本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及高速公路及鐵路等稱(chēng)重領(lǐng)域。涉及一種基于伸縮桿結(jié)構(gòu)的光纖光柵多級(jí)稱(chēng)重傳感器。

背景技術(shù)：

目前，高速公路上國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的計(jì)重設(shè)備按照傳感原理可分為：稱(chēng)臺(tái)式、彎板式、石英式、薄板式計(jì)重設(shè)備。這些計(jì)重設(shè)備存在著諸多不足之處，如稱(chēng)臺(tái)式安裝及后期維護(hù)復(fù)雜、受環(huán)境影響大、易受電磁干擾；石英式計(jì)重設(shè)備在車(chē)輛低速行駛時(shí)的測(cè)量誤差較大；彎板式計(jì)重設(shè)備溫度漂移大，受氣候、季節(jié)影響明顯，冬夏更替時(shí)需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定等。且這些計(jì)重設(shè)備基本都依賴(lài)于傳統(tǒng)的電學(xué)量測(cè)量方法，所測(cè)數(shù)據(jù)受電磁干擾影響較大。

光纖光柵傳感器以其體積小、重量輕、耐腐蝕、抗電磁干擾能力強(qiáng)、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)成為高速公路計(jì)重領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在眾多光纖光柵解調(diào)方案中，光強(qiáng)解調(diào)以其光路簡(jiǎn)單、傳感器易于鋪設(shè),輸出信號(hào)易于檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于實(shí)際檢測(cè)中。但常用的光強(qiáng)解調(diào)方案受光纖光柵反射光譜帶寬較小，導(dǎo)致其測(cè)量范圍較小。傳統(tǒng)方法為擴(kuò)大測(cè)量范圍而將懸臂梁的厚度設(shè)計(jì)的較大，這種方法實(shí)際上降低了傳感器的分辨力，不適合實(shí)際使用。

falciair和tronoc采用一種彎梁結(jié)構(gòu)，在其上下表面粘貼光纖光柵，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)拇髴?yīng)變測(cè)量，該大應(yīng)變基于兩點(diǎn)之間距離的變化。微動(dòng)可調(diào)平移臺(tái)的位移達(dá)到14mm(基長(zhǎng)190mm)，8mm(基長(zhǎng)150mm)，相當(dāng)于7％和5％的應(yīng)變。但是這種彎梁結(jié)構(gòu)光柵工作范圍過(guò)大，不利于解調(diào)，也不利于復(fù)用，該裝置不易實(shí)用化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有光纖光柵稱(chēng)重系統(tǒng)測(cè)量范圍小或測(cè)量分辨力不足的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于伸縮桿結(jié)構(gòu)的光纖光柵多級(jí)稱(chēng)重傳感器。該傳感器設(shè)計(jì)為多級(jí)結(jié)構(gòu)，目前設(shè)計(jì)為四級(jí)，各級(jí)懸臂梁分別以一定高度差設(shè)置箱體四壁，隨載荷質(zhì)量增大，四級(jí)懸臂梁分別工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)大載荷的多級(jí)測(cè)量，可擴(kuò)大測(cè)量范圍，并保證傳感器的分辨力。在各級(jí)懸臂梁下方設(shè)置限位桿，避免各級(jí)懸臂梁過(guò)載。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出一種基于伸縮桿結(jié)構(gòu)的光纖光柵多級(jí)稱(chēng)重傳感器，該傳感器包括：光源、光分路器、光功率計(jì)、雙光纖光柵強(qiáng)度解調(diào)光路和多級(jí)傳感箱體結(jié)構(gòu)，所述光源經(jīng)過(guò)光分路器，分別送給雙光纖光柵強(qiáng)度解調(diào)光路，輸出信號(hào)為光強(qiáng)，通過(guò)光功率計(jì)顯示讀數(shù)；多級(jí)傳感箱體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括頂部稱(chēng)重板、懸臂梁、懸臂梁位置調(diào)節(jié)孔、限位桿、懸臂梁緊固件、支撐彈簧和伸縮桿；頂部稱(chēng)重板上部承受載荷，頂部稱(chēng)重板下部邊緣通過(guò)支撐彈簧固定設(shè)置于多級(jí)傳感箱體結(jié)構(gòu)頂部；懸臂梁為一級(jí)以上，每一級(jí)懸臂梁分別通過(guò)懸臂梁緊固件固定于多級(jí)傳感箱體結(jié)構(gòu)的設(shè)有懸臂梁位置調(diào)節(jié)孔的不同壁面上，開(kāi)設(shè)懸臂梁位置調(diào)節(jié)孔便于傳感器調(diào)試；各級(jí)懸臂梁之間的高度差為3.0mm～3.4mm，在該范圍內(nèi)，所述傳感器輸出光強(qiáng)相對(duì)變化量擬合曲線(xiàn)線(xiàn)性度較高。頂部稱(chēng)重板下部設(shè)有伸縮桿，伸縮桿與懸臂梁一一對(duì)應(yīng)，并通過(guò)伸縮作用于懸臂梁；多級(jí)傳感箱體結(jié)構(gòu)底部設(shè)有限位桿，限位桿與懸臂梁一一對(duì)應(yīng)，懸臂梁與所對(duì)應(yīng)限位桿之間的高度差大于與之相鄰級(jí)懸臂梁之間的高度差，同時(shí)小于該懸臂梁的撓度極限，用于防止懸臂梁過(guò)載；

所述雙光纖光柵強(qiáng)度解調(diào)光路為采用雙光纖光柵強(qiáng)度解調(diào)方式，每級(jí)懸臂梁上、下表面各粘貼一光纖光柵，上、下光纖光柵利用耦合器串聯(lián)連接，上光纖光柵輸出反射光作為下光纖光柵光源，輸出信號(hào)為光強(qiáng)度信號(hào)。施加載荷后，懸臂梁受力形變，上光纖光柵被拉伸，下光纖光柵被擠壓，二者反射功率譜分別向相反方向移動(dòng)，進(jìn)入光功率計(jì)光強(qiáng)信號(hào)發(fā)生變化從而進(jìn)行解調(diào)。

上述方案中，伸縮桿包括復(fù)位彈簧固定磁鐵，復(fù)位彈簧，外桿，限位彈簧，內(nèi)桿，套筒，凹槽，限位小球，導(dǎo)軌，外桿內(nèi)部設(shè)置復(fù)位彈簧固定磁鐵，并用粘合固定，復(fù)位彈簧固定磁鐵中間開(kāi)有圓形凹槽，復(fù)位彈簧固定端至于凹槽內(nèi)部，與復(fù)位彈簧固定磁鐵吸合并粘合固定；限位彈簧與內(nèi)桿膠粘連接，外桿內(nèi)壁開(kāi)有導(dǎo)軌及凹槽，內(nèi)桿置于外桿內(nèi)，限位小球位于凹槽內(nèi)，套筒位于外桿末端。該桿具有伸縮功能，當(dāng)只有懸臂梁作用于伸縮桿時(shí)，伸縮桿受力較小，限位小球卡在凹槽中，內(nèi)外桿相對(duì)位置鎖定，當(dāng)懸臂梁形變接觸到限位桿處時(shí)，伸縮桿受力較大，限位小球從限位孔中彈出，進(jìn)入導(dǎo)軌，伸縮桿自動(dòng)收縮。

上述方案中，多級(jí)傳感箱體結(jié)構(gòu)的密封方式為膠封方式。

進(jìn)一步地，所述的懸臂梁為等強(qiáng)度梁，懸臂梁級(jí)數(shù)為四級(jí)，分別安裝于箱體四壁。

進(jìn)一步地，所述懸臂梁緊固件開(kāi)有通孔及保護(hù)墊圈，便于光纖光柵放置和保護(hù)。

本發(fā)明的有益效果為：

1)本發(fā)明提出的基于伸縮桿結(jié)構(gòu)的光纖光柵多級(jí)稱(chēng)重傳感器，可實(shí)現(xiàn)多級(jí)傳感，載荷質(zhì)量不同時(shí)，相應(yīng)級(jí)別傳感結(jié)構(gòu)進(jìn)入工作狀態(tài)，測(cè)量范圍大。

2)本發(fā)明提出的基于伸縮桿結(jié)構(gòu)的光纖光柵多級(jí)稱(chēng)重傳感器，當(dāng)達(dá)到傳感結(jié)構(gòu)工作量程上限時(shí)，限位桿可保護(hù)懸臂梁不過(guò)載，多級(jí)系統(tǒng)分別工作，使用壽命長(zhǎng)。

3)本發(fā)明提出的基于伸縮桿結(jié)構(gòu)的光纖光柵多級(jí)稱(chēng)重傳感器，采用雙光纖光柵強(qiáng)度解調(diào)方式，輸出信號(hào)為光強(qiáng)信號(hào)，易于處理；且雙光纖光柵粘貼于懸臂梁上下兩表面，溫度漂移使兩光纖光柵中心反射波長(zhǎng)向相同方向漂移，輸出光強(qiáng)度大小基本不變，此解調(diào)方式可減小溫度漂移對(duì)傳感器的影響。

4)本發(fā)明提出的基于伸縮桿結(jié)構(gòu)的光纖光柵多級(jí)稱(chēng)重傳感器，結(jié)構(gòu)緊湊，僅用一個(gè)光源，易于多路復(fù)用。

附圖說(shuō)明

圖1為基于伸縮桿結(jié)構(gòu)的光纖光柵多級(jí)稱(chēng)重傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖中序號(hào)如下：1光源；2光分路器；3載荷；4多級(jí)傳感箱體結(jié)構(gòu)；5光功率計(jì)；6雙光纖光柵強(qiáng)度解調(diào)光路。

圖2為傳感器箱體結(jié)構(gòu)圖。其中，圖中序號(hào)如下:4-1頂部稱(chēng)重板；4-2支撐彈簧；4-3懸臂梁位置調(diào)節(jié)孔；4-4懸臂梁緊固件；4-5限位桿；4-6懸臂梁；4-7伸縮桿。

圖3為雙光纖光柵強(qiáng)度解調(diào)光路圖。其中，圖中序號(hào)如下：6-1耦合器；6-2上光纖光柵；6-3下光纖光柵；6-4匹配液。

圖4為伸縮桿結(jié)構(gòu)圖。其中，圖中序號(hào)如下:復(fù)位彈簧固定磁鐵4-7-1，復(fù)位彈簧4-7-2，外桿4-7-3，限位彈簧4-7-4，內(nèi)桿4-7-5，套筒4-7-6，凹槽4-7-7，限位小球4-7-8，導(dǎo)軌4-7-9。

圖5為第一級(jí)傳感系統(tǒng)相對(duì)光強(qiáng)改變與施加載荷關(guān)系及其擬合曲線(xiàn)。

圖6為傳感器各級(jí)載荷響應(yīng)曲線(xiàn)。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、原理以及優(yōu)化過(guò)程作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

(1)工作時(shí)上方稱(chēng)重板4-1受載荷重力作用向下運(yùn)動(dòng)，與之相連的伸縮桿4-7隨之運(yùn)動(dòng)。伸縮桿4-7最初處于鎖定狀態(tài)，頂在第一級(jí)懸臂梁4-6上，使其形變，粘貼于第一級(jí)懸臂梁上的光纖光柵反射光譜發(fā)生移動(dòng)，經(jīng)過(guò)解調(diào)光路解調(diào)，可計(jì)算出載荷質(zhì)量。

由于各懸臂梁之間高度相差一定距離，伸縮桿規(guī)格均相同，故當(dāng)載荷質(zhì)量較小時(shí)，第2、3、4級(jí)懸臂梁沒(méi)有進(jìn)入工作狀態(tài)，而當(dāng)其解調(diào)光路輸出光強(qiáng)變化超過(guò)δi0時(shí)(最小分辨力的2-3倍)，方認(rèn)為進(jìn)入工作狀態(tài)。

(2)為保證每級(jí)懸臂梁的測(cè)量曲線(xiàn)線(xiàn)性度，我們將每級(jí)線(xiàn)性測(cè)量上限標(biāo)定為懸臂梁撓度約為3mm時(shí)(懸臂梁的撓度極限為3.56mm，可根據(jù)懸臂梁實(shí)際參數(shù)計(jì)算得知)。即：相鄰兩級(jí)懸臂梁高度差約為3mm。當(dāng)載荷質(zhì)量較大時(shí)，第一級(jí)懸臂梁的線(xiàn)性測(cè)量范圍已達(dá)標(biāo)定上限δi10，此時(shí)應(yīng)使第一級(jí)懸臂梁停止工作，使第二級(jí)懸臂梁進(jìn)入工作狀態(tài)。設(shè)計(jì)各級(jí)懸臂梁下方限位桿與其高度差約為3.5mm(略大于3mm，提供一定裕量，但要小于上限3.56mm)。第一級(jí)懸臂梁向下運(yùn)動(dòng)接觸到限位桿時(shí)，使伸縮桿收縮，懸臂梁不再繼續(xù)形變，第二級(jí)懸臂梁此時(shí)已處在工作位置。實(shí)際載荷對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)改變量為第二級(jí)懸臂梁當(dāng)前光強(qiáng)改變量δi2加上第一級(jí)懸臂梁在實(shí)際設(shè)計(jì)形變上限(約3mm)時(shí)的光強(qiáng)改變量δi10(該數(shù)據(jù)可經(jīng)過(guò)標(biāo)定測(cè)得)。

(3)若測(cè)量范圍仍然不夠，則可擴(kuò)大測(cè)量范圍到第三級(jí)或第四級(jí)。

(4)當(dāng)載荷撤離測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，在復(fù)位彈簧和支撐彈簧的作用下，使伸縮桿、箱體回到初始位置。

本專(zhuān)利實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的各級(jí)等強(qiáng)度梁以有機(jī)玻璃為材料，相關(guān)參數(shù)分別為：l＝200mm，b＝40mm，h＝2mm。在各級(jí)懸臂梁高度差為3.0mm時(shí)，施加0g載荷，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，第一級(jí)傳感器輸出光強(qiáng)為i0。對(duì)傳感器施加0g-400g載荷，每次增加20g，將輸出光強(qiáng)改變量δi與i0做比值處理，繪制第一級(jí)傳感器相對(duì)光強(qiáng)改變與載荷關(guān)系曲線(xiàn)及其直線(xiàn)擬合曲線(xiàn)如圖5所示，線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)0.9956，可以看出相對(duì)光強(qiáng)改變量與輸入載荷關(guān)系曲線(xiàn)線(xiàn)性度良好。當(dāng)設(shè)置第一級(jí)懸臂梁與第二級(jí)差3.4mm時(shí)，可測(cè)范圍可達(dá)到450g，做出第一級(jí)傳感器相對(duì)光強(qiáng)改變與載荷關(guān)系曲線(xiàn)及其直線(xiàn)擬合曲線(xiàn)線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)為0.9852，非線(xiàn)性誤差相對(duì)增大。在各級(jí)高度差為3.0mm的條件下，繼續(xù)對(duì)系統(tǒng)施加載荷，每次增加20g，加至1600g，記錄每級(jí)解調(diào)光路輸出光強(qiáng)值，繪制傳感器載荷響應(yīng)曲線(xiàn)如圖6所示，各級(jí)傳感器響應(yīng)曲線(xiàn)線(xiàn)性度均大于0.99。該結(jié)果驗(yàn)證了該傳感器具有較好的載荷響應(yīng)性能，可有效擴(kuò)大測(cè)量范圍。