基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感装置及方法，属于光纤传感和车辆动态测量领域。该装置包括脉冲光源、导入光纤、耦合器、传感头、传输光纤、导出光纤、光电探测器、示波器以及用于数据处理的计算机；耦合器包括一号耦合器和二号耦合器，传感头包括一号传感头和二号传感头；一号耦合器、一号传感头、二号传感头、二号耦合器通过传输光纤组成环形谐振腔，本发明专利技术结构简单，方法新颖，测量精度高，重复性好，并且能够同时实现车辆动态称重和速度监测，在公路交通实时监测领域具有广泛的应用前途。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光纤环形腔衰荡光谱技术和车辆动态称重及速度监测的动态测量传感装置，具体涉及一种基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感装置及方法，属于光纤传感和车辆动态测量领域；本专利技术的装置是基于光纤环形腔衰荡光谱技术、车辆动态称重技术和速度监测技术相结合的动态测量传感装置。
技术介绍
公路作为一个国家重要的经济命脉，交通运输行业的信息化目前正处于高速发展阶段。实现对机动车的自动检测和实时监测是实现交通信息化的必不可少的手段。而对于车辆的称重，传统的方法都是在静态下进行的，这种整车测量方法精度虽然很高，但是存在很大的缺陷，如价格高，不能分别测出轴重等。且公路交通正朝着高速化和信息化发展，这种耗时长、价格昂贵的传统方法将会渐渐被淘汰。压电薄膜传感器是目前一种较新的车辆综合信息采集传感器，是国内外研究应用的一个热点。压电薄膜利用压电效应(piezoelectriceffect)的原理，当汽车轮胎经过压电薄膜时，传感器受冲击产生电荷信号，通过解调冲击电荷信号，可获取车辆的速度、重量、车型等信号，也能很容易的得到车流量信息。虽然这种技术能够实现车速、车重、车流量、车型的测量，但也存在明显缺点，例如压电信号可直接传输的距离短，因此信号处理中心距离传感器不能太远，系统一致性较差，并且目前产品技术主要为进口，所用压电薄膜材料价格昂贵，不适于推广应用。光纤车辆信息传感器在交通中尚未获得实际应用，且目前研究最热的莫过于光纤布拉格光栅传感器。光纤Bragg光栅传感器的基本原理是：当光栅周围的温度、应变、应力或其他待测物理量发生变化时，将导致光栅周期或者纤芯折射率的变化，从而产生光栅Bragg信号的波长漂移Δλ，通过检测Bragg波长的漂移情况，即可获得待测物理量的变化情况。光栅Bragg传感器最显著的优势就是有相当高的灵敏度，能探测微小信号的变化。同时，又由于对微弱信号的过于敏感，从而对一些外界变化不能够明显区分，给实验设备提出了更高的要求。因此，光纤光栅传感器价格比较昂贵，离实用化和产业化还有相当长的一段距离。除此之外，近年来，基于干涉原理的光纤压力传感器也应运而生，例如：F-P(法布里珀罗)干涉、迈克尔逊干涉、马赫增得干涉等，其原理都是通过采集干涉图案从而分析得到外界信号。但是，由于基于干涉原理的传感器要求的应用环境比较苛刻，很难在室外推广和应用。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的缺点和不足，提出一种基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感装置及方法。该装置构思新颖，设计简单，成本较低，适用于公路交通车辆动态测量。为解决以上技术问题，本专利技术给出以下技术方案：一种基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感装置，其特殊之处在于：包括脉冲光源1、导入光纤2、耦合器、传感头、传输光纤5、导出光纤6、光电探测器7、示波器8以及用于数据处理的计算机9；耦合器包括一号耦合器3a和二号耦合器3b，传感头包括一号传感头4a和二号传感头4b；所述传感头包括光纤和两个缓冲板，光纤设置在两个缓冲板之间，缓冲板与光纤接触面为波纹面(即传感头可采用微弯结构的传感头)；一号耦合器3a、一号传感头4a、二号耦合器3b和二号传感头4b通过传输光纤连接构成环形谐振腔；所述脉冲光源通过导入光纤与一号耦合器3a相连，二号耦合器3b通过导出光纤与光电探测器7相连，光电探测器7通过示波器8与计算机9相连；脉冲光源的脉冲宽度为t2，脉冲时间间隔为t1，脉冲光源的光束在环形谐振腔内环形一周的时间为τr；脉冲光源经环形谐振腔传输至光电探测器，光电探测器将接收到的光信号转换为电信号，并将电信号显示在示波器上，显示的光谱为衰荡光谱，衰荡光谱的衰荡时间为τ，其中，t2＜τr，t1＞τ。环形谐振腔呈矩形，矩形环形谐振腔的四个角采用圆弧过渡；耦合器和传感头均设置在矩形环形谐振腔的直线段。一号传感头4a和二号传感头4b的位置正对。上述传感头可由特种光纤替代。上述特种光纤是D型光纤、光子晶体光纤或裸光纤。上述传输光纤采用多模熔融石英光纤或单模熔融石英光纤。环形谐振腔的长度为10m，一号传感头4a和二号传感头4b之间的距离为1m。脉冲光源的重复频率为1MHZ，脉宽为10ns。上述耦合器是2×2耦合器，耦合器的耦合比是1∶99、12∶88、0.1∶99.9或8∶92。耦合器的耦合比满足以下原则：二号耦合器输出的衰荡光谱中峰值光强越大越好，二号耦合器输出的衰荡光谱中的衰荡峰数量越多越好。利用上述传感装置进行车辆动态测量的方法，包括测量车辆重量M的步骤，具体如下：1)计算k，k的单位为kg·s1.1)获得空载时环形谐振腔输出的光强衰减到输入到环形谐振腔光强的1/e所需时间τ0空载时，脉冲光源产生的光束经由导入光纤2进入环形谐振腔，多次经过传感头，进入环形谐振腔的部分光波经导出光纤进入到光电探测器，光电探测器将光信号转化为电信号，并在示波器上显示相应的衰荡光谱，由衰荡光谱直接获得时间τ0；τ0的单位为s；1.2)选取多个已知重量的被测单元；1.3)将被测单元分别放置在本专利技术的其中一个传感头上，根据步骤1.1)的方法，分别获得各个被测单元不同的衰荡时间τn；1.4)以被测单元的重量为纵坐标，以为横坐标进行线性曲线拟合，通过拟合公式得到k；2)获得车轮经过时该压力作用下环形谐振腔输出的光强衰减到输入到环形谐振腔光强的1/e所需时间τ车轮经过时，脉冲光源产生的光束经由导入光纤2进入环形谐振腔，多次经过传感头，进入环形谐振腔的部分光波经导出光纤进入到光电探测器，光电探测器将光信号转化为电信号，并在示波器上显示相应的衰荡光谱，由衰荡光谱直接获得时间τ；τ的单位为s；3)根据如下公式，计算压过传感头的车辆的重量M：M=K(1τ-1τ0)]]>其中，M的单位为kg。在步骤1)中，被测单元采用砝码，被测单元的数量为10个；为了减小测量车辆重量M的误差，在计算k时，选取的被测单元越多越好。还包括获得车速的步骤：两个传感头之间的距离为d，车轮压过传感头时，记录车轮经过一号传感头和二号传感头所对应的时间间隔τd，通过公示获得对应的车速。本专利技术具有以下技术效果：1、本专利技术将腔衰荡技术与压力传感技术相结合，从而将功率信号的测量转化在时域上的测量，方便信号探测与处理；2、本专利技术使用全光纤结构，极大的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感装置，其特征在于：包括脉冲光源(1)、导入光纤(2)、耦合器、传感头、传输光纤(5)、导出光纤(6)、光电探测器(7)、示波器(8)以及用于数据处理的计算机(9)；耦合器包括一号耦合器(3a)和二号耦合器(3b)，传感头包括一号传感头(4a)和二号传感头(4b)；所述传感头包括光纤和两个缓冲板，光纤设置在两个缓冲板之间，缓冲板与光纤接触面为波纹面；一号耦合器(3a)、一号传感头(4a)、二号耦合器(3b)和二号传感头(4b)通过传输光纤连接构成环形谐振腔；所述脉冲光源通过导入光纤与一号耦合器(3a)相连，二号耦合器(3b)通过导出光纤与光电探测器(7)相连，光电探测器(7)通过示波器(8)与计算机(9)相连；脉冲光源的脉冲宽度为t2，脉冲时间间隔为t1，脉冲光源的光束在环形谐振腔内环形一周的时间为τr；脉冲光源经环形谐振腔传输至光电探测器，光电探测器将接收到的光信号转换为电信号，并将电信号显示在示波器上，显示的光谱为衰荡光谱，衰荡光谱的衰荡时间为τ，其中，t2＜τr，t1＞τ。

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感装置，其特征在于：
包括脉冲光源(1)、导入光纤(2)、耦合器、传感头、传输光纤(5)、导出
光纤(6)、光电探测器(7)、示波器(8)以及用于数据处理的计算机(9)；
耦合器包括一号耦合器(3a)和二号耦合器(3b)，传感头包括一号传感
头(4a)和二号传感头(4b)；
所述传感头包括光纤和两个缓冲板，光纤设置在两个缓冲板之间，缓冲
板与光纤接触面为波纹面；
一号耦合器(3a)、一号传感头(4a)、二号耦合器(3b)和二号传感头(4b)
通过传输光纤连接构成环形谐振腔；
所述脉冲光源通过导入光纤与一号耦合器(3a)相连，二号耦合器(3b)
通过导出光纤与光电探测器(7)相连，光电探测器(7)通过示波器(8)与
计算机(9)相连；
脉冲光源的脉冲宽度为t2，脉冲时间间隔为t1，脉冲光源的光束在环形谐
振腔内环形一周的时间为τr；脉冲光源经环形谐振腔传输至光电探测器，光电
探测器将接收到的光信号转换为电信号，并将电信号显示在示波器上，显示
的光谱为衰荡光谱，衰荡光谱的衰荡时间为τ，其中，t2＜τr，t1＞τ。
2.根据权利要求1所述的基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感
装置，其特征在于：环形谐振腔呈矩形，矩形环形谐振腔的四个角采用圆弧
过渡；耦合器和传感头均设置在矩形环形谐振腔的直线段。
3.根据权利要求2所述的基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感
装置，其特征在于：一号传感头(4a)和二号传感头(4b)的位置正对。
4.根据权利要求3所述的基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感
装置，其特征在于：所述传感头由特种光纤替代。
5.根据权利要求4所述的基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感
装置，其特征在于：所述特种光纤是D型光纤、光子晶体光纤或裸光纤。
6.根据权利要求5所述的基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感
装置，其特征在于：所述传输光纤采用多模熔融石英光纤或单模熔融石英光

\t纤；
所述环形谐振腔的长度为10m，一号传感头4a和二号传感头4b之间的
距离为1m；
脉冲光源的重复频率为1MHz，脉宽为10ns；所...

【专利技术属性】
技术研发人员：阮驰，王允韬，杨松林，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61