基于光纤光栅传感技术的车辆荷载作用位置识别方法

摘要

基于光纤光栅传感技术的车辆荷载作用位置识别方法，它涉及车辆荷载作用位置识别领域。它解决了光纤光栅传感器在对路面信息进行实时监测时无法获取车辆荷载作用位置的问题，本发明首先将光纤光栅传感器组(M)横贯于被测道路横断面(Q)内，利用所述数据采集仪实时采集光纤光栅传感器组(M)输出的应变数据，当车辆荷载(W)作用于埋设所述光纤光栅传感器组(M)的道路横断面上方时，所述数据采集仪获得光纤光栅传感器组(M)输出的应变数据，最后根据所述应变数据为正值或负值判断车辆荷载(W)作用的位置。本发明的方法用于识别车辆荷载作用位置。

说明书

技术领域

本发明涉及车辆荷载作用位置识别领域，具体涉及一种基于光纤光栅传感技术的车辆荷载作用位置识别方法。

背景技术

近年来，光纤光栅传感技术在大型土木工程结构、航空航天和能源化工等领域的质量监测方面得到了广泛的应用。所述光纤光栅传感技术利用光纤光栅传感器实现，光纤光栅传感器具有以下优点：光纤光栅传感器的传感头结构简单，体积小，重量轻并且外形可变，适合埋入大型结构中，可以测量结构内部的应力、应变及结构损伤等情况，同时稳定性和重复性好；光纤光栅传感器与光纤之间存在天然的兼容性，易与光纤连接，低损耗，光谱特性好且可靠性高；光纤光栅传感器具有非传导性，对被测介质影响小，又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点，故适合在恶劣环境中工作；光纤光栅传感器轻巧柔软，可以在一根光纤中写入多个光栅构成传感阵列，进而与波分复用和时分复用系统相结合实现分布式传感；光纤光栅传感器所测量的信息是波长编码的，所以，光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接损耗、光纤祸合损耗以及光波偏振态变化等因素的影响，其具有较强的抗干扰能力，高灵敏度和高分辩力。

随着科学技术的发展，光纤光栅传感器也被广泛应用于道路工程的质量监测中，通过光纤光栅传感器的有效信息监测数据来评价路面的长期使用性能并解决道路工程中的实际问题，但是车辆在道路上行驶的位置是随机的，即车辆荷载作用位置不确定，而定位车辆荷载作用位置对路面信息监测又有着重要影响，因此在对路面信息进行实时监测时如何获取车辆荷载作用位置对于路面结构的计算和分析有着重要的意义。

发明内容

为了克服光纤光栅传感器在对路面信息进行实时监测时无法获取车辆荷载作用位置的问题，本发明提供一种基于光纤光栅传感技术的车辆荷载作用位置识别方法。

本发明的基于光纤光栅传感技术的车辆荷载作用位置识别方法的过程为：

步骤一：将光纤光栅传感器组横贯于被测道路横断面内，所述光纤光栅传感器组水平方向埋设，并且所述光纤光栅传感器组内各光纤光栅传感器等距排布，将数据采集仪的光纤通道与所述各光纤光栅传感器的数据传输线一一对应连接，利用所述数据采集仪实时采集光纤光栅传感器组输出的应变数据；

步骤二：当车辆荷载作用于埋设所述光纤光栅传感器组的道路横断面上方时，所述数据采集仪获得光纤光栅传感器组输出的应变数据，所述应变数据为正值或负值；

步骤三：根据所述的应变数据为正值或为负值来判断车辆荷载作用位置，具体判断过程为：当光纤光栅传感器输出的应变数据至少为一个正值时，且当与所述正值应变数据所对应的光纤光栅传感器相邻两侧的光纤光栅传感器所输出的应变数据均为负值时，车辆荷载作用位置为所述正值应变数据所对应的光纤光栅传感器的埋设位置或为距离发出正值应变数据的光纤光栅传感器水平横向距离为1/2间隔的范围内；当光纤光栅传感器输出的应变数据至少为一个正值时，且当与所述正值应变数据所对应的光纤光栅传感器只有一侧包含其他光纤光栅传感器时，所述正值应变数据所对应的光纤光栅传感器所邻近的两个光纤光栅传感器所输出的应变数据均为负值时，车辆荷载作用位置为所述正值应变数据所对应的光纤光栅传感器的埋设位置或为在所述光纤光栅传感器组内水平横向距离所述埋设位置为1/2间隔的范围内；当光纤光栅传感器输出的应变数据为一个负值时，且当与所述负值应变数据所对应的光纤光栅传感器只有一侧包含其他光纤光栅传感器，所述负值应变数据所对应的光纤光栅传感器所邻近的两个光纤光栅传感器所输出的应变数据均为负值时，车辆荷载作用位置在水平横向距离所述光纤光栅传感器组1/2间隔范围之外，且在水平横向距离所述光纤光栅传感器组间隔范围之内。

本发明在步骤一中所述的光纤光栅传感器组由第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器、第三光纤光栅传感器、厖和第N光纤光栅传感器组成，所述各光纤光栅传感器以间隔串联水平横向布设，所述间隔在1倍待测荷载宽度与2倍待测荷载宽度之间，所述间隔以1倍待测荷载宽度为佳，所述待测荷载宽度为车辆轮胎与路面接触时的车辆一个轮胎水平横向的宽度。

本发明的设计原理为：光纤光栅传感器在受压应变时其输出应变数据为负值，在受拉应变时其输出应变数据为正值。按照路面力学的分析，在道路横断面内水平横向布设的光纤光栅传感器在其中部受荷载作用时所述光纤光栅传感器产生拉应变，在其端部受荷载作用时所述光纤光栅传感器产生压应变。下面以三个光纤光栅传感器为例说明基于光纤光栅传感技术的车辆荷载作用位置识别方法的识别原理，所述识别原理具体为：中间光纤光栅传感器是预设的应变测试位置，若车辆荷载作用于预设荷载范围内，则中间光纤光栅传感器受拉应变输出应变数据为正值，左侧光纤光栅传感器和右侧光纤光栅传感器所输出的应变数据均为负值；若车辆荷载作用位置微偏离预设的应变测试位置而作用于荷载范围内，则距离车辆荷载作用位置偏近一侧的右侧光纤光栅传感器受拉应变输出应变数据为正值，其余两光纤光栅传感器受压应变输出应变数据为负值；若车辆荷载作用位置偏离预设的应变测试位置较远而作用于荷载范围之外，则三个光纤光栅传感器均受压应变输出应变数据为负值。

本发明基于上述识别原理提供了一种基于光纤光栅传感技术的车辆荷载作用位置识别方法，本发明的有益效果为：本发明通过N个光纤光栅传感器的应变数据类型(正值或负值)实时方便地识别车辆荷载作用位置，且参与识别车辆荷载作用位置的光纤光栅传感器数量越多，所述光纤光栅传感器车辆荷载定位区域的划分越细，车辆荷载作用位置的识别精度越高；本发明实现了车辆荷载作用位置的识别，对于道路工程的实时质量监测具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的基于光纤光栅传感技术的车辆荷载作用位置识别方法的流程图；图2是本发明的具体实施方式一中所述的光纤光栅传感器组M的整体结构示意图，图3-a是本发明的车辆荷载W作用于预设荷载范围A时的车辆荷载作用位置识别原理图，图3-b是本发明的车辆荷载W作用于荷载范围B时的车辆荷载作用位置识别原理图，图3-c是本发明的车辆荷载W作用于荷载范围B之外时的车辆荷载作用位置识别原理图，图4是图3-a所描述的车辆荷载W作用于预设荷载范围A时各光纤光栅传感器应变变化示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：根据说明书附图1、2、3-a、3-b、3-c和4具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于光纤光栅传感技术的车辆荷载作用位置识别方法的过程为：

步骤一：将光纤光栅传感器组M横贯于被测道路横断面Q内，所述光纤光栅传感器组M水平方向埋设，并且所述光纤光栅传感器组M内各光纤光栅传感器等距排布，将数据采集仪的光纤通道与所述各光纤光栅传感器的数据传输线一一对应连接，利用所述数据采集仪实时采集光纤光栅传感器组M输出的应变数据；

步骤二：当车辆荷载W作用于埋设所述光纤光栅传感器组M的道路横断面上方时，所述数据采集仪获得光纤光栅传感器组M输出的应变数据，所述应变数据为正值或负值；

步骤三：根据所述的应变数据为正值或为负值来判断车辆荷载W作用位置，具体判断过程为：当光纤光栅传感器输出的应变数据至少为一个正值时，且当与所述正值应变数据所对应的光纤光栅传感器相邻两侧的光纤光栅传感器所输出的应变数据均为负值时，车辆荷载W作用位置为所述正值应变数据所对应的光纤光栅传感器的埋设位置或为距离发出正值应变数据的光纤光栅传感器水平横向距离为1/2间隔d1的范围内；当光纤光栅传感器输出的应变数据至少为一个正值时，且当与所述正值应变数据所对应的光纤光栅传感器只有一侧其他光纤光栅传感器时，所述正值应变数据所对应的光纤光栅传感器所邻近的两个光纤光栅传感器所输出的应变数据均为负值时，车辆荷载W作用位置为所述正值应变数据所对应的光纤光栅传感器的埋设位置或为在所述光纤光栅传感器组M内水平横向距离所述埋设位置为1/2间隔d1的范围内；当光纤光栅传感器输出的应变数据为一个负值时，且当与所述负值应变数据所对应的光纤光栅传感器只有一侧包含其他光纤光栅传感器，所述负值应变数据所对应的光纤光栅传感器所邻近的两个光纤光栅传感器所输出的应变数据均为负值时，车辆荷载W作用位置在水平横向距离所述光纤光栅传感器组M1/2间隔d1范围之外，且在水平横向距离所述光纤光栅传感器组M间隔d1范围之内。

本实施方式在步骤一中所述的光纤光栅传感器组M由第一光纤光栅传感器1、第二光纤光栅传感器2、第三光纤光栅传感器3、厖和第N光纤光栅传感器n组成，所述各光纤光栅传感器以间隔d1串联水平横向布设，所述间隔d1在1倍待测荷载宽度d2与2倍待测荷载宽度d2之间，所述待测荷载宽度d2为车辆轮胎与路面接触时的车辆一个轮胎水平横向的宽度。

下面以三个光纤光栅传感器为例说明基于光纤光栅传感技术的车辆荷载作用位置识别方法的识别原理，所述识别原理具体为：中间光纤光栅传感器II是预设的应变测试位置，若车辆荷载W作用于预设荷载范围A内，则中间光纤光栅传感器II受拉应变输出应变数据为正值，左侧光纤光栅传感器I和右侧光纤光栅传感器III所输出的应变数据均为负值；若车辆荷载W作用位置微偏离预设的应变测试位置而作用于荷载范围B内，则距离车辆荷载W作用位置偏近一侧的右侧光纤光栅传感器III受拉应变输出应变数据为正值，其余两光纤光栅传感器受压应变输出应变数据为负值；若车辆荷载作用位置偏离预设的应变测试位置较远而作用于荷载范围B之外，则三个光纤光栅传感器均受压应变输出应变数据为负值。

本实施方式中说明书附图4是根据说明书附图3-a各光纤光栅传感器受应变情况进行有限元数值模拟获得的，其中，第一个压应变数据范围U1对应左侧光纤光栅传感器I受压应变情况，第二个压应变数据范围U3对应右侧光纤光栅传感器III受压应变情况，拉应变数据范围U2对应中间光纤光栅传感器II受拉应变情况。

本实施方式通过N个光纤光栅传感器的应变数据类型(正值或负值)实时、方便地识别车辆荷载W作用位置，且参与识别车辆荷载W作用位置的光纤光栅传感器数量越多，所述车辆荷载W定位区域的划分越细，车辆荷载W作用位置的识别精度越高。

本实施方式实现了车辆荷载作用位置的识别，对于道路工程的实时质量监测具有重要意义。

具体实施方式二：本具体实施方式与具体实施方式一的不同之处在于，所述间隔d1为1倍待测荷载宽度d2。

本实施方式中所述数据采集仪为SI425型光纤光栅传感解调仪。