基于光纖環形腔衰蕩技術的車輛動態測量傳感裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種光纖環形腔衰蕩光譜技術和車輛動態稱重及速度監測的動態測 量傳感裝置，具體設及一種基于光纖環形腔衰蕩技術的車輛動態測量傳感裝置及方法，屬 于光纖傳感和車輛動態測量領域;本發明的裝置是基于光纖環形腔衰蕩光譜技術、車輛動 態稱重技術和速度監測技術相結合的動態測量傳感裝置。
【背景技術】
[0002] 公路作為一個國家重要的經濟命脈，交通運輸行業的信息化目前正處于高速發展 階段。實現對機動車的自動檢測和實時監測是實現交通信息化的必不可少的手段。而對于 車輛的稱重，傳統的方法都是在靜態下進行的，運種整車測量方法精度雖然很高，但是存在 很大的缺陷，如價格高，不能分別測出軸重等。且公路交通正朝著高速化和信息化發展，運 種耗時長、價格昂貴的傳統方法將會漸漸被淘汰。
[0003] 壓電薄膜傳感器是目前一種較新的車輛綜合信息采集傳感器，是國內外研究應用 的一個熱點。壓電薄膜利用壓電效應(piezoelectric effect)的原理，當汽車輪胎經過壓 電薄膜時，傳感器受沖擊產生電荷信號，通過解調沖擊電荷信號，可獲取車輛的速度、重量、 車型等信號，也能很容易的得到車流量信息。雖然運種技術能夠實現車速、車重、車流量、車 型的測量，但也存在明顯缺點，例如壓電信號可直接傳輸的距離短，因此信號處理中屯、距離 傳感器不能太遠，系統一致性較差，并且目前產品技術主要為進口，所用壓電薄膜材料價格 昂貴，不適于推廣應用。
[0004] 光纖車輛信息傳感器在交通中尚未獲得實際應用，且目前研究最熱的莫過于光纖 布拉格光柵傳感器。光纖化agg光柵傳感器的基本原理是：當光柵周圍的溫度、應變、應力或 其他待測物理量發生變化時，將導致光柵周期或者纖忍折射率的變化，從而產生光柵化agg 信號的波長漂移A A，通過檢測化agg波長的漂移情況，即可獲得待測物理量的變化情況。光 柵Bragg傳感器最顯著的優勢就是有相當高的靈敏度，能探測微小信號的變化。同時，又由 于對微弱信號的過于敏感，從而對一些外界變化不能夠明顯區分，給實驗設備提出了更高 的要求。因此，光纖光柵傳感器價格比較昂貴，離實用化和產業化還有相當長的一段距離。
[0005] 除此之外，近年來，基于干設原理的光纖壓力傳感器也應運而生，例如:F-P(法布 里巧羅)干設、邁克爾遜干設、馬赫增得干設等，其原理都是通過采集干設圖案從而分析得 到外界信號。但是，由于基于干設原理的傳感器要求的應用環境比較苛刻，很難在室外推廣 和應用。
【發明內容】
[0006] 本發明針對現有技術存在的缺點和不足，提出一種基于光纖環形腔衰蕩技術的車 輛動態測量傳感裝置及方法。該裝置構思新穎，設計簡單，成本較低，適用于公路交通車輛 動態測量。
[0007] 為解決W上技術問題，本發明給出W下技術方案：
[0008] -種基于光纖環形腔衰蕩技術的車輛動態測量傳感裝置，其特殊之處在于:包括 脈沖光源1、導入光纖2、禪合器、傳感頭、傳輸光纖5、導出光纖6、光電探測器7、示波器8W及 用于數據處理的計算機9;
[0009] 禪合器包括一號禪合器3a和二號禪合器3b，傳感頭包括一號傳感頭4a和二號傳感 頭4b;
[0010] 所述傳感頭包括光纖和兩個緩沖板，光纖設置在兩個緩沖板之間，緩沖板與光纖 接觸面為波紋面(即傳感頭可采用微彎結構的傳感頭）；
[0011 ] -號禪合器3a、一號傳感頭4a、二號禪合器3b和二號傳感頭4b通過傳輸光纖連接 構成環形諧振腔；
[0012] 所述脈沖光源通過導入光纖與一號禪合器3a相連，二號禪合器3b通過導出光纖與 光電探測器7相連，光電探測器7通過示波器8與計算機9相連；
[0013] 脈沖光源的脈沖寬度為t2,脈沖時間間隔為ti，脈沖光源的光束在環形諧振腔內環 形一周的時間為Tr;脈沖光源經環形諧振腔傳輸至光電探測器，光電探測器將接收到的光 信號轉換為電信號，并將電信號顯示在示波器上，顯示的光譜為衰蕩光譜，衰蕩光譜的衰蕩 時間為T，其中，t2<Tr，tl>T。
[0014] 環形諧振腔呈矩形，矩形環形諧振腔的四個角采用圓弧過渡；禪合器和傳感頭均 設置在矩形環形諧振腔的直線段。
[0015] 一號傳感頭4a和二號傳感頭4b的位置正對。
[0016] 上述傳感頭可由特種光纖替代。
[0017] 上述特種光纖是D型光纖、光子晶體光纖或裸光纖。
[0018] 上述傳輸光纖采用多模烙融石英光纖或單模烙融石英光纖。
[0019] 環形諧振腔的長度為10m，一號傳感頭4a和二號傳感頭4b之間的距離為Im。
[0020] 脈沖光源的重復頻率為IMHZ，脈寬為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] 禪合器的禪合比滿足W下原則：
[0023] 二號禪合器輸出的衰蕩光譜中峰值光強越大越好，二號禪合器輸出的衰蕩光譜中 的衰蕩峰數量越多越好。
[0024] 利用上述傳感裝置進行車輛動態測量的方法，包括測量車輛重量M的步驟，具體如 下：
[0025] 1)計算k，k的單位為kg ? S
[0026] 1.1)獲得空載時環形諧振腔輸出的光強衰減到輸入到環形諧振腔光強的1/e所需 時間To
[0027] 空載時，脈沖光源產生的光束經由導入光纖2進入環形諧振腔，多次經過傳感頭， 進入環形諧振腔的部分光波經導出光纖進入到光電探測器，光電探測器將光信號轉化為電 信號，并在示波器上顯示相應的衰蕩光譜，由衰蕩光譜直接獲得時間T〇;T〇的單位為S;
[002引1.2)選取多個已知重量的被測單元；
[0029] 1.3)將被測單元分別放置在本發明的其中一個傳感頭上，根據步驟1.1)的方法， 分別獲得各個被測單元不同的衰蕩時間Tn;
[0030] 1.4) W被測單元的重量為縱坐標，
-)為橫坐標進行線性曲線擬合，通過擬 合公式得到k;
[0031] 2)獲得車輪經過時該壓力作用下環形諧振腔輸出的光強衰減到輸入到環形諧振 腔光強的1/e所需時間T
[0032] 車輪經過時，脈沖光源產生的光束經由導入光纖2進入環形諧振腔，多次經過傳感 頭，進入環形諧振腔的部分光波經導出光纖進入到光電探測器，光電探測器將光信號轉化 為電信號，并在示波器上顯示相應的衰蕩光譜，由衰蕩光譜直接獲得時間T; T的單位為S ;
[0033] 3)根據如下公式，計算壓過傳感頭的車輛的重量M:
[0035] 其中，M的單位為kg。
[0036] 在步驟1)中，被測單元采用破碼，被測單元的數量為10個;為了減小測量車輛重量 M的誤差，在計算k時，選取的被測單元越多越好。
[0037] 還包括獲得車速的步驟：
[0038] 兩個傳感頭之間的距離為d，
[0039] 車輪壓過傳感頭時，記錄車輪經過一號傳感頭和二號傳感頭所對應的時間間隔 Td,通過公示
獲得對應的車速。
[0040] 本發明具有W下技術效果：
[0041] 1、本發明將腔衰蕩技術與壓力傳感技術相結合，從而將功率信號的測量轉化在時 域上的測量，方便信號探測與處理；
[0042] 2、本發明使用全光纖結構，極大的減小了傳統光學結構帶來的損耗；
[0043] 3、本發明利用光纖環形諧振腔，使得光波多次通過傳感頭，增加了吸收光程，相當 于將外界信號進行放大，極大地提高了該系統的監測靈敏度，適合微弱信號的測量；
[0044] 4、本發明采用"跑道型"環形諧振腔，一方面有利于光束的禪合，減小禪合帶來的 幅值損失和相位差;另一方面有利于傳感頭的安裝，減小因為光纖本身彎曲帶來的損失；
[0045] 5、本發明傳感頭采用微彎結構，對于解釋光束在多模光纖中傳輸對外界壓力的響 應具有較強的理論依據；
[0046] 6、本發明將壓力監測系統同速度檢測系統融為一體，實現了速度和車重的實時測 量；
[0047] 7、本發明不易受光源波動的影響，衰蕩譜測量的是光的衰蕩時間，它只是一個光 強的比值，是一個相對量，不會因為光源光強的不穩定而受影響；
[0048] 8、本發明具有很強的靈活性，根據不同被測物理量，可采用不同的傳感頭，實現不 同物理量的測量；
[0049] 9、該結構系統簡單，結構緊湊，性能穩定，成本低廉；
[0050] 10、本發明能夠實現車輛動態監測，緩解了目前需要停車測量帶來的交通不便。
【附圖說明】
[0051 ]圖1為本發明的結構示意圖；
[0052] 圖2為本發明中環形諧振腔空載（即沒有車輪壓過傳感頭)和有壓力作用下（即有 車輪壓過傳感頭)衰蕩光譜示意圖；
[0053] 圖3為本發明中不同重量車輛作用于傳感頭衰蕩光譜示意圖，圖中P1、P2、P3、P4和 P5表示不同重量的車輛產生的壓強；
[0054] 圖4為本發明中不同重量破碼對應的衰蕩時間線性擬合曲線示意圖；
[0055] 圖5為本發明中脈沖光源示意圖。
[0056] 附圖標記：1為脈沖光源，2為導入光纖，3a為一號禪合器，3b為二號禪合器，4a為一 號傳感頭、4b為二號傳感頭、5為傳輸光纖、6為導出光纖、7為光電探測器、8為示波器，9為計 算機，10為緩沖板，11為傳感頭中的光纖，12為波紋面。
【具體實施方式】
[0057] 如圖1，本發明提供了一種基于光纖環形腔衰蕩技術的車輛動態測量傳感裝置，該 裝置主要由脈沖光源1、導入光纖2、一號2X2禪合器3a、一號傳感頭4a、二號傳感頭4b、傳輸 光纖5、二號2X2禪合器3b、導出光纖6、光電探測器7、示波器8W及用于數據處理的計算機9 組成。一號傳感頭4a和二號傳感頭4b均可采用微彎結構，微彎結構局部放大圖如圖1; 一號2 X 2禪合器3a、一號傳感頭4a、二號2 X 2禪合器3b和二號傳感頭4b通過傳輸光纖連接構成光 纖"跑道型"環形諧振腔；
[005引脈沖光源通過導入光纖與一號2 X 2禪合器3a相連，二號2 X 2禪合器3b通過導出光 纖與光電探測器7相連，光電探測器7通過示波器8與計算機9相連；
[0059] 脈沖光源的脈沖寬度為t2,脈沖時間間隔為ti，脈沖光源的光束在環形諧振腔內環 形一周的時間為Tr;脈沖光源經環形諧振腔傳輸至光電探測器，光電探測器將接收到的光 信號轉換為電信號，并將電信號顯示在示波器上，顯示的光譜為衰蕩光譜，衰蕩光譜的衰蕩 時間為T，其中，t2<Tr，tl>T。
[0060] 環形諧振腔呈矩形，矩形環形諧振腔的四個角采用圓弧過渡；禪合器和傳感頭均 設置在矩形環形諧振腔的直線段。
[0061] 在空載時（空載是指本發明在沒有受到額外壓力的狀態，即沒有車