CN100516787C - 梁式光纤光栅动态称重系统 - Google Patents

Abstract

一种梁式光纤光栅动态称重系统，主要由梁式光纤光栅称重结构和动态数据检测结构组成，梁式光纤光栅称重结构主要包括框架式基座1、承重面板2和应变梁3，承重面板2下设置有应变梁3，应变梁3两端固定在框架式基座1上，左传感器组和右传感器组附着在应变梁3上；动态数据检测结构主要包括光源4、第一个光电转换模块5、第二个光电转换模块6、数据采集模块10、数据处理模块11、第一个分路器7、第二个分路器8和第三个分路器9。本发明的目的是利用梁式结构提供一种结构简明、抗干扰能力强、长期稳定性好的动态称重结构。

Description

梁式光纤光栅动态称重系统

技术领域

本发明涉及计量技术领域，属于物理称重技术，特别是一种用于动态车辆轴载荷测量的结构。

背景技术

传统的动态轴重仪结构主要有称台式，跷板称和弯板式等，其中在国内应用最广泛的是称台式。称台式称重结构是由承重面板及其分布在四个角支点处安装的应变传感器组成，车辆经过承重面板时压迫传感器产生应变，各测量的传感器应变值相加后经数据处理计算车辆的轴重。这种结构中，传感器和承重面板之间的机械结构复杂、耦合效率不稳定，这些都会直接影响到系统的测量准确度，所以该方法对传感器结构的设计制造和施工安装都提出较高的要求。车辆经过承重面板时，传感器受到的冲击大，受车辆振动干扰严重，而且这种振动幅度较大，能达到车辆静态载荷的5％～30％，严重影响测量准确度，车辆的振动频率较低，也很难在后期的数据处理中滤除。在这种称重结构中各传感器间的机械结构彼此独立，承重面板受力位置，即车辆经过承重面板的位置也会影响测量结果。另外，在传统称重系统中基本使用电类传感器，如：电阻应变片等，在计重收费站现场使用时受到车辆等电、磁干扰严重，对防水防潮的要求高。

本发明所提出的称重结构不同于以往的现有技术，将梁式结构应用与汽车动态称重技术中，采用光纤布拉格光栅作为传感器并配合与之相应的检测模块。

发明内容

本发明的目的是利用梁式结构提供一种结构简明、抗干扰能力强、长期稳定性好的动态称重结构。本发明利用应变梁和应变传感器组成称重结构，当车辆通过承重面板时，车轴载荷通过承重面板直接作用在应变梁上，应变梁产生应变。假设应变传感器所附着位置的应变大小分别为σ₁、σ₂，则应变梁相应的受力大小为F，有： $F=\frac{K}{L}({\mathrm{\σ}}_1+{\mathrm{\σ}}_2),$ 其中K为应变梁的抗弯曲模量，L为应变点距离应变梁固定点的距离。可见该应变的大小和受力大小F正比与应变梁的抗弯曲模量K成反比，而与力的作用点无关，即和车辆通过承重面板的位置无关。

本发明的目的按下述方案实现：一种梁式光纤光栅动态称重系统，其特征在于它主要由梁式光纤光栅称重结构和动态数据检测结构组成，梁式光纤光栅称重结构主要包括框架式基座1、承重面板2和应变梁3，承重面板2下设置有应变梁3，应变梁3两端固定在框架式基座1上，左传感器组和右传感器组附着在应变梁3上；动态数据检测结构主要包括光源4、第一个光电转换模块5、第二个光电转换模块6、数据采集模块10、数据处理模块11、第一个分路器7、第二个分路器8和第三个分路器9，左传感器组通过光纤和动态数据检测结构中的第三个分路器9连接，第三个分路器9的出口端和第二个光电转换模块6连接，右传感器组通过光纤和动态数据检测结构中的第一个分路器7连接，第一个分路器7的出口端和第一个光电转换模块5连接，光源3和第二个分路器8连接，第二个分路器8的一个输出端和第一个分路器7连接，第二个分路器8的另一个输出端和第三个分路器9连接，第一个光电转换模块5和第二个光电转换模块6的输出端都和数据采集模块10连接，数据采集模块10和数据处理模块11连接。

如前所述的梁式光纤光栅动态称重系统，其特征在于所述左传感器组和右传感器组为光纤光栅传感器。其中右传感器组由第二个光纤光栅压缩应变传感器15，第二个光纤光栅拉伸应变传感器16和第二个匹配光纤光栅17组成，左传感器组由第一个光纤光栅压缩应变传感器12，第一个光纤光栅拉伸应变传感器13和第一个匹配光纤光栅14组成。

如前所述的梁式光纤光栅动态称重系统，其特征在于所述第二个光纤光栅压缩应变传感器15附着在应变梁3的上表面，方向和应变梁3的轴向平行，第二个光纤光栅拉伸应变传感器16附着在应变梁3的下表面，方向和应变梁3的轴向平行，第二个匹配光纤光栅17附着在应变梁3的侧表面，方向和应变梁3的轴向垂直。

如前所述的梁式光纤光栅动态称重系统，其特征在于所述第一个光纤光栅压缩应变传感器12附着在应变梁3的上表面，方向和应变梁3的轴向平行，第一个光纤光栅拉伸应变传感器13附着在应变梁3的下表面，方向和应变梁3的轴向平行，第一个匹配光纤光栅14附着在应变梁3的侧表面，方向和应变梁3的轴向垂直。

如前所述的本发明的原理和结构可知，本发明利用应变梁和应变传感器组成称重结构，当车辆通过承重面板时，车轴载荷通过承重面板直接作用在应变梁上，应变梁产生应变。该应变的大小和受力大小F正比与应变梁的抗弯曲模量K成反比，而与力的作用点无关，即和车辆通过承重面板的位置无关。应变梁和承重面板间可采用简单、稳定的结构连接，抗冲击能力强。当传感器和应变梁连接稳定后，其灵敏度和耦合效率即不会改变，重复性好。

本发明的传感器组利用两个测量应变的光栅和一个匹配光栅组成一个三光栅的应变测量结构，三个光栅串接后通过一个3dB光耦合器接入光电转换模块。光电转换模块测量的是三个光栅反射谱叠加的光强值，即光电转换模块输出的模拟电压值和反射光强成正比。当应变梁无应变时，三个光栅的布拉格中心波长相等，反射谱重合，此时的反射的光强最小。由于两个光纤光栅应变传感器分别焊接在应变梁的上表面和下表面，当应变梁有应变时，一个光纤光栅应变传感器产生压缩应变，另一个光纤光栅应变传感器产生拉伸应变。根据光栅的传感原理，压缩应变使光栅的中心波长向短波长方向移动，拉伸应变使光栅的中心波长向长波长方向移动。而此时的匹配光栅处于自由态，梁的应变对其不产生影响，匹配光栅的中心波长不变。所以当应变梁有应变时，三光栅的反射谱会变宽，反射的光强会增大，且增大的幅度和应变的大小成比例。

本发明的检测模块不用测量波长，而是通过新颖的结构使反射光强直接和被测物理量相关，光电转换模块输出和光强成正比的模拟电压信号，通过数据处理模块计算应变值。此结构大大简化了测量系统，降低了测量系统成本，而且动态性能好，能测量到高速变化的应变或应变的瞬态变化量。由于本发明采用的应变传感器是光纤光栅应变传感器，属于光类传感器，不受电、磁干扰，本质防水、防潮，长期可靠性好。

附图说明

图1.梁式三光栅动态称重系统结构图

图2.梁式动态称重结构俯视图

1-框架式基座、2-承重面板、3-应变梁、4-光源、5-第一个光电转换模块、6-第二个光电转换模块、7-第一个分路器、8-第二个分路器、9-第三个分路器、10-数据采集模块、11-数据处理模块、12-第一个光纤光栅压缩应变传感器、13-第一个光纤光栅拉伸应变传感器、14-第一个匹配光纤光栅、15-第二个光纤光栅压缩应变传感器、16-第二个光纤光栅拉伸应变传感器、17-第二个匹配光纤光栅

具体实施方式

如图1、2所示，本发明包括梁式光纤光栅称重结构和动态数据检测结构，梁式光纤光栅称重结构主要包括框架式基座1、承重面板2和应变梁3，承重面板2下设置有应变梁3，应变梁3两端固定在框架式基座1上，左传感器组和右传感器组附着在应变梁3上；左传感器组和右传感器组为光纤光栅传感器。其中右传感器组由第二个光纤光栅压缩应变传感器15，第二个光纤光栅拉伸应变传感器16和第二个匹配光纤光栅17组成，左传感器组由第一个光纤光栅压缩应变传感器12，第一个光纤光栅拉伸应变传感器13和第一个匹配光纤光栅14组成。

如图1所示，动态数据检测结构主要包括光源4、第一个光电转换模块5、第二个光电转换模块6、数据采集模块10、数据处理模块11、第一个分路器7、第二个分路器8和第三个分路器9，左传感器组通过光纤和动态数据检测结构中的第三个分路器9连接，第三个分路器9的出口端和第二个光电转换模块6连接，右传感器组通过光纤和动态数据检测结构中的第一个分路器7连接，第一个分路器7的出口端和第一个光电转换模块5连接，光源3和第二个分路器8连接，第二个分路器8的一个输出端和第一个分路器7连接，第二个分路器8的另一个输出端和第三个分路器9连接，第一个光电转换模块5和第二个光电转换模块6的输出端都和数据采集模块10连接，数据采集模块10和数据处理模块11连接。

如前所述的梁式光纤光栅动态称重系统，其特征在于所述第二个光纤光栅压缩应变传感器15附着在应变梁3的上表面，方向和应变梁3的轴向平行，第二个光纤光栅拉伸应变传感器16附着在应变梁3的下表面，方向和应变梁3的轴向平行，第二个匹配光纤光栅17附着在应变梁3的侧表面，方向和应变梁3的轴向垂直。

如前所述的梁式光纤光栅动态称重系统，其特征在于所述第一个光纤光栅压缩应变传感器12附着在应变梁3的上表面，方向和应变梁3的轴向平行，第一个光纤光栅拉伸应变传感器13附着在应变梁3的下表面，方向和应变梁3的轴向平行，第一个匹配光纤光栅14附着在应变梁3的侧表面，方向和应变梁3的轴向垂直。

Claims (2)

1、一种梁式光纤光栅动态称重系统，其特征在于它主要由梁式光纤光栅称重结构和动态数据检测结构组成，梁式光纤光栅称重结构主要包括框架式基座(1)、承重面板(2)和应变梁(3)，承重面板(2)下设置有应变梁(3)，应变梁(3)两端固定在框架式基座(1)上，左传感器组和右传感器组附着在应变梁(3)上；动态数据检测结构主要包括光源(4)、第一个光电转换模块(5)、第二个光电转换模块(6)、数据采集模块(10)、数据处理模块(11)、第一个分路器连接、第二个分路器(8)和第三个分路器(9)，左传感器组通过光纤和动态数据检测结构中的第三个分路器(9)连接，第三个分路器(9)的出口端和第二个光电转换模块(6)连接，右传感器组通过光纤和动态数据检测结构中的第一个分路器(7)连接，第一个分路器(7)的出口端和第一个光电转换模块(5)连接，光源(3)和第二个分路器(8)连接，第二个分路器(8)的一个输出端和第一个分路器(7)连接，第二个分路器(8)的另一个输出端和第三个分路器(9)连接，第一个光电转换模块(5)和第二个光电转换模块(6)的输出端都和数据采集模块(10)连接，数据采集模块(10)和数据处理模块(11)连接。

2、如权利要求1所述的梁式光纤光栅动态称重系统，其特征在于所述左传感器组和右传感器组为光纤光栅传感器。

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