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1前言
動態(tài)稱重簡稱為WIM(weigh-in-motion)，是指在汽車的運動狀態(tài)下稱出汽車的重量.它是智能交通運輸系統(tǒng)的一個重要組成部分，已經引起了國內外的普遍重視，并且得到了初步應用.目前投入使用的動態(tài)稱重儀主要有壓電陶瓷式、電容式、電阻應變片式等.這些稱重儀的缺點主要有稱重誤差大、成本高、汽車允許行駛速度不高等，這些缺點限制了動態(tài)稱重儀的推廣應用.光纖光柵(fiberBragggrating簡稱FBG)傳感器是一種波長調制型傳感器,克服了強度調制型傳感器易受線路損耗和光源輸出功率波動干擾的弱點.另外，光纖光柵傳感器不受電磁干擾、靈敏度高、重復性好、重量輕、探頭尺寸小、結構緊湊、傳輸距離遠。

當FBG受到外界影響(主要是環(huán)境溫度變化和發(fā)生軸向應變)時，其有效折射率和布拉格周期都要相應發(fā)生變化，從而引起FBG中心波長的偏移.在應變和溫度變化未超出光纖材料的線性響應區(qū)時，FBG中心波長偏移可表示為⑵
Ah=Kie+KzAT    (2)
其中:AT——溫度變化量；£——軸向應變；
Ki——應變敏感系數；K2——溫度敏感系數.
可見FBG在受到軸向應變和溫度變化影響時中心波長會發(fā)生相應偏移，根據這個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中心波長對軸向應變比較敏感，要測量橫向負載一般要使用雙軸光柵⑶句.以下我們通過合理設計，使汽車的重量引起較大的FBG軸向應變，這樣就可以根據FBG中心波長的變化來確定汽車重量,即可用FBG制作汽車動態(tài)稱重儀.
2光纖加強復合材料
光纖加強復合材料'"圍(fiber-reinforcedcomposites,簡稱FRC)是把光纖鑲嵌在一些基底材料中構成的，如圖1所示.復合材料廣泛應用于潛艇、汽車發(fā)動機和民用建筑中.一般來說，復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、強度高，稱為加強材料.而相位連續(xù)的材料一般稱為基底.普通的加強材料有玻璃、碳、氧化鋁等，而基底材料有塑料、金屬等.FRC中的加強材料把基底和光纖緊緊連結在一起，承載主要的壓力及把壓力傳遞給光纖，并保護光纖不受損傷.在工程上僅使用一層FRC,結構往往太薄.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光纖加強材料結構示意圖
對于FRC,當其受到橫向壓力時，由于泊松效應,在軸向上將產生應變m.因為光纖固定在FRC內部,光纖將隨之產生軸向應變.

3利用FRC制作動態(tài)稱重儀
利用光纖光柵為傳感元件進行動態(tài)稱重,參照其它類型稱重儀,可首先對汽車一個輪軸稱重,即設計一個軸重儀，然后再結合其它技術把整個汽車重量確定下來.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.傳感器的結構如圖2所示.

圖2光纖加強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.當汽車經過WIM傳感器時，汽車輪胎的壓力將引起FRC在軸向上產生應變.FBG隨之產生軸向應變，如圖4所示.由于應變,FBG的中心波長將產生偏移.通過檢測中心波長的變化可以確定汽車某輪軸單側輪胎的重量.

圖3光纖光柵WIM原理示意圖
FBG中心波長偏移的解調，我們采用邊緣濾波法。
寬帶光源發(fā)出的光經耦合器(couple)1進入FBG,反射回來的光再次經過耦合器1被耦合器2分成兩路.第一路反射光經過一個線性邊緣濾波器,將FBG波長偏移轉變成一個光強信號，再經光探測器轉變成電信號.第二路反射光作為參考信號直接被光探測器接收.兩束信號的比值將轉變成汽車的重量.利用這種解調方法，光源、濾波器、探測器的不穩(wěn)定以及系統(tǒng)噪聲對測量造成的影響將大大減小.
4初步實驗
利用FBG和FRC組成的WIM,我們進行了初步的實驗.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過WIM傳感器.汽車行駛的速度維持在10km/h.我們目前設計的是汽車動態(tài)稱重軸重儀,且只稱量單側輪胎的重量，如圖6所示.

圖6FBG動態(tài)稱重現場實驗
實驗時我們按照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據，汽車是前輪驅動的,實驗結果如圖7所示.第三組數據前后輪信號間距比較大是因為汽車行駛速度減小了.實驗發(fā)現，系統(tǒng)的噪聲電壓為1?2mv,這樣可計算出系統(tǒng)的動態(tài)最小分辨率為10?20kg.我們設計的光纖光柵動態(tài)稱重軸重儀的稱重量程為3噸,按兩輪軸汽車計算，該稱重儀對于汽車整車稱重的量程可達12噸左右.

圖7 FBG稱重儀動態(tài)實驗記錄

5討論

我們設計的動態(tài)稱重儀已經可以測量運動汽車 的重量，但還需要在以下幾方面需要改進：首先, FBG對溫度和應變是同時敏感的.我們目前設計的 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.實用化的稱重儀必須分離 溫度對測量的影響，這是我們今后工作中一個需要 重點解決的問題.其次，動態(tài)稱重儀的精度除與傳感器的性能有關外，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處理方面的成功經驗，減小 稱重誤差,進一步提高稱量精度.最后需要指出的 是，目前我們設計的稱重儀還只能測量一個輪軸單 側輪胎的重量.要實現汽車的整車稱重，還要在軟、 硬件方面做大量工作.
6結論
通過理論分析和初步實驗可以看出，基于光纖加強復合材料和光纖光柵的動態(tài)稱重儀是完全可行的.它的精度比較高，預期使用壽命長.采用波分復用技術，可以同時對多個車道進行動態(tài)稱重,這樣設計的系統(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.同時要最終實現FBG動態(tài)稱重儀的實用化還需要完成大量的工作.

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