一种安装货车上的测货车超载和偏载的光纤传感器及系统
阅读说明：本技术 一种安装货车上的测货车超载和偏载的光纤传感器及系统 (Optical fiber sensor and system for measuring overload and unbalance loading of truck on truck ) 是由 何赛灵 于 2021-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种安装于货车车桥上的检测货车超载和偏载的光纤传感器及系统,涉及传感技术领域,该系统包括多个光纤光栅传感器和解调模块；每个光纤光栅传感器均包括第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅、第三光纤布拉格光栅和掺锗单模光纤。本发明提供的安装于货车车桥上的检测货车超载和偏载光纤传感器及系统具有结构轻便、抗电磁干扰、使用寿命长、灵敏度高等显著优势。能够实现对各类货车超载、偏载的准确监测,且不对车辆本身的承载结构做出修改。(The invention discloses an optical fiber sensor and a system for detecting overload and unbalance loading of a truck, which are arranged on a truck axle, and relates to the technical field of sensing, wherein the system comprises a plurality of optical fiber grating sensors and a demodulation module; each fiber bragg grating sensor comprises a first fiber bragg grating, a second fiber bragg grating, a third fiber bragg grating and a germanium-doped single-mode fiber. The optical fiber sensor and the system for detecting overload and unbalance loading of the truck, which are arranged on the truck axle, have the remarkable advantages of light structure, electromagnetic interference resistance, long service life, high sensitivity and the like. The overload and unbalance loading monitoring system can accurately monitor overload and unbalance loading of various trucks, and does not modify the bearing structure of the truck.)
技术领域
本发明涉及传感技术领域，尤其涉及一种安装于货车车桥上的检测货车超载和偏载的光纤传感器及系统。
背景技术
在车辆运输行业，由货车超载以及偏载所引发的事故，不仅会造成对自身和他人生命的严重威胁，而且会损耗公路、桥梁、高架等国家基础建设，留下隐患。
长时期的超载行为，容易缩短汽车使用寿命，加速轮胎的磨损和变化，加速汽车发动机受损；导致转向沉重，离心力增加，影响汽车的操纵性能；缩短弹簧钢板寿命，减少车辆的通过力；降低制动性能，增长非安全区距离等等。而车辆偏载，则容易导致车辆倾覆、发生燃轴等严重行为。因此，杜绝车辆超载、偏载问题，检测车辆的超载、偏载行为，十分必要。
一般来说，当货车实际总重超过限值，即为超载。若实际总重超出限值5吨，但小于10吨，则为一般超载。若实际总重超出限值10吨以上，则为严重超载。
装车后，货物总重心的投影应位于货车纵、横中心线的交叉点上。若横向偏移量大于100mm但小于150mm，则为一般偏载；若横向偏移量大于150mm，则为严重偏载。若两转向架承受重量之差小于10吨，但大于15吨，则为一般偏重；若两转向架承受重量之差大于15吨，则为严重偏重。
在一种现有的应用于车辆超载检测的技术中，将压力传感器组安装在车厢和底盘之间，通过对单个传感器测得的载重求和，实现测量货物的总体载重。使用这种方法的车载称重系统测量精度比较高、在技术方面容易实现，然而安装传感器需要对车辆的承载结构进行相应的改变，并且对直接承受载荷的传感器有较高的强度要求。
发明内容
鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的是提供一种安装于货车车桥上的检测货车超载和偏载的光纤传感器及系统，在不修改车辆本身的承载结构前提下准确监测车辆的超载以及偏载情况。
一种安装于货车车桥上的检测货车超载和偏载的光纤光栅传感器。
包括：第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅、第三光纤布拉格光栅和掺锗单模光纤。
其中，所述第一光纤布拉格光栅位于车辆左悬架的正下方，所述第三光纤布拉格光栅位于车辆右悬架的正下方，所述第二光纤布拉格光栅位于左悬架和右悬架的中间位置。
具体地，所述第一光纤布拉格光栅、所述第二光纤布拉格光栅、所述第三光纤布拉格光栅可采用掩膜板紫外光刻法刻写在掺锗单模光纤中。此外，通过一根单模传输光纤连接该掺锗单模光纤至解调模块。
所述解调模块为光纤光栅解调仪，用于提供所述传感元件需要的探测光，以及接收返回的信号光并分析处理。具体地，光纤光栅解调仪有两种实施方式，一种是基于波长可扫描半导体激光器，另一种是基于宽带光源与可调谐滤波器。
光纤布拉格光栅的中心波长会受到环境温度和应变的影响而发生漂移。在本实施例中，由于载重增加而导致车架的重量增加，进一步压缩左、右悬架，对应的悬架支撑点会由于压力的增加而发生微量的形变从而引起位于该处的光纤弯曲，进而引起了光纤布拉格光栅的轴向拉伸导致布拉格中心波长发生漂移。一般来说，布拉格中心波长的漂移量与载货重量成正相关。所述第一光纤布拉格光栅的中心波长偏移量和所述第三光纤布拉格光栅的中心波长偏移量可反映出该处车桥的整体载货重量。由于环境温度也会引起布拉格中心波长的漂移，故所述第二光纤布拉格光栅的中心波长偏移量可用于温度校正。可选地，若货车左悬架和右悬架位置的温度与车桥中心的温度存在偏差的话，则可以通过在左悬架和右悬架处分别设置一个温度传感器，用于所述第一光纤布拉格光栅和所述第三光纤布拉格光栅各自的温度校正。
一种安装于货车车桥上的检测货车超载和偏载的光纤传感系统。
在本实施例的一种实现方式中，为一种5轴铰接列车的光纤光栅传感器布局方式。具体地，在每一个车轴的车桥上均布置有三个光纤布拉格光栅（图中黑点标识），每个车桥上均有一根传输光纤连接至解调模块10。经过计算，每一路光纤光栅传感器均可得出超载重量和偏载重量。则货车整体超重情况和货车整体偏重情况可通过综合这5路传感数据得到。
本发明的有益效果：
本发明提供的安装于货车车桥上的检测货车超载和偏载的光纤传感器及系统具有结构轻便、抗电磁干扰、使用寿命长、灵敏度高等显著优势。能够实现对各类货车超载、偏载的准确监测，且不对车辆本身的承载结构做出修改。
附图说明
图1为本发明一实施方式的安装于货车车桥上的检测货车超载和偏载的光纤光栅传感器的结构示意图；
图2为本发明一实施方式的安装于货车车桥上的检测货车超载和偏载的光纤传感系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
请参阅图1，图1为本发明一实施方式的安装于货车车桥上的检测货车超载和偏载的光纤光栅传感器的结构示意图。
如图1所示，货车部分包括：左车轮1、车桥2、右车轮3、车架4、左悬架5、右悬架6。光纤光栅传感器部分包括：第一光纤布拉格光栅7、第二光纤布拉格光栅8、第三光纤布拉格光栅9。其中，第一光纤布拉格光栅7位于左悬架5的正下方，第三光纤布拉格光栅9位于右悬架6的正下方，第二光纤布拉格光栅8位于左悬架5和右悬架6的中间位置。
具体地，第一光纤布拉格光栅7、第二光纤布拉格光栅8、第三光纤布拉格光栅9均采用掩膜板紫外光刻法刻写在掺锗单模光纤中，对应的布拉格中心波长分别记为λ1、λ2和λ3。此外，通过一根单模传输光纤连接该掺锗单模光纤至解调模块（图示上未画出）。
在本实施例中，所用掺锗单模光纤包层直径等于125μm，芯层直径等于9μm；所用第一光纤布拉格光栅7、第二光纤布拉格光栅8、第三光纤布拉格光栅9的布拉格中心波长分别为1550nm、1552nm、1554nm，光栅长度为10mm。在其他实施方式中，可根据实际需求将光纤布拉格光栅设计为其他长度，将布拉格中心波长设计为其他位于C波段的布拉格中心波长。
所述解调模块为光纤光栅解调仪，用于提供所述传感元件需要的探测光，以及接收返回的信号光并分析处理。具体地，光纤光栅解调仪有两种实施方式，一种是基于波长可扫描半导体激光器，另一种是基于宽带光源与可调谐滤波器。
光纤布拉格光栅的中心波长会受到环境温度和应变的影响而发生漂移。在本实施例中，由于载重增加而导致车架的重量增加，进一步压缩左、右悬架，对应的悬架支撑点会由于压力的增加而发生微量的形变从而引起位于该处的光纤弯曲，进而引起了光纤布拉格光栅的轴向拉伸导致布拉格中心波长发生漂移。
一般来说，布拉格中心波长的漂移量与载货重量成正相关。第一光纤布拉格光栅7的中心波长偏移量Δλ1和第三光纤布拉格光栅9的中心波长偏移量Δλ3可反映出该处车桥的整体载货重量。由于环境温度也会引起布拉格中心波长的漂移，故第二光纤布拉格光栅8的中心波长偏移量Δλ2可用于温度校正。
具体表示如下：
式中，k11、k21和k31分别第一、第二和第三光纤布拉格光栅对温度的响应灵敏度；k12和k32分别第一和第三光纤布拉格光栅对所受弯曲的响应灵敏度。
故：
则，总的载货重量可用如下公式表示：
式中，a为左悬架处的货重相关系数；b为右悬架处的货重相关系数；为左悬架处的货重补偿系数；为右悬架处的货重补偿系数。
设定m0为货车的额定载重量，则当m-m0大于5吨但小于10吨时，判定为一般超载；当m-m0大于10吨时，判定为严重超载。
记表示货车左悬架侧的承重，记表示货车右悬架侧的承重。若与之差大于10吨但小于15吨时，判定为一般偏重；当与之差大于15吨时，判定为严重偏重。
可选地，若货车左悬架和右悬架位置的温度与车桥中心的温度存在偏差的话，则可以通过在左悬架和右悬架处分别设置一个温度传感器，用于所述第一光纤布拉格光栅和所述第三光纤布拉格光栅各自的温度校正。
请参阅图2，图2为本发明一实施方式的安装于货车车桥上的检测货车超载和偏载的光纤传感系统的结构示意图。
在本实施例的一种实现方式中，图2为一种5轴铰接列车的结构示意图。具体地，每一车轴的结构已在图1部分作出说明，在此不再赘述。如图2所示，在每一个车轴的车桥上均布置有三个光纤布拉格光栅（图中黑点标识），所述车桥可分别记为第一车桥11、第二车桥12、第三车桥13、第四车桥14和第五车桥15。每个车桥上均有一根传输光纤连接至解调模块10。经过计算，每一路光纤光栅传感器均可得出超载重量和偏载重量。
则货车整体超重情况可表示为：
货车整体偏重情况可表示为：
上两式中，和的权重可通过基于人工智能的深度学习算法加以确定。
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