專利名稱：梁式光纖光柵動態(tài)稱重系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計量技術(shù)領(lǐng)域，屬于物理稱重技術(shù)，特別是一種用于動態(tài)車輛軸載荷測量的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的動態(tài)軸重儀結(jié)構(gòu)主要有稱臺式，蹺板稱和彎板式等，其中在國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的是稱臺式。稱臺式稱重結(jié)構(gòu)是由承重面板及其分布在四個角支點處安裝的應(yīng)變傳感器組成，車輛經(jīng)過承重面板時壓迫傳感器產(chǎn)生應(yīng)變，各測量的傳感器應(yīng)變值相加后經(jīng)數(shù)據(jù)處理計算車輛的軸重。這種結(jié)構(gòu)中，傳感器和承重面板之間的機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、耦合效率不穩(wěn)定，這些都會直接影響到系統(tǒng)的測量準確度，所以該方法對傳感器結(jié)構(gòu)的設(shè)計制造和施工安裝都提出較高的要求。車輛經(jīng)過承重面板時，傳感器受到的沖擊大，受車輛振動干擾嚴重，而且這種振動幅度較大，能達到車輛靜態(tài)載荷的5％～30％，嚴重影響測量準確度，車輛的振動頻率較低，也很難在后期的數(shù)據(jù)處理中濾除。在這種稱重結(jié)構(gòu)中各傳感器間的機械結(jié)構(gòu)彼此獨立，承重面板受力位置，即車輛經(jīng)過承重面板的位置也會影響測量結(jié)果。另外，在傳統(tǒng)稱重系統(tǒng)中基本使用電類傳感器，如電阻應(yīng)變片等，在計重收費站現(xiàn)場使用時受到車輛等電、磁干擾嚴重，對防水防潮的要求高。
本發(fā)明所提出的稱重結(jié)構(gòu)不同于以往的現(xiàn)有技術(shù)，將梁式結(jié)構(gòu)應(yīng)用與汽車動態(tài)稱重技術(shù)中，采用光纖布拉格光柵作為傳感器并配合與之相應(yīng)的檢測模塊。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是利用梁式結(jié)構(gòu)提供一種結(jié)構(gòu)簡明、抗干擾能力強、長期穩(wěn)定性好的動態(tài)稱重結(jié)構(gòu)。本發(fā)明利用應(yīng)變梁和應(yīng)變傳感器組成稱重結(jié)構(gòu)，當(dāng)車輛通過承重面板時，車軸載荷通過承重面板直接作用在應(yīng)變梁上，應(yīng)變梁產(chǎn)生應(yīng)變。假設(shè)應(yīng)變傳感器所附著位置的應(yīng)變大小分別為σ1、σ2，則應(yīng)變梁相應(yīng)的受力大小為F，有F=KL(σ1+σ2),]]>其中K為應(yīng)變梁的抗彎曲模量，L為應(yīng)變點距離應(yīng)變梁固定點的距離。可見該應(yīng)變的大小和受力大小F正比與應(yīng)變梁的抗彎曲模量K成反比，而與力的作用點無關(guān)，即和車輛通過承重面板的位置無關(guān)。
本發(fā)明的目的按下述方案實現(xiàn)一種梁式光纖光柵動態(tài)稱重系統(tǒng)，其特征在于它主要由梁式光纖光柵稱重結(jié)構(gòu)和動態(tài)數(shù)據(jù)檢測結(jié)構(gòu)組成，梁式光纖光柵稱重結(jié)構(gòu)主要包括框架式基座1、承重面板2和應(yīng)變梁3，承重面板2下設(shè)置有應(yīng)變梁3，應(yīng)變梁3兩端固定在框架式基座1上，左傳感器組和右傳感器組附著在應(yīng)變梁3上；動態(tài)數(shù)據(jù)檢測結(jié)構(gòu)主要包括光源4、第一個光電轉(zhuǎn)換模塊5、第二個光電轉(zhuǎn)換模塊6、數(shù)據(jù)采集模塊10、數(shù)據(jù)處理模塊11、第一個分路器7、第二個分路器8和第三個分路器9，左傳感器組通過光纖和動態(tài)數(shù)據(jù)檢測結(jié)構(gòu)中的第三個分路器9連接，第三個分路器9的出口端和第二個光電轉(zhuǎn)換模塊6連接，右傳感器組通過光纖和動態(tài)數(shù)據(jù)檢測結(jié)構(gòu)中的第一個分路器7，第一個分路器7的出口端和第一個光電轉(zhuǎn)換模塊5連接，光源3和第二個分路器8連接，第二個分路器8的一個輸出端和第一個分路器7連接，第二個分路器8的另一個輸出端和第三個分路器9連接，第一個光電轉(zhuǎn)換模塊5和第二個光電轉(zhuǎn)換模塊6的輸出端都和數(shù)據(jù)采集模塊10連接，數(shù)據(jù)采集模塊10和數(shù)據(jù)處理模塊11連接。
如前所述的梁式光纖光柵動態(tài)稱重系統(tǒng)，其特征在于所述左傳感器組和右傳感器組為光纖光柵傳感器。其中右傳感器組由第二個光纖光柵壓縮應(yīng)變傳感器15，第二個光纖光柵拉伸應(yīng)變傳感器16和第二個匹配光纖光柵17組成，左傳感器組由第一個光纖光柵壓縮應(yīng)變傳感器12，第一個光纖光柵拉伸應(yīng)變傳感器13和第一個匹配光纖光柵14組成。
如前所述的梁式光纖光柵動態(tài)稱重系統(tǒng)，其特征在于所述第二個光纖光柵壓縮應(yīng)變傳感器15附著在應(yīng)變梁3的上表面，方向和應(yīng)變梁3的軸向平行，第二個光纖光柵拉伸應(yīng)變傳感器16附著在應(yīng)變梁3的下表面，方向和應(yīng)變梁3的軸向平行，第二個匹配光纖光柵17附著在應(yīng)變梁3的側(cè)表面，方向和應(yīng)變梁3的軸向垂直。
如前所述的梁式光纖光柵動態(tài)稱重系統(tǒng)，其特征在于所述第一個光纖光柵壓縮應(yīng)變傳感器12附著在應(yīng)變梁3的上表面，方向和應(yīng)變梁3的軸向平行，第一個光纖光柵拉伸應(yīng)變傳感器13附著在應(yīng)變梁3的下表面，方向和應(yīng)變梁3的軸向平行，第一個匹配光纖光柵14附著在應(yīng)變梁3的側(cè)表面，方向和應(yīng)變梁3的軸向垂直。
如前所述的本發(fā)明的原理和結(jié)構(gòu)可知，本發(fā)明利用應(yīng)變梁和應(yīng)變傳感器組成稱重結(jié)構(gòu)，當(dāng)車輛通過承重面板時，車軸載荷通過承重面板直接作用在應(yīng)變梁上，應(yīng)變梁產(chǎn)生應(yīng)變。該應(yīng)變的大小和受力大小F正比與應(yīng)變梁的抗彎曲模量K成反比，而與力的作用點無關(guān)，即和車輛通過承重面板的位置無關(guān)。應(yīng)變梁和承重面板間可采用簡單、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)連接，抗沖擊能力強。當(dāng)傳感器和應(yīng)變梁連接穩(wěn)定后，其靈敏度和耦合效率即不會改變，重復(fù)性好。
本發(fā)明的傳感器組利用兩個測量應(yīng)變的光柵和一個匹配光柵組成一個三光柵的應(yīng)變測量結(jié)構(gòu)，三個光柵串接后通過一個3dB光耦合器接入光電轉(zhuǎn)換模塊。光電轉(zhuǎn)換模塊測量的是三個光柵反射譜疊加的光強值，即光電轉(zhuǎn)換模塊輸出的模擬電壓值和反射光強成正比。當(dāng)應(yīng)變梁無應(yīng)變時，三個光柵的布拉格中心波長相等，反射譜重合，此時的反射的光強最小。由于兩個光纖光柵應(yīng)變傳感器分別焊接在應(yīng)變梁的上表面和下表面，當(dāng)應(yīng)變梁有應(yīng)變時，一個光纖光柵應(yīng)變傳感器產(chǎn)生壓縮應(yīng)變，另一個光纖光柵應(yīng)變傳感器產(chǎn)生拉伸應(yīng)變。根據(jù)光柵的傳感原理，壓縮應(yīng)變使光柵的中心波長向短波長方向移動，拉伸應(yīng)變使光柵的中心波長向長波長方向移動。而此時的匹配光柵處于自由態(tài)，梁的應(yīng)變對其不產(chǎn)生影響，匹配光柵的中心波長不變。所以當(dāng)應(yīng)變梁有應(yīng)變時，三光柵的反射譜會變寬，反射的光強會增大，且增大的幅度和應(yīng)變的大小成比例。
本發(fā)明的檢測模塊不用測量波長，而是通過新穎的結(jié)構(gòu)使反射光強直接和被測物理量相關(guān)，光電轉(zhuǎn)換模塊輸出和光強成正比的模擬電壓信號，通過數(shù)據(jù)處理模塊計算應(yīng)變值。此結(jié)構(gòu)大大簡化了測量系統(tǒng)，降低了測量系統(tǒng)成本，而且動態(tài)性能好，能測量到高速變化的應(yīng)變或應(yīng)變的瞬態(tài)變化量。由于本發(fā)明采用的應(yīng)變傳感器是光纖光柵應(yīng)變傳感器，屬于光類傳感器，不受電、磁干擾，本質(zhì)防水、防潮，長期可靠性好。


圖1.梁式三光柵動態(tài)稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.梁式動態(tài)稱重結(jié)構(gòu)俯視圖1-框架式基座、2-承重面板、3-應(yīng)變梁、4-光源、5-第一個光電轉(zhuǎn)換模塊、6-第二個光電轉(zhuǎn)換模塊、7-第一個分路器、8-第二個分路器、9-第三個分路器、10-數(shù)據(jù)采集模塊、11-數(shù)據(jù)處理模塊、12-第一個光纖光柵壓縮應(yīng)變傳感器、13-第一個光纖光柵拉伸應(yīng)變傳感器、14-第一個匹配光纖光柵、15-第二個光纖光柵壓縮應(yīng)變傳感器、16-第二個光纖光柵拉伸應(yīng)變傳感器、17-第二個匹配光纖光柵具體實施方式
如圖1、2所示，本發(fā)明包括梁式光纖光柵稱重結(jié)構(gòu)和動態(tài)數(shù)據(jù)檢測結(jié)構(gòu)，梁式光纖光柵稱重結(jié)構(gòu)主要包括框架式基座1、承重面板2和應(yīng)變梁3，承重面板2下設(shè)置有應(yīng)變梁3，應(yīng)變梁3兩端固定在框架式基座1上，左傳感器組和右傳感器組附著在應(yīng)變梁3上；左傳感器組和右傳感器組為光纖光柵傳感器。其中右傳感器組由第二個光纖光柵壓縮應(yīng)變傳感器15，第二個光纖光柵拉伸應(yīng)變傳感器16和第二個匹配光纖光柵17組成，左傳感器組由第一個光纖光柵壓縮應(yīng)變傳感器12，第一個光纖光柵拉伸應(yīng)變傳感器13和第一個匹配光纖光柵14組成。
如圖1所示，動態(tài)數(shù)據(jù)檢測結(jié)構(gòu)主要包括光源4、第一個光電轉(zhuǎn)換模塊5、第二個光電轉(zhuǎn)換模塊6、數(shù)據(jù)采集模塊10、數(shù)據(jù)處理模塊11、第一個分路器7、第二個分路器8和第三個分路器9，左傳感器組通過光纖和動態(tài)數(shù)據(jù)檢測結(jié)構(gòu)中的第三個分路器9連接，第三個分路器9的出口端和第二個光電轉(zhuǎn)換模塊6連接，右傳感器組通過光纖和動態(tài)數(shù)據(jù)檢測結(jié)構(gòu)中的第一個分路器7，第一個分路器7的出口端和第一個光電轉(zhuǎn)換模塊5連接，光源3和第二個分路器8連接，第二個分路器8的一個輸出端和第一個分路器7連接，第二個分路器8的另一個輸出端和第三個分路器9連接，第一個光電轉(zhuǎn)換模塊5和第二個光電轉(zhuǎn)換模塊6的輸出端都和數(shù)據(jù)采集模塊10連接，數(shù)據(jù)采集模塊10和數(shù)據(jù)處理模塊11連接。
如前所述的梁式光纖光柵動態(tài)稱重系統(tǒng)，其特征在于所述第二個光纖光柵壓縮應(yīng)變傳感器15附著在應(yīng)變梁3的上表面，方向和應(yīng)變梁3的軸向平行，第二個光纖光柵拉伸應(yīng)變傳感器16附著在應(yīng)變梁3的下表面，方向和應(yīng)變梁3的軸向平行，第二個匹配光纖光柵17附著在應(yīng)變梁3的側(cè)表面，方向和應(yīng)變梁3的軸向垂直。
如前所述的梁式光纖光柵動態(tài)稱重系統(tǒng)，其特征在于所述第一個光纖光柵壓縮應(yīng)變傳感器12附著在應(yīng)變梁3的上表面，方向和應(yīng)變梁3的軸向平行，第一個光纖光柵拉伸應(yīng)變傳感器13附著在應(yīng)變梁3的下表面，方向和應(yīng)變梁3的軸向平行，第一個匹配光纖光柵14附著在應(yīng)變梁3的側(cè)表面，方向和應(yīng)變梁3的軸向垂直。
權(quán)利要求
1.一種梁式光纖光柵動態(tài)稱重系統(tǒng)，其特征在于它主要由梁式光纖光柵稱重結(jié)構(gòu)和動態(tài)數(shù)據(jù)檢測結(jié)構(gòu)組成，梁式光纖光柵稱重結(jié)構(gòu)主要包括框架式基座(1)、承重面板(2)和應(yīng)變梁(3)，承重面板(2)下設(shè)置有應(yīng)變梁(3)，應(yīng)變梁(3)兩端固定在框架式基座(1)上，左傳感器組和右傳感器組附著在應(yīng)變梁(3)上；動態(tài)數(shù)據(jù)檢測結(jié)構(gòu)主要包括光源(4)、第一個光電轉(zhuǎn)換模塊(5)、第二個光電轉(zhuǎn)換模塊(6)、數(shù)據(jù)采集模塊(10)、數(shù)據(jù)處理模塊(11)、第一個分路器(7)、第二個分路器(8)和第三個分路器(9)，左傳感器組通過光纖和動態(tài)數(shù)據(jù)檢測結(jié)構(gòu)中的第三個分路器(9)連接，第三個分路器(9)的出口端和第二個光電轉(zhuǎn)換模塊(6)連接，右傳感器組通過光纖和動態(tài)數(shù)據(jù)檢測結(jié)構(gòu)中的第一個分路器(7)，第一個分路器(7)的出口端和第一個光電轉(zhuǎn)換模塊(5)連接，光源(3)和第二個分路器(8)連接，第二個分路器(8)的一個輸出端和第一個分路器(7)連接，第二個分路器(8)的另一個輸出端和第三個分路器(9)連接，第一個光電轉(zhuǎn)換模塊(5)和第二個光電轉(zhuǎn)換模塊(6)的輸出端都和數(shù)據(jù)采集模塊(10)連接，數(shù)據(jù)采集模塊(10)和數(shù)據(jù)處理模塊(11)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的梁式光纖光柵動態(tài)稱重系統(tǒng)，其特征在于所述左傳感器組和右傳感器組為光纖光柵傳感器。
3.如權(quán)利要求1或2所述的梁式光纖光柵動態(tài)稱重系統(tǒng)，其特征在于所述右傳感器組由第二個光纖光柵壓縮應(yīng)變傳感器(15)，第二個光纖光柵拉伸應(yīng)變傳感器(16)和第二個匹配光纖光柵(17)組成。
4.如權(quán)利要求1或2所述的梁式光纖光柵動態(tài)稱重系統(tǒng)，其特征在于所述左傳感器組由第一個光纖光柵壓縮應(yīng)變傳感器(12)，第一個光纖光柵拉伸應(yīng)變傳感器(13)和第一個匹配光纖光柵(14)組成。
5.如權(quán)利要求1、2或3所述的梁式光纖光柵動態(tài)稱重系統(tǒng)，其特征在于所述第二個光纖光柵壓縮應(yīng)變傳感器(15)附著在應(yīng)變梁(3)的上表面，方向和應(yīng)變梁(3)的軸向平行。
6.如權(quán)利要求1、2或3所述的梁式光纖光柵動態(tài)稱重系統(tǒng)，其特征在于所述第二個光纖光柵拉伸應(yīng)變傳感器(16)附著在應(yīng)變梁(3)的下表面，方向和應(yīng)變梁(3)的軸向平行。
7.如權(quán)利要求1、2或3所述的梁式光纖光柵動態(tài)稱重系統(tǒng)，其特征在于所述第二個匹配光纖光柵(17)附著在應(yīng)變梁(3)的側(cè)表面，方向和應(yīng)變梁(3)的軸向垂直。
8.如權(quán)利要求1、2或4所述的梁式光纖光柵動態(tài)稱重系統(tǒng)，其特征在于所述第一個光纖光柵壓縮應(yīng)變傳感器(12)附著在應(yīng)變梁(3)的上表面，方向和應(yīng)變梁(3)的軸向平行。
9.如權(quán)利要求1、2或4所述的梁式光纖光柵動態(tài)稱重系統(tǒng)，其特征在于所述第一個光纖光柵拉伸應(yīng)變傳感器(13)附著在應(yīng)變梁(3)的下表面，方向和應(yīng)變梁(3)的軸向平行。
10.如權(quán)利要求1、2或4所述的梁式光纖光柵動態(tài)稱重系統(tǒng)，其特征在于所述第一個匹配光纖光柵(14)附著在應(yīng)變梁(3)的側(cè)表面，方向和應(yīng)變梁(3)的軸向垂直。
全文摘要
一種梁式光纖光柵動態(tài)稱重系統(tǒng)，主要由梁式光纖光柵稱重結(jié)構(gòu)和動態(tài)數(shù)據(jù)檢測結(jié)構(gòu)組成，梁式光纖光柵稱重結(jié)構(gòu)主要包括框架式基座1、承重面板2和應(yīng)變梁3，承重面板2下設(shè)置有應(yīng)變梁3，應(yīng)變梁3兩端固定在框架式基座1上，左傳感器組和右傳感器組附著在應(yīng)變梁3上；動態(tài)數(shù)據(jù)檢測結(jié)構(gòu)主要包括光源4、第一個光電轉(zhuǎn)換模塊5、第二個光電轉(zhuǎn)換模塊6、數(shù)據(jù)采集模塊10、數(shù)據(jù)處理模塊11、第一個分路器7、第二個分路器8和第三個分路器9。本發(fā)明的目的是利用梁式結(jié)構(gòu)提供一種結(jié)構(gòu)簡明、抗干擾能力強、長期穩(wěn)定性好的動態(tài)稱重結(jié)構(gòu)。
文檔編號G01G3/00GK1873386SQ20061001951
公開日2006年12月6日 申請日期2006年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月30日
發(fā)明者姜德生, 李維來, 范典, 張東生, 王立新, 許儒泉, 李微 申請人:武漢理工大學(xué)