劉志英

（山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)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(guó)內(nèi)研究的熱點(diǎn)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(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量的優(yōu)勢(shì)。利用光纖光柵對(duì)溫度、應(yīng)變敏感的特性，通過對(duì)傳感器進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)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(cè)量各種物理參數(shù)，例如溫度、應(yīng)變、壓力、位移、加速度等。

我國(guó)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(xué)的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)幫助維護(hù)人員進(jìn)行分析，判斷安全隱患，那安全問題將非常嚴(yán)峻。因此，為了確保建筑結(jié)構(gòu)安全，對(duì)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(shí)施健康監(jiān)測(cè)[1]。

目前，車輛檢測(cè)技術(shù)具有很多種類別，具有不同的技術(shù)特點(diǎn)，相比傳統(tǒng)的車輛檢測(cè)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(zhǎng)與溫度、應(yīng)力等物理量在一定范圍內(nèi)成線性關(guān)系的變化來(lái)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(zhǎng)等特點(diǎn)，傳感器體積小、重量輕，便于鋪設(shè)安裝，將其植入監(jiān)測(cè)對(duì)象中不存在匹配的問題，對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的性能和力學(xué)參數(shù)等影響較小，適合大面積、長(zhǎng)距離，多種類綜合性的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，是目前最先進(jìn)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)，而且基于光纖光柵的車輛檢測(cè)系統(tǒng)具有測(cè)量精確度高、反應(yīng)靈敏和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[2]。

1 光纖光柵測(cè)量原理

光纖光柵的測(cè)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(lái)改變光纖光柵的周期L和有效折射率neff，從而達(dá)到改變光纖光柵的反射波長(zhǎng)λB的目的。而且光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化量和應(yīng)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(yīng)變、溫度、壓力、加速度、位移等多種傳感器。光纖光柵信號(hào)處理器用于實(shí)時(shí)采集各光纖光柵傳感器的波長(zhǎng)值，通過光柵傳感器波長(zhǎng)變化量的大小推算出相應(yīng)物理量（溫度、應(yīng)力等）的改變大小。這樣就實(shí)現(xiàn)了物理量傳感檢測(cè)的目的。

圖1 基于光纖光柵的車輛檢測(cè)系統(tǒng)

2 基于光纖光柵的車輛檢測(cè)系統(tǒng)

基于光纖光柵的車輛檢測(cè)系統(tǒng)由波長(zhǎng)解調(diào)模塊、普通單模光纜、內(nèi)置有光纖光柵的測(cè)量區(qū)域、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器、車輛檢測(cè)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(zhǎng)解調(diào)模塊，用于發(fā)射寬帶光源，同時(shí)接收由普通單模光纜中反射回來(lái)的不同的偏移波長(zhǎng)，通過中心波長(zhǎng)的偏移量來(lái)解調(diào)相應(yīng)的測(cè)量物理量，通過記錄不同光纖光柵傳感器的位置信息、波長(zhǎng)偏移信息和偏移信息發(fā)生的時(shí)間來(lái)計(jì)算車輛運(yùn)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(zhǎng)反射回波長(zhǎng)解調(diào)模塊。4是安裝了光纖光柵傳感器的測(cè)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(cè)得的應(yīng)變值分布及其時(shí)間信息，可得到行駛車輛的信息。當(dāng)沒有車輛經(jīng)過時(shí)，反射回的中心波長(zhǎng)值固定不變，為最初的光纖光柵初始值，當(dāng)有車輛經(jīng)過時(shí)，部分位置光纖光柵傳感器的中心波長(zhǎng)發(fā)生偏移，通過光纖光柵傳感器中心波長(zhǎng)的偏移量、變化時(shí)間差和變化位置，最終可得出待測(cè)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(chǔ)服務(wù)器，可以實(shí)時(shí)存儲(chǔ)測(cè)量區(qū)域全傳感器應(yīng)力值。6是車輛檢測(cè)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(jì)算和特征值提取。

3 車輛信息檢測(cè)實(shí)例分析

3.1 車輛檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)例簡(jiǎn)述

該文通過實(shí)例簡(jiǎn)述主要模擬車輛檢測(cè)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(yùn)行圖，其中M為待測(cè)車輛，圓形區(qū)域?yàn)槠鋷缀沃行?，M1～M4為待測(cè)車輛輪胎，A區(qū)域?yàn)閮?nèi)置有光纖光柵的測(cè)量區(qū)域，當(dāng)車輛未進(jìn)入時(shí)，A區(qū)域內(nèi)光纖光柵波長(zhǎng)未偏移，應(yīng)變值信息均為0，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器處于實(shí)時(shí)待命狀態(tài)。當(dāng)有車輛通過時(shí)，部分傳感器檢測(cè)到應(yīng)力值，并同步觸發(fā)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，且每經(jīng)過一次標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間段進(jìn)行一次全矩陣應(yīng)變值存儲(chǔ)，當(dāng)車輛完全駛離即多次標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間段內(nèi)全矩陣應(yīng)變值均為0時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器回答待命狀態(tài)，一次車輛檢測(cè)結(jié)束。

3.2 車輛檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)例模擬

當(dāng)車輛M開始進(jìn)入A區(qū)域時(shí)，部分光纖光柵傳感器應(yīng)力值變化，在T1、T2時(shí)刻，車輛M幾何中心分別到達(dá)圖3中所示位置，且此時(shí)車輛均已完全進(jìn)入測(cè)量區(qū)域， L為時(shí)間車輛M 2次中心位置變化距離，M3與M4距離為L(zhǎng)1，M4與M1距離為L(zhǎng)2。車輛M的車輪M3和M4均作用于2個(gè)光纖光柵傳感器，根據(jù)2個(gè)傳感器的物理位置及應(yīng)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(dāng)行駛距離L較短時(shí)，車輛運(yùn)行可視為直線勻速行駛，即可得出車速為

多種標(biāo)準(zhǔn)車輛（不同重量不同軸距軸數(shù)）通過測(cè)量區(qū)域，多次試驗(yàn)后可得到車重與車型特征（軸距軸數(shù)）、應(yīng)力值分布范圍一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系圖，可根據(jù)實(shí)時(shí)的應(yīng)力值及車輛特征信息得出待測(cè)車輛重量。

圖2 基于光纖光柵車輛信息采集系統(tǒng)模擬運(yùn)行圖

圖3 車輛駛?cè)雰?nèi)置有光纖光柵測(cè)量區(qū)域示意圖

3.3 車輛檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)例擴(kuò)展

根據(jù)以上實(shí)例可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，不同車型、不同車速的標(biāo)準(zhǔn)車輛通過檢測(cè)區(qū)域，且同一車輛重復(fù)進(jìn)行多次采樣，最終形成各種標(biāo)準(zhǔn)車型不同速度的特征檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，這些特征檢測(cè)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(yùn)行軌跡。

當(dāng)待測(cè)目標(biāo)車輛通過檢測(cè)區(qū)域，先對(duì)該車輛全時(shí)段內(nèi)的全部傳感器應(yīng)力值進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)特征檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行詳細(xì)比對(duì)，反向校準(zhǔn)檢測(cè)參數(shù)。對(duì)于單次車速檢測(cè)，可通過多實(shí)例重復(fù)擬合方法，取多組T1、T2時(shí)刻進(jìn)行車速測(cè)量計(jì)算，使平均車速更精確、更接近真實(shí)值。可通過豐富標(biāo)準(zhǔn)的車輛特征數(shù)據(jù)庫(kù)和增加單位檢測(cè)區(qū)域光纖光柵傳感器數(shù)量等方法，提高車輛檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度，減少系統(tǒng)誤差。

4 結(jié)論

基于光纖光柵的車輛檢測(cè)系統(tǒng)加入了一個(gè)內(nèi)置有光纖光柵傳感器的測(cè)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(zhǎng)偏移值、偏移值產(chǎn)生的位置和產(chǎn)生的時(shí)間差等信息，可得出行駛車輛的相關(guān)特征參數(shù)，利用標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)可對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)和優(yōu)化，與傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)相比具有測(cè)量精確度高、反應(yīng)靈敏和性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。