基于光纤 Bragg 光栅传感器的车辆载重动态检测系统的初步开发

基于光纤 Bragg 光栅传感器的车辆载重动态检测系统的初步开发

我国公路建设近年来取得了举世瞩目的成就，但是车辆超载现象对于道路和桥梁安全造成严重威胁，也给交通安全埋下隐患。目前，国内车辆称重系统多为人工静态检测，检测效率低，漏检现象严重。研究开发高效、精准、性能优良的车辆载重检测系统，对改善这一现状有重要意义。本文基于对光纤 Bragg 光栅传感器的分析与研究，构建了一套车辆载重动态检测系统，车辆无需停车即可完成检测。

1  引 言

道路养护、桥梁安全和运输安全与车辆载重息息相关，超载是近年来较为突出的公路运输问题。 根据调查，国内现有的车辆载重检测系统多为人工静态检测，极易造成拥堵、限速、避检等问题，不仅浪费了大量的人力物力财力，而且大大降低了道路运输效率。 本文提出一种车辆动态称重系统，车辆无需停车即可完成检测， 可有效避免因大量车辆等待检测而带来的拥堵和低效问题；同时，计算机系统的引入，有效实现全天候检测，避免漏检、避检现象，将极大提高现代交通管理效率。

2 .国内外研究现状与发展动态

武汉理工大学的研究人员将三根光纤 Bragg 光栅贴在“工 ”字梁型的剪切悬臂梁式弹性体上 ，用以模拟汽车称重实验，测得施加于传感器上的载荷，说明此种光栅可以用于应力检测。

2013 年，哈尔滨师范大学研究人员设计了一款“车辆载重检测报警装置”， 但是并没有完成动态检测的系统化设计，传感器选用压力传感器，在很大程度上仍受环境的制约和影响。

目前， 国内外车辆动态称重系统的研究和开发以美国和德国水平较高，国内研究起步较晚，且世界上目前的测量系统基本依赖于传统的电学量测量等方法， 易受环境的影响和制约，存在抗电磁干扰能力差、极易受潮腐蚀等诸多问题，严重影响了测量的精度，不满足交通管理的现代化需求。

因此， 基于新型材料的车辆载重动态检测系统在国内外尚处于有待开发和研究的阶段，是一个热点研究方向。

3. 基于光纤 Bragg 光栅传感器的车辆载重动态检测系统

光纤 Bragg 光栅是应用最为广泛的光栅之一， 它实质相当于一个窄带的滤波器，当宽带光在光纤中传输时，大部分频段的光将会透射过去， 而只有满足 Bragg 光栅中心波长条件的波段会反射回来，即反射中心波长。 任何导致芯层折射率或光栅周期变化的过程（如温度和应变）都会引起光纤中心反射波长的移动。 基于这一原理，光纤 Bragg 光栅传感系统正是通过检测 Bragg 波长的移动量来间接获取诸如应力、 振动、温度、加速度等外部参量。

FBG（光纤 Bragg 光栅）具有防潮、抗噪声、防电磁干扰、稳定性好、不易受恶劣环境影响、使用寿命长，能对应力应变进行高精度绝对测量、准分布数字测量等诸多优良性能，精确度与灵敏度极高， 不仅突破了传统称重系统中基于电学量测量方法的易受环境制约的影响， 也避免了干涉型传感器对固有参考点的需求，因而选取这种材料制备压力传感器。

车辆动态称重系统是公路计重收费和超载检查的核心系统，只有能够快速准确完成车辆称重的系统才能满足需要。 本文设计的动态称重系统构成组建包括：称重台、Bragg 光栅传感器、数据采集和传输电路、主机，系统的运行工作流程图如图 1。

车辆载重检测信息管理系统查询界面如图 2 所示， 当超过设定重量时报警系统报警提示，并实时打印罚单。

在实际的使用过程中，可采用的的有以下三种方式：①固定式适用于公路收费站， 使用轴计量方法， 传感器在地下使用；②半固定式采用数据采集和处理部分可以移动的设计；③便携式采用轮计量方式，便于操作人员携带。

4 .系统可扩展性

我们设计的整套载重检测系统主要是由监控系统、 超限提示系统、超载信息管理系统等各个子系统的集成。 为提高设备的可扩充性和集成度， 我们还为该系统提供丰富的外设接口，在实际使用过程中，可根据需要添加图像抓拍系统、车牌识别系统、红外感应系统、超速监测等诸多子系统，以使载重检测系统具有更完善的性能。

5.结语

动态载重检测技术对于道路和桥梁管理与维护具有重要意义， 但是传统的传感器在进行车辆载重检测过程中存在易受干扰、重复性差等缺陷；静态系统的检测效率较低，精度不高。 为此本文通过对光纤 Bragg 光栅传感器的深入研究，开发了一套近年来发展较快的动态车辆载重监测系统， 提供了一种能够快速高效检测车辆载重的新方案。 并且该系统无需改动现有收费站的基本设施，通过安装相应硬件即可达到目的，因此具备较高的实用价值。