基于光纖光柵的高速公路車輛檢測系統(tǒng)研究

劉志英

（山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心（有限公司），山西 太原 030032）

0 引言

光纖光柵傳感技術(shù)是目前國內(nèi)研究的熱點之一。其中FBG傳感器具有靈敏度高、可靠性好、在一根光纖內(nèi)可實現(xiàn)多點測量的優(yōu)勢。利用光纖光柵對溫度、應變敏感的特性，通過對傳感器進行不同的設(shè)計和封裝，能夠使光纖光柵產(chǎn)生軸向形變的物理量，光纖光柵傳感技術(shù)可以測量各種物理參數(shù)，例如溫度、應變、壓力、位移、加速度等。

我國目前公路、鐵路、地鐵等橋梁隧道眾多，如果沒有一套完整的、科學的健康監(jiān)測技術(shù)幫助維護人員進行分析，判斷安全隱患，那安全問題將非常嚴峻。因此，為了確保建筑結(jié)構(gòu)安全，對橋梁、隧道、大壩、鋼結(jié)構(gòu)建筑、礦井、邊坡以及其他大型土木工程均有必要實施健康監(jiān)測[1]。

目前，車輛檢測技術(shù)具有很多種類別，具有不同的技術(shù)特點，相比傳統(tǒng)的車輛檢測技術(shù)，光纖光柵傳感技術(shù)是一種新型的光纖傳感技術(shù)，其是利用光柵的波長與溫度、應力等物理量在一定范圍內(nèi)成線性關(guān)系的變化來做成各類傳感器。光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾、高精度、高靈敏度、防水、抗腐蝕以及耐久性長等特點，傳感器體積小、重量輕，便于鋪設(shè)安裝，將其植入監(jiān)測對象中不存在匹配的問題，對監(jiān)測對象的性能和力學參數(shù)等影響較小，適合大面積、長距離，多種類綜合性的實時在線監(jiān)測，是目前最先進的結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)，而且基于光纖光柵的車輛檢測系統(tǒng)具有測量精確度高、反應靈敏和性能穩(wěn)定等優(yōu)點[2]。

1 光纖光柵測量原理

光纖光柵的測量原理就是拉伸或壓縮光纖光柵，或者改變溫度等其他物理量，來改變光纖光柵的周期L和有效折射率neff，從而達到改變光纖光柵的反射波長λB的目的。而且光纖光柵的中心波長的變化量和應變、溫度的變化量成線性關(guān)系。

根據(jù)這樣的特性，可將光纖光柵制作成應變、溫度、壓力、加速度、位移等多種傳感器。光纖光柵信號處理器用于實時采集各光纖光柵傳感器的波長值，通過光柵傳感器波長變化量的大小推算出相應物理量（溫度、應力等）的改變大小。這樣就實現(xiàn)了物理量傳感檢測的目的。

圖1 基于光纖光柵的車輛檢測系統(tǒng)

2 基于光纖光柵的車輛檢測系統(tǒng)

基于光纖光柵的車輛檢測系統(tǒng)由波長解調(diào)模塊、普通單模光纜、內(nèi)置有光纖光柵的測量區(qū)域、數(shù)據(jù)存儲服務器、車輛檢測系統(tǒng)控制軟件組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1中1是波長解調(diào)模塊，用于發(fā)射寬帶光源，同時接收由普通單模光纜中反射回來的不同的偏移波長，通過中心波長的偏移量來解調(diào)相應的測量物理量，通過記錄不同光纖光柵傳感器的位置信息、波長偏移信息和偏移信息發(fā)生的時間來計算車輛運行參數(shù)。2和3是串有光纖光柵的普通單模光纜，用于傳輸光能量，將反射的光纖光柵偏移波長反射回波長解調(diào)模塊。4是安裝了光纖光柵傳感器的測量區(qū)域，4中光纖光柵內(nèi)置傳感器如圖1位置所示，利用光纖光柵矩陣所測得的應變值分布及其時間信息，可得到行駛車輛的信息。當沒有車輛經(jīng)過時，反射回的中心波長值固定不變，為最初的光纖光柵初始值，當有車輛經(jīng)過時，部分位置光纖光柵傳感器的中心波長發(fā)生偏移，通過光纖光柵傳感器中心波長的偏移量、變化時間差和變化位置，最終可得出待測車輛的車速、車重、車型和軸距等相關(guān)信息[3]。5是數(shù)據(jù)存儲服務器，可以實時存儲測量區(qū)域全傳感器應力值。6是車輛檢測系統(tǒng)控制軟件，主要用于數(shù)據(jù)分析、軌跡擬合、數(shù)值計算和特征值提取。

3 車輛信息檢測實例分析

3.1 車輛檢測系統(tǒng)實例簡述

該文通過實例簡述主要模擬車輛檢測系統(tǒng)的基本工作流程，圖2為基于光纖光柵車輛信息采集系統(tǒng)模擬運行圖，其中M為待測車輛，圓形區(qū)域為其幾何中心，M1～M4為待測車輛輪胎，A區(qū)域為內(nèi)置有光纖光柵的測量區(qū)域，當車輛未進入時，A區(qū)域內(nèi)光纖光柵波長未偏移，應變值信息均為0，數(shù)據(jù)存儲服務器處于實時待命狀態(tài)。當有車輛通過時，部分傳感器檢測到應力值，并同步觸發(fā)數(shù)據(jù)存儲服務器進行實時存儲，且每經(jīng)過一次標準時間段進行一次全矩陣應變值存儲，當車輛完全駛離即多次標準時間段內(nèi)全矩陣應變值均為0時，數(shù)據(jù)存儲服務器回答待命狀態(tài)，一次車輛檢測結(jié)束。

3.2 車輛檢測系統(tǒng)實例模擬

當車輛M開始進入A區(qū)域時，部分光纖光柵傳感器應力值變化，在T1、T2時刻，車輛M幾何中心分別到達圖3中所示位置，且此時車輛均已完全進入測量區(qū)域， L為時間車輛M 2次中心位置變化距離，M3與M4距離為L1，M4與M1距離為L2。車輛M的車輪M3和M4均作用于2個光纖光柵傳感器，根據(jù)2個傳感器的物理位置及應力大小分布，可以得出M3和M4的幾何中心，并可得出M3與M4距離L1，同理可得出M4與M1距離L2，其中L1為車寬， L2為車輛軸距，平行的數(shù)據(jù)數(shù)量即為軸數(shù)。當行駛距離L較短時，車輛運行可視為直線勻速行駛，即可得出車速為

多種標準車輛（不同重量不同軸距軸數(shù)）通過測量區(qū)域，多次試驗后可得到車重與車型特征（軸距軸數(shù)）、應力值分布范圍一一對應的關(guān)系圖，可根據(jù)實時的應力值及車輛特征信息得出待測車輛重量。

圖2 基于光纖光柵車輛信息采集系統(tǒng)模擬運行圖

圖3 車輛駛?cè)雰?nèi)置有光纖光柵測量區(qū)域示意圖

3.3 車輛檢測系統(tǒng)實例擴展

根據(jù)以上實例可對系統(tǒng)進行擴展，不同車型、不同車速的標準車輛通過檢測區(qū)域，且同一車輛重復進行多次采樣，最終形成各種標準車型不同速度的特征檢測數(shù)據(jù)庫，這些特征檢測數(shù)據(jù)可確定每一類車發(fā)生變化的傳感器位置、擬合車輛及輪組幾何中心位置和全周期運行軌跡。

當待測目標車輛通過檢測區(qū)域，先對該車輛全時段內(nèi)的全部傳感器應力值進行采集，初步分析得出車重、車輪數(shù)、軸距等特征信息，判斷確定其車型，通過與標準特征檢測數(shù)據(jù)庫進行詳細比對，反向校準檢測參數(shù)。對于單次車速檢測，可通過多實例重復擬合方法，取多組T1、T2時刻進行車速測量計算，使平均車速更精確、更接近真實值?？赏ㄟ^豐富標準的車輛特征數(shù)據(jù)庫和增加單位檢測區(qū)域光纖光柵傳感器數(shù)量等方法，提高車輛檢測系統(tǒng)的檢測精度，減少系統(tǒng)誤差。

4 結(jié)論

基于光纖光柵的車輛檢測系統(tǒng)加入了一個內(nèi)置有光纖光柵傳感器的測量區(qū)域，其內(nèi)部的光纖光柵傳感器由兩路光纖串聯(lián)而成，以矩陣排列的形式分布，通過光纖光柵傳感器中心波長偏移值、偏移值產(chǎn)生的位置和產(chǎn)生的時間差等信息，可得出行駛車輛的相關(guān)特征參數(shù)，利用標準檢測數(shù)據(jù)庫可對檢測數(shù)據(jù)進行校準和優(yōu)化，與傳統(tǒng)的測量技術(shù)相比具有測量精確度高、反應靈敏和性能穩(wěn)定的優(yōu)點。