一种多参量的车辆动态称重光纤传感系统
阅读说明：本技术 一种多参量的车辆动态称重光纤传感系统 (Multi-parameter dynamic vehicle weighing optical fiber sensing system ) 是由 何赛灵 吴迅 于 2021-07-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多参量的车辆动态称重光纤传感系统,包括多条间隔铺设在路面上的FBG阵列光纤传感器、传输光纤、高速光纤光栅解调仪和数据处理模块。FBG阵列光纤传感器具有准分布式的应力传感能力和温度传感能力,可以对行驶车辆实现动态称重(温度的测量可以补偿掉温度变化对FBG波长移动的影响),同时还可以测量车辆的车速,识别车辆是否跨道、并行、加减速等异常行驶状态,重构车辆的胎印形状,识别胎型,并利用上述信息对动态称重的结果进行修正,减小误差,提升了该动态称重系统的准确性和可靠性,此外还通过测量车辆的轴距、轮距和胎型进行车型识别,结合称重结果可以针对各种车型进行超载报警。本发明具有较高的精确度和可靠性。(The invention discloses a multi-parameter vehicle dynamic weighing optical fiber sensing system which comprises a plurality of FBG array optical fiber sensors, transmission optical fibers, a high-speed optical fiber grating demodulator and a data processing module, wherein the FBG array optical fiber sensors are paved on a road surface at intervals. The FBG array optical fiber sensor has quasi-distributed stress sensing capability and temperature sensing capability, dynamic weighing of running vehicles can be achieved (temperature measurement can compensate influences of temperature changes on FBG wavelength movement), meanwhile, the speed of the vehicles can be measured, whether the vehicles cross a road, run in parallel, abnormal running states such as acceleration and deceleration are identified, the tire impression shape of the vehicles is reconstructed, tire types are identified, dynamic weighing results are corrected by utilizing the information, errors are reduced, the accuracy and the reliability of the dynamic weighing system are improved, in addition, vehicle type identification is carried out by measuring the wheel base, the wheel base and the tire types of the vehicles, and overload alarm can be carried out on various vehicle types by combining weighing results. The invention has higher precision and reliability.)
技术领域
本发明涉及传感技术领域，特别涉及多参量的车辆动态称重光纤传感系统。
背景技术
车辆超载是影响车辆行驶安全的首要因素，超重车辆长期处于超负荷运转状态，车辆的制动、操作等安全性能显著降低，极易发生爆胎、刹车失灵、钢板弹簧折断、半轴断裂等险情。据测算，如果行驶公路的车辆超载50%左右，公路正常使用寿命将缩短约80%。因此，准确测量运输车辆的实际载重尤显重要。目前，运输车辆载重检测的主要方法 包括地磅法和动态称重法。
地磅法是一种成熟的车辆载重检测技术，车辆必须进入专门的超限运输检测站按相关工作人员的要求进行称重，该方法要求车辆在地磅（平板传感器）上静止或低速（≤40km/h）的状态下进行称重，测量精度较高，但是检测效率低、执法人员工作强度大、覆盖面小，难以从根本上治理违法超限超载。而动态称重法是由一组传感器和相应的硬件测量设备组成，根据运行中车辆轮胎对地面传感器的压力来计算通过车辆的重量、轴数、速度等信息，并且存储、处理和显示该数据的过程。
现有动态称重系统选用的称重传感器分为宽条传感器和窄条传感器，窄条传感器因为承受力只是轮胎的一部分，减小了车辆对其冲击力，更适用于高速动态称重，但现有窄条传感器不能对并行或者跨道行驶的车辆进行准确称重，并且车辆的车速、变速情况和胎印形状都会影响称重结果，为了获得较好的准确性和可靠性，这种称重系统往往还需要辅助手段来进行车辆的胎型、并行、跨道、加减速识别，这大大增加了系统的成本和结构的复杂性。
发明内容
鉴于现有技术存在的缺陷，本发明提供一种多参量的车辆动态称重光纤传感系统，不仅可以实现精确称重，同时还可以计算和识别车辆的车速、加减速、跨道行驶、并行行驶以及胎印形状，用于补偿称重误差，从而提高称重的精确度和可靠性。
一种多参量的车辆动态称重光纤传感系统，包括多条（以下以2条为例）相距一定距离铺设在路面上的光纤光栅（FBG）阵列光纤传感器（包括第一光纤光栅（FBG）阵列光纤传感器、第二光纤光栅（FBG）阵列光纤传感器）、传输光纤、高速光纤光栅解调仪、数据处理模块；
所述的第一、第二FBG阵列光纤传感器由具有较小间隔（如小于2 cm）的FBG线阵列传感光纤和保护套（如橡胶保护套）组成，具有准分布式的应力传感能力；
所述高速光纤光栅解调仪通过所述传输光纤分别与所述第一FBG阵列光纤传感器、第二FBG阵列光纤传感器相连，用于接收二者的光信号并进行实时解调传感器上每个FBG的波长变化，光纤光栅解调仪可以多通道复用以增加监测的FBG总数，解调结果输出到所述数据处理模块进行处理；
所述数据处理模块包括跨道或并行判识子模块、车速分析子模块、胎印分析子模块和动态称重子模块。
所述第一、第二FBG阵列光纤传感器间隔一定距离（如2.5米）铺设在行驶路面上，收集载重车辆经过传感器时车轮的压力信息。
所述第一、第二FBG阵列光纤传感器上不同位置受到的应变影响，对应的FBG会产生波长漂移，所述数据处理模块通过识别产生波长漂移的FBG位置定位车轮经过光纤传感器的位置，由此判断车辆是否跨道、并行以及车辆在测量区域内的运行轨迹。
所述数据处理模块的车速分析子模块可通过计算同一个车轮经过第一FBG阵列传感器和第二FBG阵列传感器产生的脉冲时延计算车轴速度。
所述数据处理模块的车速分析模块可通过分析计算同一辆车前后车轴经过所述第一FBG阵列光纤传感器和第二FBG阵列光纤传感器产生的脉冲时间差判断车辆在测量区域内的速度以及加速度（或变速）。
所述数据处理模块的胎印分析子模块可通过车轮经过时产生波长漂移的FBG的数量计算胎印宽度，通过波长漂移脉冲持续时间以及车轴速度计算胎印长度，由此重构出胎印的形状大小，计算轮距，并判识胎型（包括单轮胎型、双轮胎型等）。
无车辆经过的静态FBG具有温度感知能力，所述数据处理模块以各FBG的静态波长反映各点环境温度，温度的测量可以补偿掉温度变化对FBG波长移动的影响。
所述数据处理模块的动态称重子模块，通过各FBG的波长漂移量，补偿掉车辆的异常行驶（如跨道）、车速、胎印造成的影响以及温度变化的影响后，精确计算出行驶车辆重量。
数据处理模块可通过车辆通过造成的脉冲数量判断车轴数量，通过各车轴速度与脉冲时间差计算车辆的各车轴之间轴距，再结合轮距和胎型对车辆的车型进行识别，从而针对不同车型进行超载报警。
本发明的有益效果：本发明提供一种多参量的车辆动态称重光纤传感系统，可以对行驶车辆实现动态称重，同时还可以测量车辆的车速，识别车辆是否跨道、并行、加减速等异常行驶状态，并利用上述信息对动态称重的结果进行修正，减小误差，大大提升了该动态称重系统的精确度和可靠性。
附图说明
图1为本发明实施的一种多参量的车辆动态称重光纤传感系统的示意图。
图2为本发明实施的一种FBG阵列光纤传感器工作示意图。
图3为本发明实施的一种车辆经过传感器时的响应脉冲示意图。
图中，第一FBG阵列光纤传感器11，第二FBG阵列光纤传感器12，传输光纤13，高速光纤光栅解调仪14，数据处理模块15，跨道或并行判识子模块16、车速分析子模块17、胎印分析子模块18和动态称重子模块19；FBG传感光纤21，FBG传感点22，车辆轮胎23，橡胶保护壳24。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。
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一种多参量车辆动态称重光纤传感系统的示意图。
如图1所示，该系统包括多条（以下以2条为例）FBG阵列光纤传感器（包括第一FBG阵列光纤传感器11、第二FBG阵列光纤传感器12），传输光纤13，高速光纤光栅解调仪14，数据处理模块15。其中第一FBG阵列光纤传感器与第二FBG阵列光纤传感器横跨整个车道相互平行铺设在路面上，两者间距如L=2.5m，高速光纤光栅解调仪14通过传输光纤13分别与所述第一FBG阵列光纤传感器11、第二FBG阵列光纤传感器12相连，用于接收二者的光信号并进行实时解调传感器上每个FBG的波长变化，高速光纤光栅解调仪14可以多通道复用以增加监测的FBG总数，解调结果输出到所述数据处理模块15进行处理。数据处理模块15包括跨道或并行判识子模块16、车速分析子模块17、胎印分析子模块18和动态称重子模块19。
请参阅图2，图2为本发明实施的一种FBG阵列光纤传感器工作示意图，每个FBG阵列光纤传感器包括一根FBG传感光纤21以及橡胶保护壳24，FBG传感光纤21上分布着多个FBG传感点22，每个FBG传感点22相互独立，受到压力后，对应位置的FBG传感点产生波长漂移，且受到的压力越大，其波长漂移量越大，而没有受到压力的FBG传感点22不会产生波长漂移（如图2）。
具体地，车辆轮胎23在不同位置经过第一FBG阵列光纤传感器11和第二FBG阵列传感器12时，不同的FBG传感点22会产生波长偏移响应，数据处理模块15中的跨道或并行判识子模块16对产生了波长漂移的FBG进行寻址来定位车辆轮胎23的经过第一FBG阵列光纤传感器11和第二FBG阵列传感器12时的位置，这样既可重构车辆在经过测量区域时的运行轨迹，判断是否有车辆并行以及车辆是否跨道行驶。
由于车辆通过测量区域的时间极短（约0.2 s），可以将异常加减速通过测量区域的车辆视为匀加速运动，如图3所示，以一辆两轴车为例，车辆前后轴分别通过第一FBG阵列光纤传感器11和第二FBG阵列传感器12会产生四组FBG的脉冲响应信号，依次记前轴经过第一FBG阵列光纤传感器11的时刻为t A1 ，后轴经过第一FBG阵列光纤传感器11的时刻为t A2 ，前轴经过第二FBG阵列光纤传感器12的时刻为t B1 ，后轴经过第二FBG阵列光纤传感器12的时刻为t B2 。前轴轴经过两条传感器的时间差为，后轴经过两条传感器的时间差为，则
其中为车辆在t A1 的车轴速度，a为车辆的加速度，特别地，车辆匀速通过测量区域时，a=0, L为第一FBG阵列光纤传感器11和第二FBG阵列传感器12之间的距离，由（1）和（2）可以计算出，
由此可以计算车辆通过测量区域时的加速度以及各车轴的速度。
不同宽度的轮胎经过传感器时产生响应的FBG传感点22数量会不同，胎印分析子模块18通过产生响应FBG数量计算胎印宽度，将产生了波长漂移的FBG编号为m,m+1,m+2,m+3,……,m+n，这个轮胎一共造成了n+1个FBG波长漂移，其中第m个和第m+n个FBG为轮胎边缘处FBG，轮胎可能没有完全覆盖该FBG的传感范围，轮胎对该FBG传感范围的覆盖长度越短，则FBG的波长漂移越小，由此胎印的宽度可以通过以下方法计算：
其中为胎印宽度，为FBG传感点22的分布间隔，本实施例中,和为别为第m个FBG和第m+n个FBG的波长漂移量，为第m至 m+n个FBG中波长漂移量最大的FBG的波长漂移量。除此之外，通过分析产生响应的FBG传感点分布情况计算车辆的轮距（同一车轴轮胎之间的距离）和识别是否为双轮胎车型。
同时，胎印分析子模块18计算胎印长度：
(6)
其中胎印长度，胎印中心的FBG响应脉冲宽度，为车轴经过该传感器时的车轴速度。通过胎印宽度和胎印长度可以重构胎印的形状，从而精准判识胎型（包括单轮胎型，双轮胎型等）。
无车辆经过的静态FBG具有温度感知能力，所述数据处理模块以各FBG的静态波长反映各点环境温度，温度的测量可以补偿掉温度变化对FBG波长移动的影响。
动态称重子模块19通过FBG的最大波长漂移量来计算轮胎对地面的压强，如下式：
其中为t时刻轮胎压强，(t)为t时刻FBG最大波长漂移量，是比例系数，与FBG的应变灵敏度以及橡胶保护壳24的弹性系数有关。车辆的半轴重如下式：
其中为t时刻测得的胎宽，通过胎印分析子模块18得出，为t时刻轮胎经过传感器的车速，通过车速分析子模块17得出，为误差修正系数，实际测量过程中会受到车辆车速、加速度、运行轨迹、胎印以及温度影响，所以在系统进行测试前会进行校准，建立车速、加速度、运行轨迹、胎印以及温度与误差修正系数的模型，实际测试时，系统会依据该模型对进行修正，将上述因素带来的测量误差降到最低。
数据处理模块可通过车辆通过造成的脉冲数量判断车轴数量，再通过各车轴速度以及脉冲时间差计算车辆的各车轴之间轴距，再结合轮距和胎型数据对车辆的车型进行识别，从而针对不同车型进行超载报警。
以上所述实施例的各技术特征可以进行组合。为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。本发明的保护范围应以所附权利要求为准。