專利名稱：光纖-液壓組合式車輛動態稱重裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種車輛動態稱重傳感器，主要應用于橋梁、道路上行駛車輛的重量和速度的實時監測的車輛動態稱重系統。
背景技術：
動態稱重系統目前是國際科研領域的前沿課題，世界各國都很注重動態稱重技術的開發和應用。自上個世紀50年代以來，發達國家就開始對汽車動態稱重系統進行研究， 并取得了相應的成果。從目前市場上已經成功應用的動態稱重系統來看，汽車動態稱重系統根據原理主要有壓電式、電容式、秤臺式、剪切梁式和彎板式等幾種，其中以彎板式和壓電式的應用最為廣泛。其中，壓電式動態稱重系統具有對電信號干擾很大，易于受潮，工作性能不穩定、 結構的耐久性較差；彎板式動態稱重系統雖然具有結構簡單，但采用的應變傳感器為電阻式應變片，容易受到電磁干擾，長期使用會產生漂移和徐變等。光纖光柵傳感器雖然精度高、耐久性好、抗電磁干擾能力強，但不能實現分布式測量，大量布置必然造成稱重系統的造價較高，無法廣泛推廣應用。采用能夠實現分布式測量的光纖時域反射技術和光纖微彎技術是一種較好的解決方式。分布式光纖傳感系統基于光時域反射(Optical Time Domain Reflectmetry)的技術原理激光光源發出的光脈沖沿著光纖傳輸，大部分光向前傳輸，一小部分散射光信號會沿著光纖反射回來，利用這些反射回來的光強度對應變的和溫度的敏感性對結構的應變和溫度進行檢測，同時利用不同位置處的反射時間的不同，實現分布式的測量。分布式光纖具有抗電磁干擾能力強、精度高、成本低、耐久性好等優點，是理想的應變傳感材料。光纖微彎技術是利用光纖發生彎曲時，一部分光從纖芯耦合進入包層，到達光纖端部纖芯中的光強度減弱，引起光功率損耗。利用光功率的變化與引起光纖微彎的擾動物理量的大小成一一對應關系，達到對外部擾動物理量的測量。由于車輛動態稱重系統的車輛荷載比較復雜，外部干擾因素較多，采用單一的光纖時域反射測量系統或光纖微彎測量系統容易受到偶然因素的影響，造成測量結果不夠準確。將兩種測量技術結合，可有效減少偶然因素對測量結果的影響，增加稱重系統的抗干擾能力。同時，兩種測量系統可相互校核，進一步提高稱重的準確性。
發明內容
技術問題本發明要解決的技術問題是提出一種光纖-液壓組合式車輛動態稱重傳感器，它能對橋梁、道路結構上行駛中的車輛的重量進行測量，具有結構簡單、耐久性好、 造價低廉、可遠程監控等優點。技術方案為解決上述技術問題，本發明提出一種光纖-液壓組合式車輛動態稱重裝置，其特征在于該裝置包括光纖微彎傳感器、通過第二連接油管與光纖微傳感器連接的光纖液壓傳感器、通過第一連接油管與光纖微彎傳感器連接的液壓油泵、通過第一傳輸光纖和第二傳輸光纖與光纖微彎傳感器連接的第一光強解調模塊、通過第三傳輸光纖和第四傳輸光纖與光纖液壓傳感器連接的第二光強解調模塊。優 選的，光纖微彎傳感器包括彈性油管、第一液壓油、第一測試光纖、底板、蓋板、 第一減振鍥塊、第二減振鍥塊；第一測試光纖螺旋纏繞并粘貼在彈性油管表面，第一液壓油位于彈性油管內；彈性油管放置在底板上，蓋板位于彈性油管上，底板與蓋板固定連接；第一減振鍥塊、第二減振鍥塊放置在監測車道路面上并與地面錨固，第一減振鍥塊和第二減振鍥塊的頂面與蓋板頂面相切。優選的，光纖液壓傳感器包括液壓油管、第二液壓油、液壓油缸、過流閥、油缸活塞頭、彈性活塞圓管、第一光纖固定架、第二光纖固定架、第二測試光纖；過流閥為中部帶孔密封連接件，過流閥與液壓油管固定連接，第二液壓油經過流閥流入、流出液壓油缸；彈性活塞圓管一端與過流閥固定連接，另一端與油缸活塞頭固定連接；油缸活塞頭與過流閥相對設置且與液壓油缸密封接觸，液壓活塞頭在壓力作用下沿液壓油缸內壁滑動；第一光纖固定架和第二光纖固定架分別固定在彈性活塞圓管的內壁上，第一光纖固定架和第二光纖固定架相對設置；第二測試光纖自彈性活塞圓管中引出至第二光強解調模塊；第二測試光纖兩端分別與第三傳輸光纖、第四傳輸光纖連接。優選的，彈性油管和第一液壓油組合作為光纖微彎-油管傳感器的彈性芯材。有益效果光纖微彎-液壓組合式車輛動態稱重系統，采用光纖微彎原理和光纖應變測試技術測量行駛中的車輛重量，該傳感器具有以下優點
(1)采用彈性油管作為車重的承載部件，不同部位的液壓壓強相同，改變了機械式結構由于應力分布不均勻造成的測試困難；
(3)系統由兩個獨立的傳感器組成，相互測試無干擾，提升的了系統的整體穩定性和可靠性；
(3)兩套獨立的傳感系統可以相互校核，提高測量的準確性；
(2)采用光纖作為敏感測試元件，耐久性好、抗電磁干擾能力強、造價低，同時易于實現遠程測量、監控；
(4)整套系統在安裝中不需要開挖路面，可實現無損安裝，施工簡單，檢修維護方便；
(5)系統整體結構簡單，容易加工成便攜式測試儀器，進一步降低測試成本。
圖1是本發明的系統結構圖2是本發明的光纖微彎_油管傳感器三維圖； 圖3a是本發明的光纖_液壓傳感器結構圖； 圖3b是圖3a中A-A剖面； 圖3c是圖3a中B-B剖面；
圖4a是本發明的光纖液壓傳感器彈性活塞圓管結構圖； 圖4b是第一光纖固定架、第二光纖固定架大樣圖1 ； 圖4c是第一光纖固定架、第二光纖固定架大樣圖2 ； 圖5是本發明的現場安裝示意圖中有光纖微彎傳感器1、光纖液壓傳感器2、液壓油泵3、第一連接油管4、第二連接油管5、第一光強解調模塊6、第二光強解調模塊7、彈性油管1-1、第一液壓油1-2、第一測試光纖1-3、第一傳輸光纖1-4、第二傳輸光纖1-5、底板1-6、蓋板1-7、第一減振鍥塊1_8、 第二減振鍥塊1-9、液壓油管2-1、第二液壓油2-2、液壓油缸2-3、過流閥2_4、油缸活塞頭 2-5、彈性活塞圓管2-6、第一光纖固定架2-7、第二光纖固定架2-8、第二測試光纖2_9、第三傳輸光纖2-10、第四傳輸光纖2-11、第一安裝光纖微彎-彈性油管傳感器8、第二安裝光纖微彎-彈性油管傳感器9、第一安裝光纖-液壓傳感器10、第二安裝光纖-液壓傳感器11、 第三連接油管12、第四連接油管13、第五連接油管14、第六連接油管15、第一安裝光纖-液壓傳感器16、第二安裝光纖-液壓傳感器17。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明做進一步說明。如圖1所示，本發明由光纖微彎-彈性油管傳感器1、光纖液壓傳感器2、液壓油泵 3、第一連接油管4、第二連接油管5、第一光強解調模塊6、第二光強解調模塊7組成。第一連接油管4連接彈性油管1-1與液壓油泵3，第二連接油管5連接彈性油管 1-1與光纖液壓傳感器2。液壓油泵3輸出第一液壓油1-2至光纖微彎-彈性油管傳感器 1，輸出第二液壓油2-2至光纖液壓傳感器2，達到設計油壓后關閉液壓油泵3，將出油口鎖緊。第一光強解調模塊6發射激光，激光經第一傳輸光纖1-4進入第一測試光纖1-3，經第二傳輸光纖1-5返回第一光強解調模塊6。第二光強解調模塊7發射激光，激光經第三傳輸光纖2-10進入第二測試光纖2-9，經第四傳輸光纖2-11返回第二光強解調模塊7。如圖2所示，將彈性油管1-1表面清潔處理后，將測試光纖1-3螺旋纏繞并粘貼至彈性油管1-1，測試光纖1-3兩端與第一傳輸光纖1-5和第二傳輸光纖1-6相連， 第一傳輸光纖1-4和第二傳輸光纖1-5分別接第一光強解調模塊6的輸出端口和輸入端口。將底板1-6安裝至測試路面上，將安裝有測試光纖1-3的彈性油管1-1安裝至底板，將彈性油管1-1兩端分別與第一連接油管4、第二連接油管5連接，蓋上蓋板1-7 ，蓋板1-7與底板1-6錨固連接，將第一減振鍥塊1-8和第二減振鍥塊1-9安裝至蓋板1-7和底板1-6的邊緣。開啟第一光強解調模塊6，激光經第一傳輸光纖1-4輸入第一測試光纖1-3，經第二傳輸光纖1-5返回第一光強解調模塊6。當汽車經過并碾壓蓋板1-7，彈性油管1-1因車輛重量作用發生變形，同時彈性油管1-1內第一液壓油 1-2的壓強升高。相應壓迫位置的第一測試光纖1-3隨著液壓油管的變形而發生微彎曲， 曲率半徑變小，一部分光從纖芯耦合進入包層，返回第一光強解調模塊6的光功率減弱。 公式(1)
(ι)式中，σ —汽車重量；
Kp-返回第一光強解調模塊光功率；
標定常數，由現場標定得到，計算得到汽車重量。汽車經過后，彈性油管1-1恢復原來形狀，第一測試光纖1-3也隨之恢復原形。如圖3a、3b、3c所示，如上所述，在汽車經過彈性油管1_1時，彈性油管1_1內第一液壓油1-2的壓強升高。由于封閉腔內的液體壓強處處相等，經第二連接油管5、過流閥2-4與彈性油管1-1相連的液壓油缸2-3內的第二液壓油2-2壓強隨之升高， 且升高值相同。第二液壓油2-2壓強升高使得作用在液壓活塞頭2-5上的壓力增加，與液壓活塞頭2-5密封固接的彈性活塞圓管2-6的發生受拉變形，與彈性活塞管2-6內側兩端相連的第一光纖固定架2-7、第二光纖固定架2-8的相對距離增加，第二測試光纖 2-9的應變增加，由第二光強解調模塊7射入的激光的布里淵散亂光的頻率發生漂移。利用第三傳輸光纖2-10、第四傳輸光纖2-11作為溫度補償光纖，由公式(2)
hC^lzhCCO+qAKd + qAT(力(2)式中h(0)-第二測試光纖布里淵散亂光的初始頻率偏移；
⑵~第二測試光纖發生應變或溫度變化后布里淵散亂光的頻率偏移；
^r C2 -布里淵光的頻率偏移的應變系數和溫度系數。計算得到測試光纖的應變，進而得到汽車重量。如圖4所示，第一光纖固定架2-7和第二光纖固定架2-8的懸臂端布置有弧形孔道，第二測試光纖2-9通過第二光強解調模塊7引到彈性活塞圓管2-6，依次穿過第二光纖固定架2-8的孔道、第一光纖固定架2-7的孔道后，再次穿過第二光纖固定架2-8的孔道、 第一光纖固定架2-7的孔道；重復上述過程數次后，第二測試光纖2-9自彈性活塞圓管2-6 中引出至第二光強解調模塊7。如上所述，彈性活塞圓管2-6兩端的相對變形集中兩個圓孔間的長度范圍內；由式(3)
^i = Poi (3)式中t- 一第二測試光纖應變； scI
而—彈性活塞圓管應變；、
！ ~彈性活塞圓管的長度； ^ -光纖固定架1和光纖固定架2孔道間距離。得第二測試光纖2-8的應變被放大，增大光纖應變測試的敏感度。如圖5所示，將第一安裝光纖微彎-液壓油管傳感器8、第二安裝光纖微彎-液壓油管傳感器9安裝至測試車道，分別通過第三連接油管12、第四連接油管13連接至液壓油泵3，分別通過第五連接油管14、第六連接油管15連接至第一安裝光纖_液壓傳感器10、第二安裝光纖液壓傳感器11。如圖5所示，以兩軸四輪汽車為例，對車輛到達時間、車輛速度、軸距的測試機理進行敘述。如上所述，將系統安裝至測試車道上，汽車的右前輪到達第二安裝光纖微彎-液壓油管傳感器9時光功率發生損失或第二安裝光纖-液壓傳感器11中測試光纖應變突
變的時間I右后輪經過第二安裝光纖微彎-液壓油管傳感器9時光功率發生損失或
第二安裝光纖-液壓傳感器11中測試光纖應變突變的時間& ,左前輪經過達到光纖微彎-彈性油管傳感器1 8，記錄光功率發生損失或第一安裝光纖-液壓傳感器10中測試光纖應變突變的時間4',左后輪經過第一安裝光纖微彎-彈性油管傳感器8時光功率發
生損失或第一光纖-液壓傳感器10中測試光纖應變突變的時間已知第一安裝光纖微彎-彈性油管傳感器8和第二安裝光纖微彎-彈性油管傳感器9沿汽車行駛方向的距離S，則汽車行駛速度 4)⑷ 或”“、)(5)
式中v_汽車行駛速度；
s—第一、第二安裝光纖微彎-彈性油管傳感器沿車道方向的距離；
4一左前輪到達第一安裝光纖微彎-彈性油管傳感器的時間；
右前輪到達第二安裝光纖微彎-彈性油管傳感器的時間；
4一左后輪到達第一安裝光纖微彎-彈性油管傳感器的時間；
h一右后輪到達第二安裝光纖微彎-彈性油管傳感器的時間。
汽車的軸距為 d ^v-(4-2-h) (6)
或
式中d —汽車的軸距。
權利要求
1.一種光纖-液壓組合式車輛動態稱重裝置，其特征在于該裝置包括光纖微彎傳感器(1)、通過第二連接油管(5)與光纖微傳感器(1)連接的光纖液壓傳感器(2)、通過第一連接油管(4)與光纖微彎傳感器(1)連接的液壓油泵(3)、通過第一傳輸光纖(1 一 4)和第二傳輸光纖(1 - 5)與光纖微彎傳感器(1)連接的第一光強解調模塊(6)、通過第三傳輸光纖 (2 - 10)和第四傳輸光纖(2 - 11)與光纖液壓傳感器(2)連接的第二光強解調模塊(7)。
2.根據權利要求1所述的光纖-液壓組合式車輛動態稱重裝置，其特征在于光纖微彎傳感器(1)包括彈性油管(1-1)、第一液壓油(1-2)、第一測試光纖(1-3)、底板(1-6)、蓋板(1-7)、第一減振鍥塊(1-8)、第二減振鍥塊(1-9)；第一測試光纖(1-3)螺旋纏繞并粘貼在彈性油管(1-1)表面，第一液壓油(1-2)位于彈性油管(1-1)內；彈性油管(1-1)放置在底板(1-6)上，蓋板(1-7)位于彈性油管(1-1)上，底板(1-6)與蓋板(1-7)固定連接；第一減振鍥塊(1-8)、第二減振鍥塊(1-9)放置在監測車道路面上并與地面錨固，第一減振鍥塊 (1-8)和第二減振鍥塊(1-9)的頂面與蓋板(1-7)頂面相切。
3.根據權利要求1所述的光纖-液壓組合式車輛動態稱重裝置，其特征在于光纖液壓傳感器(2)包括液壓油管(2-1)、第二液壓油(2-2)、液壓油缸(2-3)、過流閥(2-4)、油缸活塞頭(2-5)、彈性活塞圓管(2-6)、第一光纖固定架(2-7)、第二光纖固定架(2-8)、第二測試光纖(2-9)；過流閥(2-4)為中部帶孔密封連接件，過流閥(2-4)與液壓油管(2-1)固定連接，第二液壓油(2-2)經過流閥(2-4)流入、流出液壓油缸(2-3);彈性活塞圓管(2-6) — 端與過流閥(2-4)固定連接，另一端與油缸活塞頭(2-5)固定連接；油缸活塞頭(2-5)與過流閥(2 - 4)相對設置且與液壓油缸(2-3)密封接觸，液壓活塞頭(2-4)在壓力作用下沿液壓油缸(2-3)內壁滑動；第一光纖固定架(2-7)和第二光纖固定架(2-8)分別固定在彈性活塞圓管(2-5)的內壁上，第一光纖固定架(2-7)和第二光纖固定架(2-8)相對設置；第二測試光纖(2-9)自彈性活塞圓管2-6中引出至第二光強解調模塊(7);第二測試光纖(2-9)兩端分別與第三傳輸光纖(2-10 )、第四傳輸光纖(2-11)連接。
4.根據權利要求2所述的光纖-液壓組合式車輛動態稱重裝置，其特征在于彈性油管(1-1)和第一液壓油(1-2)組合作為光纖微彎-油管傳感器(1)的彈性芯材。
全文摘要
本發明公開了一種光纖-液壓組合式車輛動態稱重裝置，其特征在于該裝置包括光纖微彎傳感器(1)、通過第二連接油管(5)與光纖微傳感器(1)連接的光纖液壓傳感器(2)、通過第一連接油管(4)與光纖微彎傳感器(1)連接的液壓油泵(3)、通過第一傳輸光纖(1－4)和第二傳輸光纖(1－5)與光纖微彎傳感器(1)連接的第一光強解調模塊(6)、通過第三傳輸光纖(2－10)和第四傳輸光纖(2－11)與光纖液壓傳感器(2)連接的第二光強解調模塊(7)。本發明提升了該裝置的穩定性和可靠性。
文檔編號G01G19/03GK102243094SQ20111010334
公開日2011年11月16日 申請日期2011年4月25日 優先權日2011年4月25日
發明者丁幼亮, 周廣東, 宋永生, 李愛群 申請人:東南大學