專(zhuān)利名稱(chēng)：高速路的動(dòng)態(tài)重量和速度監(jiān)測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種監(jiān)測(cè)裝置，具體地說(shuō)是一種對(duì)在高速公路中行駛的車(chē)輛的重量、速度等進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的裝置。
背景技術(shù)：
動(dòng)態(tài)稱(chēng)重在公路交通中有著較為重要的意義。在高速路上，載重汽車(chē)，特別是重載汽車(chē)，經(jīng)過(guò)收費(fèi)站時(shí)，需要按照載重收取相應(yīng)費(fèi)用，傳統(tǒng)的稱(chēng)重系統(tǒng)一般采用金屬應(yīng)變片作為傳感器，響應(yīng)速度慢，汽車(chē)需要在接近稱(chēng)重系統(tǒng)時(shí)減速行駛，并在指定位置通過(guò)，這樣無(wú)疑會(huì)對(duì)路面產(chǎn)生一定的損壞，隨著時(shí)間的積累稱(chēng)重系統(tǒng)附近的路面相比其他地段將產(chǎn)生明顯磨損；而且另一個(gè)關(guān)鍵的缺陷就是應(yīng)變片等傳感器都是有源器件，路面的環(huán)境使得稱(chēng)重結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境異常惡劣，通常完全是浸水工作的，雖然有的廠商聲稱(chēng)其產(chǎn)品滿足IP67標(biāo)準(zhǔn)(濕潤(rùn)環(huán)境下工作)，甚至是IP68標(biāo)準(zhǔn)(浸水工作)，但是系統(tǒng)失效隨時(shí)可能發(fā)生，一旦發(fā)生，將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種在車(chē)輛正常行駛的狀態(tài)下能夠進(jìn)行監(jiān)測(cè)、可靠性高、穩(wěn)定性好、測(cè)量準(zhǔn)確的高速路的動(dòng)態(tài)重量和速度監(jiān)測(cè)裝置。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的它由傳感器、稱(chēng)重承載裝置、解調(diào)裝置、數(shù)據(jù)采集裝置和數(shù)據(jù)處理裝置組成；稱(chēng)重承載裝置設(shè)置于路面上，它由承載板、緩沖層、支架和基礎(chǔ)組成，兩個(gè)支架固定在基礎(chǔ)上，承載板的兩端固定在支架上，緩沖層位于承載板與基礎(chǔ)之間；傳感器為光纖布拉格光柵，至少有三只光纖布拉格光柵傳感器對(duì)稱(chēng)布設(shè)于稱(chēng)重承載裝置的承載板上，光纖布拉格光柵傳感器的引出光纖與解調(diào)裝置相連；數(shù)據(jù)采集裝置與解調(diào)裝置相連；數(shù)據(jù)采集裝置與數(shù)據(jù)處理裝置相連。
本發(fā)明還可以包括這樣一些特征1、所述的承載板是使用T-300碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的，三支光纖光柵傳感器布置在承載板下表面第一和第二層之間的對(duì)稱(chēng)位置。
2、所述的緩沖層是用是用柔性橡膠制成的，其上表面與承載板下表面膠接，緩沖層下表面與基礎(chǔ)緊密結(jié)合。
3、支架使用高強(qiáng)度鋁合金材料7075制成，支架與承載板長(zhǎng)端兩側(cè)簡(jiǎn)支，連接處由螺栓螺桿連接。
本發(fā)明的眾多優(yōu)點(diǎn)克服了現(xiàn)有系統(tǒng)的不足。首先，將光纖布拉格光柵作為傳感器，由于傳播的信號(hào)為光信號(hào)，克服了有源器件在潮濕環(huán)境中的失效隱患，不受外界電磁干擾，而且傳感器被完全埋設(shè)于復(fù)合材料內(nèi)部，完全與外界隔絕，更加充分地保護(hù)了傳感器，加之復(fù)合材料的優(yōu)秀耐水性能，使得系統(tǒng)可以在浸水的環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間工作。光纖傳感器與傳統(tǒng)的各種傳感器比較，具有眾多優(yōu)點(diǎn)，它集體積小、重量輕、靈敏度高、損耗低、頻帶寬、抗電磁干擾、耐腐蝕、電絕緣性好、防爆、光路可撓曲、便于與計(jì)算機(jī)連接、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)于一身，能夠傳感多種物理量和化學(xué)量，工作可靠，工作溫度范圍從-150℃～500℃，這些都完全符合在室外惡劣環(huán)境工作的要求。
其主要特征是，系統(tǒng)與路面完好結(jié)合，不影響汽車(chē)的行駛，汽車(chē)經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，不需要減速、指定位置等限制的要求即可測(cè)得汽車(chē)的重量和速度等參數(shù)。本發(fā)明的裝置應(yīng)用于公路交通領(lǐng)域，涉及動(dòng)態(tài)稱(chēng)重與速度監(jiān)測(cè)，同以往的系統(tǒng)相比，該發(fā)明使用一種傳感器實(shí)現(xiàn)多種特征的測(cè)量，其中包括重量、速度等，在今后完善的系統(tǒng)中還可以實(shí)現(xiàn)車(chē)型的識(shí)別、違章記錄等新功能。
其測(cè)量原理為當(dāng)汽車(chē)從承載板駛過(guò)時(shí)，承載板下表面發(fā)生的應(yīng)變將被光纖光柵傳感器測(cè)量出來(lái)并由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄下來(lái)。由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄下來(lái)的是傳感器測(cè)量到的應(yīng)變變化的時(shí)間歷程。結(jié)合圖4，圖中所示是一個(gè)典型的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。A、B、C三個(gè)測(cè)量峰值表示三個(gè)車(chē)軸從承載板上駛過(guò)，峰值的高度不同對(duì)應(yīng)重量不同，寬度不同對(duì)應(yīng)速度不同。不同峰值之間的距離對(duì)應(yīng)著兩軸之間的距離，峰值開(kāi)始前的上升部分的斜率也與車(chē)速相對(duì)應(yīng)。由于汽車(chē)在行使的過(guò)程中，在某個(gè)車(chē)道上的位置是不固定的，并且當(dāng)位置不同時(shí)，相同的重量和速度承載板上兩個(gè)傳感器測(cè)量得到的數(shù)據(jù)是不相同的，為了準(zhǔn)確測(cè)量軸重，還必須對(duì)車(chē)輪經(jīng)過(guò)承載板時(shí)的位置進(jìn)行判斷。通過(guò)有限元程序建立模型進(jìn)行模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)存在如下關(guān)系1、2兩個(gè)傳感器測(cè)量得到的數(shù)據(jù)中，如果兩個(gè)測(cè)量值不相等，則車(chē)輪靠近測(cè)量值較大的傳感器，并且靠近的距離與兩個(gè)傳感器測(cè)量值之差存在著良好的線性關(guān)系，將這些特征數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行計(jì)算處理后，可以得到相應(yīng)的速度、車(chē)重及應(yīng)收費(fèi)用等。


圖1是光纖光柵應(yīng)變響應(yīng)的重復(fù)性；圖2是傳感器的布置示意圖；圖3是稱(chēng)重承載裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是測(cè)量信號(hào)原理圖；圖5是本發(fā)明的布置示意圖。
具體實(shí)施方式
下面舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述結(jié)合圖5，高速路的動(dòng)態(tài)重量和速度監(jiān)測(cè)裝置的組成包括傳感器1、稱(chēng)重承載裝置2、解調(diào)裝置3、數(shù)據(jù)采集裝置4和數(shù)據(jù)處理裝置5。稱(chēng)重承載裝置設(shè)置于路面上，同時(shí)結(jié)合圖3，它由承載板11、緩沖層14、支架13和基礎(chǔ)12組成。同時(shí)結(jié)合圖2，傳感器為光纖布拉格光柵，三只光纖布拉格光柵傳感器對(duì)稱(chēng)布設(shè)于稱(chēng)重承載裝置的承載板上。光纖布拉格光柵傳感器的引出光纖與解調(diào)裝置相連；數(shù)據(jù)采集裝置與解調(diào)裝置相連；數(shù)據(jù)采集裝置與數(shù)據(jù)處理裝置相連。
1)傳感器部分傳感器使用光纖布拉格光柵。光纖布拉格光柵是一種波長(zhǎng)選擇反射器，它所反射的中心波長(zhǎng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為λB＝2neffΛ其微分形式可表示為ΔλBλB=Δneffneff+ΔΛΛ]]>式中Λ是光柵的周期，n是纖芯的有效折射率。由上式可以看出，凡是能夠?qū)е鹿饫w光柵有效折射率變化或者光柵周期變化的物理量均能引起布拉格波長(zhǎng)的變化。當(dāng)光纖布拉格光柵受到外力作用產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，光柵周期將發(fā)生變化，同時(shí)有效折射率由于彈光效應(yīng)也會(huì)發(fā)生變化，有效折射率的改變量為；Δneff=-neff3[P12-υ(P11+P12)2ϵx]]>所以有
Δneffneff=-neff22[P12-υ(P11+P12)]ϵx]]>式中P1i(i＝1，2)為單模光纖的彈光系數(shù)，υ是光纖材料的泊松比，εx是光纖產(chǎn)生的軸向應(yīng)變，光纖布拉格光柵為均勻周期的光柵，所以有ϵx=ΔΛΛ]]>所以光纖光柵產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，由兩種作用導(dǎo)致的總的布拉格波長(zhǎng)相對(duì)變化為ΔλBλB={1-neff22[P12-υ(P11+P12)]}ϵx]]>記Pe=neff22[P12-υ(P11+P12)]]]>Pe稱(chēng)為光纖的有效彈光系數(shù)，對(duì)于石英光纖，Pe≈0.22，所以有ΔλBλB=(1-Pe)ϵx≈0.78×10-6ϵx]]>式中εx為微應(yīng)變，由上式可以計(jì)算光纖光柵的理論應(yīng)變靈敏系數(shù)，例如，當(dāng)光纖光柵λB＝1550nm時(shí)，光纖光柵的應(yīng)變靈敏度為ΔλBΔϵx≈0.78×10-6×λB=1.209×10-3nm/μϵ]]>使用光纖光柵傳感器測(cè)量應(yīng)變具有很好的重復(fù)性，如圖5所示，適合使用在公路上進(jìn)行大量的重復(fù)性測(cè)量。
2)稱(chēng)重承載裝置汽車(chē)的重量和速度等信息通過(guò)承載結(jié)構(gòu)傳遞給傳感器，當(dāng)汽車(chē)車(chē)輪從承載板上駛過(guò)時(shí)，軸重將引起承載板發(fā)生變形，同時(shí)將使與承載板緊密結(jié)合的光纖光柵傳感器發(fā)生變形，并通過(guò)解調(diào)設(shè)備計(jì)算出軸重。稱(chēng)重承載部分包括承載板、緩沖層、支架和基礎(chǔ)四部分。承載板的材料使用T-300碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，按照生產(chǎn)商給出的三步的固化工藝，首先以室溫1.5～2.0℃/min的升溫速率加熱至90℃，恒溫30min；繼續(xù)以1.5～2.0℃/min的升溫速率加熱到130℃，恒溫30min；隨后以1.5～2.0℃/min的速率加熱至175±5℃，恒溫150min。三支光纖光柵傳感器布置在承載板下表面第一和第二層之間的對(duì)稱(chēng)位置(如圖2所示)；緩沖層使用柔性橡膠制造其上表面與承載板下表面膠接，緩沖層下表面與基礎(chǔ)緊密結(jié)合；支架使用高強(qiáng)度鋁合金材料7075，在承載板長(zhǎng)端兩側(cè)簡(jiǎn)支，連接處使用螺栓螺桿連接。基礎(chǔ)部分先將公路表面瀝青或水泥去除，在淺坑內(nèi)用水泥砌平并埋設(shè)地腳螺栓，水泥固化后將支架與地腳螺栓連接。
3)解調(diào)裝置由于測(cè)量過(guò)程中車(chē)輛并不停止，所以對(duì)于解調(diào)裝置的反應(yīng)頻率有較高的要求。研究所開(kāi)發(fā)的高速解調(diào)裝置的頻率可達(dá)到13kHz，精度0.2με。解調(diào)原理為1550nm的發(fā)光管發(fā)出的光經(jīng)過(guò)第一個(gè)分光器，到達(dá)測(cè)量光柵，帶有應(yīng)變信息的光經(jīng)過(guò)第二個(gè)分光器，一路經(jīng)過(guò)啁啾光柵線性化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，另一路參考光直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，兩路電信號(hào)相除，得到光柵的中心波長(zhǎng)。
4)數(shù)據(jù)采集裝置和處理裝置將解調(diào)系統(tǒng)獲得的模擬信號(hào)數(shù)字化，并高速地將數(shù)據(jù)記錄，分析、計(jì)算后得到汽車(chē)的重量和速度等信息。數(shù)據(jù)采集裝置使用研華PCI總線數(shù)據(jù)采集與控制卡PCI-17166，該采集卡具有16位高分辨率，16路模擬量輸入，帶1K FIFO，250KS/s采樣率，PCI總線數(shù)據(jù)傳輸，自動(dòng)校準(zhǔn)功能等。數(shù)據(jù)處理裝置中裝配處理軟件，可以直觀地顯示車(chē)速、車(chē)重、收費(fèi)等項(xiàng)目。
權(quán)利要求
1.一種高速路的動(dòng)態(tài)重量和速度監(jiān)測(cè)裝置，它由傳感器、稱(chēng)重承載裝置、解調(diào)裝置、數(shù)據(jù)采集裝置和數(shù)據(jù)處理裝置組成；其特征是稱(chēng)重承載裝置設(shè)置于路面上，它由承載板、緩沖層、支架和基礎(chǔ)組成，兩個(gè)支架固定在基礎(chǔ)上，承載板的兩端固定在支架上，緩沖層位于承載板與基礎(chǔ)之間；傳感器為光纖布拉格光柵，至少有三只光纖布拉格光柵傳感器對(duì)稱(chēng)布設(shè)于稱(chēng)重承載裝置的承載板上，光纖布拉格光柵傳感器的引出光纖與解調(diào)裝置相連；數(shù)據(jù)采集裝置與解調(diào)裝置相連；數(shù)據(jù)采集裝置與數(shù)據(jù)處理裝置相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速路的動(dòng)態(tài)重量和速度監(jiān)測(cè)裝置，其特征是所述的承載板是使用T-300碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的，三支光纖光柵傳感器布置在承載板下表面第一和第二層之間的對(duì)稱(chēng)位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高速路的動(dòng)態(tài)重量和速度監(jiān)測(cè)裝置，其特征是所述的緩沖層是用是用柔性橡膠制成的，其上表面與承載板下表面膠接，緩沖層下表面與基礎(chǔ)緊密結(jié)合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高速路的動(dòng)態(tài)重量和速度監(jiān)測(cè)裝置，其特征是支架使用高強(qiáng)度鋁合金材料7075制成，支架與承載板長(zhǎng)端兩側(cè)簡(jiǎn)支，連接處由螺栓螺桿連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高速路的動(dòng)態(tài)重量和速度監(jiān)測(cè)裝置，其特征是支架使用高強(qiáng)度鋁合金材料7075制成，支架與承載板長(zhǎng)端兩側(cè)簡(jiǎn)支，連接處由螺栓螺桿連接。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種高速路的動(dòng)態(tài)重量和速度監(jiān)測(cè)裝置。它由傳感器、稱(chēng)重承載裝置、解調(diào)裝置、數(shù)據(jù)采集裝置和數(shù)據(jù)處理裝置組成；稱(chēng)重承載裝置設(shè)置于路面上，它由承載板、緩沖層、支架和基礎(chǔ)組成，兩個(gè)支架固定在基礎(chǔ)上，承載板的兩端固定在支架上，緩沖層位于承載板與基礎(chǔ)之間；傳感器為光纖布拉格光柵，至少有三只光纖布拉格光柵傳感器對(duì)稱(chēng)布設(shè)于稱(chēng)重承載裝置的承載板上，光纖布拉格光柵傳感器的引出光纖與解調(diào)裝置相連；數(shù)據(jù)采集裝置與解調(diào)裝置相連；數(shù)據(jù)采集裝置與數(shù)據(jù)處理裝置相連。系統(tǒng)與路面完好結(jié)合，不影響汽車(chē)的行駛，汽車(chē)經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，不需要減速、指定位置等限制的要求即可測(cè)得汽車(chē)的重量和速度等參數(shù)。
文檔編號(hào)G08G1/052GK1776766SQ20051001050
公開(kāi)日2006年5月24日 申請(qǐng)日期2005年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月4日
發(fā)明者張博明, 趙海濤, 于東, 莫淑華, 解維華 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)