啁啾光纤光栅称重传感器制造技术

本实用新型专利技术提出一种啁啾光纤光栅称重传感器，该传感器主要用于行驶过程中车辆称重。传感器采用等强度悬臂梁结构，选择反射谱波长匹配的啁啾光栅分别作为传感光栅７和解调光栅８，将两个啁啾光纤光栅串接在一起。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。传感器提供的信号可远距离传输，并广泛用于公路、桥梁等各种动态称重及计费系统。该传感器能在潮湿积水、电磁干扰等恶劣的室外环境下长期可靠工作，测量精度高，成本低。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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，专禾U号为4560016的"Method and Apparatus for measuring the weight of a vehicle while the vehicle isinmotion"。该专利技术利用光纤微弯效应的原理，专利技术一种称重仪，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帝!l。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X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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。该项专利技术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l、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 的两側。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^正比于传感光栅光谱平移 的距离A、AP-A.M (1) 式中，^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<formula>formula see original document page 5</formula> (2) 式中，&为比例常数。将(2)式代入(1)式，得<formula>formula see original document page 5</formula> (3)式中<formula>formula see original document page 5</formula>光纤光栅反射光信号通过光电管转化为电压，送入计算机中分析和处理。那么电压V与 传感器载荷F也成线性关系，其比例常数可事先通过标定试验确定。因此，计算机只要通过 简单计算即可得到称重结果。由于采用上述技术方案，本专利技术提供的动态车辆称重系统具有以下有益效果-1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重结果的影响，以提 高称重准确度。2称重现场无电子元件，传感器可在潮湿积水、电磁干扰等恶劣环境下长期可靠工作。 3该传感器集"传感"和"解调"功能于一体，直接输出光强信号，对后端设备要求低。 4信号测量精度高，重复性好。附图说明图1是啁啾光纤光栅称重传感系统工作原理图图2是啁啾光纤光栅反射谱图图3是啁啾光纤光栅称重传感器结构示意图图4是啁啾光纤光栅称重传感器与称重台的组装图图5是啁啾光纤光栅布设方案1图6是啁啾光纤光栅布设方案2图7是啁啾光纤光栅布设方案3图中，l一等强度梁、2--螺孔、3—轴承、4一螺栓、5—底座、6—底座螺孔、7—传感光 栅l、 8—解调光栅，9—光纤、IO—啁啾光纤光栅称重传感器、ll一称重台、12—上盖板、 13—光纤分路器、14一宽带光源、15—光电转换器、16—计算机、17—传感光栅具体实施方式以下结合附图l、 2、 3、 4、 5、 6、 7对本专利技术的技术方案作进一歩描述。本专利技术啁啾光纤光栅称重传感器结构示意图如图3所示，传感器采用等强度梁1结构。 螺丝通过螺孔2将等强度梁1固定在传感器底座5上。等强度梁自由端安装轴承3，轴承3 通过螺栓4安装于等强度梁两侧。传感光栅7,解调光栅8串接粘贴于等强度梁表面。两啁 啾光纤光栅的具体布设可有三种方式。在使用时，啁啾光纤光栅称重传感器10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4所示。图中箭头方向即公路方向，也即车辆行驶方向。 称重台11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。图1是啁啾光纤光栅称重传感系统的工作原理图，啁啾光纤光栅称重传感器10上固定的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种啁啾光纤光栅称重传感器，其特征在于：该传感器由等强度梁（１）、螺孔（２）、滑轮（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）串接在一起，粘贴在等强度梁（１）上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：姜德生，张东生，李微，范典，李维来，王立新，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：实用新型
国别省市：83[中国|武汉]