基于光纖 Bragg 光柵傳感器的車輛載重動態檢測系統的初步開發

基于光纖 Bragg 光柵傳感器的車輛載重動態檢測系統的初步開發

我國公路建設近年來取得了舉世矚目的成就，但是車輛超載現象對于道路和橋梁安全造成嚴重威脅，也給交通安全埋下隱患。目前，國內車輛稱重系統多為人工靜態檢測，檢測效率低，漏檢現象嚴重。研究開發高效、精準、性能優良的車輛載重檢測系統，對改善這一現狀有重要意義。本文基于對光纖 Bragg 光柵傳感器的分析與研究，構建了一套車輛載重動態檢測系統，車輛無需停車即可完成檢測。

1  引 言

道路養護、橋梁安全和運輸安全與車輛載重息息相關，超載是近年來較為突出的公路運輸問題。 根據調查，國內現有的車輛載重檢測系統多為人工靜態檢測，極易造成擁堵、限速、避檢等問題，不僅浪費了大量的人力物力財力，而且大大降低了道路運輸效率。 本文提出一種車輛動態稱重系統，車輛無需停車即可完成檢測， 可有效避免因大量車輛等待檢測而帶來的擁堵和低效問題；同時，計算機系統的引入，有效實現全天候檢測，避免漏檢、避檢現象，將極大提高現代交通管理效率。

2 .國內外研究現狀與發展動態

武漢理工大學的研究人員將三根光纖 Bragg 光柵貼在“工 ”字梁型的剪切懸臂梁式彈性體上 ，用以模擬汽車稱重實驗，測得施加于傳感器上的載荷，說明此種光柵可以用于應力檢測。

2013 年，哈爾濱師范大學研究人員設計了一款“車輛載重檢測報警裝置”， 但是并沒有完成動態檢測的系統化設計，傳感器選用壓力傳感器，在很大程度上仍受環境的制約和影響。

目前， 國內外車輛動態稱重系統的研究和開發以美國和德國水平較高，國內研究起步較晚，且世界上目前的測量系統基本依賴于傳統的電學量測量等方法， 易受環境的影響和制約，存在抗電磁干擾能力差、極易受潮腐蝕等諸多問題，嚴重影響了測量的精度，不滿足交通管理的現代化需求。

因此， 基于新型材料的車輛載重動態檢測系統在國內外尚處于有待開發和研究的階段，是一個熱點研究方向。

3. 基于光纖 Bragg 光柵傳感器的車輛載重動態檢測系統

光纖 Bragg 光柵是應用最為廣泛的光柵之一， 它實質相當于一個窄帶的濾波器，當寬帶光在光纖中傳輸時，大部分頻段的光將會透射過去， 而只有滿足 Bragg 光柵中心波長條件的波段會反射回來，即反射中心波長。 任何導致芯層折射率或光柵周期變化的過程（如溫度和應變）都會引起光纖中心反射波長的移動。 基于這一原理，光纖 Bragg 光柵傳感系統正是通過檢測 Bragg 波長的移動量來間接獲取諸如應力、 振動、溫度、加速度等外部參量。

FBG（光纖 Bragg 光柵）具有防潮、抗噪聲、防電磁干擾、穩定性好、不易受惡劣環境影響、使用壽命長，能對應力應變進行高精度絕對測量、準分布數字測量等諸多優良性能，精確度與靈敏度極高， 不僅突破了傳統稱重系統中基于電學量測量方法的易受環境制約的影響， 也避免了干涉型傳感器對固有參考點的需求，因而選取這種材料制備壓力傳感器。

車輛動態稱重系統是公路計重收費和超載檢查的核心系統，只有能夠快速準確完成車輛稱重的系統才能滿足需要。 本文設計的動態稱重系統構成組建包括：稱重臺、Bragg 光柵傳感器、數據采集和傳輸電路、主機，系統的運行工作流程圖如圖 1。

車輛載重檢測信息管理系統查詢界面如圖 2 所示， 當超過設定重量時報警系統報警提示，并實時打印罰單。

在實際的使用過程中，可采用的的有以下三種方式：①固定式適用于公路收費站， 使用軸計量方法， 傳感器在地下使用；②半固定式采用數據采集和處理部分可以移動的設計；③便攜式采用輪計量方式，便于操作人員攜帶。

4 .系統可擴展性

我們設計的整套載重檢測系統主要是由監控系統、 超限提示系統、超載信息管理系統等各個子系統的集成。 為提高設備的可擴充性和集成度， 我們還為該系統提供豐富的外設接口，在實際使用過程中，可根據需要添加圖像抓拍系統、車牌識別系統、紅外感應系統、超速監測等諸多子系統，以使載重檢測系統具有更完善的性能。

5.結語

動態載重檢測技術對于道路和橋梁管理與維護具有重要意義， 但是傳統的傳感器在進行車輛載重檢測過程中存在易受干擾、重復性差等缺陷；靜態系統的檢測效率較低，精度不高。 為此本文通過對光纖 Bragg 光柵傳感器的深入研究，開發了一套近年來發展較快的動態車輛載重監測系統， 提供了一種能夠快速高效檢測車輛載重的新方案。 并且該系統無需改動現有收費站的基本設施，通過安裝相應硬件即可達到目的，因此具備較高的實用價值。