光纤光栅车辆超载检测系统设计

　摘要

　近些年来，我国的经济在以十分迅速的态势在发展，道路运输业得到了迅速的发展，并成为主要的运输方式。在快速发展的同时，由于公路管理机制不够健全，车辆的超载超限问题十分普遍，车辆超限超载运行使得我们国家的公路受到严重的损坏。除此之外，对交通安全和环境保护也有很大的影响。如果想要从源头上治理车辆超载超限的问题，就对使用的称重传感器提出了更高的要求。光纤光栅具有很多的优点，它由于传感灵敏度好、能够适应各种恶劣的工作环境、工作性能稳定而倍受人们的青睐。本文基于光纤光栅对外界应力的测量。具体所做的研究内容如下：

　 首先对光纤光栅的理论模型进行了分析，在这个基础上，对其传感特性进行了分析。其次设计了一种结构为悬臂梁式的称重传感器，并在此基础上，对结构的受力情况进行了详细的分析，最后，通过建立实验模型，验证系统的可实现性。

　 关键词: 布喇格光栅；悬臂梁结构；应力变化；车辆称重

　Abstract

　In recent years, China＇s economy has been developing in a very rapid situation, and the road transport industry has developed rapidly and has become the main mode of transportation. At the same time of rapid development, due to the imperfect road management mechanism, the problem of overload and overrun of vehicles is very common. The overload and overload operation of vehicles has caused serious damage to our country＇s highways. In addition, it has a great impact on traffic safety and environmental protection. If you want to manage the problem of overloading the vehicle from the source, it puts higher requirements on the load cell used. Fiber grating has many advantages, and it is favored by people because of its good sensing sensitivity, ability to adapt to various harsh working environments, and stable working performance. This paper is based on the measurement of external stress by fiber grating. The specific research content is as follows:Firstly, the theoretical model of fiber Bragg grating is analyzed. On this basis, its sensing characteristics are analyzed. Secondly, a load cell with a cantilever beam structure is designed. Based on this, the structural stress is analyzed in detail. Finally, the experimental model is established to verify the achievability of the system.

　Keywords　 Bragg grating；Cantilever beam structure；Stress changes；Vehicle weighing

　目 录

　摘要 I

　Abstract II

　第1章 绪论 - 1 -

　1.1 选题的背景、目的和意义 - 1 -

　1.1.1 选题背景 - 1 -

　1.1.2 选题目的和意义 - 2 -

　1.2 国内外研究现状 - 4 -

　1.3 本文研究内容 - 5 -

　第2章 光纤Bragg光栅理论研究 - 6 -

　2.1 光纤Bragg光栅理论模型 - 6 -

　2.2 光纤Bragg光栅结构及传感原理 - 8 -

　2.2.1 光纤Bragg光栅的基本结构 - 8 -

　2.2.2 光纤Bragg光栅的传感原理 - 9 -

　2.3 光纤Bragg光栅的应力特性 - 10 -

　2.3.1 光纤Bragg光栅轴向应变特性分析 - 10 -

　2.3.2 光纤Bragg光栅横向应变特性分析 - 11 -

　2.4 光纤光栅的制作 - 12 -

　2.5 本章小结 - 13 -

　第3章 称重传感器的设计 - 14 -

　3.1 传感器结构设计 - 14 -

　3.2 传感器的受力分析 - 15 -

　3.2.1 材料力学分析 - 15 -

　3.2.2 剪力应力图分析 - 16 -

　3.2.3 ANASY受力分析图 - 17 -

　3.3 光纤光栅的粘贴 - 20 -

　3.3.1 光纤Bragg光栅的粘贴位置 - 20 -

　3.3.2 光纤Bragg光栅的粘贴方向 - 20 -

　3.4 光纤Bragg光栅的封装 - 21 -

　3.4.1 光纤光栅毛细钢管封装法 - 22 -

　3.4.2 光纤光栅铝合金箔片封装法 - 23 -

　3.5 光纤Bragg光栅解调技术 - 23 -

　3.5.1 光谱分析仪 - 23 -

　3.5.2 光纤光栅匹配滤波器法 - 24 -

　3.5.3 边缘滤波器法 - 25 -

　第4章 车辆称重系统模型实验 - 27 -

　4.1 实验系统搭建 - 27 -

　4.2 实验过程 - 28 -

　4.3 实验数据分析 - 29 -

　4.4 车辆超载检测系统设计 - 31 -

　4.4.1 系统硬件构成 - 31 -

　4.4.2 系统基本流程设计 - 32 -

　绪论

　选题的背景、目的和意义

　选题背景

　中国近些年来发展的很迅速，经济的快速发展也带动着交通运输业的繁荣。在公路上行驶着许多超过限定重量的车辆，促使我们国家的公路受到巨大的破坏。按照相关重量超载标准来说，我们国家的公路路面在建造时，理想值是不超过十千牛，如果公路上所有行驶的车辆都不超过这个重量，那么公路能使用的时间是能够达到设计时的峰值的。但是如果车辆在公路上行驶，超过了限定的重量，那么就会大大的减少公路的使用时间。造成公路寿命衰减的主要原因就是这些超限车辆的行驶。超限运输的存在给国家的经济造成了非常大的损失，据不完全统计，1996年北京辖区内的一条国道是投资3760万元建成的，由于经常有车辆超载通过，建成后仅仅过了一年的时间，公路路面全部被损坏，桥梁隧道也受到不同程度的损毁，造成直接经济损失达4000多万元。1995年建成的木石到枣庄的汽车专用公路，公路设计时的使用年限为20年，但是由于车辆的超限运输，结果这条道路仅仅使用了3年零4个月的时间， 18多万平方米的水泥混凝土路面被损坏，破损率高达23%，其中由于南半边路面经常通过超限车辆，破损率直逼44%，北半边路面因通过超限车辆相对比较少，破损率只有1.3%，两者之间的差异十分明显。对超载超限车辆的治理工作刻不容缓。

　 桥梁的安全也受到了超载超限车辆的威胁。如果所过车辆的超限情况很严重，即使在建造桥梁的时候使用高标准的水泥混凝土，也会使得桥梁的挠度增大，桥梁上的水泥混凝土很容易开裂，逐步的将钢筋露出受到腐蚀，从而使得桥梁的寿命缩短。在我的家乡，有个连接市区与外环的大桥，每到夜晚，都有很多的货车从此经过，从桥修好到现在不过两年，桥体已经有些开裂，桥面上的基层已经破裂。这样以来，桥面基本就失去了硬度，目前已经得到了修缮。江阴大桥的质量是非常好的，与世界上其他6座著名桥梁是一样的，其中，土耳其国家的大桥每日交通量为10万辆，虽然通车时间已经有了12年，但是桥面的质量还是非常好。对比来看，江阴大桥的日交通量仅为2.76万辆，其中有一半以上的车辆都是在超载运行；超限30%的现象非常普遍，据统计，有超过七成以上的车辆超限30%，除此之外，还有很多超限100%的车辆

　。由于超限车辆数量过于庞大，通车两年以后，所有的车道都受到了不同程度的损坏。京沪高速公路刚通车一年，桥面就已经不堪入目，大桥不堪重负，桥梁部分钢筋出现了变形；原本平坦的路面上变得坑坑洼洼，满目疮痍。在建造大桥的时候，原本设计的沥青厚度为5厘米，但是由于路面被超限车辆不断的碾压，凹凸不平的桥面上，桥面上沥青的厚度早就已经不是均匀的了，有的地方薄，有的地方厚。

　 选题目的和意义

　之所以要研制新型的称重系统，主要解决以下问题：

　 ①超载车辆存在巨大安全隐患，很多交通事故的元凶

　近几年来，但凡大型运输车辆出现了交通事故，一般情况下，都与车辆的超载超限有关。车辆在超载超限的情况下，车辆的各项机能受到限制，由于重量的增大，车辆的刹车距离与会随之增长，车辆的可控性降低，大大提高了安全隐患。另一方面，汽车本来都有自身核定的工作重量，如果长期的超过车辆的工作重量，车辆在长期在超负荷的情况下作业，对车辆的损害很大，将会加速车辆的报废。据了解，京沪高速公路江苏段在一年时间内共有46场重大交通事故是由车辆超载超限所引起的，一共死亡61人，伤亡123人。广东京珠高速公路北半部分刚刚开通半年就已经造成了80多人的死亡，经过交通部门和各路专家的分析，造成惨剧的主要原因就是车辆的超载超限运行。

　 ②运输市场秩序被超限运输所扰乱，从而引发了行业内恶性竞争

　车辆超限的车辆，都是使得自己的利益最大化。由于近些年来，从事交通运输行业人数的增多，车辆的营运力已经远远大于市场需求，在这种形势下，个人必须降低自己的运输成本，以更加低廉的价格吸引更多的货源。这种恶性竞争的存在，使得货运的价格远低于正常运输价格，为了将降价部分弥补回来，车主则能多装就多装，该交的交通运输费能不交就不交。这样一来，运力过剩和市场需求饱和的矛盾就更加突出，没有货的货主再以比现价格还低的价格来招揽货主，继续以超载货物的方法来弥补自己的损失。这样以来，就形成了一种恶性循环，先是超载货物来压低自己的价格，自己的价格压下来以后，别人再把价格压下来，再超载更多，无限这样的循环，受伤害的是我们国家的道路。在10年前，运输普通散货的价格是0.3元/吨公里，但现在已经降低到不足0.2元/吨公里。由于车辆超载超限很普遍，现在很多汽车制造商家就钻其中的漏洞，大吨位的货物挂上小吨位的标志，对车辆进行改装，

　使得超载超限运输上规模，从而进一步加剧车辆超载趋势。

　 ③超限运输车辆投机取巧，减少缴纳过路的费用

　我国公路收费站收费都是通过对车辆的识别，将车辆与信息库里的信息进行对比，从而计算出过路费用，但是车辆上装上的货物的重量远远大于汽车本身所限定的重量。这样算来，平均需要缴纳的费用就大大的减少，在收费标准一样的情况下，这些超载的运输者就可以比那些遵纪守法的运输者获得更多的利润。对于国家而言，少收取了大量的费用，对于那些老实本分运输的车主，是非常不公平的。偷奸耍滑的那些运输者，为了提高自己的利润收入，少缴纳费用，从而使自己的运输成本降低。

　 ④超限运输降低了公路的交通通行效率，对环境污染也非常的严重

　超限倍数大的车辆质量很大，造成车辆行驶的速度非常的慢，有的车辆甚至达不到40公里每小时，由于走的慢，影响后面车辆的正常行驶，使得经常发生堵车的现象，使公路的通行效率降低一个数量级。尤其是在高速公路上，高速公路对车辆有最低的限速，这些超载严重的车辆甚至最低限速都达不到，从而使得高速公路整体通车效率降低，阻碍他人的通行。除此之外，超载车辆由于其自身重量较大，在加速或者爬坡的时候，需要发动机做更多的功，从而使得这些超载车辆后面黑烟滚滚，尾气的超量排放，极大的污染了大气环境。

　 随着新型传感材料的飞速发展，特别是光纤传感元件，其中的光纤光栅，为称重系统的更新提供了崭新的途径和新颖的思路。传感技术中，目前最新颖的当数光纤光栅传感技术，很多外部参量（例如：温度、应力、加速度）可通过光栅反射波长的移动量来确定。它适用于各种极端的环境，不受外界因素所限制，既能够传感也可以进行传输，能够极大的提高产品的灵敏性和可靠性。同时，可以通过一定数量的光纤光栅搭建光纤传感网络，网络节点都使用光结点，对比现在传输所使用的电结点，速度更快，更稳定。

　 国内外研究现状

　在面对车辆超重检测这个问题上，国外的发达国家从很早以前就开始了治理超限超载的研究，也研制出了一系列的产品。由于当时我们国家经济没有那么景气，交通运输业也很衰弱，并没有遇到相关的问题，所以我们国家在研究汽车称重传感器上稍晚一些。

　 从历史的角度来看，有很多的科学家都曾经做过汽车称重的实验，而最早的哪一个莫过于八世纪末期的Gkovacs,它可以说是这个行业的奠基人，他还在本国的会议上发表了一个著名的称量车辆质量的实验方法，给后人提供了宝贵的经验。

　 十八世纪中期，由于机械革命，美国成立开始了动态测量的研究小组，而这个小组虽然只有十八年，但也创在了很多有用的经验。随后法国紧随其后制造了称重仪，这种称重仪的称重标准是根据压力的大小而工作的，虽然法国最先发明的，但最先使用的却是美国，美国首先把它是用在了汽车称重领域。

　 从十八世纪末期开始，世界上人们对于车辆动态称重系统如雨后春笋一般开展起来，1958年美国发明低成本动态称重系统并且投入使用，随后的英国又发明了一个比美国更高级的产品称重压电传感器vibetek5，在他们之后的过研发的平板式传感器力压群雄，站在了世界的领导地位。

　在1992年是重要的一年，这一年测试了一个在称重领域里程碑式的实验，那就是cost322实验，这个实验由欧盟公路委员会发起。目的使用将近三年的时间检测WIM系统的具体实施性这个系统就是和本次论文相关的车辆动态监测系统。随后欧盟又发起了一项新的计划，那就是WAVE计划，就是让测试产品在极端的环境下运行，记录运行状况是否良好。

　 十九世纪初期，在美国展出的共聚物压电轴新型传感器成为了新一代的领带者，带领这个行业前进。目前由于动态称重系统的使用用途不同,目前的世界上比较先进的动态称重系统对轴重测量的平均误差可控制在30%以内,其置信度达到90%,最先进的动态称重系统对轴重测量的误差可以控制在5%以内,置信度达到90%以内,由于其成本太高只能在一些特场合使用

　 改革开放前我国的经济落后,当时没有建设公路网,动态称重技术更没有研发环境,随着改革开放后经济的快速发展以及公路网的快速覆盖,车辆的数量也急速增加,我国开始了对动态称重系统的研究,但我国所面临的问题是:研发时间短、起步晚。八十年代国内还没有自主研发的动态称重系统,由于公路运输发展的需要我国首次从国外引了动态称重系统,但设备价格昂贵,传感器庞大,难以自行维护,都是一些国外更新换代淘汰下来的产品,在我国使用时面临许多问题。相比较而言，我国在车辆称重领域的时间较短，很多技术还不够成熟，因此我国在车辆称重系统设计上还有较大的空间。

　 本文研究内容

　本人在做此题目的时候，着重改进传统的称重传感器，研发出新型的称重传感器，用光纤光栅替代以前的电阻片，采用的结构为材料力学中的悬臂梁结构。通过对该结构体的不断分析，模拟实验操作系统，最终确定传感方案。本人在该课题所做的内容有：

　 （1）改进车辆超重系统并对比不同的方案，确定合适的传感方案；

　（2）对光纤光栅传感器的布喇格光栅信号波长解调；

　（3）为光纤光栅选择合适的封装结构；

　（4）搭建模拟实验系统，实现超重测量；

　（5）分析实验数据，改进实验方案，提高测量的精度；

　光纤布喇格光栅理论研究

　光纤布喇格光栅理论模型

　生活中有很多温度湿度光照差异很大甚至很极端的环境，如果光栅下这些环境下工作，就将对光栅的性能是非常大的考验，而关键的光纤纤芯折射率周期对环境的要求也是非常的苛刻的，但是如果这一因素发生了变化，后面再进行的实验都将失去意义。验单折射率改变波导条件也会发生显著的变化，而这一变化最后终会导致出现光波模式耦合，这种耦合会引起光谱发生改变最终影响实验结果。

　 科学家们发明了一种全新的光栅，利用单模掺锗光纤经紫外光照射行形成的新的品种，简称FBG。这种光栅有一个别的光栅所不具有的特点纤芯折射率呈现周期性条纹分布，如图2-1。

　 设在均匀纤芯中的折射率为`n，引起折射率非均匀分布后成为n（x,y,z）,折射率峰谷差为Dn（x，y），非均匀分布区间长L，则纤芯折射率可表示为：

　 n（x,y,z）= `n(x,y)+ Dn（x，y）cos(qz)

　（2-1）

　图2-1

　 光纤光栅的结构图

　其中q=2π/L，q是光栅的空间频率，L是折射率非均匀分布周期。由于纤芯折射率是非均匀分布的，引起了纤芯中传输的本征模式间发生了耦合。在弱导时，忽略掉偏振效应，吸收损耗和折射率的非均匀分布引起了模式泄露，则非均匀波导中的场f（x,y,z）满足标量波动方程：

　 {Ñt2+k02n2（x,y,z）+}f（x,y,z）=0

　 (2-2)

　其中k0=2π/l，l是自由空间的光波长，则：

　Ñt2f=·++·

　(2-3)

　由于折射率分均匀分布引起波导中模式耦合只发生在纤芯中，因此非均匀波导中的场可以表示为均匀波导束缚模式y（x，y）之和：

　 f（x,y,z）=（z）·yl（x，y）

　 =yl（x，y） （2-4）

　Al（z）表示了与y（x，y）相联系的全部随Z变化的关系，而a1（x，y）和a-1（x，y）分别是第一个正向和反向传输模式的振幅。

　 式（2-4）中，yl（x，y）满足方程：

　 {Ñt2+k02`n(x,y)-βt2}yl（x，y）=0

　（2-5）

　将f==yl代入式（2-3），结合（2-5）式，并按模式耦合理论的一般方法进行处理，化简的时候略去高次项，则可以得到一个正向传输模与同一反向传输模间的模式耦合方程：

　 =-iC·a-lexp(i2Dβz)

　（2-6）

　 =-iC·alexp(-i2Dβz)

　 （2-7）

　a1和a-1分别是1个模的正向和反向传输幅度，Dβ=β-π/，β=k0n是该模传播常数，实际上`n就是该模在纤芯中的有效折射率neff，C是耦合系数：

　 C≈dA/dA=Dn·h

　 （2-8）

　在此处：

　 h=dA/dA

　（2-9）

　h是芯层中的功率百分比。在阶跃折射率剖面光纤中，基模可以用高斯函数近似代替，代入式（2-9）可得：

　 h=1－

　 （2-10）

　在光进入光栅端处，只有前向传输模，无反射模，因此有边界条件：

　 a1(0)=1,

　 a-1(L)=0

　利用边界条件可解出方程（2-6），（2-7）有：

　 a1（Z）=·{Dβsinh[S(z-L)]+iScosh[S(z-L)]}

　(2-11)

　a-1(Z)=·sin【S（z-L）】

　 （2-12）

　（2-12）式中S2=C2-Dβ2

　由（2-11）和（2-12）式，可得出光纤光栅的透射率T和反射率R：

　 T（l，L）=||2

　（2-13）

　R (l，L) =||2 =

　 (2-14)

　当Dβ=0时，即l=2nL，满足相位匹配条件，（2-14）式化简为：

　 Rmax(L)=tanh2（CL）

　 （2-15）

　光纤光栅的重要参数是反射率，（2-14）和（2-15）式描述了反射率R和光栅长L的关系。要是折射率熟知的最高点该怎么办呢，这里就要用到短光栅，用短光栅来一比一步的求出差别较大的折射率。要想折射率达到百分之百，就要固定峰谷差Dn，然后通过不断的调节大大完全的折射率。除了折射率这一光纤光栅的重要参数外，还有另一个重要的参数—谱线宽度。而和折射率相同的是，这一个参数也去折射率峰谷差有关系，两种线性相关，是一种成正比的关系，要是想无限的宽度相对较宽，最简单的方法就是更改折射率的差值或者更改光栅的长度。

　 当宽带光波在光栅中传输的时候，由于周期的折射率扰动仅会对很小的一部分光谱产生影响，因此入射光将在相应的频率部位被反射回来，其余的透射光的光谱则不会受到影响，这样以来，光纤光栅就起到了光波选择的作用。如果想要调整光栅的栅距可通过改变两相干紫外光束的相对角度，通过这样的方法，就可以制作出具有不同反射波长的布喇格光栅，光栅栅距的表达式如下：

　 L=luv/2sin（q/2）

　 （2-16）

　光纤Bragg光栅结构及传感原理

　光纤Bragg光栅的基本结构

　图2-2

　光纤光栅的基本结构示意图

　图2-2为光纤光栅的基本结构图，它是通过改变光纤芯区折射率，产生的小的周期性调制而成的。所谓调制，就是本来沿光纤轴线均匀分布的折射率产生大小起伏的变化。光纤的主要材料为石英，由芯层和包层组成。通过对纤芯掺杂（一般是掺锗），使芯层折射率n1比包层折射率n2大，从而形成波导。光就可以在芯层中传播。当芯层折射率受到周期性调制后，即成为布拉格光栅。布拉格光栅会对入射的窄带光进行选择性反射，反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光（带宽通常为0.1-0.5nm）。

　在传感器领域，均匀光纤Bragg光栅可用于制作温度传感器、应变传感器等传感器;在光通信领域，均匀光纤Bragg光栅可用于制作带通滤波器、分插复用器和波分复用器的解复用器等器件。

　 光纤Bragg光栅的传感原理

　光纤布喇格光栅的谐振波长与光纤纤芯的有效折射率和制备时的光栅周期有关，通常引起谐振波长变化的主要因素有温度和应变。因此光纤光栅的传感基本原理时党外界待测量发生变化时，通过某种形式传递到光纤光栅上，引起光纤光栅谐振波长发生改变，将谐振波长变化量与待测量变化量联立，求得某种线性对应关系，就可由光纤光栅测得待测量的变化。

　 当宽带在光纤Bragg光栅中传输时，产生模式耦合，满足Bragg条件的光被反射：

　 lB=2neffL

　（2-17）

　式中，L—Bragg光栅的周期，neff—光纤纤芯区有效折射率。

　 当入射波长满足Bragg条件时，峰值反射率为：

　 RB（L）=tanh2(WL)

　(2-18)

　式中L为光纤光栅的长度，W为基模横向耦合系数。

　 由式2-17可知，布喇格波长是随着L和neff而改变的，因此布喇格波长对于外界力、热负荷非常敏感。应变和压力影响布喇格波长是由于光栅周期的伸缩以及弹光效应引起的，而温度影响布喇格波长是由于热膨胀效应和热光效应引起的。L和neff在受到外界环境的影响(温度、应力、压力)时将分别产生DL和Dneff的变化，符合Bragg条件的波长将发生DlB的变化，由Bragg条件可知：

　 DlB=2DneffL+2DneffDL

　 （2-19）

　 由式（2-19）可得，当L或neff发生变化时，FBG的中心反射波长会随之发生改变，如图2-3所示，通过测量FBG的中心反射波长变化，即可得知外界环境的变化。

　 图2-3

　光栅测量外界变量示意图

　光纤Bragg光栅的应力特性

　光纤Bragg光栅轴向应变特性分析

　由模式耦合理论可知，光纤光栅中心波长取决于光纤光栅周期L和有效折射率neff，任何使这两个参量发生改变的物理过程都将会引起光纤光栅中心波长的漂移，均匀轴向应力是指对光纤光栅进行纵向拉伸或压缩,此时各向应力可表示为sZZ=-P(P为外加压强), sYY=sqq=0，且不存在切向压力,各方向的应变为：

　 [eyy,eqq,ezz]= [n , n,]

　 (2-20)

　式（2-20）中，E和v分别为石英光纤的弹性模量及Poisson比。现己求得在均匀轴向应力作用下各方向的应变值,就可以此为基础进一步求解光纤光栅的压力灵敏系数。

　 将式（2-19）展开，得：

　 DlB=2L（DL+Da）+2DLneff

　 （2-21）

　 式中：DL—光纤的伸缩量；

　 Da—由于纵向拉伸引起的光纤直径变化；

　 —弹光效应；

　 —波导效应；

　已知相对介电抗渗张量βij与介电常数eij有如下的关系：

　 bij==

　(2-22)式（2-22）nij为某一方向上的光纤折射率。对于熔融石英光纤,由于其各向

　同性,可认为各方向折射率相同,因此,仅研究光纤光栅反射模的有效折射率neff,故将式（2-22）变形为：

　 D(bij)= D()=-Dneff

　 (2-23)

　将式（2-23）代入到式（2-21）中，且略去波导效应，其余项可变性为：

　 DlB=2L[-D()]+2neffezzL

　 (2-24)

　式（2-24）中ezz=DL/L为纵向伸缩变量。由于式（2-22）的存在,可得Dl更为简洁的表达式。实际上,在有外界应力存在的情况下,相对介电抗渗张量βij。应为应力s的函数，利用（2-22），对βij进行泰勒展开并略去高阶项，同时引入材料的弹光系数pij，得：

　 D()=(P11+P12)eyy+P12ezz

　 (2-25)

　式（2-25）中，利用了光纤的轴对称性eyy=eqq，将式（2-25）代入到（2-24）中得弹光效应导致的相对波长位移为：

　 = -[(P11+P12)eyy+ P12ezz]+ ezz

　 (2-26)

　把式（2-20）代入式（2-26）,得均匀轴向应变引起波长移位的纵向应变灵敏度公式为：

　 ={1-[P12-(P11+P12)n]}ezz=(1-Pe) ezz=Seezz

　(2-27)

　式（2-27）中Pe为有效弹光系数；而Se为光纤光栅相对波长位移应变灵敏度系数。利用纯熔融石英的参数，可得光纤光栅的相对波长位移应变灵敏度系数为Se=0.784.如果lB为1.55μm，则光纤光栅弹光效应单位纵向应变引起的波长位移为

　1.22pm/μe。

　 基于以上的分析,光纤光栅的轴向应变灵敏度系数仅取决于材料本身和反向耦合模的有效折射率。对单模光纤,由于仅有基模存在,当光纤材料选定后(具有固定的掺杂量),其灵敏度系数将为一定值,这就从根本上保证了光纤光栅作为轴向应变传感器时具有良好的线性输出特性。

　 光纤Bragg光栅横向应变特性分析

　压力影响Bragg波长也是由于光栅周期的伸缩和弹光效应引起的。当横向

　应力变化时,横向应变会导致光纤横截面由圆形变成椭圆形，根据横向作用力性质的不同，横向应变可分为横向均匀应变、横向局部应变和横向非均匀应变三种，光纤光栅的反射波长也会发生变化,可表示成：

　 =[]DP

　 (2-28)

　 又因为：

　 =-

　 (2-29)

　=(1-2n)(2P12+P11)

　 (2-30)

　将（2-29）、（2-30）代入式（2-28）中得：

　 =[+(1-2n)(2P12+P11)]DP

　( 2-31)

　可得压力灵敏度为：KP=[(+P12)-1]

　(2-32)

　倘若石英光纤掺入锗，那么它的压力灵敏度大约为-2.8×10-6/MPa。如果是其他类型的光纤，由于掺杂的成分、掺杂的浓度、掺杂的数量都不确定，所以压力灵敏度也是各不相同的。

　 光纤光栅的制作

　众所周知，折射率的周期变化是引起布拉格光栅的关键所在，而促使这种变化发生的是因为光强有规律的进行变化引起的，要是想让光栅有规律的变化就要靠光敏特性来实现。随着科技的发展时代的变迁，光纤光栅已经在时代的高速路上快速的发展里，而里面存在的元素也从单一的物质变成了多种物质的结合体。相对于古代落得的方法不但生产的质量不高而且制造的条件也非常的苛刻，所以现代人发明了激光光束法，就是使用激光光束在光纤上形成干涉条纹产生光栅。而运用激光写入的方法也在改变，演变到今天的内写入和外写入两种，各有优点各有不足。内写法的制作方法比较单一，只能用紫外线照射，而外写入法方法就多种多样了，由有单脉冲写入法、分振幅干涉法、相位掩膜法、逐点写入法、在线成栅法等。缺点就是很难制作改造水准的滤波器，优点就是制作起来简单方便。下边就仔细个大家介绍一下这几种方法：

　 （1）内部写入法：简单来说就是首先将一个波长488nm的基模氛离子激光改变位置，从端面耦合移动到错杂光纤中，然后再让他变成驻波。我们这里餐用的方法是折射法，让光纤在一个镜面上发生折射，然后折射出来两种光分别是入射光和反射光，这两种光在物理作用下就可以形成驻波啦。经具体实验的实施，反射效率已经达到接近百分之百的地步，反射的带宽也非常的小。但是由于时代的发展，这种方法的缺点逐渐暴露了出来，由于现代人们使用的都是特制的锗掺杂光纤，与布拉格波长相差较大，所以对于本次实验几乎没有使用的价值。

　 （2）逐点写入法：这是另一种完全不同的写入方法，这种方法的原理就是利用非常紧密的就来控制光线的运动，在精密仪器的作用下，可以很好地控制曝光周期，间接的控制了光纤写入的准确性与标准性。这种方法的优点很多比如灵活性很高可以随意改变，还可以随意的设计耦合界面。人们在努力地运用这种方法制作出任意长度的该反射率光栅，但由于其对器件的精密性要求极高，缩阴现在哈只能对周期比较长的光纤进行操作。而他也有不足之处，由于使用要非常的紧缺所以操作起来就会比较复杂，需要非常精准的仪器辅助。由于科技越来越发达，机器越来越智能化，所以这种方法也在逐渐的发展起来，更多的为人们来使用。

　 （3）单脉冲写入法：是根据分子能量高制作而成的，由于分子激光的能量很高可以达到J•cm－2，引起了科学家的广泛关注，英国的Archambanlt等人率先发起了研究，经过他们的刻苦钻研终于发现，单脉冲写入法的过程与二阶和双光子吸收有关。与光纤影响非常大的环境因素也以为速度快很快而被忽略。而且操作方便不用单独的流程只需要在制作光线的过程中完成即可而且最大范围的保证了光纤的完整也也是他变得更加的坚硬。比较适合低成本、大范围的工业化生产。

　 （4）相位掩膜法：相对于前几中的内部写入法、逐点写入法、单脉冲写入法，最后的一种方法效率最高，其中的原理如图2-5.它的最底层是用熔融石英制成的一种刻蚀光栅。这里边还有一个器件，最为重要那就是相位掩膜板，他不但精度高还可以将入社的一条光束分成两条，最后在物理作用下形成非常优秀的干涉条纹，而这种干涉条纹可以非常好的写入光栅当中。下面简单的说明制作的流程：第一步，用电子束曝光刻好的图形掩膜置于光纤上，由于这种掩膜光焰具有特殊的作用，可以增强器件的功能。第二步进行相位调制，紫外光经过掩膜相位调制形成干涉条纹，最后在把干涉条纹写入到周期只有原来二分之一的布拉格光栅当中。这种方法特有的优点就是相关的影响少，置于光栅周期有关与其他的条件无关。由于只与周期有关，所以制作起来比

　之前的方法要方便的多也是现在工业化生产最最普遍的醉醉常用的方法。

　 图2-4

　相位掩膜法原理示意图

　本章小结

　在本章对光栅的理论模型、基本结构、应力特性进行了理论分析，在此基础上概述了光纤光栅制作的方法，在未来实验中，可以采取其中比较合适的光栅制作方法。

　 称重传感器的设计

　超载检测系统的核心就是称重传感器，有一个性能卓越，工作状况稳定，灵敏度高超的称重传感器是至关重要的。本人所设计的称重传感器与以往的传感器有所不同，用光纤光栅替代了之前的惠斯通电桥，车辆如果对光栅产生了一个压力，光栅的栅距将会发生变化，从而带动着波长发生变化，通过检测波长的变化，进而确定汽车的重量。

　 传感器结构设计

　弹性体的存在是将汽车的重量信息转换为应变信息，结构设计的原则是它需要一定的能力来承受横向碰撞并承受过载和偏心载荷。

　根据称重传感器负载条件的不同，可分为三种类型：剪切型，拉压型和弯曲型。

　根据弹性体结构的不同，称重传感器具有悬臂梁类型，轮辐类型，柱类型，轴对称扭转环类型等，每个类型都具有其自身的特征和优点，并且适用于各种不同的场合。

　 （1）悬臂梁类型：悬臂梁类型的几何尺寸小、安装方便、方便维护与更换，综合精度高，长期稳定性与承载力较好，材料价格低廉，性价比较高。

　 （2）剪切轮辐式：低截面，圆形设计，结构紧凑、易于安装，抗冲击、抗侧向力、抗偏载性能好。机械加工难度大，制造成本较高，固有滞后大且不易控制。

　 （3）柱型传感器：结构比较简单紧凑，能够承受较大的压力，方位误差很小，结实耐用，虽然他的优点很突出，但是他的缺点也很突出，它在受力工作的时候，容易发生旋转，对与它连接的电线造成损坏。

　 （4）轴对称扭环型：该类型传感器的结构特性很好，无论是在准确度还是灵敏度上都是要优于其他几种类型，在受到压力时几乎不发生形变。但是该类型的造价高，且后期维护非常麻烦。

　 由悬臂梁结构作为一个新型的动态称重系统不但容易实现，而且价格低廉很适合工业中使用。他特殊的剪切应力的结构不但会让受力点移动一个很小的范围，而且引起的形态的变化也小到可以忽略，十分适合在生产生活中稳定性要求高的地方使用，基于悬臂梁结构的良好特性，在本实验中，最终选择了该结构形式。其结构形式如图3-1所示：

　 图3-1

　悬臂梁式称重传感器结构

　传感器的受力分析

　材料力学分析

　悬臂梁的截面为工字型，工字梁的抗弯能力很强，它能节省大量的材料而获得几乎相近于外轮廓一样的矩形截面的惯性矩以抗弯。

　 图3-2

　 悬臂梁式称重传感器结构示意图

　图3-2是悬臂梁式称重传感器结构示意图，悬臂梁的横截面是一个工字形状，工字梁的整体高度为H，整体长度为B，两臂间的距离为h，工字梁的腹板厚度为b，y并不是一个定值，是表示任意点到Z轴上的距离。根据力学中的受力分析可以得知,如果在结构的悬臂梁端施加一个压力，那么工件中性轴位置是受到最大的剪力的，所受力的大小为：

　 tmax=FSSz/Izb

　 （3-1）

　在式（3-1）中：

　Fs—工件所受到的剪力

　Sz—y=0时，所在截面对中性轴的静矩；

　Iz—所在截面对中性轴的惯性矩；

　对截面进行分析：

　 Sz=（H2-h2）+

　 (3-2)

　Iz= [BH3-(B-b)h3]

　(3-3)

　由力的特性与材料的性能，可知，在工字钢中间处有切应力应有最大值，在腹板和翼缘交界处有切应力有最小值。又因为腹板上切应力平均相差很小，所以一般可近似地认为腹板上的切应力在平面上均匀的分布。通过公式计算，可以知道，腹板可以承担了截面上级大部分的剪力。在梁翼部分切应力极其的复杂，但是在梁翼部分其上的切应力比腹板上的切应力小得多，所以我们在计算时不必考虑。通过上述分析，表明了截面上的剪力主要都是由工字形的腹板位置来承担，防止剪断现象的发生，而工字梁翼缘恰恰相反，它是主要承担截面上的弯矩，防止掰弯。

　 剪力应力图分析

　 图3-3

　悬臂梁称重传感器剪力图

　 剪力Q是一个与横截面相切的分布内力系的合力，悬臂梁称重传感器的剪力分析图如图3-3所示，在整个悬臂梁称重系统中，由于整个系统只受汽车的重量，故梁上的剪力不会突变，保持直线状态。在梁的横截面上有剪力的时候，就必然有剪应力t的存在。

　 M=FL

　 图3-4

　悬臂梁称重传感器弯矩图

　弯矩为M的内力偶是与横截面垂直的内力系的合力偶矩，有使得梁产生弯曲的趋势。悬臂梁称重传感器的弯矩分析如图3-4所示，悬臂梁的弯矩随着臂长的变化而产生变化，在悬臂梁固定端所受的弯矩最大。力臂越长，弯矩越大。在悬臂梁横截面上有弯矩M时，悬臂梁就必然会受到一个正应力。

　 在横截面上所产生的应力为：s=My/JZ

　(3-5)

　式中，Jz—横截面对Z轴的惯性矩

　在横截面上产生的剪切力为：t=[(H2-h2)+(-y2)]

　 (3-6)

　ANASY受力分析图

　ANASY软件是一个非常实用的软件，它经常被应用于各种工程类的问题上。它可以通过图像直观的看到所做物品每个地方的变化情况。这种模拟方法给我们提供了极大的便利，该软件经常用于模拟物体碰撞后各部分受力的情况，这在现实生活中，如果通过实物来模拟，代价是非常大的。

　 ANASY软件一共分为两部分，前处理和后处理。

　 前处理的主要作用就是构建模型和划分区域，可以从下面往上面构建，也可以从上面向下面。如果对这种建模下一个定义的话，那就是绘制出自己想要分析的东西的样子，按照点、线、面体的顺序来构建模型。建模完成后，就需要进行的工作是划分区域网格，因为我们在分析问题时，一个物体的不同地方是有不同的效果的，因此，我们需要划分出多个网格，便于后处理时对每一个模块得出相应的结论。

　 后处理的主要作用就是分析物体在受某种外界情况的干扰下，通过各种相应的算法，计算出物体各部分所产生的变化情况，并通过彩虹线的形式向我们呈现出来，彩虹线不同的颜色代表不同的变化情况，随着颜色的变化，物体的变化量也随之变化。因此，我们可以直观的观察到物体各部分变化情况，并为下一步操作打下基础。

　 结构体分析过程：属性定义：主要包括对材料、单元和截面的定义。材料选择钢材料，材料密度设置为7800e-12,设置梁截面为普通矩形，单元设置为189单元。几何建模：创建关键点，定义方向点，得出几何模型（图3-5）。

　 图3-5

　几何模型

　 创建有限元模型：定义各坐标后，得出有限元的模型（图3-6）。

　 图3-6

　悬臂梁传感器有限元模型

　通过加载求解后得出结果：

　 图3-8

　应力云图

　光纤光栅的粘贴

　光纤Bragg光栅的粘贴位置

　我们如果想确定光栅的粘贴位置，就必须通过力学上的知识来进行分析。我们所希望的是称重传感器可以受纯剪应力，而不受其他力的影响。由公式（3-5）可以得出，当参数y的值为0时，由于分子为0，所以传感器的截面上是没有应力存在的。由公式（3-6）可以得知，当y为0时，传感器截面是受到最大的剪应力的。因此是符合我们的要求的，当参数为0时，那就是截面的中心处，也就是Y轴与Z轴的交点，在该中心线上都可以粘贴光栅，光栅只受剪应力。

　 再根据图（3-8）确定具体的粘贴位置，根据应力云图坐标轴可知，悬臂梁结构称重传感器各部位的受力情况随着颜色从蓝色到红色的变化，所受应力随之从小到大。在图中的MX位置为红色，是受力最大的位置，因此将具体位置确定在这里。

　 光纤Bragg光栅的粘贴方向

　在前文中，根据材料力学和ANASY分析出的结果已经确定了截面的位置。但是，只有截面位置是不够的，因为我们传感器是会产生形变的，截面上每个位置所受到力的大小都是不一样的。除此之外，截面还可以旋转，处在与中心轴不同角度的截面，受力也是不确定的。因此我们还需要通过分析，确定光栅的粘贴方向。

　 截面中心轴处收到的剪切力：tmax=[]

　斜截面上的应力公式：

　sa=+cos2a-tsin2a

　（3-7）

　（3-8）

　smax

　 smin

　=±

　 我们可以由此确定出主平面的位置，由公式（3-10）有：tan2a0=→∞

　 根据上述公式可以得出两个角度，分别为45度和135度。

　 根据上述材料力学公式的计算，我们想要让光栅感受到最大的剪应力，而不受其他力的影响。根据上述的公式计算，应该在悬臂梁内部设置两块光栅，且两块光栅的摆放位置应当互成直角，只有在这种情况下，两块光栅才能够感受到最大的剪应力。所以两块光栅的摆放位置应如图3-9所示。

　 图3-9

　 光栅摆放方向示意图

　光纤Bragg光栅的封装

　光纤光栅的性能非常的卓越，是其他很多传感器比拟不了的。光栅很小，很方便，这是人们喜爱它的理由，但是正因为如此，它很容易受到损害，光栅自身是没有硬度的，所以我们必须要给它加上一个封装结构，这样才能够保护光栅，使光栅不受外界的影响。除此之外，裸露的光纤光栅对应变量几乎是没有增敏的效果的，因此，我们应当选择合适的封装结构，来增加光栅对应变量的敏感程度，敏感程度越高，我们的传感器的性能也就越卓越。目前对光纤光栅的封装主要有三种方法：聚合物封装法、金属管封装法和金属片封装法。在下文中将列举两种封装方式，并对其进行比较。

　 光纤光栅毛细钢管封装法

　图3-10

　 毛细钢管法封装示意图

　利用毛细钢管来对光纤光栅进行封装，实际上就是将一个具有一定厚度的钢管套在光栅的位置，从而对光栅起到保护和增敏的作用。如果想要对光栅进行封装，首先要将光纤串联至钢管内部，其次要在毛细钢管内灌装丙烯酸酯等有机化合物，缓慢的将钢管向前推动，直至光栅进入到钢管的中心位置。整个封装过程需要十分的谨慎，如果光栅的位置没有非常的准确，最后封装效果将会大打折扣。封装结束后，一定要进行反复的检查，确认光栅的位置，保证在不锈钢管的内部紧凑，不能封装不严密，不能产生气泡。

　 根据对该封装结构进行的各种测试实验可以得出，该封装方法对温度传感的增敏效果非常的好，灵敏度是以倍数增长的。但是这种经过该封装方法的光栅，对于应力而言，与封装前的裸光栅的灵敏度是相同的，所以光纤光栅钢管封装法对应力测量没有增敏效果。

　 光纤光栅铝合金箔片封装法

　图3-11

　光纤光栅铝合金箔片封装示意图

　铝是自然界中存在最多的金属，它具有很多很多的优良特性。重量小，硬度大，性价比很高。被应用在很多的领域。这种封装方法就是利用铝合金箔片来保护光纤光栅。

　 这种封装方法首先需要在下面的铝合金箔片上开一条槽，用来把光栅固定，选用合适的黏着剂将光栅粘合住，然后把上面的铝合金箔片盖住，从而来保护光纤光栅。箔片在使用之前是一定需要经过处理的，否则上面的污垢和各种氧化物会对封装效果产生影响。可以使用砂纸仔细对铝片进行打磨，然后使用丙酮或乙醇溶液对铝片进行清洗，丙酮是很好的有机溶剂，挥发性也比较强，洗掉杂质以后自己就可以挥发掉，不影响下一步的操作。然后将光栅粘贴在下铝片的凹槽里。

　 上盖板盖住，在一定的温度下放置一段时间，等到粘合剂达到最大的粘度时即完成封装。根据实验中压力和波长的变化情况，证明该封装对压力有良好的增敏效果，有封装的光栅的增敏效果比裸露的光栅增敏效果高

　1.3倍。

　 光纤Bragg光栅解调技术

　解调部分是系统非常重要的一部分，它是良好的敏感元件，它通过反射回的波长变化来反映光栅所受应力的改变，波长解调技术的优劣将直接影响整个系统的检测精度。目前已报道过的解调方法有十多种，下面就对常用的两种解调方法作概括性的介绍。

　 光谱分析法

　光谱分析法是最基本的解调方法，在实验室中经常使用这种方法来观察波长的变化。但是这种方法也有着体积较大，不能将光信号转换成电信号的缺点，故一般在光纤光栅基础传感实验时使用，其原理如图3-12所示：

　 图3-12

　光谱分析仪原理示意图

　我们日常所用的光谱分析仪，其中最重要的元件就是其中的衍射光栅，它起着连接两个反射镜的作用。一般衍射光栅的制作材料为玻璃，通过对材料表面进行精细加工，并在其上表面镀上反射模。光纤中的光进入到光谱分析仪后，通过反射镜反射至衍射光栅，当衍射光栅在一定角度时，就可以分离出不同的波长类型的光。将分离出的光再经过一个反射镜就可以传递到系统底端的探测器。通过不断的调整光栅的位置，就可以达到扫描的效果。可以说，基本上光谱分析仪的所有功能都是基于衍射光栅所实现的。而且，利用这种解调方法，解调的速度很快，准确度也很高。

　 光纤光栅匹配滤波器法

　匹配光栅法的基本原理为使用一对性能参数相同的FBG，其中一个作为传感光栅，另一个作为匹配光栅。通过使用驱动原件驱动匹配光栅跟踪传感光栅谐振波长变化，测量驱动原件上的驱动信号即可解调出光栅。这种方法的优点是结构简单，受其他信号干扰较小、对反射光的光强要求比较低。缺点是受参考光纤光栅的限制，传感光栅的测量范围不能很大。匹配光栅法结构有两种，分为投射式和反射式。其原理如图3-13所示。

　 图3-13

　光栅匹配滤波器法原理示意图

　FBG1作为传感光栅，它在受到外界环境变化的情况下， 比如：压力、温度等。其栅距会发生变化，根据式（2-17）和（2-19）可以得知波长位置会随之发生改变，那么它的反射光的光谱也会有移动。而FBG1反射光的光谱是与FBG2相对应的，那么与FBG2的光谱就不再重合。这样以来，检测变化量就可以得到变量的变化的情况。利用匹配滤波来解调精度很高，但是在解调时操作比较麻烦，对系统的控制难度很大。

　 本章小结

　本章内容是本人所做工作的核心内容，车辆重量检测系统的核心是称重传感器。在本章内容中，设计了一种悬臂梁式称重传感器，在确定其结构后，对具体受力情况以及光栅的粘贴位置进行了详细的理论推导。除此之外，对光纤光栅的封装技术和光纤光栅的解调技术进行了详细的对比阐述，对比其特点，决定了封装结构和解调方法。

　 车辆称重系统模型实验

　实验系统搭建

　为了更好的模拟悬臂梁式称重传感器的工作情况，利用实验室现有条件，搭建本套实验系统。如图4-1所示：

　 图4-1

　悬臂梁式称重传感器模拟实验系统

　实验采用锯条一端悬空，一端固定模拟悬臂梁结构。将光纤Bragg光栅用胶粘贴在锯条上，光纤的另一端接在光谱分析仪上。通过在锯条的悬空端配挂重物的方法，使得锯条发生形变，锯条的形变模拟拉栅的效果，使得光栅的栅距发生变化，通过逐渐增加重量，观察光谱分析仪上波长的变化，统计数据，最终得出重量与波长变化的关系。

　 图4-2

　 模拟实系统受力分析示意图

　图4-2为模拟实验过程中，锯条在重物作用下的受力情况。

　 实验过程

　（1）首先观察光谱仪上的示数，在悬臂梁自由端未悬挂重物时的波长值。由图易得，未悬挂重物时光栅的波长值为1559.1200nm,如图4-3所示：

　 图4-3

　无重物时Bragg光栅的波长

　(2)在悬臂梁的自由端开始悬挂重物，每悬挂一次后对波长进行一次扫描，发现随着重物重量的改变，光栅的中心波长也在不断的变化，图中红色三角为标定中心波长。如下图所示图4-4（a、b、c、d）所示：

　 图4-4（a）20g重物作用

　 图4-4（b）40g重物作用

　图4-4（c）60g重物作用

　图4-4（d）80g重物作用

　图4-4

　光栅中心波长变化情况

　（3）采集所有实验的实验数据，为下一步数据处理，以及线性度比对打下基础。

　 实验数据分析

　通过之前的模拟实验，采集了悬臂梁自由端悬挂重量从0g—160g重物波长变化信息，现在利用origin软件对数据进行分析处理。

　 （1）首先将光谱分析仪所得的9组数据填充至origin软件。如图4-5所示。

　 图4-5

　光谱分析仪数据填充至origin

　（2）经过软件绘制后，得出波长与光强的关系图，如4-6所示，图像中不同的颜色待变不同的重量。

　 图4-6

　九个重量波长光强关系图

　（3）由于九条曲线观察较为复杂，取其中五条线进行介绍。对五条曲线进行放大处理，并对坐标轴进行细化处理。如图4-7所示。

　 图4-7

　五个重量波长光强关系图

　（4）使用origin 软件工具栏中的Screen Reader工具对五条曲线的各峰值处取值，确定波长变化与重量的关系。得出如下结论：

　 重量（g）

　波长值（nm）

　0

　1559.10867

　20

　1559.33856

　40

　1559.55799

　60

　1559.72727

　80

　1559.94462

　（5）将上述表格数据再填充至origin工作表内，生成点线图，经过数学分析可得出如下图像：得出直线方程：y=0.01427+1599.123。根据对图像的观察，可以得出整个实验系统的线性拟合度好，线性度良好。如图4-8所示：

　 图4-7

　线性拟合线

　车辆超载检测系统设计

　系统硬件构成

　车辆超载检测系统是设置在收费站处和公路的任意位置处，本系统硬件系统由上位机和下位机两部分组成，上位机装置了称重系统和轮轴识别系统，上位机主要是收集车辆的重量、车型、牌照信息，将收集好的数据打包成数据包通过无线通信模块传递给下位机，下位机在收到上位机发来的数据包后，解析数据包，并进行计算处理，在显示模块上显示出车辆的重量，以及应缴纳的费用，如果车辆超载后，将直接触发报警装置，将超载信息传递给相关管理部门。其硬件构成图如图4-8所示：

　 图4-8

　车辆超载检测系统硬件结构示意图

　各部分功能如下所示：

　 称重系统：该部分内容为本论文主要叙述内容，通过检测光纤光栅波长的变化，确定出车辆的重量。为上位机提供车辆的重量信息。

　 轮轴识别：通过对轮胎数量、车辆轴距、轮轴数量的检测，结合数据库内所存贮的车辆型号信息对比，确定车辆的类型。

　 无线通信模块：无线通信模块是该系统中非常重要的一部分，由于检测点的位置不确定，以走线的方式成本太高，所以选择利用无线通信将上位机所收集到的数据信息传递给下位机，通信方式的选择直接决定了系统整体的性能，必须保证数据信息，快速、准确的传递。在对比多种通信方式后，最后决定选择LORA通信技术，LORA技术以其独特的优势在无线通信领域中被广泛的应用。LORA技术较其他通信方式（例如ZigBee、wifi、蓝牙）具有高带宽，低功耗，传输距离远的优势。

　 功能模块：在下位机解析数据包后，控制各节点进行工作。显示车辆的重量，并通过预先设定的算法公式对车辆的费用进行计算。在计算后，如果车辆的重量超过了预先设定的阈值，直接触发报警装置， 传递至各相关管理单位。

　 中央处理模块：中央处理模块即下位机数据处理部分，它是整个系统的核心部件，中央处理模块内包含着系统所需的数据库，除此之外，中央处理模块还对其他模块进行控制，在整套检测系统中，可设置多个上位机节点，由中央处理模块统一进行数据处理。

　 系统除了以上拥有的功能外，还拥有许多其他功能：自动升降杆，车牌识别，通行指示灯等等，为建立良好的交通运输秩序做出贡献。

　 系统基本流程设计

　汽车驶入

　 传感器产生形变

　FBG波长变化

　解调仪检测

　数据计算

　光纤光栅对垂直向下压的力很敏感，但是对水平来的力就没有那么敏感，所以在正常的情况下，人们所设计的称重传感器一般都是检测垂直力的。系统的流程设计如图4-2所示，首先是汽车驶入，当汽车驶入到称重平台位置时，悬臂梁受到很大的压力，由于光纤光栅是在悬臂梁结构内部的，所以光栅此时就受到了很大的压力。光栅受到压力后，由于其自身的特性，波长将会发生改变。此时，将波长信息传递给解调系统，解调系统对波长进行解调，最终将解调出的信号量输入至算法系统中，得出车辆的重量。

　 本章小结

　在本章节中，详细的叙述了整个系统的模拟实验过程并展示了部分数据处理过程照片，经过模拟实验系统的测试，证明悬臂梁式车辆称重系统的灵敏度和线性度良好。在不断试验的过程中，确定了波长变化的情况主要与光栅的栅距变化有关。