[實用新型]啁啾光纖光柵稱重傳感器

無效

• 申請號: 200720084374.1
• 申請日: 2007-04-27
• 公開（公告）號: CN201037786Y
• 公開（公告）日: 2008-03-19
• 發明（設計）人: 姜德生;張東生;李微;范典;李維來;王立新
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: G01G19/03
• 分類號: G01G19/03
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司
• 代理人: 王玉華

技術領域

本發明涉及一種啁啾光纖光柵稱重傳感器，特別適用于行駛中車輛的稱重。

技術背景

目前已有的動態車輛稱重系統分為兩種，一種是便攜式稱重儀，另一種是固定稱重儀，用于高速公路管理和收費的是固定稱重儀。中外文獻報導的這類稱重儀絕大部分是采用電類傳感器，包括：電阻應變片、壓電傳感器、電容條、線性可變差動變壓器等。由于固定稱重儀都安裝在室外的惡劣環境下進行工作，因此，可靠性較差、易受電磁干擾、怕潮濕、且信號不能遠距離傳輸。動態車輛稱重系統大多安裝于高速公路上，其工作環境惡劣，傳感部分始終位于路面以下，容易浸泡在積水中。因此，現有的稱重傳感器容易損壞，不能長期可靠工作，同時需充分考慮排水問題，所以結構復雜。為解決上述問題，美國公開一份專利，專利號為4560016的“Method?and?Apparatus?for?measuring?the?weight?of?a?vehicle?while?the?vehicleis?in?motion”。該發明利用光纖微彎效應的原理，發明一種稱重儀，該稱重儀避免了電類傳感器的缺點，但是，采用光纖微彎作為傳感機理，它的測量精度低、可靠性差、且結構復雜。

光纖光柵傳感器是近些年來發展起來的新型傳感技術，它采用波長編碼，具有測量精度高，長期工作可靠性好等優點。然而，基于法布里一珀羅濾波器的波長解調儀成本較高，這類傳感系統僅適合應用于分布式多點測量的大型工程領域，而在單點或少量點測量的儀器儀表領域的應用受到限制。文獻“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兩個啁啾光纖光柵進行傳感解調應變、溫度測量系統，避免了使用法布里一珀羅濾波器的波長解調儀，降低了成本。但是，這種系統沒有解決溫度和應變的交叉敏感問題；另外文獻中報道的，解調啁啾光纖光柵是采用透射連接方式，需要使用光纖耦合器將傳感光柵反射回來的光信號輸入到解調光柵中，傳感器與系統之間需要兩根光纖連接，結構復雜。

發明內容

本發明的目的就是研制出精度符合要求，可在室外惡劣環境下長期可靠工作，結構簡單，且成本較低的光纖光柵稱重傳感器以及信號解調系統。

為了達到上述要求，本發明設計一種高速公路動態稱重傳感器，該系統采用雙啁啾光纖光柵，將兩個相同的啁啾光纖光柵串接在一起，采用測量光柵的反射譜的連接方式，設計了一種高速公路動態稱重使用的雙啁啾光纖光柵稱重傳感器及其解調系統。這個系統不僅解決了溫度與應變的交叉敏感問題，而且具有系統結構簡單、成本低、傳輸距離遠、抗電磁干擾、測量精度高、長期穩定性好等優點，非常適合于高速公路的動態稱重系統。

該項發明啁啾光纖光柵稱重傳感器采用等強度懸臂梁結構。選擇兩個反射譜完全相同的啁啾光纖光柵，其中一個啁啾光柵用于感應應變，粘貼在傳感器的壓力敏感區，稱為傳感光柵，另一個啁啾光柵粘貼在傳感器的壓力非敏感區，稱為解調光柵，傳感光柵和解調光柵串接后，通過光纖分路器13，分別與寬帶光源14和光電轉換器15連接，光電轉換器15與計算機16連接，組成了壓力傳感。傳感器由等強度梁1、螺孔2、軸承3、螺栓4、底座5、底座螺孔6、傳感光柵7、解調光柵8、光纖9組成，檢測時用螺絲通過螺孔2將等強度梁1固定在稱重儀底座5上，等強度梁1自由端安裝軸承3，軸承3通過螺栓4安裝于等強度梁1的兩側。傳感光柵7和解調光柵8為反射譜匹配的啁啾光纖光柵，其中傳感光柵7粘貼在壓力的敏感區，由于采用等強度設計，這一區域的應變均勻分布。而解調光柵8粘貼區域通過螺絲與底座固定，是壓力的不敏感區域，但是考慮到應變的傳遞，我們將啁啾光纖光柵橫向粘貼，以保證其不受應變的影響。由于等強度梁的受力端，外界壓力通過軸承作用在等強度梁上，這種作用只能接受縱向壓力，避免橫向沖擊對稱重結果的影響。當有壓力作用在軸承上時，軸承將縱向壓力傳遞給等強度梁，傳感光柵感測等強度梁的應變，將載荷壓力轉化為傳感光柵反射光譜的漂移，而解調光柵反射譜不變，此時兩個光柵的反射光譜包絡下的面積就等于兩個光柵反射光強。顯然，兩個光柵總反射光強度的變化ΔP正比于傳感光柵光譜平移的距離Δλ，即

ΔP＝K1·Δλ????(1)

式中，K1為比例常數。傳感光柵的波長改變量與等強度梁的應變相對應，進而與等強度梁所受壓力成正比，由下式給出

Δλ＝K2·F????(2)

式中，K2為比例常數。將(2)式代入(1)式，得

ΔP＝K·F????(3)