强度解调型光纤啁啾光栅称重传感器.pdf

本发明提出一种对温度变化不敏感的强度解调型光纤啁啾光栅称重传感器，该传感器主要用于动态车辆称重领域。传感器采用悬臂梁结构，选择光纤啁啾光纤(7)倾斜贴在悬臂梁(1)的侧面。用螺丝通过螺孔(2)将悬臂梁(1)固定在称重底座(5)上，悬臂梁(1)自由端安装轴承(3)，轴承(3)通过螺栓(4)安装于悬臂梁(1)的自由端上，通过负载对光纤啁啾光栅的反射谱带宽的影响，可将负载重量信号转化为光纤啁啾光栅反射光功率的变化。传感器提供的信号可通过光纤远距离传输，可以广泛用于公路、桥梁等各种动态称重及计费系统。该传感器能在潮湿积水、环境温度变化大、电磁干扰强等恶劣的室外环境中长期可靠工作，而且测量精度高、制造成本和维护费用低。

1.  一种对温度变化不敏感的强度解调型光纤啁啾光栅称重传感器，其特征在于：该传感器由悬臂梁(1)、螺孔(2)、轴承(3)、螺栓(4)、底座(5)、底座螺孔(6)、光纤啁啾光栅(7)、光纤(8)组成，检测时用螺丝通过螺孔(2)将悬臂梁(1)固定在称重仪底座(5)上，悬臂梁(1)自由端安装轴承(3)，轴承(3)通过螺栓(4)安装于悬臂梁(1)的自由端上。

2.  根据权利要求1所述一种对温度变化不敏感的强度解调型光纤啁啾光栅称重传感器，其特征在于：光纤啁啾光栅(7)倾斜5-45度粘贴在悬臂梁(1)的侧面。

3.  根据权利要求1所述一种对温度变化不敏感的强度解调型光纤啁啾光栅称重传感器，其特征在于：通过测量光纤啁啾光栅(7)的反射光强变化ΔP，就可知反射谱带宽变化Δλ，而非中心波长的漂移距离，能有效的消除温度对测量结果的影响。

4.  根据权利要求1所述一种对温度变化不敏感的强度解调型光纤啁啾光栅称重传感器，其特征在于：称重系统所需的光源(13)为平坦型ASE宽带光源，输出为增益平坦的波长连续的光信号，波长范围：15474±20nm。

5.  根据权利要求1所述一种对温度变化不敏感的强度解调型光纤啁啾光栅称重传感器，其特征在于：光纤啁啾光栅称重传感器(9)通过底座上的螺孔(6)和螺丝固定在称重仪的框架上，称重台(10)上表面与路面平齐，称重传感器仅轴承与下表面接触。

强度解调型光纤啁啾光栅称重传感器
技术领域
本发明属于光纤光栅传感器领域，具体涉及一种强度解调型光纤布喇格光栅啁啾效应称重传感器，特别适用于动态车辆称重。
背景技术
目前动态称重系统广泛的应用于高速公路、矿山以及港口等载货车辆的称重系统中，为交通管理、超限超载治理以及进出口监管起到了重要的作用。实际应用中的车辆动态称重仪绝大部分是采用电类传感器，包括：电阻应变片、压电传感器、电容条、线性可变差动变压器等。由于固定称重仪都安装在室外的恶劣环境下进行工作，因此，可靠性较差、易受电磁干扰、怕潮湿、且信号不能远距离传输。动态车辆称重系统大多安装在高速公路上，称量车重的现场往往车况复杂，车辆通常会排队等候称重、付费和卸载等，车辆在称重仪上的随机启动，停止或倒车，都会带来错误的动态称重信息。因此，现有的称重传感器容易损坏，不能长期可靠工作，同时需充分考虑排水问题，所以结构复杂。曾经有人利用光纤微弯效应的原理，发明一种称重仪，该称重仪避免了电类传感器的缺点，但是，采用光纤微弯作为传感机理，它的测量精度低，可靠性差，且结构复杂。
近年来，光纤光栅传感器越来越为人们所重视。这种新型传感器的工作原理是，把被测参数的变化转换为光纤光栅工作波长的变化，通过检测光纤光栅的工作波长变化获知被测参数的大小。光纤光栅传感器除了具有其它类型光纤传感器所共有的抗干扰能力强、可靠性好、耐腐蚀、本质安全防爆、体积小、重量轻等优点之外，还具有编码方式可靠、易于复用和组网等独特优点。但是传统的利用波长测量的光纤光栅传感器测量系统造价昂贵，测量需要进行波长扫描，因此反应时间长，测量速度慢，不能用于高速测量和实时监控。R.W.Fallon等人提出利用完全相同的两个啁啾光纤光栅进行传感解调应变、温度测量系统，避免了使用法布里-珀罗滤波器的波长解调仪，降低了成本。但是，这种系统没有解决温度和应变的交叉敏感问题；另有文献中报道的，解调啁啾光纤光栅是采用透射连接方式，需要使用光纤耦合器将传感光栅反射回来的光信号输入到解调光栅中，结构复杂。
发明内容
本发明的目的就是研制出精度符合要求，可在室外恶劣环境下长期可靠工作，结构简单，且成本较低的光纤光栅称重传感器以及信号解调系统。
为了达到上述要求，本发明设计一种高速公路动态称重传感器，该系统采用光纤布喇格光栅的啁啾效应，测量光纤光栅的反射谱的方式，设计了一种高速公路动态称重使用的光纤啁啾光栅称重传感器及其调解系统。这个系统不仅解决了温度与应变的交叉敏感问题，而且具有系统结构简单、成本低、测量速度快、测量精度高、传输距离远、抗电磁干扰好等优点，非常适合于高速公路的动态称重系统。
该项发明光纤啁啾光栅称重传感器采用悬臂梁结构，将光纤光栅倾斜5-45度粘贴在悬臂梁的侧面压力敏感区，通过光纤分路器12，分别与宽带光源13和光电转换器14连接，光电转换器14与计算机15连接，组成压力传感。传感器由悬臂梁1、螺孔2、轴承3、螺栓4、底座5、底座螺孔6、光纤啁啾光栅7、光纤8组成，检测时用螺丝通过螺孔2将悬臂梁1固定在称重仪底座5上，悬臂梁1的自由端安装轴承3，轴承3通过螺栓4安装于悬臂梁1的自由端上。由于悬臂梁的受力端，外界压力通过轴承作用在悬臂梁上，这种作用只能接受纵向压力，避免横向冲击对称重结果的影响。将光纤啁啾光栅斜向粘贴到悬臂梁的侧面上，光纤光栅轴向与悬臂梁中性面的夹角为5-45度。当有压力作用在轴承上时，轴承将纵向压力传递给悬臂梁，梁弯曲时，在不同的厚度层上产生的应变呈梯度分布，此应变被传递到光纤光栅，可引起光纤光栅啁啾率的变化，表现为光纤光栅反射带宽的变化。而且梁的曲率越大，光纤光栅的啁啾率的改变越大，反射带宽的变化就越大。此时反射光谱包络下的面积就等于反射光强。在采用长度较长(大于5cm)、起始反射率较高(大于99.9％或30dB)的光纤啁啾光栅情况下，其反射率在带宽增宽和减小两种情况下的变化都很小，能维持在99％以上，因此反射率变化对总反射光强的影响可以忽略不计。在此情况下，光纤啁啾光栅的反射光强的变化ΔP正比于其反射谱带宽Δλ，即
ΔP＝K₁×Δλ
式中，K₁为比例常数。而光纤啁啾光栅由于悬臂梁弯曲导致的反射谱带宽Δλ与等悬臂梁的曲率κ成线性关系，即，
Δλ＝K₂×κ
式中，K₂为比例常数。另外，悬臂梁的弯曲曲率和自由端所受纵向压力F(即负载重量)成正比，即，
κ＝K₃×F
式中，K₃为比例常数。由上三式可知，
ΔP＝K×F
式中，K＝K₁×K₂×K₃
光纤啁啾光栅反射光信号通过光电转换器得到电压，送入计算机中分析和处理。因此，通过测量电压V的大小可间接获得悬臂梁弯曲曲率κ的信息，从而得到传感器所受的压力(或负载重量)F。其比例常数通过事先标定实验确定，计算机只需简单计算即可得到称重结果。
由于采用上述技术方案，本发明提供的动态车辆称重系统具有以下有效增益：
1.对环境温度变化不敏感：由于温度对悬臂梁各处及粘贴于其表面的光纤啁啾光栅各部分的影响是相同的，在整个梁温度一致的前提下，温度变化只能造成光纤啁啾光栅各部分反射波长的一致的移动，即只对光纤啁啾光栅的中心反射波长有影响，对带宽和反射光功率没有影响，因此该称重传感系统对外界温度变化不敏感，可在温度变化快、昼夜温差大的地区使用；
2.直接输出光强信号，只需简单的光电转换即可获得称重结果，测量速度快、解调技术成熟、设备成本低；
3.称重精确度高、重复性好：压力通过轴承传递，可有效抵消行驶汽车的水平方向冲击力对称结果的影响，以提高称重准确度和重复性；
4.可在潮湿积水、电磁干扰等恶劣环境下长期稳定工作：称重现场为全光纤器件、无任何电子元件，光源和信号接收解调部分均置放于监控室，通过光纤与传感器连接，因此不受测量现场影响。
附图说明
图1是强度解调型光纤啁啾光栅称重传感器的结构示意图；
图2是强度解调型光纤啁啾光栅称重传感器与称重台的组装图；
图3是强度解调型光纤啁啾光栅称重传感系统结构图；
图4是光纤啁啾光栅在不同带宽情况下测量得到的反射谱和透射谱，显示该光纤啁啾光栅的带宽在5-35nm范围内变化时(传感器实际工作范围远小于该波长范围)，其反射率保持在95％以上；
图中，1-悬臂梁、2-螺孔、3-轴承、4-螺栓、5-底座、6-底座螺孔、7-光纤啁啾光栅、8-光纤、9-光纤啁啾光栅称重传感器、10-称重台、11-上盖板、12-光纤分路器、13-平坦型ASE宽带光源、14-光电转换器、15-计算机。
具体实施方式
以下结合附图1、2、3、4对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明光纤啁啾光栅称重传感器结构示意图如图1所示。传感器采用悬臂梁1结构，螺丝通过螺孔2将悬臂梁1固定在传感器底座5上。悬臂梁自由端安装轴承3，轴承3通过螺栓4安装于悬臂梁1的自由端上。传感光纤光栅7倾斜5-45度粘贴在悬臂梁的侧面。由于此传感器用于车辆称重，所以悬臂梁1等部件的材料最好为杨氏模量较大的钢制材料，防止光纤啁啾光栅7因应变过大而损坏。
在使用时，光纤啁啾光栅称重传感器9通过底座上的螺孔6和螺丝固定在称重仪的框架上，传感器的安装方向与位置如图2所示。图中箭头方向即公路方向，也即车辆行驶方向。称重台10上表面与路面平齐，称重传感器仅轴承与下表面接触。通过轴承的运动可抵消行驶车辆在水平方向上的冲击力，从而改善车速对称重结果的影响。由于上盖板11本身存在一定重量，故无车辆通过称重台10时，传感器的悬臂梁1也会有微小弯曲，导致光纤啁啾光栅7的反射谱带宽比无应变作用时大，计算机处理数据时应消除上盖板11的重量对车辆称重结果的影响。
图3是光纤啁啾光栅称重传感系统的工作原理图，称重传感器9上的传感光纤光栅7通过光纤分路器12分别与宽带光源13和光电转换器14连接，宽带光源13发出的光经光纤8传输到光纤啁啾光栅7，光栅反射光信号经光纤8传输进入光电转换器14产生输出电压信号V₁，此外由光纤分路器的输出端分出另一根光纤8连接在光电转换器的另一个光电探头上，产生电压信号V₂，以监测光源输出功率变化或光源信号在传输光纤中受外界影响而导致的光强变化。计算机15读取两个光强信号，进行分析计算，通过V₂去补偿V₁，最后显示称重结果。
本发明将光纤啁啾光栅斜向粘贴到悬臂梁的侧面上，光纤啁啾光栅轴向与等强度梁中性面的夹角为5-45度。当有压力F作用在轴承上时，轴承将纵向压力传递给悬臂梁，梁弯曲时，在不同的厚度层上产生的应变呈梯度分布，此应变被传递到光纤啁啾光栅，可引起光纤光栅的啁啾率的变大，表现为光纤光栅的反射带的增宽。而且梁的曲率越大，光纤光栅的啁啾效应越强，反射带宽越宽。而饱和曝光的光纤啁啾光栅的反射率接近于1，又由平坦型ASE宽带光源发出波长连续且增益平坦的光信号，所以反射光谱包络下的面积，即反射光强的变化ΔP就与反射谱带宽Δλ成正比。光纤光栅由于啁啾效应导致的反射谱带宽Δλ与等强度梁的曲率κ成线性关系，而等强度梁自由端所有的压力F可由曲率κ得到。因此，通过光电转换器得到电压V，再由计算机数据处理便能得到压力F的大小。