專利名稱：光纖-液壓組合式車輛動(dòng)態(tài)稱重裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種車輛動(dòng)態(tài)稱重傳感器，主要應(yīng)用于橋梁、道路上行駛車輛的重量和速度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)目前是國(guó)際科研領(lǐng)域的前沿課題，世界各國(guó)都很注重動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。自上個(gè)世紀(jì)50年代以來，發(fā)達(dá)國(guó)家就開始對(duì)汽車動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)進(jìn)行研究， 并取得了相應(yīng)的成果。從目前市場(chǎng)上已經(jīng)成功應(yīng)用的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)來看，汽車動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)根據(jù)原理主要有壓電式、電容式、秤臺(tái)式、剪切梁式和彎板式等幾種，其中以彎板式和壓電式的應(yīng)用最為廣泛。其中，壓電式動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)具有對(duì)電信號(hào)干擾很大，易于受潮，工作性能不穩(wěn)定、 結(jié)構(gòu)的耐久性較差；彎板式動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)雖然具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但采用的應(yīng)變傳感器為電阻式應(yīng)變片，容易受到電磁干擾，長(zhǎng)期使用會(huì)產(chǎn)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(qiáng)，但不能實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量，大量布置必然造成稱重系統(tǒng)的造價(jià)較高，無法廣泛推廣應(yīng)用。采用能夠?qū)崿F(xiàn)分布式測(cè)量的光纖時(shí)域反射技術(shù)和光纖微彎技術(shù)是一種較好的解決方式。分布式光纖傳感系統(tǒng)基于光時(shí)域反射(Optical Time Domain Reflectmetry)的技術(shù)原理激光光源發(fā)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(hào)會(huì)沿著光纖反射回來，利用這些反射回來的光強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變的和溫度的敏感性對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和溫度進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)利用不同位置處的反射時(shí)間的不同，實(shí)現(xiàn)分布式的測(cè)量。分布式光纖具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、精度高、成本低、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，是理想的應(yīng)變傳感材料。光纖微彎技術(shù)是利用光纖發(fā)生彎曲時(shí)，一部分光從纖芯耦合進(jìn)入包層，到達(dá)光纖端部纖芯中的光強(qiáng)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(dòng)物理量的大小成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，達(dá)到對(duì)外部擾動(dòng)物理量的測(cè)量。由于車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的車輛荷載比較復(fù)雜，外部干擾因素較多，采用單一的光纖時(shí)域反射測(cè)量系統(tǒng)或光纖微彎測(cè)量系統(tǒng)容易受到偶然因素的影響，造成測(cè)量結(jié)果不夠準(zhǔn)確。將兩種測(cè)量技術(shù)結(jié)合，可有效減少偶然因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，增加稱重系統(tǒng)的抗干擾能力。同時(shí)，兩種測(cè)量系統(tǒng)可相互校核，進(jìn)一步提高稱重的準(zhǔn)確性。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提出一種光纖-液壓組合式車輛動(dòng)態(tài)稱重傳感器，它能對(duì)橋梁、道路結(jié)構(gòu)上行駛中的車輛的重量進(jìn)行測(cè)量，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐久性好、 造價(jià)低廉、可遠(yuǎn)程監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種光纖-液壓組合式車輛動(dòng)態(tài)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(qiáng)解調(diào)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(qiáng)解調(diào)模塊。優(yōu) 選的，光纖微彎傳感器包括彈性油管、第一液壓油、第一測(cè)試光纖、底板、蓋板、 第一減振鍥塊、第二減振鍥塊；第一測(cè)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(nèi)；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(jiān)測(cè)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(yōu)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(cè)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(jīng)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(duì)設(shè)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(nèi)壁滑動(dòng)；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(nèi)壁上，第一光纖固定架和第二光纖固定架相對(duì)設(shè)置；第二測(cè)試光纖自彈性活塞圓管中引出至第二光強(qiáng)解調(diào)模塊；第二測(cè)試光纖兩端分別與第三傳輸光纖、第四傳輸光纖連接。優(yōu)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(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，采用光纖微彎原理和光纖應(yīng)變測(cè)試技術(shù)測(cè)量行駛中的車輛重量，該傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)
(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(qiáng)相同，改變了機(jī)械式結(jié)構(gòu)由于應(yīng)力分布不均勻造成的測(cè)試?yán)щy；
(3)系統(tǒng)由兩個(gè)獨(dú)立的傳感器組成，相互測(cè)試無干擾，提升的了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和可靠性；
(3)兩套獨(dú)立的傳感系統(tǒng)可以相互校核，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性；
(2)采用光纖作為敏感測(cè)試元件，耐久性好、抗電磁干擾能力強(qiáng)、造價(jià)低，同時(shí)易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)量、監(jiān)控；
(4)整套系統(tǒng)在安裝中不需要開挖路面，可實(shí)現(xiàn)無損安裝，施工簡(jiǎn)單，檢修維護(hù)方便；
(5)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易加工成便攜式測(cè)試儀器，進(jìn)一步降低測(cè)試成本。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2是本發(fā)明的光纖微彎_油管傳感器三維圖； 圖3a是本發(fā)明的光纖_液壓傳感器結(jié)構(gòu)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(fā)明的光纖液壓傳感器彈性活塞圓管結(jié)構(gòu)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(fā)明的現(xiàn)場(chǎng)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(qiáng)解調(diào)模塊6、第二光強(qiáng)解調(diào)模塊7、彈性油管1-1、第一液壓油1-2、第一測(cè)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(cè)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(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。如圖1所示，本發(fā)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(qiáng)解調(diào)模塊6、第二光強(qiáng)解調(diào)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(dá)到設(shè)計(jì)油壓后關(guān)閉液壓油泵3，將出油口鎖緊。第一光強(qiáng)解調(diào)模塊6發(fā)射激光，激光經(jīng)第一傳輸光纖1-4進(jìn)入第一測(cè)試光纖1-3，經(jīng)第二傳輸光纖1-5返回第一光強(qiáng)解調(diào)模塊6。第二光強(qiáng)解調(diào)模塊7發(fā)射激光，激光經(jīng)第三傳輸光纖2-10進(jìn)入第二測(cè)試光纖2-9，經(jīng)第四傳輸光纖2-11返回第二光強(qiáng)解調(diào)模塊7。如圖2所示，將彈性油管1-1表面清潔處理后，將測(cè)試光纖1-3螺旋纏繞并粘貼至彈性油管1-1，測(cè)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(qiáng)解調(diào)模塊6的輸出端口和輸入端口。將底板1-6安裝至測(cè)試路面上，將安裝有測(cè)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(qiáng)解調(diào)模塊6，激光經(jīng)第一傳輸光纖1-4輸入第一測(cè)試光纖1-3，經(jīng)第二傳輸光纖1-5返回第一光強(qiáng)解調(diào)模塊6。當(dāng)汽車經(jīng)過并碾壓蓋板1-7，彈性油管1-1因車輛重量作用發(fā)生變形，同時(shí)彈性油管1-1內(nèi)第一液壓油 1-2的壓強(qiáng)升高。相應(yīng)壓迫位置的第一測(cè)試光纖1-3隨著液壓油管的變形而發(fā)生微彎曲， 曲率半徑變小，一部分光從纖芯耦合進(jìn)入包層，返回第一光強(qiáng)解調(diào)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(qiáng)解調(diào)模塊光功率；
標(biāo)定常數(shù)，由現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定得到，計(jì)算得到汽車重量。汽車經(jīng)過后，彈性油管1-1恢復(fù)原來形狀，第一測(cè)試光纖1-3也隨之恢復(fù)原形。如圖3a、3b、3c所示，如上所述，在汽車經(jīng)過彈性油管1_1時(shí)，彈性油管1_1內(nèi)第一液壓油1-2的壓強(qiáng)升高。由于封閉腔內(nèi)的液體壓強(qiáng)處處相等，經(jīng)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(nèi)的第二液壓油2-2壓強(qiáng)隨之升高， 且升高值相同。第二液壓油2-2壓強(qiáng)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(fā)生受拉變形，與彈性活塞管2-6內(nèi)側(cè)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(duì)距離增加，第二測(cè)試光纖 2-9的應(yīng)變?cè)黾?，由第二光?qiáng)解調(diào)模塊7射入的激光的布里淵散亂光的頻率發(fā)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(bǔ)償光纖，由公式(2)
hC^lzhCCO+qAKd + qAT(力(2)式中h(0)-第二測(cè)試光纖布里淵散亂光的初始頻率偏移；
⑵~第二測(cè)試光纖發(fā)生應(yīng)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(yīng)變系數(shù)和溫度系數(shù)。計(jì)算得到測(cè)試光纖的應(yīng)變，進(jìn)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(cè)試光纖2-9通過第二光強(qiáng)解調(diào)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(fù)上述過程數(shù)次后，第二測(cè)試光纖2-9自彈性活塞圓管2-6 中引出至第二光強(qiáng)解調(diào)模塊7。如上所述，彈性活塞圓管2-6兩端的相對(duì)變形集中兩個(gè)圓孔間的長(zhǎng)度范圍內(nèi)；由式(3)
^i = Poi (3)式中t- 一第二測(cè)試光纖應(yīng)變； scI
而—彈性活塞圓管應(yīng)變；、
！ ~彈性活塞圓管的長(zhǎng)度； ^ -光纖固定架1和光纖固定架2孔道間距離。得第二測(cè)試光纖2-8的應(yīng)變被放大，增大光纖應(yīng)變測(cè)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(cè)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(duì)車輛到達(dá)時(shí)間、車輛速度、軸距的測(cè)試機(jī)理進(jìn)行敘述。如上所述，將系統(tǒng)安裝至測(cè)試車道上，汽車的右前輪到達(dá)第二安裝光纖微彎-液壓油管傳感器9時(shí)光功率發(fā)生損失或第二安裝光纖-液壓傳感器11中測(cè)試光纖應(yīng)變突
變的時(shí)間I右后輪經(jīng)過第二安裝光纖微彎-液壓油管傳感器9時(shí)光功率發(fā)生損失或
第二安裝光纖-液壓傳感器11中測(cè)試光纖應(yīng)變突變的時(shí)間& ,左前輪經(jīng)過達(dá)到光纖微彎-彈性油管傳感器1 8，記錄光功率發(fā)生損失或第一安裝光纖-液壓傳感器10中測(cè)試光纖應(yīng)變突變的時(shí)間4',左后輪經(jīng)過第一安裝光纖微彎-彈性油管傳感器8時(shí)光功率發(fā)
生損失或第一光纖-液壓傳感器10中測(cè)試光纖應(yīng)變突變的時(shí)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(dá)第一安裝光纖微彎-彈性油管傳感器的時(shí)間；
右前輪到達(dá)第二安裝光纖微彎-彈性油管傳感器的時(shí)間；
4一左后輪到達(dá)第一安裝光纖微彎-彈性油管傳感器的時(shí)間；
h一右后輪到達(dá)第二安裝光纖微彎-彈性油管傳感器的時(shí)間。
汽車的軸距為 d ^v-(4-2-h) (6)
或
式中d —汽車的軸距。
權(quán)利要求
1.一種光纖-液壓組合式車輛動(dòng)態(tài)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(qiáng)解調(diào)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(qiáng)解調(diào)模塊(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖-液壓組合式車輛動(dòng)態(tài)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(cè)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(cè)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(nèi)；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(jiān)測(cè)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(jù)權(quán)利要求1所述的光纖-液壓組合式車輛動(dòng)態(tài)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(cè)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(jīng)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(duì)設(shè)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(nèi)壁滑動(dòng)；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(nèi)壁上，第一光纖固定架(2-7)和第二光纖固定架(2-8)相對(duì)設(shè)置；第二測(cè)試光纖(2-9)自彈性活塞圓管2-6中引出至第二光強(qiáng)解調(diào)模塊(7);第二測(cè)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(jù)權(quán)利要求2所述的光纖-液壓組合式車輛動(dòng)態(tài)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(fā)明公開了一種光纖-液壓組合式車輛動(dòng)態(tài)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(qiáng)解調(diào)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(qiáng)解調(diào)模塊(7)。本發(fā)明提升了該裝置的穩(wěn)定性和可靠性。
文檔編號(hào)G01G19/03GK102243094SQ20111010334
公開日2011年11月16日 申請(qǐng)日期2011年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月25日
發(fā)明者丁幼亮, 周廣東, 宋永生, 李愛群 申請(qǐng)人:東南大學(xué)