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1前言
動(dòng)態(tài)稱重簡(jiǎn)稱為WIM(weigh-in-motion)，是指在汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下稱出汽車的重量.它是智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外的普遍重視，并且得到了初步應(yīng)用.目前投入使用的動(dòng)態(tài)稱重儀主要有壓電陶瓷式、電容式、電阻應(yīng)變片式等.這些稱重儀的缺點(diǎn)主要有稱重誤差大、成本高、汽車允許行駛速度不高等，這些缺點(diǎn)限制了動(dòng)態(tài)稱重儀的推廣應(yīng)用.光纖光柵(fiberBragggrating簡(jiǎn)稱FBG)傳感器是一種波長(zhǎng)調(diào)制型傳感器,克服了強(qiáng)度調(diào)制型傳感器易受線路損耗和光源輸出功率波動(dòng)干擾的弱點(diǎn).另外，光纖光柵傳感器不受電磁干擾、靈敏度高、重復(fù)性好、重量輕、探頭尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、傳輸距離遠(yuǎn)。

當(dāng)FBG受到外界影響(主要是環(huán)境溫度變化和發(fā)生軸向應(yīng)變)時(shí)，其有效折射率和布拉格周期都要相應(yīng)發(fā)生變化，從而引起FBG中心波長(zhǎng)的偏移.在應(yīng)變和溫度變化未超出光纖材料的線性響應(yīng)區(qū)時(shí)，F(xiàn)BG中心波長(zhǎng)偏移可表示為⑵
Ah=Kie+KzAT    (2)
其中:AT——溫度變化量；£——軸向應(yīng)變；
Ki——應(yīng)變敏感系數(shù)；K2——溫度敏感系數(shù).
可見FBG在受到軸向應(yīng)變和溫度變化影響時(shí)中心波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生相應(yīng)偏移，根據(jù)這個(gè)偏移可推知外界影響因素的情況,這就是FBG用來制作傳感器的基本原理.一般來說FBG中心波長(zhǎng)對(duì)軸向應(yīng)變比較敏感，要測(cè)量橫向負(fù)載一般要使用雙軸光柵⑶句.以下我們通過合理設(shè)計(jì)，使汽車的重量引起較大的FBG軸向應(yīng)變，這樣就可以根據(jù)FBG中心波長(zhǎng)的變化來確定汽車重量,即可用FBG制作汽車動(dòng)態(tài)稱重儀.
2光纖加強(qiáng)復(fù)合材料
光纖加強(qiáng)復(fù)合材料'"圍(fiber-reinforcedcomposites,簡(jiǎn)稱FRC)是把光纖鑲嵌在一些基底材料中構(gòu)成的，如圖1所示.復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于潛艇、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和民用建筑中.一般來說，復(fù)合材料是由嵌入在相位連續(xù)(continuousphase)材料中的一種或幾種相位不連續(xù)(discontinuousphase)的材料組成的.相位不連續(xù)的材料，一般硬度大、強(qiáng)度高，稱為加強(qiáng)材料.而相位連續(xù)的材料一般稱為基底.普通的加強(qiáng)材料有玻璃、碳、氧化鋁等，而基底材料有塑料、金屬等.FRC中的加強(qiáng)材料把基底和光纖緊緊連結(jié)在一起，承載主要的壓力及把壓力傳遞給光纖，并保護(hù)光纖不受損傷.在工程上僅使用一層FRC,結(jié)構(gòu)往往太薄.一般都是把幾層這樣的材料疊放在一起使用.其平行于光纖的方向稱為FRC的軸向，而垂直于光纖的方向稱為FRC的橫向.

圖1光纖加強(qiáng)材料結(jié)構(gòu)示意圖
對(duì)于FRC,當(dāng)其受到橫向壓力時(shí)，由于泊松效應(yīng),在軸向上將產(chǎn)生應(yīng)變m.因?yàn)楣饫w固定在FRC內(nèi)部,光纖將隨之產(chǎn)生軸向應(yīng)變.

3利用FRC制作動(dòng)態(tài)稱重儀
利用光纖光柵為傳感元件進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱重,參照其它類型稱重儀,可首先對(duì)汽車一個(gè)輪軸稱重,即設(shè)計(jì)一個(gè)軸重儀，然后再結(jié)合其它技術(shù)把整個(gè)汽車重量確定下來.我們利用FRC和光纖光柵(FBG)組成傳感器,FBG刻在各向異性的FRC中的軸向光纖上.傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2光纖加強(qiáng)材料和光纖光柵組成的傳感器
由FRC和FBG組成的WIM系統(tǒng)的基本原理如圖3所示.當(dāng)汽車經(jīng)過WIM傳感器時(shí)，汽車輪胎的壓力將引起FRC在軸向上產(chǎn)生應(yīng)變.FBG隨之產(chǎn)生軸向應(yīng)變，如圖4所示.由于應(yīng)變,FBG的中心波長(zhǎng)將產(chǎn)生偏移.通過檢測(cè)中心波長(zhǎng)的變化可以確定汽車某輪軸單側(cè)輪胎的重量.

圖3光纖光柵WIM原理示意圖
FBG中心波長(zhǎng)偏移的解調(diào)，我們采用邊緣濾波法。
寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)耦合器(couple)1進(jìn)入FBG,反射回來的光再次經(jīng)過耦合器1被耦合器2分成兩路.第一路反射光經(jīng)過一個(gè)線性邊緣濾波器,將FBG波長(zhǎng)偏移轉(zhuǎn)變成一個(gè)光強(qiáng)信號(hào)，再經(jīng)光探測(cè)器轉(zhuǎn)變成電信號(hào).第二路反射光作為參考信號(hào)直接被光探測(cè)器接收.兩束信號(hào)的比值將轉(zhuǎn)變成汽車的重量.利用這種解調(diào)方法，光源、濾波器、探測(cè)器的不穩(wěn)定以及系統(tǒng)噪聲對(duì)測(cè)量造成的影響將大大減小.
4初步實(shí)驗(yàn)
利用FBG和FRC組成的WIM,我們進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn).我們把傳感器粘貼在一塊鋼板上，然后固定在道路上.一輛重約1噸的輕型汽車的前輪和后輪分別經(jīng)過WIM傳感器.汽車行駛的速度維持在10km/h.我們目前設(shè)計(jì)的是汽車動(dòng)態(tài)稱重軸重儀,且只稱量單側(cè)輪胎的重量，如圖6所示.

圖6FBG動(dòng)態(tài)稱重現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)時(shí)我們按照F-R-R-F-F-R(F代表前輪,R代表后輪)的順序記錄了三組數(shù)據(jù)，汽車是前輪驅(qū)動(dòng)的,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示.第三組數(shù)據(jù)前后輪信號(hào)間距比較大是因?yàn)槠囆旭偹俣葴p小了.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的噪聲電壓為1?2mv,這樣可計(jì)算出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)最小分辨率為10?20kg.我們?cè)O(shè)計(jì)的光纖光柵動(dòng)態(tài)稱重軸重儀的稱重量程為3噸,按兩輪軸汽車計(jì)算，該稱重儀對(duì)于汽車整車稱重的量程可達(dá)12噸左右.

圖7 FBG稱重儀動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)記錄

5討論

我們?cè)O(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)稱重儀已經(jīng)可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)汽車 的重量，但還需要在以下幾方面需要改進(jìn)：首先, FBG對(duì)溫度和應(yīng)變是同時(shí)敏感的.我們目前設(shè)計(jì)的 稱重儀沒有考慮溫度的影響，因而只能在溫度基本 保持恒定的環(huán)境中使用.實(shí)用化的稱重儀必須分離 溫度對(duì)測(cè)量的影響，這是我們今后工作中一個(gè)需要 重點(diǎn)解決的問題.其次，動(dòng)態(tài)稱重儀的精度除與傳感器的性能有關(guān)外，還受汽車行駛速度、路面狀況、稱 重儀的安裝等許多因素影響.今后的工作中我們要 借鑒其它稱重儀在信號(hào)處理方面的成功經(jīng)驗(yàn)，減小 稱重誤差,進(jìn)一步提高稱量精度.最后需要指出的 是，目前我們?cè)O(shè)計(jì)的稱重儀還只能測(cè)量一個(gè)輪軸單 側(cè)輪胎的重量.要實(shí)現(xiàn)汽車的整車稱重，還要在軟、 硬件方面做大量工作.
6結(jié)論
通過理論分析和初步實(shí)驗(yàn)可以看出，基于光纖加強(qiáng)復(fù)合材料和光纖光柵的動(dòng)態(tài)稱重儀是完全可行的.它的精度比較高，預(yù)期使用壽命長(zhǎng).采用波分復(fù)用技術(shù)，可以同時(shí)對(duì)多個(gè)車道進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱重,這樣設(shè)計(jì)的系統(tǒng)其成本將大大降低，有望低于目前使用的其它類型的稱重儀.同時(shí)要最終實(shí)現(xiàn)FBG動(dòng)態(tài)稱重儀的實(shí)用化還需要完成大量的工作.

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