基于光纖環(huán)形腔衰蕩技術(shù)的車輛動態(tài)測量傳感裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型設(shè)及一種光纖環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)和車輛動態(tài)稱重及速度監(jiān)測的動 態(tài)測量傳感裝置，具體設(shè)及一種基于光纖環(huán)形腔衰蕩技術(shù)的車輛動態(tài)測量傳感裝置及方 法，屬于光纖傳感和車輛動態(tài)測量領(lǐng)域;本實用新型的裝置是基于光纖環(huán)形腔衰蕩光譜技 術(shù)、車輛動態(tài)稱重技術(shù)和速度監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合的動態(tài)測量傳感裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 公路作為一個國家重要的經(jīng)濟命脈，交通運輸行業(yè)的信息化目前正處于高速發(fā)展 階段。實現(xiàn)對機動車的自動檢測和實時監(jiān)測是實現(xiàn)交通信息化的必不可少的手段。而對于 車輛的稱重，傳統(tǒng)的方法都是在靜態(tài)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(fā)展，運 種耗時長、價格昂貴的傳統(tǒng)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(nèi)外研究應(yīng)用 的一個熱點。壓電薄膜利用壓電效應(yīng)(piezoelectric effect)的原理，當汽車輪胎經(jīng)過壓 電薄膜時，傳感器受沖擊產(chǎn)生電荷信號，通過解調(diào)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(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)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?shù)木嚯x短，因此信號處理中屯、距離 傳感器不能太遠，系統(tǒng)一致性較差，并且目前產(chǎn)品技術(shù)主要為進口，所用壓電薄膜材料價格 昂貴，不適于推廣應(yīng)用。
[0004] 光纖車輛信息傳感器在交通中尚未獲得實際應(yīng)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(yīng)變、應(yīng)力或 其他待測物理量發(fā)生變化時，將導(dǎo)致光柵周期或者纖忍折射率的變化，從而產(chǎn)生光柵化agg 信號的波長漂移A λ，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(yōu)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(qū)分，給實驗設(shè)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(chǎn)業(yè)化還有相當長的一段距離。
[0005] 除此之外，近年來，基于干設(shè)原理的光纖壓力傳感器也應(yīng)運而生，例如:F-P(法布 里巧羅)干設(shè)、邁克爾遜干設(shè)、馬赫增得干設(shè)等，其原理都是通過采集干設(shè)圖案從而分析得 到外界信號。但是，由于基于干設(shè)原理的傳感器要求的應(yīng)用環(huán)境比較苛刻，很難在室外推廣 和應(yīng)用。 【實用新型內(nèi)容】
[0006] 本實用新型針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點和不足，提出一種基于光纖環(huán)形腔衰蕩技術(shù) 的車輛動態(tài)測量傳感裝置及方法。該裝置構(gòu)思新穎，設(shè)計簡單，成本較低，適用于公路交通 車輛動態(tài)測量。
[0007] 為解決W上技術(shù)問題，本實用新型給出W下技術(shù)方案：
[0008] -種基于光纖環(huán)形腔衰蕩技術(shù)的車輛動態(tài)測量傳感裝置，其特殊之處在于:包括 脈沖光源1、導(dǎo)入光纖2、禪合器、傳感頭、傳輸光纖5、導(dǎo)出光纖6、光電探測器7、示波器8W及 用于數(shù)據(jù)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(shè)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(jié)構(gòu)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(gòu)成環(huán)形諧振腔；
[0012] 所述脈沖光源通過導(dǎo)入光纖與一號禪合器3a相連，二號禪合器3b通過導(dǎo)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(huán)形諧振腔內(nèi)環(huán) 形一周的時間為Tr;脈沖光源經(jīng)環(huán)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(zhuǎn)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τ，其中，t2<Tr，tl>T。
[0014] 環(huán)形諧振腔呈矩形，矩形環(huán)形諧振腔的四個角采用圓弧過渡；禪合器和傳感頭均 設(shè)置在矩形環(huán)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(huán)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(fù)頻率為1MHZ，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(shù)量越多越好。
[0024] 利用上述傳感裝置進行車輛動態(tài)測量的方法，包括測量車輛重量Μ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(huán)形諧振腔輸出的光強衰減到輸入到環(huán)形諧振腔光強的1/e所需 時間τ〇
[0027] 空載時，脈沖光源產(chǎn)生的光束經(jīng)由導(dǎo)入光纖2進入環(huán)形諧振腔，多次經(jīng)過傳感頭， 進入環(huán)形諧振腔的部分光波經(jīng)導(dǎo)出光纖進入到光電探測器，光電探測器將光信號轉(zhuǎn)化為電 信號，并在示波器上顯示相應(yīng)的衰蕩光譜，由衰蕩光譜直接獲得時間τ〇;τ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實用新型的其中一個傳感頭上，根據(jù)步驟1.1)的方 法，分別獲得各個被測單元不同的衰蕩時間τη;
[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 了詩 合公式得到k;
[0031] 2)獲得車輪經(jīng)過時該壓力作用下環(huán)形諧振腔輸出的光強衰減到輸入到環(huán)形諧振 腔光強的1/e所需時間τ
[0032] 車輪經(jīng)過時，脈沖光源產(chǎn)生的光束經(jīng)由導(dǎo)入光纖2進入環(huán)形諧振腔，多次經(jīng)過傳感 頭，進入環(huán)形諧振腔的部分光波經(jīng)導(dǎo)出光纖進入到光電探測器，光電探測器將光信號轉(zhuǎn)化 為電信號，并在示波器上顯示相應(yīng)的衰蕩光譜，由衰蕩光譜直接獲得時間τ ; τ的單位為S ;
[0033] 3)根據(jù)如下公式，計算壓過傳感頭的車輛的重量Μ:
[0034]
[0035] 其中，Μ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(shù)量為10個;為了減小測量車輛重量 Μ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(jīng)過一號傳感頭和二號傳感頭所對應(yīng)的時間間隔 Td，通過公示= 獲得對應(yīng)的車速。 樂?
[0040] 本實用新型具有W下技術(shù)效果：
[0041] 1、本實用新型將腔衰蕩技術(shù)與壓力傳感技術(shù)相結(jié)合，從而將功率信號的測量轉(zhuǎn)化 在時域上的測量，方便信號探測與處理；
[0042] 2、本實用新型使用全光纖結(jié)構(gòu)，極大的減小了傳統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)帶來的損耗；
[0043] 3、本實用新型利用光纖環(huán)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(tǒng)的監(jiān)測靈敏度，適合微弱信號的測量；
[0044] 4、本實用新型采用"跑道型"環(huán)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、本實用新型傳感頭采用微彎結(jié)構(gòu)，對于解釋光束在多模光纖中傳輸對外界壓力 的響應(yīng)具有較強的理論依據(jù)；
[0046] 6、本實用新型將壓力監(jiān)測系統(tǒng)同速度檢測系統(tǒng)融為一體，實現(xiàn)了速度和車重的實 時測量；
[0047] 7、本實用新型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(wěn)定而受影響；
[004引8、本實用新型具有很強的靈活性，根據(jù)不同被測物理量，可采用不同的傳感頭，實 現(xiàn)不同物理量的測量；
[0049] 9、該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定，成本低廉；
[0050] 10、本實用新型能夠?qū)崿F(xiàn)車輛動態(tài)監(jiān)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為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0052] 圖2為本實用新型中環(huán)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為本實用新型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(chǎn)生的壓強；
[0054] 圖4為本實用新型中不同重量破碼對應(yīng)的衰蕩時間線性擬合曲線示意圖；
[0055] 圖5為本實用新型中脈沖光源示意圖。
[0056] 附圖標記：1為脈沖光源，2為導(dǎo)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(dǎo)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，本實用新型提供了一種基于光纖環(huán)形腔衰蕩技術(shù)的車輛動態(tài)測量傳感裝 置，該裝置主要由脈沖光源1、導(dǎo)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(dǎo)出光纖6、光電探測器7、示波器8W及用于數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)，微彎結(jié)構(gòu)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(gòu)成光纖"跑道型"環(huán)形諧振腔；