[实用新型]啁啾光纤光栅称重传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种啁啾光纤光栅称重传感器，特别适用于行驶中车辆的称重。

技术背景

目前已有的动态车辆称重系统分为两种，一种是便携式称重仪，另一种是固定称重仪，用于高速公路管理和收费的是固定称重仪。中外文献报导的这类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于高速公路上，其工作环境恶劣，传感部分始终位于路面以下，容易浸泡在积水中。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。为解决上述问题，美国公开一份专利，专利号为4560016的“Method and Apparatus for measuring the weight of a vehicle while the vehicleis in motion”。该发明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。

光纤光栅传感器是近些年来发展起来的新型传感技术，它采用波长编码，具有测量精度高，长期工作可靠性好等优点。然而，基于法布里一珀罗滤波器的波长解调仪成本较高，这类传感系统仅适合应用于分布式多点测量的大型工程领域，而在单点或少量点测量的仪器仪表领域的应用受到限制。文献“Identical broadband chirped Grating interrogation technique for temperature and strain sensing”中，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，避免了使用法布里一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；另外文献中报道的，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，传感器与系统之间需要两根光纤连接，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，该系统采用双啁啾光纤光栅，将两个相同的啁啾光纤光栅串接在一起，采用测量光栅的反射谱的连接方式，设计了一种高速公路动态称重使用的双啁啾光纤光栅称重传感器及其解调系统。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、传输距离远、抗电磁干扰、测量精度高、长期稳定性好等优点，非常适合于高速公路的动态称重系统。

该项发明啁啾光纤光栅称重传感器采用等强度悬臂梁结构。选择两个反射谱完全相同的啁啾光纤光栅，其中一个啁啾光栅用于感应应变，粘贴在传感器的压力敏感区，称为传感光栅，另一个啁啾光栅粘贴在传感器的压力非敏感区，称为解调光栅，传感光栅和解调光栅串接后，通过光纤分路器13，分别与宽带光源14和光电转换器15连接，光电转换器15与计算机16连接，组成了压力传感。传感器由等强度梁1、螺孔2、轴承3、螺栓4、底座5、底座螺孔6、传感光栅7、解调光栅8、光纤9组成，检测时用螺丝通过螺孔2将等强度梁1固定在称重仪底座5上，等强度梁1自由端安装轴承3，轴承3通过螺栓4安装于等强度梁1的两侧。传感光栅7和解调光栅8为反射谱匹配的啁啾光纤光栅，其中传感光栅7粘贴在压力的敏感区，由于采用等强度设计，这一区域的应变均匀分布。而解调光栅8粘贴区域通过螺丝与底座固定，是压力的不敏感区域，但是考虑到应变的传递，我们将啁啾光纤光栅横向粘贴，以保证其不受应变的影响。由于等强度梁的受力端，外界压力通过轴承作用在等强度梁上，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。当有压力作用在轴承上时，轴承将纵向压力传递给等强度梁，传感光栅感测等强度梁的应变，将载荷压力转化为传感光栅反射光谱的漂移，而解调光栅反射谱不变，此时两个光栅的反射光谱包络下的面积就等于两个光栅反射光强。显然，两个光栅总反射光强度的变化ΔP正比于传感光栅光谱平移的距离Δλ，即

ΔP＝K1·Δλ    (1)

式中，K1为比例常数。传感光栅的波长改变量与等强度梁的应变相对应，进而与等强度梁所受压力成正比，由下式给出

Δλ＝K2·F    (2)

式中，K2为比例常数。将(2)式代入(1)式，得

ΔP＝K·F    (3)