基于光纤的交通和基础设施监测系统技术方案

在光学传感器系统(10、20)和交通基础设施的布置中，交通基础设施具有用于提供车辆(90)的运输元件(92)的支承的交通承载表面(51)，从而允许车辆在交通承载表面之上的移动。光学传感器系统(10、20)包括询问器(10)和布置在交通承载表面之下的、联接至询问器的至少一个光纤传感器(20)。至少一个光纤传感器(20)包括光纤(21)，光纤(21)具有在其长度之上分布的多个光学应变传感器元件(22)。多个光学应变传感器元件(22)具有相互不同的光学特性，例如，相互不同的特征波长。询问器(10)配置成将光学询问信号传送至至少一个光纤传感器中，以接收由所述光纤传感器调制的响应光学信号，并且识别由于车辆(90)的运输元件(92)在交通承载表面(51)之上穿过所述至少一个光纤传感器移动而在所述光学应变传感器元件中诱发的应变所导致的响应光学信号的光学特性的变化。其中，至少一个光纤传感器(20)在至少大致平行于交通承载表面的方向中至少大致沿直线延伸。

Optical fiber based traffic and infrastructure monitoring system

In the arrangement of optical sensor systems (10, 20) and transport infrastructure, the transport infrastructure has a traffic carrying surface (51) providing the support (92) of the transport element () of the vehicle (90), thereby allowing the vehicle to move over the carrying surface of the vehicle. An optical sensor system (10, 20) includes an interrogator (10) and at least one optical fiber sensor (20) connected to the interrogator beneath the traffic carrying surface. At least one optical fiber sensor (20) includes an optical fiber (21), and the optical fiber (21) has a plurality of optical strain sensor elements (22) distributed over its length. A plurality of optical strain sensor elements (22) have different optical characteristics, for example, different characteristic wavelengths. The interrogator (10) configured to optical interrogation signal is transmitted to the at least one optical fiber sensor, which is received by the optical fiber sensor modulation response of the optical signal, and the identification of the vehicle (90) due to the transport element (92) in the traffic on the bearing surface (51) through the at least one optical fiber sensor and mobile changes in optical properties of the optical signal in response to the strain induced in the optical strain sensor element caused by the. Among them, at least one optical fiber sensor (20) extends at least approximately along a straight line in the direction at least parallel to the traffic carrying surface.

【技术实现步骤摘要】
基于光纤的交通和基础设施监测系统
技术介绍
随着交通基础设施使用的增加，在交通管理和执行与车辆特定道路的限制有关的各种规定以及维护周期的规划的领域中引起各种挑战。为了解决这些问题，对于监测道路交通的需要不断增长。交通的监测需要从道路记录多个参数：车辆的大小和重量、车辆速度、以及每个车辆在道路中引起的变形。然而，当前的道路监测系统涉及太多单独的电子测量元件：感应环、雷达、相机和运动称重系统。具有用于每个单元以及至系统的每个部分的信号和电源连接的数据采集单元的这种配置将导致昂贵的安装。EP2372322指出，通过使用例如设计为设置在单个光纤中的光纤布拉格光栅的光学传感器，可以实现布线数量的减少。其中公开的传感器装置包括相对于车道横向地设置在车道下方的细长的支承件。支承件设置有多个测量区域，测量区域在支承件的纵向方向上由中间区域彼此隔开。测量区域在垂直于车道的方向上的轴向刚度大于中间区域在垂直于车道的方向上的轴向刚度。每个测量区域设置有至少一个传感器，以响应大致垂直于车道施加的力来测量该测量区域的变形。细长支承件由工字梁提供。当车辆穿过车道时，工字梁随后沿第一方向变形、呈现中性状态以及沿与第一方向相反的第二方向变形。在第一方向上的变形期间，工字梁的前侧上的光学传感器随后由工字梁压缩、呈现中性状态以及被拉伸。工字梁的相对侧上的光学传感器随后被拉伸、呈现中性状态以及被压缩。光学传感器例如被设计为光纤布拉格光栅。支承件可以设置有保护套筒，以保护传感器的操作不受环境影响，支承件可选地包含在具有基部和垂直侧壁的槽形壳体中。公知的传感器装置相对昂贵。保护套筒不是绝对必须的。在没有该保护套筒的情况下，工字梁的凸缘之间的空间将填充有沥青或用于构造车行道的其它材料。通常，凸缘之间的空间将仅部分地填充，并在填充到不能预测的程度。这对于通过传感器装置所获得的测量结果的可靠性和精度是不利的。另外，应注意的是，工字梁是改变待测量的物理特性的中间元件，因此，测量的特性是交通对基础设施的间接影响，而不是反映此类基础设施的真实行为。另外，工字梁的使用需要更多的空间以适当地安装，这限制了可放置在监测装置上的每线性仪表(linearmeter)的传感器的数量。此外，由于工字梁d连续的形状因子，使用工字梁可导致串扰后续传感器，从而在测量中引入误差。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供光学传感器系统和交通基础设施的改进的布置。根据本专利技术的布置在权利要求1中要求保护。在所要求保护的布置中，至少一个光纤传感器包括光纤，光纤具有在其长度上分布的多个光学应变传感器元件，多个光学应变传感器元件具有相互不同的光学特性。具体地，多个光学应变传感器元件各自具有对光学应变传感器元件经受的应变量灵敏的相应特征波长。至少一个光纤传感器设置有至少一个锚固元件，至少一个锚固元件在相互间邻的光学应变传感器元件之间围绕至少一个光纤传感器延伸。至少一个锚固元件相对于至少一个光纤传感器的纵向方向径向延伸，并且在至少一个光纤传感器与至少一个光纤传感器所嵌入的交通之间提供紧密机械联接。出人意料的是，通过使用根据本专利技术的传感器系统，提供的是对道路行为几乎没有影响的高精度测量系统，从而可以以更精确的方式对该行为建模。至少一个光纤传感器光学地联接至询问器，询问器周期性地扫描包括所有光学应变传感器元件的特征波长的波长范围中的波长。使用具有至少10nm，优选至少100纳米，例如约40nm的测量范围的询问器，在至少一个光纤传感器的纵向方向上以高空间分辨率进行测量是可能的。此外，询问器优选具有至少500Hz，优选至少2000Hz，例如1000Hz量级的记录速度。另外，询问器应当具有动态分辨率，该动态分辨率能够利用在子微微米范围内、以及优选地在0.1微微米或更好的范围内的分辨率以跟踪与光纤传感器中的每个相对应的特征波长。根据本专利技术的测量布置使得可以仅利用光学方式以高精度确定大量测量数据，诸如关于车辆速度、车辆类型、车辆负载、车辆负载不对称性等的数据。测量布置还能够监测基础设施的状况。例如，传感器的传感器元件的特征波长的系统偏差的出现可以指示基础设施的构造变形。如上所述，这种基础设施优选地是铁路或道路。至少一个光纤传感器可以是多个光纤传感器中的一个。在后文中，光纤传感器还可以表示为“传感器”，并且光学应变传感器元件还可以表示为“传感器元件”。词语交通基础设施还可以表示为“基础设施”。附图说明参考以下附图更详细地描述了这些和其它方面。在附图中：图1示意性示出了光学传感器系统和交通基础设施的布置的第一实施方式和第二实施方式；图1A示出了根据图1中的IA-IA的截面；图2更详细地示出了嵌入式光纤传感器的部分；图3示出了根据图1中的III-IIIV的穿过交通基础设施的截面；图4a示意性示出了在车辆的运输元件穿过时，单个光学应变传感器元件的时间信号模式Δλ(t)；图4b示意性示出了在时间窗口中对应于车辆穿过的单个光学应变传感器元件的时间信号模式Δλ(t)；图4c示意性示出了在所述时间窗口中单个光纤传感器中的所有光学应变传感器元件的响应；图5示出了第一实施方式的实验器具的附加细节；图6示出了在该实验器具中使用的光纤传感器的示例性反射光谱；图7a、图7b和图8示出了在执行5轴卡车通过其中的第一测量阶段中所获得的结果；图7a示出了用于图5中最左边光纤传感器的各个光学应变传感器元件的作为时间的函数的峰值偏移；图7b示出了用于图5中除最左边光纤传感器之外的一个光纤传感器的各个光学应变传感器元件的作为时间的函数的峰值偏移；图8以颜色编码的二维图示出了作为时间和横向位置的函数的、用于最左边光纤传感器的测量响应；图9a、图9b和图10a、图10b示出了在执行私人汽车通过其中的第二测量阶段中所获得的结果；图9a示出了用于图5中最左边光纤传感器的各个光学应变传感器元件的作为时间的函数的峰值偏移；图9b示出了用于图5中除最左边光纤传感器之外的一个光纤传感器的各个光学应变传感器元件的作为时间的函数的峰值偏移；图10a以颜色编码的二维图示出了作为时间和横向方向上的位置的函数的、用于图5中最左边光纤传感器的测量响应；图10b以颜色编码的二维图示出了作为时间和横向方向上的位置的函数的、用于图5中最右边光纤传感器的测量响应；图11、图12a和图12b示出了在执行自行车通过其中的第三测量阶段中所获得的结果；图11示出了用于图5中除最右边光纤传感器之外的一个光纤传感器的各个光学应变传感器元件的作为时间和横向于交通方向的方向上的距离的函数的FBG峰值偏移；图12a以颜色编码的二维图示出了作为时间和横向方向上的位置的函数的、用于图5中最左边光纤传感器的测量响应，；图12b以颜色编码的二维图示出了作为时间和横向方向上的位置的函数的、用于图5中最右边光纤传感器的测量响应；图13a、图13b和图13c示意性总结了上述测量的结果；图14示出了光学传感器系统和交通基础设施的布置的第三实施方式。具体实施方式图1示意性示出了光学传感器系统10、20和交通基础设施50的布置1。交通基础设施50具有交通承载表面51，交通承载表面51用于为车辆90的运输元件92提供支承，从而允许车辆在交通承载表面51上的运动。在示例中，所示出的交通基础设施是双车道道路，但是可以设想替本文档来自技高网...

【技术保护点】
交通基础设施(50)和光学传感器系统(10、20)的布置，所述交通基础设施具有交通承载表面(51)，所述交通承载表面(51)支承车辆(90)的运输元件(92)，从而允许所述车辆在所述交通承载表面上运动，所述光学传感器系统(10、20)包括询问器(10)和至少一个光纤传感器(20)，所述至少一个光纤传感器(20)联接至所述询问器，并且所述至少一个光纤传感器(20)布置在所述交通承载表面之下，所述至少一个光纤传感器(20)包括光纤(21)，所述光纤(21)具有分布在其长度之上的多个光学应变传感器元件(22)，所述多个光学应变传感器元件(22)具有相互不同的光学特性，所述询问器(10)配置成将光学询问信号发送到所述至少一个光纤传感器中，接收已经由所述光纤传感器基于其光学特性调制的响应光学信号，并识别由所述光学应变传感器元件中的应变所导致的所述响应光学信号的所述光学特性的变化，所述光学应变传感器元件中的应变是由于车辆(90)的运输元件(92)在所述交通承载表面(51)之上穿过所述至少一个光纤传感器运动而诱发的，其中，所述至少一个光纤传感器(20)在至少大致平行于所述交通承载表面的方向上至少大致沿直线延伸。...

【技术特征摘要】
2016.05.09 NL 20167441.交通基础设施(50)和光学传感器系统(10、20)的布置，所述交通基础设施具有交通承载表面(51)，所述交通承载表面(51)支承车辆(90)的运输元件(92)，从而允许所述车辆在所述交通承载表面上运动，所述光学传感器系统(10、20)包括询问器(10)和至少一个光纤传感器(20)，所述至少一个光纤传感器(20)联接至所述询问器，并且所述至少一个光纤传感器(20)布置在所述交通承载表面之下，所述至少一个光纤传感器(20)包括光纤(21)，所述光纤(21)具有分布在其长度之上的多个光学应变传感器元件(22)，所述多个光学应变传感器元件(22)具有相互不同的光学特性，所述询问器(10)配置成将光学询问信号发送到所述至少一个光纤传感器中，接收已经由所述光纤传感器基于其光学特性调制的响应光学信号，并识别由所述光学应变传感器元件中的应变所导致的所述响应光学信号的所述光学特性的变化，所述光学应变传感器元件中的应变是由于车辆(90)的运输元件(92)在所述交通承载表面(51)之上穿过所述至少一个光纤传感器运动而诱发的，其中，所述至少一个光纤传感器(20)在至少大致平行于所述交通承载表面的方向上至少大致沿直线延伸。2.根据权利要求1所述的布置，其中，所述至少一个光纤传感器(20)设置有至少一个锚固元件(25)，所述至少一个锚固元件(25)在相互间邻的光学应变传感器元件(22)之间围绕所述至少一个光纤传感器延伸，所述至少一个锚固元件(25)具有在横向于所述至少一个光纤传感器(20)的纵向方向的平面中的圆周，所述锚固元件(25)的所述圆周为在横向于所述纵向方向的平面中位于光学应变传感器元件的位置处的、所述光纤传感器的圆周的至少1.5倍。3.根据权利要求2所述的布置，其中，所述至少一个锚固元件(25)的所述圆周在所述光纤传感器的所述圆周的10倍至50倍的范围内。4.根据权利要求2或3所述的布置，其中，所述至少一个锚固元件(25)的长度在所述相互间邻的光学应变传感器元件(22)之间的距离的0.1倍至0.7倍的范围内。5.根据权利要求2、3或4所述的布置，其中，所述至少一个锚固元件(25)设置有切向延伸凹槽(251)。6.根据前述权利要求中的任一项所述的布置，其中，所述光纤(21)设置有防滑涂层(24)。7.根据权利要求6所述的布置，其中，所述防滑涂层(24)由玻璃纤维增强聚合物(GFRP)制成。8.根据权利要求6或7所述的布置，还包括布置在所述光纤(21)与所述防滑涂层(24)之间的中间层(23)。9.根据权利要求8所述的布置，其中，所述中间层(23)由聚酰亚胺制成。10.根据前述权利要求中的任一项所述的布置，其中，所述至少一个光纤传感器(20)布置在横向于所述交通基础设施(50)的纵向方向的方向上。11.根据权利要求10所述的布置，其中，所述交通基础设施是道路。12.根据权利要求1至10中任一项所述的布置，其中，所述至少一个光纤传感器(20)布置在沿着所述交通基础设施(50)的方向的纵向方向上。13.根据权利要求12所述的布置，其中，所述交通基础设施是铁路轨道。14.根据权利要求13所述的布置，其中，所述布置位于所述铁路轨道的顶表面下方并附接至所述铁路轨道。15.根据前述权利要求中的任一项所述的布置，其中，所述询问器配置成获取指示所述响应光学信号的时间模式的形状的一组信号特征。16.根据权利要求15所述的布置，其中，所述询问器配置成通过使用使所述运输元件的性质和/或其动力学状态与所述时间模式的形状相关联的模型来获得所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：德夫雷兹·穆罕默德·卡拉巴卡克，约翰尼斯·玛丽亚·辛格，日尔曼·恩里克·克诺珀斯，
申请(专利权)人：辉固科技有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰,NL