第２３卷第８期２０１０年８月
传感技术学报
ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＥＮＳＯＲＳＡＮＤＡＣｒＵ＾ＴＯＲＳ
Ｖ０１．２３Ｎｏ．８
Ａｕｇ．２０１０
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ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４一１６９９．２０１０．０８．０３０
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ＥＥＡＣＣ：７２３０Ｅ
基于光纤微弯传感器的汽车动态称重系统设计水
马
宾１’“，隋青美２
，１．山东政法学院信息科学技术系，济南２５００１４“＼２．山东大学控制科学与工程学院，济南２５００６１，
摘要：为解决目前汽车动态称蓖过程中存在的电磁干扰和精确度低的问题，在分析光纤微弯传感器测量原理的基础上，提出
了一种基于光纤微弯传感器的汽车动态称重系统。压力的变化引起传感光纤发生弯曲变形，产生输出损耗，通过测量输出光强的变化实现汽车重量的动态称量；设计相应的光电转换和采样放大电路，并采用小波变换对采样信号进行去噪处理。对光纤传感系统的静态响应特性进行验证表明：在０～３
０００
ｋｇ的范围内光纤传感系统具有良好的线性响应特性，灵敏度为３．８ｍＹ／ｋｇ；动
态响应实验表明：当汽车通过速度小于１５ｋｍ／ｈ时，光纤微弯动态称重系统的测量误差小于５．４％，能够满足动态称重的需要。
关键词：动态称重；微弯；光纤传感器；轴重仪；小波变换中图分类号：ＴＰ２１３
文献标识码：Ａ
文章编号：１００４—１６９９（２０１０）０８—１１９５—０６
动态称重ＷＩＭ（ｗｅｉｇｈ－ｉｎ－ｍｏｔｉｏｎ）是指在汽车运动状态下称出其重量。与停车状态下的静态称重相比，动态称重具有节省时间、效率高、称重不至于造成对正常交通的干扰等优点¨Ｊ。动态称重系统的原理各异，目前在车辆动态称重系统中比较常用的动态称重传感器主要有应变片和电类传感器。应变片称重系统是利用下方粘结有应变传感器的金属板
进行测量，这种传感器响应速度较慢，误差较大（测量准确度一般为±５％），只适合测量低速行驶时的车辆。电类传感器利用车辆轴重引起传感器输出电压（电流）的变化，测量出车辆的重量。如：Ｂ
Ｍａ－
ｚｕｒｅｋ等提出一种基于压电传感器的动态称重装置，其响应时间可达几十微秒，测量精度达到±３％［２３。
Ｍ
Ｍａｎｇｅａｓ等提出一种电容式动态称重传感器，并
项目来源：国家自然科学基金仪器专项资助（５０７２７９０４）；山东省自然科学基金资助（Ｚ２００６Ｇ０６）；济南市高校院所自主创新计
划资助（ＪＮ２００９０６０３３）。
收稿日期：２０１０—０ｌ—０４
修改日期：２０１０—０３—１ｌ
万方数据
１１９６
传感技术学报第２３卷
采用神经网络生成算法对响应信号进行处理消除噪音信号干扰ｐＪ。但大多数电类传感器，在使用过程中存在易腐蚀、适用速度范围小、易受电磁干扰、测量精度不高等问题，而且传感器体积过于庞大，安装施工以及系统维护不方便，产品价格价较高。
随着光纤传感技术的发展，光纤传感器因具有高灵敏度，抗电磁干扰，耐高温，耐腐蚀等优点而受到广泛关注。刘汉平等提出了一种基于双轴光纤光栅动态称重传感器的称重系统模型【４１；但光纤光栅传感器存在解调成本高，传感器制作复杂等问题；ｓ
Ｆ
Ｙｕａｎ等提
出了一种基于Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ干涉仪的动态称重系统”１；由于Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ干涉仪稳定性较差，易受外界干扰，也存在难以推广使用等问题。本文根据光纤微弯传感器输出损耗与横向压力的函数关系，提出一种基于光纤微弯传感器的汽车动态称重系统，光纤微弯传感器除具有光纤传感器的普遍优点外，还具有体积小巧、结构简单、成本低廉、解调方便等优点，因而研究基于光纤微弯传感器的汽车动态称重系统具有重要意义。１
测量原理
光波实际上是一种电磁波，光波在光纤中的传
播，实际上是电磁场在光纤中的传播，光纤中的模是指电磁场在光纤中的存在和传播方式。它和光纤的性能参数，如光纤的芯径大小ｒ、光纤纤芯和包层的相对折射率差△、数值孔径ＮＡ以及在光纤中传播
的光波波长Ａ等有关。通常用ｅ“一肛’表示沿光纤
的轴向前进的电磁波或光波的模ＨＪ。其中，∞是光波的角频率，口是光波的传播常数，ｚ代表光纤的轴向。光波在光纤中的传播遵从麦克斯韦方程组和光纤这样一种传输介质的边界条件，解麦克斯韦方程组所得到的特征函数就是光纤中存在的模，相对应的特征值就是传播常数口。正常情况下，光在光纤中沿轴向的传播常数口应满足∞Ｊ：
ｎ２ｋｏ＜卢＜ｎＩｋｏ
（１）
式中ＩＴ，。、疗：分别为光纤纤芯和包层的折射率，ｋｏ＝２口ｒ／Ａ。为真空中光波的波数。
在光纤不受外力影响的情况下，光在光纤内的传输模式由一组衰减的偏振模组成。当光纤弯曲时，光在弯曲部分中进行传输，要保持同相位的电场和磁场在一个平面里，则越靠近外侧，其速度就会越大；当传到某一位置时，其相速度就会超过光速，这意味着传导模要变成辐射模，光功率的一部分会损耗掉。这样，弯曲光纤中所承载的模式比直光纤中少，导致输出光强减小。
弯曲光纤的曲率半径决定了光纤承载的有效传
万方数据
导模式的数量，光能量的损耗与光纤的曲率半径有关。如图１所示，当曲率半径很大时（轻度弯曲），辐射损耗较小，一般可不予考虑；当曲率半径减小时，损耗呈指数增长。
图１
弯曲半径与损耗的关系
对阶跃型光纤进行分析表明，其衰减系数ａ。可表示为‘７｜：
ａ斥＝Ｃｌ
ｅｘｐ（一ｃ２冠）（２）
式中，尺为曲率半径，Ｃ。，ｃ２为与尺无关的常数。从公式（２）可知，当曲率半径发生变化时，输出损耗也发生改变；当Ｒ小到某一值时，损耗变化开始非常明显。对多模光纤而言，当曲率半径Ｒ超过
１０
ｍｍ，弯曲损耗非常小；当Ｒ＜５ｍｍ时，损耗的变
化开始比较明显。
２传感器设计
光纤微弯传感器是基于光纤轴向弯曲产生光强损耗而制成的全光纤传感器，它由弯曲调制器和光纤两部分构成。光纤微弯传感器的性能由弯曲周期决定，所以在应用中采片ｊ弯曲调制的方法使光纤产生周期性的弯曲。如图２所示，弯曲调制器由上、下两个齿间距为Ａ的波纹板构成，传感光纤从波纹板间通过。压力Ｆ作用于上波纹板，产生对传感光纤的微弯扰动，扰动使光纤发生弯曲，导致光纤内的传导模与辐射模之间发生耦合，传输光的一部分能量泄漏到包层中去引起光纤输出光强发生变化，通过探测传输光强的变化，可以求出扰动的大小，实现压力的测量。
图２微弯型光纤传感器结构图
在外界压力作用下，两波纹板产生相对位移使
光纤发生弯曲变形。设光纤的微弯变形函数为：
八ｆ）＝Ａ（ｔ）ｓｉｎｑｚ
（３）
式中，Ａ（ｔ）为随时间变化的幅值，即光纤微弯
第８期马宾，隋青美：基于光纤微弯传感器的汽车动态称重系统设计
１１９７
变形的幅度，受外界被测量的控制；ｚ为变形点距光纤入射端的距离；ｇ为空间频率，与波纹板齿距Ａ（即光纤的微弯周期）之间有如下关系哺Ｊ：
Ａ＝等
（４）
根据模式耦合的理论可以导出弯曲损耗系数的
一阶近似表达式归Ｊ：
ａ＝扣２㈤叫气黜１２（５）
式中，Ｋ为比例常数，￡为光纤产生微弯变形部位的长度，△口为光纤中光传播常数之差。
由式（５）可知，光纤弯曲损耗的系数Ｏｔ与光纤弯曲变形的幅度有关，光纤弯曲变形的幅度越大，模式耦合越严重，光能辐射越多，损耗越大。同时，ａ与光纤微弯变形部位的长度￡成正比，发生微弯的
部分越长，耦合越严重，损耗越大。当ｑ＝郑时，微
弯损耗最大，此时调制最灵敏，所对应的微弯周期
九称为光纤的最佳微弯周期。对于阶跃型多模光
纤，最佳微弯周期可表示为¨０｜：
小丢
（６）
式中，，为光纤纤芯半径，△为纤芯与包层之间的相对折射率差。因此，按式（４）设计微弯调制机构的空间周期，并可通过增加波纹板的齿数或变形区的长度来提高灵敏度。
将光纤粘贴在高强度、低弹性光纤加强材料上，通过光纤加强材料来调节光纤的弯曲程度，从而改变其对外界应力的响应灵敏度，同时可以有效保护光纤，延长其使用寿命。弯曲调制器的位移量与封装壳体的厚度有关，当封装外壳是厚壳体时，忽略光纤所受的轴向应力，只考虑横向应力，用于壳体的光纤加强材料的选择满足以下关系¨¨：
＾：扛磊
（７）
式中，ｈ为壳体上盖的厚度，Ｐ为所承受的压力，口为
有效半径，Ｅ为弹性模量，Ｓ为位移量。
利用多模光纤和光纤加强材料制作光纤微弯动态称重传感器。选择纤芯直径ｄ蚰＝５０ｌａ，ｍ，包层直径以。＝１２５ｌａ，ｍ，纤芯折射率，ｌ。。：１．４７２，包层折射率乃。。＝１．４５３，工作波长Ａ＝１５５０ｎｍ的阶跃型多模光纤作为传感器的敏感单元（１
５５０
ａｍ时光纤自身的能
量损耗最小，有利于降低传感系统的测量误差）。由式（２）可知，当光纤弯曲半径为１．２／ｎ／ｎ时，输出损耗与曲率变换具有良好的线性关系和灵敏度。根据式（６）可以求出波纹板的空间周期山为２．４２ｒａｉｎ，选择
万方数据
波纹板的齿数为２４组，每个微弯结构所贡献的弯曲损耗为光纤输出总损耗的１／２４，在横向应力的作用下，使每个微弯结构的形变控制在一个较小的范围内，以保证传感器的输出具有较大的输出量程和良好的线性度。设计传感器波纹板参数调节多模光纤的弯曲强度和响应灵敏度，壳体上盖半径与厚度的关系参考经验值２ａ／ｈ一１００，为防止壳体塑性变形，Ｐ的取值为最大测量值的２倍。设计传感器的最大测量值为３
０００
ｋｇ，壳体的材料选用高弹不锈钢，弹性模量
为Ｅ＝２．０×１０５ＭＰａ，波纹板的长、宽为１００ｅｍ×６０
ｅｍ，由式（７）可以求出波纹板的厚度应为２８
ｍｉｌｌ。
如图（３）所示，轮胎通过时与称重仪全面紧密接触，使传感器达到稳态响应值，有效减小测量误差。
图３光纤微弯动态称重传感器
３光路设计与信号处理
基于光纤微弯传感器的动态称重系统的结构设计如图３所示。采用深圳朗光公司生产的ＡＳＥ宽带光源，带宽在ｌ
５２５—１
５６０之间，光源功率为ｌＯｍＷ；
放大电路前端采用ＡＰ０９１７ＴＰ光电二极管，响应时间为０．３ｎ８，最大额定电流为５ｍＡ，保证测量转换电路的快速响应；Ａ／Ｄ转换模块采用研祥公司生产的ＡＤ＿ＬＩＮＫ２２０５型Ａ／Ｄ转换卡，采样速率为５００ｋＨｚ，分辨率为１２ｂｉｔ。光源发出的光，通过光纤传感器后，通过光电二极管进行采集，光电二极管光强的变化反映传感器所承受的压力的大小。光强信号经过信号转换和放大电路进入Ａ／Ｄ转换模块，送到计算机进行线性补偿和温度补偿等处理，计算出压力的变化情况。
ＡＳＥ宽带光源
微弯光纤动态光电转换与放称重传感器
大／滤波电路
计算机Ｌ，。＿一Ａ／Ｄ转换与分析与显示ｆ、‘１
信号采集
图４测量系统结构图
对制作的传感器分别在静态和动态的情况下进
４试验及结果分析
４．１静态试验
１１９８
传感技术学报第２３卷
行了测量与标定试验。ＡＳＥ宽带光源发射出来的宽带光，进入光纤微弯动态称重传感器，通过电子万能实验机对光纤传感器施加压力，从零开始，递加到
３０００
ｋｇ，通过光功率计观察光强变化。试验结果如
图５所示：
童鳗
兴丑解
图５传感器输出光强变化曲线
对静态实验数据进行分析可知，在０～３０００Ｋｇ
的范围内，光纤传感器有较好的线性响应。运用最
／ｂ－－－－乘法得出拟合曲线为：
Ｙ＝一０．３０３ｘ＋１０．８７３６
（８）
其中，ｙ为输出电压，戈为加载的重量，式中的常数是初始输出光强。由式（８）可知，传感器的响应灵敏度为０．３０３ｍＷ／ｋｇ（正向），最大测量误差（各测量点的最大偏移量）为３．８２％。图５中偏离直线的一些点是由于电子万能试验机的精度和传感器的封装所引起的误差所致。
为了便于测量并使测量结果符合对车辆称重的阅读习惯，对光纤传感器的输出信号在光电转换后进行逆变和放大处理，设定放大电路的输出电压范围为０～１０Ｖ。向传感器施加压力，观察系统输出电压的变化规律，由图６可知，在０～３０００
ｋｇ的范
围内系统的响应与压力的变化有明显的线性关系，
拟合曲线可以表示为：
Ｖ＝０．００３８石＋０．１５
（９）
备
雾
舞
图６解调电路输出电压变化曲线
其中，ｙ为输出电压，茗为加载的重量，式中的常数是由于解调转换电路自身的噪声干扰所产生的输出偏移。传感器的响应灵敏度为３．８ｍＶ／ｋｇ（正向）；最大测量误差为３．５８％。通过选择不同的材料、调整
万方数据
传感器的结构尺寸等方法可以改变传感器测量量程，可以实现不同类型、不同重量车辆的动态称重。４．２动态试验
为了验证传感器的动态响应效果，对传感器进行室外现场测量试验。对汽车轮轴称重，即设计一个轴重仪，然后再结合动态称重技术把整个汽车重量确定下来（如图７所示）。
图７
实验测试图
汽车的前轮和后轮分别以１０ｋｍ／ｈ的速度经过光纤微弯动态称重传感器。信号采集电路所捕获的传感系统响应波形如图８所示：
２０
，●０８
之Ｏ６
理罂
Ｏ４
Ｏ
２ＯＯ２
图８
１０
ｋｍ／ｈ时信号响应
当车辆以一定的速度经过动态称重仪时，轮胎对传感器的作用时间较短，而且由于车辆自身的振动、地面的平整度、轮胎弹性形变等因素的影响，作用在传感器上的压力除了汽车真实的轴重外，还有以上因素产生的干扰力。汽车在轮胎登上和离开秤台时所产生的冲击力较大，会产生冲击振动。相应
的传感系统响应幅值也较大。车速越高，车辆轴重信号开始／结束段越陡峭，上／下台冲击振动越大，信号响应值偏离轴重真实值越远。因此低速的情况下，一般可以直接将传感器测量值视为轴重值。但是随着车速升高，测量误差增大，最后将无法满足测量的准确度要求。
为了降低噪声信号对测量结果的影响，采用小波滤波对采样信号进行处理，利用小波变换可以实现动态调整时窗和频窗的特性。有效过滤测量信号中的高、低频噪声信息。对采样信号进行滤波后的波形如图９所示。
第８期
马宾，隋青美：基于光纤微弯传感器的汽车动态称重系统设计
１１９９
１．２１．ｏ
Ｏ．８
童叫０．６
Ｏ．２Ｏ－０．２
图９
１０
ｋｍ／ｈ时滤波后的信号响应
汽车分别以５
ｋｍ／ｈ，１０ｋｍ／ｈ，１５ｋｍ／ｈ，２０ｋｍ／ｈ
行驶的速度通过轴重仪，对滤波后的测量信号，取车辆通过时的平均电压值作为测量结果。并按照输出电压与压力的拟合关系曲线将测量电压转换成前、后轮的轴重后的测量结果如表１所示。
表ｌ
不同车速通过时的测量结果
由表１可知汽车在通过速度低于１５ｋｍ／ｈ时，动态称重系统的测量误差低于５．４％。满足动态称重的要求，当车速超过１５ｋｍ／ｈ后，由于车速越高，汽车轮胎对秤台的作用时间越短，传感器响应时间越少，传感器不能达到稳定响应值，由此得到的测量轴重与真实轴重之间的系统误差越大。
保持汽车以１０ｋｍ／ｈ的速度通过光纤动态称重系统，调节汽车的重量，研究汽车重量对测量结果的影响。
表２改变汽车重量通过时的测量结果
万方数据
由表２可知，汽车轴重越重，系统误差越大。这是因为轴重越重，传感器达到稳定值所需要的响应时间越长；如果在汽车通过传感器的时间内，传感器尚未达到稳定响应状态，由此得到的测量轴重与真实轴重之间的偏差就会较大。
另外，在传感器的使用过程中温度的变化也会对传感器的测量精度产生影响，将光纤微弯动态称重传感器置于一４０℃一６０℃的温度环境中进行试验，传感器的输出光强变化小于ｌ％，具有很好的温度稳定性。
由于光纤微弯传感器通过输出光强的变化实现对通过传感器的车辆进行称重，输出光强随压力变化的斜率固定，称重结果通过计算所测得光强与光源光强的比值求出，传感系统的输出不受光源变化等因素变化的影响，从而保证系统测量的准确性和稳定性。系统解调电路的噪声电压一般为ｌ一２ｍＶ，
动态称重传感器的量程范围是０～３
０００
ｋｇ，可以求
出系统的测量分辨率为１５～３０ｋｇ。按两轮轴汽车计算，该称重仪可实现汽车整车称重的量程达１２Ｔ。
基于光纤加强材料和光纤微弯传感器的动态称重系
统是完全可行的。５
结论
目前，国内、外汽车动态称重技术中，大多数是
通过应变片传感器检测汽车质量阶跃响应信号，因
采用和静态称量相同的传感器，系统响应速度慢、超调量大。采集到的数据信息包含各种频率的随机脉冲和周期性振动干扰。本文采用基于光纤微弯传感器的动态称重系统进行汽车称重，取得了较为理想的试验结果。试验证明，基于光纤微弯传感器的动态称重系统是可行的；它精度高，使用寿命长，抗电磁干扰，非常适合室外测量恶劣的工作环境。随着光纤检测技术的不断发展，光纤检测装置的成本会不断降低，基于光纤微弯传感器的动态称重系统将会有很好的发展前景。参考文献：
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ＧｕｏＬ
Ｙ，ＬｉａｎｇＢ。Ｄｏｎｇ
Ａ
Ｇ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎ
ＤａｔａＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ
ｆｏｒ
ＷｅＪｉｇｈｔ．Ｉｎ．Ｍｏｔｉｏｎｏｆ
Ｖｅｈｉｃｌｅｓ［Ｃ］／／ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ
ｏｎ
马宾（１９７３一），男，博士，副教授，山东济宁人，主要从事光纤传感技术及嵌入式系统研究，ｊｎｘｌｍｂ＠１２６．ＣＯｒｎ。
万方数据
ＭｅａｓｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄ
ＭｅｃｈａｔｒｏｎｌｃｓＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，２００９：４５４
—４５６．
［９］Ｓｔｅｒｏｏｕｌａ
Ｌ
Ｋ，ＣｅｂｅｎＤ．Ｍａｃｌｅｏｄ
ＭＤ．Ｓｔａｔｉｃ
Ｗｅｉｇｈｔ
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ａｎｄＳｙｓｔｅｍＤｅｓｉｇｎｆｏｒＭｕｌｔｉｐｌｅ－ＳｅｎｓｏｒＷｅｉｇＩＩ—Ｉｎ—Ｍｏｔｉｏｎ［Ｊ］．
ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｄｔｈｅＩｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ
ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，Ｐａｒｔ
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Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ
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