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

文档序号:9764625阅读:776来源:国知局
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
【技术领域】
[0001] 本发明设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,具体设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;本发明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】
[0002] 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,运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,运 种耗时长、价格昂贵的传统方法将会渐渐被淘汰。
[0003] 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(piezoelectric effect)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。虽然运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,因此信号处理中屯、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。
[0004] 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。光纤化agg光栅传感器的基本原理是:当光栅周围的溫度、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忍折射率的变化,从而产生光栅化agg 信号的波长漂移A A,通过检测化agg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。
[0005] 除此之外,近年来,基于干设原理的光纤压力传感器也应运而生,例如:F-P(法布 里巧罗)干设、迈克尔逊干设、马赫增得干设等,其原理都是通过采集干设图案从而分析得 到外界信号。但是,由于基于干设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。

【发明内容】

[0006] 本发明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。
[0007] 为解决W上技术问题,本发明给出W下技术方案:
[0008] -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、禪合器、传感头、传输光纤5、导出光纤6、光电探测器7、示波器8W及 用于数据处理的计算机9;
[0009] 禪合器包括一号禪合器3a和二号禪合器3b,传感头包括一号传感头4a和二号传感 头4b;
[0010] 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);
[0011 ] -号禪合器3a、一号传感头4a、二号禪合器3b和二号传感头4b通过传输光纤连接 构成环形谐振腔;
[0012] 所述脉冲光源通过导入光纤与一号禪合器3a相连,二号禪合器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;
[0013] 脉冲光源的脉冲宽度为t2,脉冲时间间隔为ti,脉冲光源的光束在环形谐振腔内环 形一周的时间为Tr;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T,其中,t2<Tr,tl>T。
[0014] 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;禪合器和传感头均 设置在矩形环形谐振腔的直线段。
[0015] 一号传感头4a和二号传感头4b的位置正对。
[0016] 上述传感头可由特种光纤替代。
[0017] 上述特种光纤是D型光纤、光子晶体光纤或裸光纤。
[0018] 上述传输光纤采用多模烙融石英光纤或单模烙融石英光纤。
[0019] 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Im。
[0020] 脉冲光源的重复频率为IMHZ,脉宽为10ns。
[0021 ] 上述禪合器是2 X 2禪合器,禪合器的禪合比是1:99、12:88、0.1:99.9或8:92。
[0022] 禪合器的禪合比满足W下原则:
[0023] 二号禪合器输出的衰荡光谱中峰值光强越大越好,二号禪合器输出的衰荡光谱中 的衰荡峰数量越多越好。
[0024] 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:
[0025] 1)计算k,k的单位为kg ? S
[0026] 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To
[0027] 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T〇;T〇的单位为S;
[002引1.2)选取多个已知重量的被测单元;
[0029] 1.3)将被测单元分别放置在本发明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Tn;
[0030] 1.4) W被测单元的重量为纵坐标,
-)为横坐标进行线性曲线拟合,通过拟 合公式得到k;
[0031] 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T
[0032] 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T; T的单位为S ;
[0033] 3)根据如下公式,计算压过传感头的车辆的重量M:
[0035] 其中,M的单位为kg。
[0036] 在步骤1)中,被测单元采用破码,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。
[0037] 还包括获得车速的步骤:
[0038] 两个传感头之间的距离为d,
[0039] 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 Td,通过公示
获得对应的车速。
[0040] 本发明具有W下技术效果:
[0041] 1、本发明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;
[0042] 2、本发明使用全光纤结构,极大的减小了传统光学结构带来的损耗;
[0043] 3、本发明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;
[0044] 4、本发明采用"跑道型"环形谐振腔,一方面有利于光束的禪合,减小禪合带来的 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;
[0045] 5、本发明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;
[0046] 6、本发明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;
[0047] 7、本发明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;
[0048] 8、本发明具有很强的灵活性,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;
[0049] 9、该结构系统简单,结构紧凑,性能稳定,成本低廉;
[0050] 10、本发明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】
[0051 ]图1为本发明的结构示意图;
[0052] 图2为本发明中环形谐振腔空载(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;
[0053] 图3为本发明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;
[0054] 图4为本发明中不同重量破码对应的衰荡时间线性拟合曲线示意图;
[0055] 图5为本发明中脉冲光源示意图。
[0056] 附图标记:1为脉冲光源,2为导入光纤,3a为一号禪合器,3b为二号禪合器,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】
[0057] 如图1,本发明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2X2禪合器3a、一号传感头4a、二号传感头4b、传输 光纤5、二号2X2禪合器3b、导出光纤6、光电探测器7、示波器8W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 X 2禪合器3a、一号传感头4a、二号2 X 2禪合器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;
[005引脉冲光源通过导入光纤与一号2 X 2禪合器3a相连,二号2 X 2禪合器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;
[0059] 脉冲光源的脉冲宽度为t2,脉冲时间间隔为ti,脉冲光源的光束在环形谐振腔内环 形一周的时间为Tr;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T,其中,t2<Tr,tl>T。
[0060] 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;禪合器和传感头均 设置在矩形环形谐振腔的直线段。
[0061] 在空载时(空载是指本发明在没有受到额外压力的状态,即没有车
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