专利名称：光纤光栅高速称重装置及现场标定方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤光栅高速称重装置及现场标定方法，特别是指一种具有高精度、高过车速度、耐久性和抗环境干扰能力优异的光纤光栅高速称重装置及现场标定方法， 用于公路桥梁健康监测中。
背景技术：
在动态称重领域，已有的称重系统均为基于电阻应变片，压电晶体等传统的传感元件。光纤光栅由于具有精度高，稳定性好，可适应各种恶劣环境等众多优点，它与动态称重系统对传感元件的要求不谋而合。1999年开始，美国俄勒R州引入了光纤光栅传感器对其州下的几条高速公路做交通荷载调查；2006年，哈尔滨工业大学刘静在其硕士论文中提出了一种基于光纤光栅的地磅秤，利用将光栅置于钢筋混凝土梁体内，利用光栅监测梁体变形间接获得导致梁体变形的汽车荷载；山东大学何西坤在其硕士论文中提出了利用光纤布拉格光栅作为传感元件来检测轴向压力。并结合使用光纤加强材料(FRC)，即很多层光纤加强材料被特殊封装胶固定在光纤布拉格光栅的两侧，光纤布拉格光栅被光纤加强材料紧紧包裹在其中，一直加到光纤加强材料层的厚度接近1厘米。光纤布拉格光栅的中心波长是1536. 770nm,并据此设计出动态称重传感器；大连海事大学吴奇峰在其硕士论文中也提出一种基于马赫-曾德尔 (Mach-Zehnder)干涉仪的频率输出型光纤动态称重传感器；2008年，中科院的翟玉锋等人在实验室内搭建了一套光纤动态称重系统，该系统是基于普通单模光纤光栅传感技术。在实验小车经过支撑称重台面的金属弹性体时，将引起弹性体形变，采用光纤光栅传感器监测这一形变。通过分析光纤光栅解调仪采集到的光纤光栅传感信号，反演出实验小车的质量。实验结果表明系统精度优于士3%。在19th International Conference on Optical Fibre Sensors 上，Zhang 等人提出了一禾中基于 FBG的轻便式动态称重传感器，该称重传感器能检测出轴重、轴距等车轴参数，检测速度达到了 15英里/小时；在已发表的文献来看，光纤光栅传感技术近年来在动态称重领域获得了蓬勃的发展。但绝大多数的研究仅停留在实验室阶段，尚未用于工程实际中，这些已提出的基于光纤光栅传感技术的动态称重系统或存在称重精度不高，或存在车辆通行速度不高等各种问题使其还不能面向于工程实际。为此研制了光纤光栅动态称重装置并设计了其标定方法，对于土木工程结构变形监测具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光纤光栅高速称重装置及现场标定方法，可方便的应用于工程实际中。本发明一种光纤光栅高速称重装置，包括光纤光栅、支承座、钢柱、弹性元件板；所述支承座为一长方体，沿长度方向设有一凹槽；所述弹性元件板的形状与所述支承座的相同并安装在所述支承座上；在所述凹槽中沿所述凹槽的长度方向设有一排钢柱，所述钢柱的上端面与所述弹性元件板的底面具有1 2mm的空隙；在所述弹性元件板的底面，沿所述弹性元件板中心轴线宽度方向粘贴有多根光纤光栅。本发明中，所述弹性元件板与所述支承座2的接触面之间用防水密封胶密封。本发明中，所述光纤光栅采用相位掩模法在掺锗光敏光纤中写入。本发明中，所述弹性元件板采用65Mn作为称重板的弹性元件材料。本发明中，光纤光栅采用乐泰326结构胶粘贴，它具有优良的疲劳性能，适合于系统的长期稳定工程环境。本发明中，所述防水密封胶为丁基防水密封胶，它的机械性能优异对于界面形变和开裂适应性强，并且稳定的化学性能具有优良的耐化学性，耐候性和耐腐蚀性。本发明中，所述光纤光栅的粘贴方法是第一步用砂布对弹性元件板上粘贴位置进行打磨，而后用酒精把粘贴处清洗干净；待酒精挥发，等弹性元件板表面风干后，在粘贴过程中施加适当的预应力，用环氧树脂胶将光纤光栅沿弹性元件板的轴线粘贴。第二步待环氧树脂胶完全固化后，在光栅表面均勻涂抹硅胶，待其固化，至此光纤光栅的粘贴工作完成。本发明一种光纤光栅高速称重装置的现场标定方法，包括下述步骤第一步将光纤光栅高速称重装置安装在待监测高速公路路面上，使支承座的长度方向与路面轴线方向垂直；第二步使重量为W的标定车辆以不同的速度Vi驶过本发明称重装置，i = 1.2… m，通过光纤光栅解调仪SM130以1000Hz采样频率对光纤光栅的波长值进行采样，即时间间隔At = 0.001秒时就采得一组数据，最终在c个时间点(、々.卞…、)一共采得了 c组
波长数据，按
权利要求
1.一种光纤光栅高速称重装置，包括光纤光栅、支承座、钢柱、弹性元件板；所述支承座为一长方体，沿长度方向设有一凹槽；所述弹性元件板的形状与所述支承座的相同并安装在所述支承座上；在所述凹槽中沿所述凹槽的长度方向设有一排钢柱，所述钢柱的上端面与所述弹性元件板的底面具有1 2mm的空隙；在所述弹性元件板的底面，沿所述弹性元件板中心轴线宽度方向粘贴有多根光纤光栅。
2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅高速称重装置，其特征在于所述弹性元件板与所述支承座2的接触面之间用防水密封胶密封。
3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅高速称重装置，其特征在于所述光纤光栅采用相位掩模法在掺锗光敏光纤中写入。本发明中，所述弹性元件板采用65Mn作为称重板的弹性元件材料。
4.根据权利要求1所述的一种光纤光栅高速称重装置，其特征在于光纤光栅采用乐泰326结构胶粘贴，它具有优良的疲劳性能，适合于系统的长期稳定工程环境。
5.根据权利要求1所述的一种光纤光栅高速称重装置，其特征在于所述防水密封胶为丁基防水密封胶，它的机械性能优异对于界面形变和开裂适应性强，并且稳定的化学性能具有优良的耐化学性，耐候性和耐腐蚀性。
6.根据权利要求1所述的一种光纤光栅高速称重装置，其特征在于所述光纤光栅的粘贴方法是第一步用砂布对弹性元件板上粘贴位置进行打磨，而后用酒精把粘贴处清洗干净； 待酒精挥发，等弹性元件板表面风干后，在粘贴过程中施加适当的预应力，用环氧树脂胶将光纤光栅沿弹性元件板的轴线粘贴。第二步待环氧树脂胶完全固化后，在光栅表面均勻涂抹硅胶，待其固化，至此光纤光栅的粘贴工作完成。
7.一种光纤光栅高速称重装置的现场标定方法，包括下述步骤第一步将光纤光栅高速称重装置安装在待监测高速公路路面上，使支承座的长度方向与路面轴线方向垂直；第二步使重量为W的标定车辆以不同的速度Vi驶过本发明称重装置，i = 1. 2…m， 通过光纤光栅解调仪对光纤光栅的波长值进行采样，即时间间隔At = O. 001秒时就采得一组数据，最终在C个时间点(ti.tft,···、)一共采得了 C组波长数据，按式
8.根据权利要求6所述的一种光纤光栅高速称重装置的现场标定方法，其特征在于 所述纤光栅解调仪型号为SM130 ；采样频率为1000Hz。
全文摘要
一种光纤光栅高速称重装置，包括光纤光栅、支承座、钢柱、弹性元件板；通过标定，确定其标定系数后，利用车辆经过弹性元件板，弹性元件板产生相应的变形，粘贴在其上的光纤光栅因应变变化，其对应的中心波长亦产生变化，通过检测光纤光栅中心波长的变化量，就可以实时测出车辆的重量。本发明对外界干扰不敏感，稳定性较高；称重精度高，系统误差在10％之内；适于工程应用。
文档编号G01G23/01GK102200466SQ20111002805
公开日2011年9月28日 申请日期2011年1月26日 优先权日2011年1月26日
发明者任伟新, 罗晓光 申请人:中南大学
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