基于光纖 Bragg 光柵傳感器的車輛載重動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的初步開發(fā)

我國(guó)公路建設(shè)近年來取得了舉世矚目的成就，但是車輛超載現(xiàn)象對(duì)于道路和橋梁安全造成嚴(yán)重威脅，也給交通安全埋下隱患。目前，國(guó)內(nèi)車輛稱重系統(tǒng)多為人工靜態(tài)檢測(cè)，檢測(cè)效率低，漏檢現(xiàn)象嚴(yán)重。研究開發(fā)高效、精準(zhǔn)、性能優(yōu)良的車輛載重檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)改善這一現(xiàn)狀有重要意義。本文基于對(duì)光纖 Bragg 光柵傳感器的分析與研究，構(gòu)建了一套車輛載重動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，車輛無需停車即可完成檢測(cè)。

1  引 言

道路養(yǎng)護(hù)、橋梁安全和運(yùn)輸安全與車輛載重息息相關(guān)，超載是近年來較為突出的公路運(yùn)輸問題。 根據(jù)調(diào)查，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的車輛載重檢測(cè)系統(tǒng)多為人工靜態(tài)檢測(cè)，極易造成擁堵、限速、避檢等問題，不僅浪費(fèi)了大量的人力物力財(cái)力，而且大大降低了道路運(yùn)輸效率。 本文提出一種車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，車輛無需停車即可完成檢測(cè)， 可有效避免因大量車輛等待檢測(cè)而帶來的擁堵和低效問題；同時(shí)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的引入，有效實(shí)現(xiàn)全天候檢測(cè)，避免漏檢、避檢現(xiàn)象，將極大提高現(xiàn)代交通管理效率。

2 .國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展動(dòng)態(tài)

武漢理工大學(xué)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(shí)驗(yàn)，測(cè)得施加于傳感器上的載荷，說明此種光柵可以用于應(yīng)力檢測(cè)。

2013 年，哈爾濱師范大學(xué)研究人員設(shè)計(jì)了一款“車輛載重檢測(cè)報(bào)警裝置”， 但是并沒有完成動(dòng)態(tài)檢測(cè)的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，傳感器選用壓力傳感器，在很大程度上仍受環(huán)境的制約和影響。

目前， 國(guó)內(nèi)外車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的研究和開發(fā)以美國(guó)和德國(guó)水平較高，國(guó)內(nèi)研究起步較晚，且世界上目前的測(cè)量系統(tǒng)基本依賴于傳統(tǒng)的電學(xué)量測(cè)量等方法， 易受環(huán)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(yán)重影響了測(cè)量的精度，不滿足交通管理的現(xiàn)代化需求。

因此， 基于新型材料的車輛載重動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外尚處于有待開發(fā)和研究的階段，是一個(gè)熱點(diǎn)研究方向。

3. 基于光纖 Bragg 光柵傳感器的車輛載重動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)

光纖 Bragg 光柵是應(yīng)用最為廣泛的光柵之一， 它實(shí)質(zhì)相當(dāng)于一個(gè)窄帶的濾波器，當(dāng)寬帶光在光纖中傳輸時(shí)，大部分頻段的光將會(huì)透射過去， 而只有滿足 Bragg 光柵中心波長(zhǎng)條件的波段會(huì)反射回來，即反射中心波長(zhǎng)。 任何導(dǎo)致芯層折射率或光柵周期變化的過程（如溫度和應(yīng)變）都會(huì)引起光纖中心反射波長(zhǎng)的移動(dòng)。 基于這一原理，光纖 Bragg 光柵傳感系統(tǒng)正是通過檢測(cè) Bragg 波長(zhǎng)的移動(dòng)量來間接獲取諸如應(yīng)力、 振動(dòng)、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(wěn)定性好、不易受惡劣環(huán)境影響、使用壽命長(zhǎng)，能對(duì)應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行高精度絕對(duì)測(cè)量、準(zhǔn)分布數(shù)字測(cè)量等諸多優(yōu)良性能，精確度與靈敏度極高， 不僅突破了傳統(tǒng)稱重系統(tǒng)中基于電學(xué)量測(cè)量方法的易受環(huán)境制約的影響， 也避免了干涉型傳感器對(duì)固有參考點(diǎn)的需求，因而選取這種材料制備壓力傳感器。

車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)是公路計(jì)重收費(fèi)和超載檢查的核心系統(tǒng)，只有能夠快速準(zhǔn)確完成車輛稱重的系統(tǒng)才能滿足需要。 本文設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)構(gòu)成組建包括：稱重臺(tái)、Bragg 光柵傳感器、數(shù)據(jù)采集和傳輸電路、主機(jī)，系統(tǒng)的運(yùn)行工作流程圖如圖 1。

車輛載重檢測(cè)信息管理系統(tǒng)查詢界面如圖 2 所示， 當(dāng)超過設(shè)定重量時(shí)報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警提示，并實(shí)時(shí)打印罰單。

在實(shí)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(fèi)站， 使用軸計(jì)量方法， 傳感器在地下使用；②半固定式采用數(shù)據(jù)采集和處理部分可以移動(dòng)的設(shè)計(jì)；③便攜式采用輪計(jì)量方式，便于操作人員攜帶。

4 .系統(tǒng)可擴(kuò)展性

我們?cè)O(shè)計(jì)的整套載重檢測(cè)系統(tǒng)主要是由監(jiān)控系統(tǒng)、 超限提示系統(tǒng)、超載信息管理系統(tǒng)等各個(gè)子系統(tǒng)的集成。 為提高設(shè)備的可擴(kuò)充性和集成度， 我們還為該系統(tǒng)提供豐富的外設(shè)接口，在實(shí)際使用過程中，可根據(jù)需要添加圖像抓拍系統(tǒng)、車牌識(shí)別系統(tǒng)、紅外感應(yīng)系統(tǒng)、超速監(jiān)測(cè)等諸多子系統(tǒng)，以使載重檢測(cè)系統(tǒng)具有更完善的性能。

5.結(jié)語(yǔ)

動(dòng)態(tài)載重檢測(cè)技術(shù)對(duì)于道路和橋梁管理與維護(hù)具有重要意義， 但是傳統(tǒng)的傳感器在進(jìn)行車輛載重檢測(cè)過程中存在易受干擾、重復(fù)性差等缺陷；靜態(tài)系統(tǒng)的檢測(cè)效率較低，精度不高。 為此本文通過對(duì)光纖 Bragg 光柵傳感器的深入研究，開發(fā)了一套近年來發(fā)展較快的動(dòng)態(tài)車輛載重監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 提供了一種能夠快速高效檢測(cè)車輛載重的新方案。 并且該系統(tǒng)無需改動(dòng)現(xiàn)有收費(fèi)站的基本設(shè)施，通過安裝相應(yīng)硬件即可達(dá)到目的，因此具備較高的實(shí)用價(jià)值。