗滤波器的波长解调仪，降低了成本。但是，这种系统没有解决温度和应变的交叉敏感问题；另外文献中报道的，解调啁啾光纤光栅是采用透射连接方式，需要使用光纤耦合器将传感光栅反射回来的光信号输入到解调光栅中，传感器与系统之间需要两根光纤连接，结构复杂。
发明内容
本发明的目的就是研制出精度符合要求，可在室外恶劣环境下长期可靠工作，结构简单，且成本较低的光纤光栅称重传感器以及信号解调系统。
为了达到上述要求，本发明设计一种高速公路动态称重传感器及解调系统，该系统采用双啁啾光纤光栅，将两个相同的啁啾光纤光栅串接在一起，采用测量光栅的反射谱的连接方式，设计了一种高速公路动态称重使用的双啁啾光纤光栅称重传感器及其解调系统。这个系统不仅解决了温度与应变的交叉敏感问题，而且具有系统结构简单、成本低、传输距离远、抗电磁干扰、测量精度高、长期稳定性好等优点，非常适合于高速公路的动态称重系统。
该项发明啁啾光纤光栅称重传感器及其强度解调系统采用等强度悬臂梁结构。选择两个反射谱完全相同的啁啾光纤光栅，其中一个啁啾光栅用于感应应变，粘贴在传感器的压力敏感区，称为传感光栅，另一个啁啾光栅粘贴在传感器的压力非敏感区，称为解调光栅，传感光栅和解调光栅串接后，通过光纤分路器13，分别与宽带光源14和光电转换器15连接，光电转换器15与计算机16连接，组成了压力传感及解调系统。传感器由等强度梁1、螺孔2、轴承3、螺栓4、底座5、底座螺孔6、传感光栅7、解调光栅8、光纤9组成，检测时用螺丝通过螺孔2将等强度梁1固定在称重仪底座5上，等强度梁1自由端安装轴承3，轴承3通过螺栓4安装于等强度梁1的两侧。传感光栅7和解调光栅8为反射谱匹配的啁啾光纤光栅，其中传感光栅7粘贴在压力的敏感区，由于采用等强度设计，这一区域的应变均匀分布。而解调光栅8粘贴区域通过螺丝与底座固定，是压力的不敏感区域，但是考虑到应变的传递，我们将啁啾光纤光栅横向粘贴，以保证其不受应变的影响。由于等强度梁的受力端，外界压力通过轴承作用在等强度梁上，这种作用只能接受纵向压力，避免横向冲击对称重结果的影响。当有压力作用在轴承上时，轴承将纵向压力传递给等强度梁，传感光栅感测等强度梁的应变，将载荷压力转化为传感光栅反射光谱的漂移，而解调光栅反射谱不变，此时两个光栅的反射光谱包络下的面积就等于两个光栅反射光强。显然，两个光栅总反射光强度的变化ΔP正比于传感光栅光谱平移的距离Δλ，即ΔP＝K1·Δλ (1)式中，K1为比例常数。传感光栅的波长改变量与等强度梁的应变相对应，进而与等强度梁所受压力成正比，由下式给出Δλ＝K2·F (2)式中，K2为比例常数。将(2)式代入(1)式，得ΔP＝K·F(3)式中，K＝K1K2光纤光栅反射光信号通过光电管转化为电压，送入计算机中分析和处理。那么电压V与传感器载荷F也成线性关系，其比例常数可事先通过标定试验确定。因此，计算机只要通过简单计算即可得到称重结果。
由于采用上述技术方案，本发明提供的动态车辆称重系统具有以下有益效果1压力通过轴承传递，可有效抵消行驶汽车的水平方向冲击力对称重结果的影响，以提高称重准确度。
2称重现场无电子元件，传感器可在潮湿积水、电磁干扰等恶劣环境下长期可靠工作。
3该传感器集“传感”和“解调”功能于一体，直接输出光强信号，对后端设备要求低。
4信号测量精度高，重复性好。
图1是啁啾光纤光栅称重传感系统工作原理2是啁啾光纤光栅反射谱3是啁啾光纤光栅称重传感器结构示意4是啁啾光纤光栅称重传感器与称重台的组装5是啁啾光纤光栅布设方案1
图6是啁啾光纤光栅布设方案2图7是啁啾光纤光栅布设方案3图中，1-等强度梁、2-螺孔、3-轴承、4-螺栓、5-底座、6-底座螺孔、7-传感光栅1、8-解调光栅，9-光纤、10-啁啾光纤光栅称重传感器、11-称重台、12-上盖板、13-光纤分路器、14-宽带光源、15-光电转换器、16-计算机、17-传感光栅具体实施方式
以下结合附图1、2、3、4、5、6、7对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明啁啾光纤光栅称重传感器结构示意图如图3所示，传感器采用等强度梁1结构。螺丝通过螺孔2将等强度梁1固定在传感器底座5上。等强度梁自由端安装轴承3，轴承3通过螺栓4安装于等强度梁两侧。传感光栅7，解调光栅8串接粘贴于等强度梁表面。两啁啾光纤光栅的具体布设可有三种方式。
在使用时，啁啾光纤光栅称重传感器10通过底座上的螺孔6和螺丝固定在称重仪的框架上，传感器的安装方向与位置如图4所示。图中箭头方向即公路方向，也即车辆行驶方向。称重台11上表面与路面平齐，称重传感器仅轴承与下表面接触。通过轴承的运动可抵消行驶车辆在水平方向上的冲击力，从而改善车速对称重结果的影响。
图1是啁啾光纤光栅称重传感系统的工作原理图，啁啾光纤光栅称重传感器10上固定的传感光栅7和解调光栅8串接后，通过光纤分路器13分别与宽带光源14和光电转换器15连接，宽带光源14发出的光经光纤9传输到传感光栅7和解调光栅8，光栅反射光信号经光纤9传输进入光电管15转化为电压信号，进入计算机16进行处理分析并显示称重结果。
本发明选择反射谱波长匹配的啁啾光栅分别作为传感光栅7和解调光栅8。其中传感光栅7粘贴在压力的敏感区，由于采用等强度设计，这一区域的应变均匀分布。而解调光栅8粘贴区域通过螺丝与底座固定，是压力的不敏感区域，但是考虑到应变的传递，我们将啁啾光纤光栅横向粘贴，以保证其不受应变的影响。啁啾光纤光栅称重传感器是利用光栅应变引起波长漂移，从而引起反射光强变化的原理工作的。饱和曝光的啁啾光纤光栅的反射谱顶部反射率接近于1，且非常平坦，我们选择的传感光栅7和解调光栅8的反射谱完全匹配，两光栅串接后反射谱如图2中实线所示，此时两个光栅的反射光强度就等于实线与X轴所包含的面积。当等强度梁上有力F作用时，传感光栅7的反射谱平移Δλ，如图2中虚线所示，而解调光栅8的反射谱保持不变，此时两个光栅的反射光强度等于两个光栅反射谱包络线与X轴所包含的面积。显然，两个光栅总反射光强度的改变量正比于传感光栅7平移距离Δλ。因此，通过检测光栅的反射光强即可获知传感光栅反射谱的移动距离，从而计算传感器上施加压力F的大小。啁啾光纤光栅共有三种布设方式。结合附图，阐述布设位方式及反射光变化情况如下。
光纤光栅布设方案一如图5所示，采用两个反射谱波长匹配的啁啾光栅，两光栅均粘贴在等强度梁上表面，传感光栅7平行于等强度梁对称中轴线粘贴，以位于中轴线为最佳。解调光栅8垂直于等强度梁对称中轴线粘贴。等强度梁自由端受到压力作用时，传感光栅7拉伸，其反射谱在确保谱型不变情况下向长波方向平移。显然，两个光栅总反射光强度的变化量正比于传感光栅7平移距离Δλ。此方案中，传感光栅7也可粘贴于等强度梁下表面，此时当等强度梁上有力F作用时，传感光栅7的反射谱向短波方向平移Δλ，但两个光栅总反射光强度的变化量仍正比于传感光栅7平移距离Δλ。
光纤光栅布设方案二如图6所示，采用两个反射谱波长匹配的啁啾光栅，两光栅均为传感光栅，即粘贴在等强度梁压力敏感区，平行于等强度梁对称中轴线粘贴，以位于中轴线为最佳，传感光栅7粘贴于等强度梁上表面，为拉栅，另一个传感光栅17粘贴于等强度梁下表面，为压栅。等强度梁自由端受到压力作用时，传感光栅7拉伸，其反射谱在确保谱型不变情况下向长波方向平移，而传感光栅17压缩，其反射谱在确保谱型不变情况下向短波方向平移。两个光栅总反射光强度等于两个光栅反射谱包络线与X轴所包含的面积。总反射光强度变化量仍比于两传感光栅7，17平移距离之和Δλ1+Δλ2。采用此方案，可增大反射光强的变化量，从而增加称重分辨率。
光纤光栅布设方案三如图7所示，采用三个反射谱波长匹配的啁啾光栅，两光栅为传感光栅，即粘贴在等强度梁压力敏感区，平行于等强度梁对称中轴线粘贴，以位于中轴线为最佳，传感光栅7粘贴于等强度梁上表面，为拉栅，传感光栅17粘贴于等强度梁下表面，为压栅。解调光栅8位于压力非敏感区，垂直于等强度梁对称中轴线粘贴。等强度梁自由端受到压力作用时，解调光栅8的反射谱保持不变，传感光栅7拉伸，其反射谱在确保谱型不变情况下向长波方向平移，而传感光栅17压缩，其反射谱在确保谱型不变情况下向短波方向平移。此时三个光栅的反射光强度等于三个光栅反射谱包络线与X轴所包含的面积。总反射光强度变化仍比于两传感光栅7，17平移距离之和Δλ1+Δλ2。采用此方案，可进一步增大反射光强的最大变化量，增大总的反射光强，从而增加称重精度。
权利要求
1.一种啁啾光纤光栅称重传感器及其强度解调系统，其特征在于该系统采用等强度悬臂梁结构，啁啾光纤光栅称重传感器(10)上固定的传感光栅(7)和解调光栅(8)串接后，通过光纤分路器(13)分别与宽带光源(14)和光电转换器(15)连接，宽带光源(14)发出的光经光纤(9)再传输到传感光栅(7)，光栅反射光信号经光纤(9)传输进入光电管(15)转化为电压信号，进入计算机(16)。
2.根据权利要求1所述的一种啁啾光纤光栅称重传感器及其强度解调系统，其特征在于传感光栅(7)粘贴在传感器的压力敏感区，解调光栅(8)粘贴在传感器的压力非敏感区。
3.一种啁啾光纤光栅称重传感器，其特征在于该传感器由等强度梁(1)、螺孔(2)、滑轮(3)、螺栓(4)、底座(5)、底座螺孔(6)、传感光栅(7)、解调光栅(8)、光纤(9)组成，检测时用螺丝通过螺孔(2)将等强度梁(1)固定在称重仪底座(5)上，等强度梁(1)自由端安装滑轮(3)，滑轮(3)通过螺栓(4)安装于等强度梁(1)的两侧，传感光栅(7)和解调光栅(8)串接在一起。
全文摘要
本发明提出一种啁啾光纤光栅称重传感器及其强度解调系统，该系统用于行驶过程中车辆称重，系统选择两个反射谱完全相同的啁啾光纤光栅，其中一个啁啾光栅用于感应应变，粘贴在传感器的压力敏感区，称为传感光栅，另一个啁啾光栅粘贴在传感器的压力非敏感区，称为解调光栅，传感光栅和解调光栅串接后，通过光纤分路器13，分别与宽带光源14和光电转换器15连接，光电转换器15与计算机16连接，组成了压力传感及解调系统。检测时用螺丝通过螺孔2将等强度梁1固定在称重仪底座5上，等强度梁1自由端安装滑轮3、滑轮3通过螺栓4安装于等强度梁1的两侧。该传感器提供的信号可远距离传输，并广泛用于公路、桥梁等各种动态称重及计费系统。该传感器能在潮湿积水、电磁干扰等恶劣的室外环境下长期可靠工作，测量精度高，成本低。
文档编号G01G19/02GK101038205SQ20071005199
公开日2007年9月19日 申请日期2007年4月27日 优先权日2007年4月27日
发明者姜德生, 张东生, 李微, 范典, 李维来, 王立新 申请人:武汉理工大学