光纤光栅车辆超载检测系统设计
摘
年国济十分迅速态势发展道路运输业迅速发展成运输方式快速发展时公路理机制够健全车辆超载超限问题十分普遍车辆超限超载运行国家公路受严重损坏外交通安全环境保护影响果想源头治理车辆超载超限问题称重传感器提出更高求光纤光栅具优点传感灵敏度够适应种恶劣工作环境工作性稳定倍受青睐文基光纤光栅外界应力测量具体做研究容：
首先光纤光栅理模型进行分析基础传感特性进行分析次设计种结构悬臂梁式称重传感器基础结构受力情况进行详细分析通建立实验模型验证系统实现性
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 followsFirstly 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 gratingCantilever beam structureStress changesVehicle weighing
目 录
摘 I
Abstract II
第1章 绪 1
11 选题背景目意义 1
111 选题背景 1
112 选题目意义 2
12 国外研究现状 4
13 文研究容 5
第2章 光纤Bragg光栅理研究 6
21 光纤Bragg光栅理模型 6
22 光纤Bragg光栅结构传感原理 8
221 光纤Bragg光栅基结构 8
222 光纤Bragg光栅传感原理 9
23 光纤Bragg光栅应力特性 10
231 光纤Bragg光栅轴应变特性分析 10
232 光纤Bragg光栅横应变特性分析 11
24 光纤光栅制作 12
25 章结 13
第3章 称重传感器设计 14
31 传感器结构设计 14
32 传感器受力分析 15
321 材料力学分析 15
322 剪力应力图分析 16
323 ANASY受力分析图 17
33 光纤光栅粘贴 20
331 光纤Bragg光栅粘贴位置 20
332 光纤Bragg光栅粘贴方 20
34 光纤Bragg光栅封装 21
341 光纤光栅毛细钢封装法 22
342 光纤光栅铝合金箔片封装法 23
35 光纤Bragg光栅解调技术 23
351 光谱分析仪 23
352 光纤光栅匹配滤波器法 24
353 边缘滤波器法 25
第4章 车辆称重系统模型实验 27
41 实验系统搭建 27
42 实验程 28
43 实验数分析 29
44 车辆超载检测系统设计 31
441 系统硬件构成 31
442 系统基流程设计 32
绪
选题背景目意义
选题背景
中国年发展迅速济快速发展带动着交通运输业繁荣公路行驶着许超限定重量车辆促国家公路受巨破坏相关重量超载标准说国家公路路面建造时理想值超十千牛果公路行驶车辆超重量公路时间够达设计时峰值果车辆公路行驶超限定重量会减少公路时间造成公路寿命衰减原超限车辆行驶超限运输存国家济造成非常损失完全统计1996年北京辖区条国道投资3760万元建成常车辆超载通建成仅仅年时间公路路面全部损坏桥梁隧道受程度损毁造成直接济损失达4000万元1995年建成木石枣庄汽车专公路公路设计时年限20年车辆超限运输结果条道路仅仅3年零4月时间 18万方米水泥混凝土路面损坏破损率高达23中南半边路面常通超限车辆破损率直逼44北半边路面通超限车辆相较少破损率13两者间差异十分明显超载超限车辆治理工作刻容缓
桥梁安全受超载超限车辆威胁果车辆超限情况严重建造桥梁时候高标准水泥混凝土会桥梁挠度增桥梁水泥混凝土容易开裂逐步钢筋露出受腐蚀桥梁寿命缩短家乡连接市区外环桥夜晚货车桥修现两年桥体已开裂桥面基层已破裂样桥面基失硬度目前已修缮江阴桥质量非常世界6座著名桥梁样中土耳国家桥日交通量10万辆然通车时间已12年桥面质量非常江阴桥日交通量仅276万辆中半车辆超载运行超限30现象非常普遍统计超七成车辆超限30外超限100车辆
超限车辆数量庞通车两年车道受程度损坏京沪高速公路刚通车年桥面已堪入目桥堪重负桥梁部分钢筋出现变形原坦路面变坑坑洼洼满目疮痍建造桥时候原设计沥青厚度5厘米路面超限车辆断碾压凹凸桥面桥面沥青厚度早已均匀方薄方厚
选题目意义
研制新型称重系统解决问题：
①超载车辆存巨安全隐患交通事元凶
年型运输车辆出现交通事般情况车辆超载超限关车辆超载超限情况车辆项机受限制重量增车辆刹车距离会增长车辆控性降低提高安全隐患方面汽车身核定工作重量果长期超车辆工作重量车辆长期超负荷情况作业车辆损害会加速车辆报废解京沪高速公路江苏段年时间46场重交通事车辆超载超限引起死亡61伤亡123广东京珠高速公路北半部分刚刚开通半年已造成80死亡交通部门路专家分析造成惨剧原车辆超载超限运行
②运输市场秩序超限运输扰乱引发行业恶性竞争
车辆超限车辆利益化年事交通运输行业数增车辆营运力已远远市场需求种形势必须降低运输成更加低廉价格吸引更货源种恶性竞争存货运价格远低正常运输价格降价部分弥补回车装装该交交通运输费交交样运力剩市场需求饱矛盾更加突出没货货现价格低价格招揽货继续超载货物方法弥补损失样形成种恶性循环先超载货物压低价格价格压价格压超载更限样循环受伤害国家道路10年前运输普通散货价格03元吨公里现已降低足02元吨公里车辆超载超限普遍现汽车制造商家钻中漏洞吨位货物挂吨位标志车辆进行改装
超载超限运输规模进步加剧车辆超载趋势
③超限运输车辆投机取巧减少缴纳路费
国公路收费站收费通车辆识车辆信息库里信息进行计算出路费车辆装货物重量远远汽车身限定重量样算均需缴纳费减少收费标准样情况超载运输者遵纪守法运输者获更利润国家言少收取量费老实分运输车非常公偷奸耍滑运输者提高利润收入少缴纳费运输成降低
④超限运输降低公路交通通行效率环境污染非常严重
超限倍数车辆质量造成车辆行驶速度非常慢车辆甚达40公里时走慢影响面车辆正常行驶常发生堵车现象公路通行效率降低数量级尤高速公路高速公路车辆低限速超载严重车辆甚低限速达高速公路整体通车效率降低阻碍通行外超载车辆身重量较加速者爬坡时候需发动机做更功超载车辆面黑烟滚滚尾气超量排放极污染气环境
着新型传感材料飞速发展特光纤传感元件中光纤光栅称重系统更新提供崭新途径新颖思路传感技术中目前新颖数光纤光栅传感技术外部参量（例：温度应力加速度）通光栅反射波长移动量确定适种极端环境受外界素限制够传感进行传输够极提高产品灵敏性性时通定数量光纤光栅搭建光纤传感网络网络节点光结点现传输电结点速度更快更稳定
国外研究现状
面车辆超重检测问题国外发达国家早前开始治理超限超载研究研制出系列产品时国家济没景气交通运输业衰弱没遇相关问题国家研究汽车称重传感器稍晚
历史角度科学家做汽车称重实验早莫八世纪末期Gkovacs说行业奠基国会议发表著名称量车辆质量实验方法提供宝贵验
十八世纪中期机械革命美国成立开始动态测量研究组组然十八年创验法国紧制造称重仪种称重仪称重标准根压力工作然法国先发明先美国美国首先汽车称重领域
十八世纪末期开始世界车辆动态称重系统雨春笋般开展起1958年美国发明低成动态称重系统投入英国发明美国更高级产品称重压电传感器vibetek5研发板式传感器力压群雄站世界领导位
1992年重年年测试称重领域里程碑式实验cost322实验实验欧盟公路委员会发起目三年时间检测WIM系统具体实施性系统次文相关车辆动态监测系统欧盟发起项新计划WAVE计划测试产品极端环境运行记录运行状况否良
十九世纪初期美国展出聚物压电轴新型传感器成新代领带者带领行业前进目前动态称重系统途目前世界较先进动态称重系统轴重测量均误差控制30置信度达90先进动态称重系统轴重测量误差控制5置信度达90成太高特场合
改革开放前国济落时没建设公路网动态称重技术更没研发环境着改革开放济快速发展公路网快速覆盖车辆数量急速增加国开始动态称重系统研究国面问题研发时间短起步晚八十年代国没研发动态称重系统公路运输发展需国首次国外引动态称重系统设备价格昂贵传感器庞难行维护国外更新换代淘汰产品国时面许问题相较言国车辆称重领域时间较短技术够成熟国车辆称重系统设计较空间
文研究容
做题目时候着重改进传统称重传感器研发出新型称重传感器光纤光栅代前电阻片采结构材料力学中悬臂梁结构通该结构体断分析模拟实验操作系统终确定传感方案该课题做容：
（1）改进车辆超重系统方案确定合适传感方案
（2）光纤光栅传感器布喇格光栅信号波长解调
（3）光纤光栅选择合适封装结构
（4）搭建模拟实验系统实现超重测量
（5）分析实验数改进实验方案提高测量精度
光纤布喇格光栅理研究
光纤布喇格光栅理模型
生活中温度湿度光差异甚极端环境果光栅环境工作光栅性非常考验关键光纤纤芯折射率周期环境求非常苛刻果素发生变化面进行实验失意义验单折射率改变波导条件会发生显著变化变化终会导致出现光波模式耦合种耦合会引起光谱发生改变终影响实验结果
科学家发明种全新光栅利单模掺锗光纤紫外光射行形成新品种简称FBG种光栅光栅具特点纤芯折射率呈现周期性条纹分布图21
设均匀纤芯中折射率`n引起折射率非均匀分布成n（xyz）折射率峰谷差Dn（xy）非均匀分布区间长L纤芯折射率表示：
n（xyz） `n(xy)+ Dn（xy）cos(qz) （21）
图21 光纤光栅结构图
中q2πLq光栅空间频率L折射率非均匀分布周期纤芯折射率非均匀分布引起纤芯中传输征模式间发生耦合弱导时忽略掉偏振效应吸收损耗折射率非均匀分布引起模式泄露非均匀波导中场f（xyz）满足标量波动方程：
{Ñt2+k02n2（xyz）+}f（xyz）0 (22)
中k02πll空间光波长：
Ñt2f·++· (23)
折射率分均匀分布引起波导中模式耦合发生纤芯中非均匀波导中场表示均匀波导束缚模式y（xy）：
f（xyz）（z）·yl（xy）
yl（xy） （24）
Al（z）表示y（xy）相联系全部Z变化关系a1（xy）a1（xy）分第正反传输模式振幅
式（24）中yl（xy）满足方程：
{Ñt2+k02`n(xy)βt2}yl（xy）0 （25）
fyl代入式（23）结合（25）式模式耦合理般方法进行处理化简时候略高次项正传输模反传输模间模式耦合方程：
iC·alexp(i2Dβz) （26）
iC·alexp(i2Dβz) （27）
a1a1分1模正反传输幅度Dββπβk0n该模传播常数实际`n该模纤芯中效折射率neffC耦合系数：
C≈dAdADn·h （28）
处： hdAdA （29）
h芯层中功率百分阶跃折射率剖面光纤中基模高斯函数似代代入式（29）：
h1－ （210）
光进入光栅端处前传输模反射模边界条件：
a1(0)1 a1(L)0
利边界条件解出方程（26）（27）：
a1（Z）·{Dβsinh[S(zL)]+iScosh[S(zL)]} (211)
a1(Z)·sinS（zL） （212）
（212）式中S2C2Dβ2
（211）（212）式出光纤光栅透射率T反射率R：
T（lL）||2 （213）
R (lL) ||2 (214)
Dβ0时l2nL满足相位匹配条件（214）式化简：
Rmax(L)tanh2（CL） （215）
光纤光栅重参数反射率（214）（215）式描述反射率R光栅长L关系折射率熟知高点该办呢里短光栅短光栅步求出差较折射率想折射率达百分百固定峰谷差Dn然通断调节完全折射率折射率光纤光栅重参数外重参数—谱线宽度折射率相参数折射率峰谷差关系两种线性相关种成正关系想限宽度相较宽简单方法更改折射率差值者更改光栅长度
宽带光波光栅中传输时候周期折射率扰动仅会部分光谱产生影响入射光相应频率部位反射回余透射光光谱会受影响样光纤光栅起光波选择作果想调整光栅栅距通改变两相干紫外光束相角度通样方法制作出具反射波长布喇格光栅光栅栅距表达式：
Lluv2sin（q2） （216）
光纤Bragg光栅结构传感原理
光纤Bragg光栅基结构
图22 光纤光栅基结构示意图
图22光纤光栅基结构图通改变光纤芯区折射率产生周期性调制成谓调制光纤轴线均匀分布折射率产生起伏变化光纤材料石英芯层包层组成通纤芯掺杂（般掺锗）芯层折射率n1包层折射率n2形成波导光芯层中传播芯层折射率受周期性调制成布拉格光栅布拉格光栅会入射窄带光进行选择性反射反射中心波长芯层折射率调制相位相匹配窄带光（带宽通常0105nm） 传感器领域均匀光纤Bragg光栅制作温度传感器应变传感器等传感器光通信领域均匀光纤Bragg光栅制作带通滤波器分插复器波分复器解复器等器件
光纤Bragg光栅传感原理
光纤布喇格光栅谐振波长光纤纤芯效折射率制备时光栅周期关通常引起谐振波长变化素温度应变光纤光栅传感基原理时外界测量发生变化时通某种形式传递光纤光栅引起光纤光栅谐振波长发生改变谐振波长变化量测量变化量联立求某种线性应关系光纤光栅测测量变化
宽带光纤Bragg光栅中传输时产生模式耦合满足Bragg条件光反射：
lB2neffL （217）
式中L—Bragg光栅周期neff—光纤纤芯区效折射率
入射波长满足Bragg条件时峰值反射率：
RB（L）tanh2(WL) (218)
式中L光纤光栅长度W基模横耦合系数
式217知布喇格波长着Lneff改变布喇格波长外界力热负荷非常敏感应变压力影响布喇格波长光栅周期伸缩弹光效应引起温度影响布喇格波长热膨胀效应热光效应引起Lneff受外界环境影响(温度应力压力)时分产生DLDneff变化符合Bragg条件波长发生DlB变化Bragg条件知：
DlB2DneffL+2DneffDL （219）
式（219）Lneff发生变化时FBG中心反射波长会发生改变图23示通测量FBG中心反射波长变化知外界环境变化
图23 光栅测量外界变量示意图
光纤Bragg光栅应力特性
光纤Bragg光栅轴应变特性分析
模式耦合理知光纤光栅中心波长取决光纤光栅周期L效折射率neff两参量发生改变物理程会引起光纤光栅中心波长漂移均匀轴应力指光纤光栅进行拉伸压缩时应力表示sZZP(P外加压强) sYYsqq0存切压力方应变：
[eyyeqqezz] [n n] (220)
式（220）中Ev分石英光纤弹性模量Poisson现求均匀轴应力作方应变值基础进步求解光纤光栅压力灵敏系数
式（219）展开：
DlB2L（DL+Da）+2DLneff （221）
式中：DL—光纤伸缩量
Da—拉伸引起光纤直径变化
—弹光效应
—波导效应
已知相介电抗渗张量βij介电常数eij关系：
bij (222)式（222）nij某方光纤折射率熔融石英光纤
性认方折射率相仅研究光纤光栅反射模效折射率neff式（222）变形：
D(bij) D()Dneff (223)
式（223）代入式（221）中略波导效应余项变性：
DlB2L[D()]+2neffezzL (224)
式（224）中ezzDLL伸缩变量式（222）存Dl更简洁表达式实际外界应力存情况相介电抗渗张量βij应应力s函数利（222）βij进行泰勒展开略高阶项时引入材料弹光系数pij：
D()(P11+P12)eyy+P12ezz (225)
式（225）中利光纤轴称性eyyeqq式（225）代入（224）中弹光效应导致相波长位移：
[(P11+P12)eyy+ P12ezz]+ ezz (226)
式（220）代入式（226）均匀轴应变引起波长移位应变灵敏度公式：
{1[P12(P11+P12)n]}ezz(1Pe) ezzSeezz (227)
式（227）中Pe效弹光系数Se光纤光栅相波长位移应变灵敏度系数利纯熔融石英参数光纤光栅相波长位移应变灵敏度系数Se0784果lB155μm光纤光栅弹光效应单位应变引起波长位移
122pmμe
基分析光纤光栅轴应变灵敏度系数仅取决材料身反耦合模效折射率单模光纤仅基模存光纤材料选定(具固定掺杂量)灵敏度系数定值根保证光纤光栅作轴应变传感器时具良线性输出特性
光纤Bragg光栅横应变特性分析
压力影响Bragg波长光栅周期伸缩弹光效应引起横
应力变化时横应变会导致光纤横截面圆形变成椭圆形根横作力性质横应变分横均匀应变横局部应变横非均匀应变三种光纤光栅反射波长会发生变化表示成：
[]DP (228)
： (229)
(12n)(2P12+P11) (230)
（229）（230）代入式（228）中：
[+(12n)(2P12+P11)]DP ( 231)
压力灵敏度：KP[(+P12)1] (232)
石英光纤掺入锗压力灵敏度约28×106MPa果类型光纤掺杂成分掺杂浓度掺杂数量确定压力灵敏度相
光纤光栅制作
众周知折射率周期变化引起布拉格光栅关键促种变化发生光强规律进行变化引起想光栅规律变化光敏特性实现着科技发展时代变迁光纤光栅已时代高速路快速发展里里面存元素单物质变成种物质结合体相古代落方法生产质量高制造条件非常苛刻现代发明激光光束法激光光束光纤形成干涉条纹产生光栅运激光写入方法改变演变天写入外写入两种优点足写法制作方法较单紫外线射外写入法方法种样单脉写入法分振幅干涉法相位掩膜法逐点写入法线成栅法等缺点难制作改造水准滤波器优点制作起简单方便边仔细家介绍种方法：
（1）部写入法：简单说首先波长488nm基模氛离子激光改变位置端面耦合移动错杂光纤中然变成驻波里餐方法折射法光纤镜面发生折射然折射出两种光分入射光反射光两种光物理作形成驻波啦具体实验实施反射效率已达接百分百步反射带宽非常时代发展种方法缺点逐渐暴露出现代特制锗掺杂光纤布拉格波长相差较次实验没价值
（2）逐点写入法：种完全写入方法种方法原理利非常紧密控制光线运动精密仪器作控制曝光周期间接控制光纤写入准确性标准性种方法优点灵活性高意改变意设计耦合界面努力运种方法制作出意长度该反射率光栅器件精密性求极高缩阴现哈周期较长光纤进行操作足处非常紧缺操作起会较复杂需非常精准仪器辅助科技越越发达机器越越智化种方法逐渐发展起更
（3）单脉写入法：根分子量高制作成分子激光量高达J•cm－2引起科学家广泛关注英国Archambanlt等率先发起研究刻苦钻研终发现单脉写入法程二阶双光子吸收关光纤影响非常环境素速度快快忽略操作方便单独流程需制作光线程中完成范围保证光纤完整变更加坚硬较适合低成范围工业化生产
（4）相位掩膜法：相前中部写入法逐点写入法单脉写入法种方法效率高中原理图25底层熔融石英制成种刻蚀光栅里边器件重相位掩膜板精度高入社条光束分成两条物理作形成非常优秀干涉条纹种干涉条纹非常写入光栅中面简单说明制作流程：第步电子束曝光刻图形掩膜置光纤种掩膜光焰具特殊作增强器件功第二步进行相位调制紫外光掩膜相位调制形成干涉条纹干涉条纹写入周期原二分布拉格光栅中种方法特优点相关影响少置光栅周期关条件关周期关制作起
前方法方便现工业化生产普遍醉醉常方法
图24 相位掩膜法原理示意图
章结
章光栅理模型基结构应力特性进行理分析基础概述光纤光栅制作方法未实验中采取中较合适光栅制作方法
称重传感器设计
超载检测系统核心称重传感器性卓越工作状况稳定灵敏度高超称重传感器关重设计称重传感器传感器光纤光栅代前惠斯通电桥车辆果光栅产生压力光栅栅距会发生变化带动着波长发生变化通检测波长变化进确定汽车重量
传感器结构设计
弹性体存汽车重量信息转换应变信息结构设计原需定力承受横碰撞承受载偏心载荷 根称重传感器负载条件分三种类型：剪切型拉压型弯曲型 根弹性体结构称重传感器具悬臂梁类型轮辐类型柱类型轴称扭转环类型等类型具身特征优点适种场合
（1）悬臂梁类型：悬臂梁类型尺寸安装方便方便维护更换综合精度高长期稳定性承载力较材料价格低廉性价较高
（2）剪切轮辐式：低截面圆形设计结构紧凑易安装抗击抗侧力抗偏载性机械加工难度制造成较高固滞易控制
（3）柱型传感器：结构较简单紧凑够承受较压力方位误差结实耐然优点突出缺点突出受力工作时候容易发生旋转连接电线造成损坏
（4）轴称扭环型：该类型传感器结构特性准确度灵敏度优种类型受压力时发生形变该类型造价高期维护非常麻烦
悬臂梁结构作新型动态称重系统容易实现价格低廉适合工业中特殊剪切应力结构会受力点移动范围引起形态变化忽略十分适合生产生活中稳定性求高方基悬臂梁结构良特性实验中终选择该结构形式结构形式图31示：
图31 悬臂梁式称重传感器结构
传感器受力分析
材料力学分析
悬臂梁截面工字型工字梁抗弯力强节省量材料获相外轮廓样矩形截面惯性矩抗弯
图32 悬臂梁式称重传感器结构示意图
图32悬臂梁式称重传感器结构示意图悬臂梁横截面工字形状工字梁整体高度H整体长度B两臂间距离h工字梁腹板厚度by定值表示意点Z轴距离根力学中受力分析知果结构悬臂梁端施加压力工件中性轴位置受剪力受力：
tmaxFSSzIzb （31）
式（31）中： Fs—工件受剪力
Sz—y0时截面中性轴静矩
Iz—截面中性轴惯性矩
截面进行分析：
Sz（H2h2）+ (32)
Iz [BH3(Bb)h3] (33)
力特性材料性知工字钢中间处切应力应值腹板翼缘交界处切应力值腹板切应力均相差般似认腹板切应力面均匀分布通公式计算知道腹板承担截面级部分剪力梁翼部分切应力极复杂梁翼部分切应力腹板切应力计算时必考虑通述分析表明截面剪力工字形腹板位置承担防止剪断现象发生工字梁翼缘恰恰相反承担截面弯矩防止掰弯
剪力应力图分析
图33 悬臂梁称重传感器剪力图
剪力Q横截面相切分布力系合力悬臂梁称重传感器剪力分析图图33示整悬臂梁称重系统中整系统受汽车重量梁剪力会突变保持直线状态梁横截面剪力时候必然剪应力t存
MFL
图34 悬臂梁称重传感器弯矩图
弯矩M力偶横截面垂直力系合力偶矩梁产生弯曲趋势悬臂梁称重传感器弯矩分析图34示悬臂梁弯矩着臂长变化产生变化悬臂梁固定端受弯矩力臂越长弯矩越悬臂梁横截面弯矩M时悬臂梁必然会受正应力
横截面产生应力：sMyJZ (35)
式中Jz—横截面Z轴惯性矩
横截面产生剪切力：t[(H2h2)+(y2)] (36)
ANASY受力分析图
ANASY软件非常实软件常应种工程类问题通图直观做物品方变化情况种模拟方法提供极便利该软件常模拟物体碰撞部分受力情况现实生活中果通实物模拟代价非常
ANASY软件分两部分前处理处理
前处理作构建模型划分区域面面构建面面果种建模定义话绘制出想分析东西样子点线面体序构建模型建模完成需进行工作划分区域网格分析问题时物体方效果需划分出网格便处理时模块出相应结
处理作分析物体受某种外界情况干扰通种相应算法计算出物体部分产生变化情况通彩虹线形式呈现出彩虹线颜色代表变化情况着颜色变化物体变化量变化直观观察物体部分变化情况步操作基础
结构体分析程：属性定义：包括材料单元截面定义材料选择钢材料材料密度设置7800e12设置梁截面普通矩形单元设置189单元建模：创建关键点定义方点出模型（图35）
图35 模型
创建限元模型：定义坐标出限元模型（图36）
图36 悬臂梁传感器限元模型
通加载求解出结果：
图38 应力云图
光纤光栅粘贴
光纤Bragg光栅粘贴位置
果想确定光栅粘贴位置必须通力学知识进行分析希称重传感器受纯剪应力受力影响公式（35）出参数y值0时分子0传感器截面没应力存公式（36）知y0时传感器截面受剪应力符合求参数0时截面中心处Y轴Z轴交点该中心线粘贴光栅光栅受剪应力
根图（38）确定具体粘贴位置根应力云图坐标轴知悬臂梁结构称重传感器部位受力情况着颜色蓝色红色变化受应力图中MX位置红色受力位置具体位置确定里
光纤Bragg光栅粘贴方
前文中根材料力学ANASY分析出结果已确定截面位置截面位置够传感器会产生形变截面位置受力样外截面旋转处中心轴角度截面受力确定需通分析确定光栅粘贴方
截面中心轴处收剪切力：tmax[]
斜截面应力公式： sa+cos2atsin2a （37）
（38）
smax
smin
±
确定出面位置公式（310）：tan2a0→∞
根述公式出两角度分45度135度
根述材料力学公式计算想光栅感受剪应力受力影响根述公式计算应该悬臂梁部设置两块光栅两块光栅摆放位置应互成直角种情况两块光栅够感受剪应力两块光栅摆放位置应图39示
图39 光栅摆放方示意图
光纤Bragg光栅封装
光纤光栅性非常卓越传感器拟光栅方便喜爱理正容易受损害光栅身没硬度必须加封装结构样够保护光栅光栅受外界影响外裸露光纤光栅应变量没增敏效果应选择合适封装结构增加光栅应变量敏感程度敏感程度越高传感器性越卓越目前光纤光栅封装三种方法：聚合物封装法金属封装法金属片封装法文中列举两种封装方式进行较
光纤光栅毛细钢封装法
图310 毛细钢法封装示意图
利毛细钢光纤光栅进行封装实际具定厚度钢套光栅位置光栅起保护增敏作果想光栅进行封装首先光纤串联钢部次毛细钢灌装丙烯酸酯等机化合物缓慢钢前推动直光栅进入钢中心位置整封装程需十分谨慎果光栅位置没非常准确封装效果会折扣封装结束定进行反复检查确认光栅位置保证锈钢部紧凑封装严密产生气泡
根该封装结构进行种测试实验出该封装方法温度传感增敏效果非常灵敏度倍数增长种该封装方法光栅应力言封装前裸光栅灵敏度相光纤光栅钢封装法应力测量没增敏效果
光纤光栅铝合金箔片封装法
图311 光纤光栅铝合金箔片封装示意图
铝然界中存金属具优良特性重量硬度性价高应领域种封装方法利铝合金箔片保护光纤光栅
种封装方法首先需面铝合金箔片开条槽光栅固定选合适黏着剂光栅粘合住然面铝合金箔片盖住保护光纤光栅箔片前定需处理否面污垢种氧化物会封装效果产生影响砂纸仔细铝片进行磨然丙酮乙醇溶液铝片进行清洗丙酮机溶剂挥发性较强洗掉杂质挥发掉影响步操作然光栅粘贴铝片凹槽里
盖板盖住定温度放置段时间等粘合剂达粘度时完成封装根实验中压力波长变化情况证明该封装压力良增敏效果封装光栅增敏效果裸露光栅增敏效果高
13倍
光纤Bragg光栅解调技术
解调部分系统非常重部分良敏感元件通反射回波长变化反映光栅受应力改变波长解调技术优劣直接影响整系统检测精度目前已报道解调方法十种面常两种解调方法作概括性介绍
光谱分析法
光谱分析法基解调方法实验室中常种方法观察波长变化种方法着体积较光信号转换成电信号缺点般光纤光栅基础传感实验时原理图312示：
图312 光谱分析仪原理示意图
日常光谱分析仪中重元件中衍射光栅起着连接两反射镜作般衍射光栅制作材料玻璃通材料表面进行精细加工表面镀反射模光纤中光进入光谱分析仪通反射镜反射衍射光栅衍射光栅定角度时分离出波长类型光分离出光反射镜传递系统底端探测器通断调整光栅位置达扫描效果说基光谱分析仪功基衍射光栅实现利种解调方法解调速度快准确度高
光纤光栅匹配滤波器法
匹配光栅法基原理性参数相FBG中作传感光栅作匹配光栅通驱动原件驱动匹配光栅踪传感光栅谐振波长变化测量驱动原件驱动信号解调出光栅种方法优点结构简单受信号干扰较反射光光强求较低缺点受参考光纤光栅限制传感光栅测量范围匹配光栅法结构两种分投射式反射式原理图313示
图313 光栅匹配滤波器法原理示意图
FBG1作传感光栅受外界环境变化情况 ：压力温度等栅距会发生变化根式（217）（219）知波长位置会发生改变反射光光谱会移动FBG1反射光光谱FBG2相应FBG2光谱重合样检测变化量变量变化情况利匹配滤波解调精度高解调时操作较麻烦系统控制难度
章结
章容做工作核心容车辆重量检测系统核心称重传感器章容中设计种悬臂梁式称重传感器确定结构具体受力情况光栅粘贴位置进行详细理推导外光纤光栅封装技术光纤光栅解调技术进行详细阐述特点决定封装结构解调方法
车辆称重系统模型实验
实验系统搭建
更模拟悬臂梁式称重传感器工作情况利实验室现条件搭建套实验系统图41示：
图41 悬臂梁式称重传感器模拟实验系统
实验采锯条端悬空端固定模拟悬臂梁结构光纤Bragg光栅胶粘贴锯条光纤端接光谱分析仪通锯条悬空端配挂重物方法锯条发生形变锯条形变模拟拉栅效果光栅栅距发生变化通逐渐增加重量观察光谱分析仪波长变化统计数终出重量波长变化关系
图42 模拟实系统受力分析示意图
图42模拟实验程中锯条重物作受力情况
实验程
（1）首先观察光谱仪示数悬臂梁端未悬挂重物时波长值图易未悬挂重物时光栅波长值15591200nm图43示：
图43 重物时Bragg光栅波长
(2)悬臂梁端开始悬挂重物悬挂次波长进行次扫描发现着重物重量改变光栅中心波长断变化图中红色三角标定中心波长图示图44（abcd）示：
图44（a）20g重物作 图44（b）40g重物作
图44（c）60g重物作 图44（d）80g重物作
图44 光栅中心波长变化情况
（3）采集实验实验数步数处理线性度基础
实验数分析
通前模拟实验采集悬臂梁端悬挂重量0g—160g重物波长变化信息现利origin软件数进行分析处理
（1）首先光谱分析仪9组数填充origin软件图45示
图45 光谱分析仪数填充origin
（2）软件绘制出波长光强关系图46示图中颜色变重量
图46 九重量波长光强关系图
（3）九条曲线观察较复杂取中五条线进行介绍五条曲线进行放处理坐标轴进行细化处理图47示
图47 五重量波长光强关系图
（4）origin 软件工具栏中Screen Reader工具五条曲线峰值处取值确定波长变化重量关系出结：
重量（g）
波长值（nm）
0
155910867
20
155933856
40
155955799
60
155972727
80
155994462
（5）述表格数填充origin工作表生成点线图数学分析出图：出直线方程：y001427+1599123根图观察出整实验系统线性拟合度线性度良图48示：
图47 线性拟合线
车辆超载检测系统设计
系统硬件构成
车辆超载检测系统设置收费站处公路意位置处系统硬件系统位机位机两部分组成位机装置称重系统轮轴识系统位机收集车辆重量车型牌信息收集数包成数包通线通信模块传递位机位机收位机发数包解析数包进行计算处理显示模块显示出车辆重量应缴纳费果车辆超载直接触发报警装置超载信息传递相关理部门硬件构成图图48示：
图48 车辆超载检测系统硬件结构示意图
部分功示：
称重系统：该部分容文叙述容通检测光纤光栅波长变化确定出车辆重量位机提供车辆重量信息
轮轴识：通轮胎数量车辆轴距轮轴数量检测结合数库存贮车辆型号信息确定车辆类型
线通信模块：线通信模块该系统中非常重部分检测点位置确定走线方式成太高选择利线通信位机收集数信息传递位机通信方式选择直接决定系统整体性必须保证数信息快速准确传递种通信方式决定选择LORA通信技术LORA技术独特优势线通信领域中广泛应LORA技术较通信方式（例ZigBeewifi蓝牙）具高带宽低功耗传输距离远优势
功模块：位机解析数包控制节点进行工作显示车辆重量通预先设定算法公式车辆费进行计算计算果车辆重量超预先设定阈值直接触发报警装置 传递相关理单位
中央处理模块：中央处理模块位机数处理部分整系统核心部件中央处理模块包含着系统需数库外中央处理模块模块进行控制整套检测系统中设置位机节点中央处理模块统进行数处理
系统拥功外拥许功：动升降杆车牌识通行指示灯等等建立良交通运输秩序做出贡献
系统基流程设计
汽车驶入
传感器产生形变
FBG波长变化
解调仪检测
数计算
光纤光栅垂直压力敏感水力没敏感正常情况设计称重传感器般检测垂直力系统流程设计图42示首先汽车驶入汽车驶入称重台位置时悬臂梁受压力光纤光栅悬臂梁结构部光栅时受压力光栅受压力身特性波长会发生改变时波长信息传递解调系统解调系统波长进行解调终解调出信号量输入算法系统中出车辆重量
章结
章节中详细叙述整系统模拟实验程展示部分数处理程片模拟实验系统测试证明悬臂梁式车辆称重系统灵敏度线性度良断试验程中确定波长变化情况光栅栅距变化关
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摘
年国济十分迅速态势发展道路运输业迅速发展成运输方式快速发展时公路理机制够健全车辆超载超限问题十分普遍车辆超限超载运行国家公路受严重损坏外交通安全环境保护影响果想源头治理车辆超载超限问题称重传感器提出更高求光纤光栅具优点传感灵敏度够适应种恶劣工作环境工作性稳定倍受青睐文基光纤光栅外界应力测量具体做研究容：
首先光纤光栅理模型进行分析基础传感特性进行分析次设计种结构悬臂梁式称重传感器基础结构受力情况进行详细分析通建立实验模型验证系统实现性
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 followsFirstly 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 gratingCantilever beam structureStress changesVehicle weighing
目 录
摘 I
Abstract II
第1章 绪 1
11 选题背景目意义 1
111 选题背景 1
112 选题目意义 2
12 国外研究现状 4
13 文研究容 5
第2章 光纤Bragg光栅理研究 6
21 光纤Bragg光栅理模型 6
22 光纤Bragg光栅结构传感原理 8
221 光纤Bragg光栅基结构 8
222 光纤Bragg光栅传感原理 9
23 光纤Bragg光栅应力特性 10
231 光纤Bragg光栅轴应变特性分析 10
232 光纤Bragg光栅横应变特性分析 11
24 光纤光栅制作 12
25 章结 13
第3章 称重传感器设计 14
31 传感器结构设计 14
32 传感器受力分析 15
321 材料力学分析 15
322 剪力应力图分析 16
323 ANASY受力分析图 17
33 光纤光栅粘贴 20
331 光纤Bragg光栅粘贴位置 20
332 光纤Bragg光栅粘贴方 20
34 光纤Bragg光栅封装 21
341 光纤光栅毛细钢封装法 22
342 光纤光栅铝合金箔片封装法 23
35 光纤Bragg光栅解调技术 23
351 光谱分析仪 23
352 光纤光栅匹配滤波器法 24
353 边缘滤波器法 25
第4章 车辆称重系统模型实验 27
41 实验系统搭建 27
42 实验程 28
43 实验数分析 29
44 车辆超载检测系统设计 31
441 系统硬件构成 31
442 系统基流程设计 32
绪
选题背景目意义
选题背景
中国年发展迅速济快速发展带动着交通运输业繁荣公路行驶着许超限定重量车辆促国家公路受巨破坏相关重量超载标准说国家公路路面建造时理想值超十千牛果公路行驶车辆超重量公路时间够达设计时峰值果车辆公路行驶超限定重量会减少公路时间造成公路寿命衰减原超限车辆行驶超限运输存国家济造成非常损失完全统计1996年北京辖区条国道投资3760万元建成常车辆超载通建成仅仅年时间公路路面全部损坏桥梁隧道受程度损毁造成直接济损失达4000万元1995年建成木石枣庄汽车专公路公路设计时年限20年车辆超限运输结果条道路仅仅3年零4月时间 18万方米水泥混凝土路面损坏破损率高达23中南半边路面常通超限车辆破损率直逼44北半边路面通超限车辆相较少破损率13两者间差异十分明显超载超限车辆治理工作刻容缓
桥梁安全受超载超限车辆威胁果车辆超限情况严重建造桥梁时候高标准水泥混凝土会桥梁挠度增桥梁水泥混凝土容易开裂逐步钢筋露出受腐蚀桥梁寿命缩短家乡连接市区外环桥夜晚货车桥修现两年桥体已开裂桥面基层已破裂样桥面基失硬度目前已修缮江阴桥质量非常世界6座著名桥梁样中土耳国家桥日交通量10万辆然通车时间已12年桥面质量非常江阴桥日交通量仅276万辆中半车辆超载运行超限30现象非常普遍统计超七成车辆超限30外超限100车辆
超限车辆数量庞通车两年车道受程度损坏京沪高速公路刚通车年桥面已堪入目桥堪重负桥梁部分钢筋出现变形原坦路面变坑坑洼洼满目疮痍建造桥时候原设计沥青厚度5厘米路面超限车辆断碾压凹凸桥面桥面沥青厚度早已均匀方薄方厚
选题目意义
研制新型称重系统解决问题：
①超载车辆存巨安全隐患交通事元凶
年型运输车辆出现交通事般情况车辆超载超限关车辆超载超限情况车辆项机受限制重量增车辆刹车距离会增长车辆控性降低提高安全隐患方面汽车身核定工作重量果长期超车辆工作重量车辆长期超负荷情况作业车辆损害会加速车辆报废解京沪高速公路江苏段年时间46场重交通事车辆超载超限引起死亡61伤亡123广东京珠高速公路北半部分刚刚开通半年已造成80死亡交通部门路专家分析造成惨剧原车辆超载超限运行
②运输市场秩序超限运输扰乱引发行业恶性竞争
车辆超限车辆利益化年事交通运输行业数增车辆营运力已远远市场需求种形势必须降低运输成更加低廉价格吸引更货源种恶性竞争存货运价格远低正常运输价格降价部分弥补回车装装该交交通运输费交交样运力剩市场需求饱矛盾更加突出没货货现价格低价格招揽货继续超载货物方法弥补损失样形成种恶性循环先超载货物压低价格价格压价格压超载更限样循环受伤害国家道路10年前运输普通散货价格03元吨公里现已降低足02元吨公里车辆超载超限普遍现汽车制造商家钻中漏洞吨位货物挂吨位标志车辆进行改装
超载超限运输规模进步加剧车辆超载趋势
③超限运输车辆投机取巧减少缴纳路费
国公路收费站收费通车辆识车辆信息库里信息进行计算出路费车辆装货物重量远远汽车身限定重量样算均需缴纳费减少收费标准样情况超载运输者遵纪守法运输者获更利润国家言少收取量费老实分运输车非常公偷奸耍滑运输者提高利润收入少缴纳费运输成降低
④超限运输降低公路交通通行效率环境污染非常严重
超限倍数车辆质量造成车辆行驶速度非常慢车辆甚达40公里时走慢影响面车辆正常行驶常发生堵车现象公路通行效率降低数量级尤高速公路高速公路车辆低限速超载严重车辆甚低限速达高速公路整体通车效率降低阻碍通行外超载车辆身重量较加速者爬坡时候需发动机做更功超载车辆面黑烟滚滚尾气超量排放极污染气环境
着新型传感材料飞速发展特光纤传感元件中光纤光栅称重系统更新提供崭新途径新颖思路传感技术中目前新颖数光纤光栅传感技术外部参量（例：温度应力加速度）通光栅反射波长移动量确定适种极端环境受外界素限制够传感进行传输够极提高产品灵敏性性时通定数量光纤光栅搭建光纤传感网络网络节点光结点现传输电结点速度更快更稳定
国外研究现状
面车辆超重检测问题国外发达国家早前开始治理超限超载研究研制出系列产品时国家济没景气交通运输业衰弱没遇相关问题国家研究汽车称重传感器稍晚
历史角度科学家做汽车称重实验早莫八世纪末期Gkovacs说行业奠基国会议发表著名称量车辆质量实验方法提供宝贵验
十八世纪中期机械革命美国成立开始动态测量研究组组然十八年创验法国紧制造称重仪种称重仪称重标准根压力工作然法国先发明先美国美国首先汽车称重领域
十八世纪末期开始世界车辆动态称重系统雨春笋般开展起1958年美国发明低成动态称重系统投入英国发明美国更高级产品称重压电传感器vibetek5研发板式传感器力压群雄站世界领导位
1992年重年年测试称重领域里程碑式实验cost322实验实验欧盟公路委员会发起目三年时间检测WIM系统具体实施性系统次文相关车辆动态监测系统欧盟发起项新计划WAVE计划测试产品极端环境运行记录运行状况否良
十九世纪初期美国展出聚物压电轴新型传感器成新代领带者带领行业前进目前动态称重系统途目前世界较先进动态称重系统轴重测量均误差控制30置信度达90先进动态称重系统轴重测量误差控制5置信度达90成太高特场合
改革开放前国济落时没建设公路网动态称重技术更没研发环境着改革开放济快速发展公路网快速覆盖车辆数量急速增加国开始动态称重系统研究国面问题研发时间短起步晚八十年代国没研发动态称重系统公路运输发展需国首次国外引动态称重系统设备价格昂贵传感器庞难行维护国外更新换代淘汰产品国时面许问题相较言国车辆称重领域时间较短技术够成熟国车辆称重系统设计较空间
文研究容
做题目时候着重改进传统称重传感器研发出新型称重传感器光纤光栅代前电阻片采结构材料力学中悬臂梁结构通该结构体断分析模拟实验操作系统终确定传感方案该课题做容：
（1）改进车辆超重系统方案确定合适传感方案
（2）光纤光栅传感器布喇格光栅信号波长解调
（3）光纤光栅选择合适封装结构
（4）搭建模拟实验系统实现超重测量
（5）分析实验数改进实验方案提高测量精度
光纤布喇格光栅理研究
光纤布喇格光栅理模型
生活中温度湿度光差异甚极端环境果光栅环境工作光栅性非常考验关键光纤纤芯折射率周期环境求非常苛刻果素发生变化面进行实验失意义验单折射率改变波导条件会发生显著变化变化终会导致出现光波模式耦合种耦合会引起光谱发生改变终影响实验结果
科学家发明种全新光栅利单模掺锗光纤紫外光射行形成新品种简称FBG种光栅光栅具特点纤芯折射率呈现周期性条纹分布图21
设均匀纤芯中折射率`n引起折射率非均匀分布成n（xyz）折射率峰谷差Dn（xy）非均匀分布区间长L纤芯折射率表示：
n（xyz） `n(xy)+ Dn（xy）cos(qz) （21）
图21 光纤光栅结构图
中q2πLq光栅空间频率L折射率非均匀分布周期纤芯折射率非均匀分布引起纤芯中传输征模式间发生耦合弱导时忽略掉偏振效应吸收损耗折射率非均匀分布引起模式泄露非均匀波导中场f（xyz）满足标量波动方程：
{Ñt2+k02n2（xyz）+}f（xyz）0 (22)
中k02πll空间光波长：
Ñt2f·++· (23)
折射率分均匀分布引起波导中模式耦合发生纤芯中非均匀波导中场表示均匀波导束缚模式y（xy）：
f（xyz）（z）·yl（xy）
yl（xy） （24）
Al（z）表示y（xy）相联系全部Z变化关系a1（xy）a1（xy）分第正反传输模式振幅
式（24）中yl（xy）满足方程：
{Ñt2+k02`n(xy)βt2}yl（xy）0 （25）
fyl代入式（23）结合（25）式模式耦合理般方法进行处理化简时候略高次项正传输模反传输模间模式耦合方程：
iC·alexp(i2Dβz) （26）
iC·alexp(i2Dβz) （27）
a1a1分1模正反传输幅度Dββπβk0n该模传播常数实际`n该模纤芯中效折射率neffC耦合系数：
C≈dAdADn·h （28）
处： hdAdA （29）
h芯层中功率百分阶跃折射率剖面光纤中基模高斯函数似代代入式（29）：
h1－ （210）
光进入光栅端处前传输模反射模边界条件：
a1(0)1 a1(L)0
利边界条件解出方程（26）（27）：
a1（Z）·{Dβsinh[S(zL)]+iScosh[S(zL)]} (211)
a1(Z)·sinS（zL） （212）
（212）式中S2C2Dβ2
（211）（212）式出光纤光栅透射率T反射率R：
T（lL）||2 （213）
R (lL) ||2 (214)
Dβ0时l2nL满足相位匹配条件（214）式化简：
Rmax(L)tanh2（CL） （215）
光纤光栅重参数反射率（214）（215）式描述反射率R光栅长L关系折射率熟知高点该办呢里短光栅短光栅步求出差较折射率想折射率达百分百固定峰谷差Dn然通断调节完全折射率折射率光纤光栅重参数外重参数—谱线宽度折射率相参数折射率峰谷差关系两种线性相关种成正关系想限宽度相较宽简单方法更改折射率差值者更改光栅长度
宽带光波光栅中传输时候周期折射率扰动仅会部分光谱产生影响入射光相应频率部位反射回余透射光光谱会受影响样光纤光栅起光波选择作果想调整光栅栅距通改变两相干紫外光束相角度通样方法制作出具反射波长布喇格光栅光栅栅距表达式：
Lluv2sin（q2） （216）
光纤Bragg光栅结构传感原理
光纤Bragg光栅基结构
图22 光纤光栅基结构示意图
图22光纤光栅基结构图通改变光纤芯区折射率产生周期性调制成谓调制光纤轴线均匀分布折射率产生起伏变化光纤材料石英芯层包层组成通纤芯掺杂（般掺锗）芯层折射率n1包层折射率n2形成波导光芯层中传播芯层折射率受周期性调制成布拉格光栅布拉格光栅会入射窄带光进行选择性反射反射中心波长芯层折射率调制相位相匹配窄带光（带宽通常0105nm） 传感器领域均匀光纤Bragg光栅制作温度传感器应变传感器等传感器光通信领域均匀光纤Bragg光栅制作带通滤波器分插复器波分复器解复器等器件
光纤Bragg光栅传感原理
光纤布喇格光栅谐振波长光纤纤芯效折射率制备时光栅周期关通常引起谐振波长变化素温度应变光纤光栅传感基原理时外界测量发生变化时通某种形式传递光纤光栅引起光纤光栅谐振波长发生改变谐振波长变化量测量变化量联立求某种线性应关系光纤光栅测测量变化
宽带光纤Bragg光栅中传输时产生模式耦合满足Bragg条件光反射：
lB2neffL （217）
式中L—Bragg光栅周期neff—光纤纤芯区效折射率
入射波长满足Bragg条件时峰值反射率：
RB（L）tanh2(WL) (218)
式中L光纤光栅长度W基模横耦合系数
式217知布喇格波长着Lneff改变布喇格波长外界力热负荷非常敏感应变压力影响布喇格波长光栅周期伸缩弹光效应引起温度影响布喇格波长热膨胀效应热光效应引起Lneff受外界环境影响(温度应力压力)时分产生DLDneff变化符合Bragg条件波长发生DlB变化Bragg条件知：
DlB2DneffL+2DneffDL （219）
式（219）Lneff发生变化时FBG中心反射波长会发生改变图23示通测量FBG中心反射波长变化知外界环境变化
图23 光栅测量外界变量示意图
光纤Bragg光栅应力特性
光纤Bragg光栅轴应变特性分析
模式耦合理知光纤光栅中心波长取决光纤光栅周期L效折射率neff两参量发生改变物理程会引起光纤光栅中心波长漂移均匀轴应力指光纤光栅进行拉伸压缩时应力表示sZZP(P外加压强) sYYsqq0存切压力方应变：
[eyyeqqezz] [n n] (220)
式（220）中Ev分石英光纤弹性模量Poisson现求均匀轴应力作方应变值基础进步求解光纤光栅压力灵敏系数
式（219）展开：
DlB2L（DL+Da）+2DLneff （221）
式中：DL—光纤伸缩量
Da—拉伸引起光纤直径变化
—弹光效应
—波导效应
已知相介电抗渗张量βij介电常数eij关系：
bij (222)式（222）nij某方光纤折射率熔融石英光纤
性认方折射率相仅研究光纤光栅反射模效折射率neff式（222）变形：
D(bij) D()Dneff (223)
式（223）代入式（221）中略波导效应余项变性：
DlB2L[D()]+2neffezzL (224)
式（224）中ezzDLL伸缩变量式（222）存Dl更简洁表达式实际外界应力存情况相介电抗渗张量βij应应力s函数利（222）βij进行泰勒展开略高阶项时引入材料弹光系数pij：
D()(P11+P12)eyy+P12ezz (225)
式（225）中利光纤轴称性eyyeqq式（225）代入（224）中弹光效应导致相波长位移：
[(P11+P12)eyy+ P12ezz]+ ezz (226)
式（220）代入式（226）均匀轴应变引起波长移位应变灵敏度公式：
{1[P12(P11+P12)n]}ezz(1Pe) ezzSeezz (227)
式（227）中Pe效弹光系数Se光纤光栅相波长位移应变灵敏度系数利纯熔融石英参数光纤光栅相波长位移应变灵敏度系数Se0784果lB155μm光纤光栅弹光效应单位应变引起波长位移
122pmμe
基分析光纤光栅轴应变灵敏度系数仅取决材料身反耦合模效折射率单模光纤仅基模存光纤材料选定(具固定掺杂量)灵敏度系数定值根保证光纤光栅作轴应变传感器时具良线性输出特性
光纤Bragg光栅横应变特性分析
压力影响Bragg波长光栅周期伸缩弹光效应引起横
应力变化时横应变会导致光纤横截面圆形变成椭圆形根横作力性质横应变分横均匀应变横局部应变横非均匀应变三种光纤光栅反射波长会发生变化表示成：
[]DP (228)
： (229)
(12n)(2P12+P11) (230)
（229）（230）代入式（228）中：
[+(12n)(2P12+P11)]DP ( 231)
压力灵敏度：KP[(+P12)1] (232)
石英光纤掺入锗压力灵敏度约28×106MPa果类型光纤掺杂成分掺杂浓度掺杂数量确定压力灵敏度相
光纤光栅制作
众周知折射率周期变化引起布拉格光栅关键促种变化发生光强规律进行变化引起想光栅规律变化光敏特性实现着科技发展时代变迁光纤光栅已时代高速路快速发展里里面存元素单物质变成种物质结合体相古代落方法生产质量高制造条件非常苛刻现代发明激光光束法激光光束光纤形成干涉条纹产生光栅运激光写入方法改变演变天写入外写入两种优点足写法制作方法较单紫外线射外写入法方法种样单脉写入法分振幅干涉法相位掩膜法逐点写入法线成栅法等缺点难制作改造水准滤波器优点制作起简单方便边仔细家介绍种方法：
（1）部写入法：简单说首先波长488nm基模氛离子激光改变位置端面耦合移动错杂光纤中然变成驻波里餐方法折射法光纤镜面发生折射然折射出两种光分入射光反射光两种光物理作形成驻波啦具体实验实施反射效率已达接百分百步反射带宽非常时代发展种方法缺点逐渐暴露出现代特制锗掺杂光纤布拉格波长相差较次实验没价值
（2）逐点写入法：种完全写入方法种方法原理利非常紧密控制光线运动精密仪器作控制曝光周期间接控制光纤写入准确性标准性种方法优点灵活性高意改变意设计耦合界面努力运种方法制作出意长度该反射率光栅器件精密性求极高缩阴现哈周期较长光纤进行操作足处非常紧缺操作起会较复杂需非常精准仪器辅助科技越越发达机器越越智化种方法逐渐发展起更
（3）单脉写入法：根分子量高制作成分子激光量高达J•cm－2引起科学家广泛关注英国Archambanlt等率先发起研究刻苦钻研终发现单脉写入法程二阶双光子吸收关光纤影响非常环境素速度快快忽略操作方便单独流程需制作光线程中完成范围保证光纤完整变更加坚硬较适合低成范围工业化生产
（4）相位掩膜法：相前中部写入法逐点写入法单脉写入法种方法效率高中原理图25底层熔融石英制成种刻蚀光栅里边器件重相位掩膜板精度高入社条光束分成两条物理作形成非常优秀干涉条纹种干涉条纹非常写入光栅中面简单说明制作流程：第步电子束曝光刻图形掩膜置光纤种掩膜光焰具特殊作增强器件功第二步进行相位调制紫外光掩膜相位调制形成干涉条纹干涉条纹写入周期原二分布拉格光栅中种方法特优点相关影响少置光栅周期关条件关周期关制作起
前方法方便现工业化生产普遍醉醉常方法
图24 相位掩膜法原理示意图
章结
章光栅理模型基结构应力特性进行理分析基础概述光纤光栅制作方法未实验中采取中较合适光栅制作方法
称重传感器设计
超载检测系统核心称重传感器性卓越工作状况稳定灵敏度高超称重传感器关重设计称重传感器传感器光纤光栅代前惠斯通电桥车辆果光栅产生压力光栅栅距会发生变化带动着波长发生变化通检测波长变化进确定汽车重量
传感器结构设计
弹性体存汽车重量信息转换应变信息结构设计原需定力承受横碰撞承受载偏心载荷 根称重传感器负载条件分三种类型：剪切型拉压型弯曲型 根弹性体结构称重传感器具悬臂梁类型轮辐类型柱类型轴称扭转环类型等类型具身特征优点适种场合
（1）悬臂梁类型：悬臂梁类型尺寸安装方便方便维护更换综合精度高长期稳定性承载力较材料价格低廉性价较高
（2）剪切轮辐式：低截面圆形设计结构紧凑易安装抗击抗侧力抗偏载性机械加工难度制造成较高固滞易控制
（3）柱型传感器：结构较简单紧凑够承受较压力方位误差结实耐然优点突出缺点突出受力工作时候容易发生旋转连接电线造成损坏
（4）轴称扭环型：该类型传感器结构特性准确度灵敏度优种类型受压力时发生形变该类型造价高期维护非常麻烦
悬臂梁结构作新型动态称重系统容易实现价格低廉适合工业中特殊剪切应力结构会受力点移动范围引起形态变化忽略十分适合生产生活中稳定性求高方基悬臂梁结构良特性实验中终选择该结构形式结构形式图31示：
图31 悬臂梁式称重传感器结构
传感器受力分析
材料力学分析
悬臂梁截面工字型工字梁抗弯力强节省量材料获相外轮廓样矩形截面惯性矩抗弯
图32 悬臂梁式称重传感器结构示意图
图32悬臂梁式称重传感器结构示意图悬臂梁横截面工字形状工字梁整体高度H整体长度B两臂间距离h工字梁腹板厚度by定值表示意点Z轴距离根力学中受力分析知果结构悬臂梁端施加压力工件中性轴位置受剪力受力：
tmaxFSSzIzb （31）
式（31）中： Fs—工件受剪力
Sz—y0时截面中性轴静矩
Iz—截面中性轴惯性矩
截面进行分析：
Sz（H2h2）+ (32)
Iz [BH3(Bb)h3] (33)
力特性材料性知工字钢中间处切应力应值腹板翼缘交界处切应力值腹板切应力均相差般似认腹板切应力面均匀分布通公式计算知道腹板承担截面级部分剪力梁翼部分切应力极复杂梁翼部分切应力腹板切应力计算时必考虑通述分析表明截面剪力工字形腹板位置承担防止剪断现象发生工字梁翼缘恰恰相反承担截面弯矩防止掰弯
剪力应力图分析
图33 悬臂梁称重传感器剪力图
剪力Q横截面相切分布力系合力悬臂梁称重传感器剪力分析图图33示整悬臂梁称重系统中整系统受汽车重量梁剪力会突变保持直线状态梁横截面剪力时候必然剪应力t存
MFL
图34 悬臂梁称重传感器弯矩图
弯矩M力偶横截面垂直力系合力偶矩梁产生弯曲趋势悬臂梁称重传感器弯矩分析图34示悬臂梁弯矩着臂长变化产生变化悬臂梁固定端受弯矩力臂越长弯矩越悬臂梁横截面弯矩M时悬臂梁必然会受正应力
横截面产生应力：sMyJZ (35)
式中Jz—横截面Z轴惯性矩
横截面产生剪切力：t[(H2h2)+(y2)] (36)
ANASY受力分析图
ANASY软件非常实软件常应种工程类问题通图直观做物品方变化情况种模拟方法提供极便利该软件常模拟物体碰撞部分受力情况现实生活中果通实物模拟代价非常
ANASY软件分两部分前处理处理
前处理作构建模型划分区域面面构建面面果种建模定义话绘制出想分析东西样子点线面体序构建模型建模完成需进行工作划分区域网格分析问题时物体方效果需划分出网格便处理时模块出相应结
处理作分析物体受某种外界情况干扰通种相应算法计算出物体部分产生变化情况通彩虹线形式呈现出彩虹线颜色代表变化情况着颜色变化物体变化量变化直观观察物体部分变化情况步操作基础
结构体分析程：属性定义：包括材料单元截面定义材料选择钢材料材料密度设置7800e12设置梁截面普通矩形单元设置189单元建模：创建关键点定义方点出模型（图35）
图35 模型
创建限元模型：定义坐标出限元模型（图36）
图36 悬臂梁传感器限元模型
通加载求解出结果：
图38 应力云图
光纤光栅粘贴
光纤Bragg光栅粘贴位置
果想确定光栅粘贴位置必须通力学知识进行分析希称重传感器受纯剪应力受力影响公式（35）出参数y值0时分子0传感器截面没应力存公式（36）知y0时传感器截面受剪应力符合求参数0时截面中心处Y轴Z轴交点该中心线粘贴光栅光栅受剪应力
根图（38）确定具体粘贴位置根应力云图坐标轴知悬臂梁结构称重传感器部位受力情况着颜色蓝色红色变化受应力图中MX位置红色受力位置具体位置确定里
光纤Bragg光栅粘贴方
前文中根材料力学ANASY分析出结果已确定截面位置截面位置够传感器会产生形变截面位置受力样外截面旋转处中心轴角度截面受力确定需通分析确定光栅粘贴方
截面中心轴处收剪切力：tmax[]
斜截面应力公式： sa+cos2atsin2a （37）
（38）
smax
smin
±
确定出面位置公式（310）：tan2a0→∞
根述公式出两角度分45度135度
根述材料力学公式计算想光栅感受剪应力受力影响根述公式计算应该悬臂梁部设置两块光栅两块光栅摆放位置应互成直角种情况两块光栅够感受剪应力两块光栅摆放位置应图39示
图39 光栅摆放方示意图
光纤Bragg光栅封装
光纤光栅性非常卓越传感器拟光栅方便喜爱理正容易受损害光栅身没硬度必须加封装结构样够保护光栅光栅受外界影响外裸露光纤光栅应变量没增敏效果应选择合适封装结构增加光栅应变量敏感程度敏感程度越高传感器性越卓越目前光纤光栅封装三种方法：聚合物封装法金属封装法金属片封装法文中列举两种封装方式进行较
光纤光栅毛细钢封装法
图310 毛细钢法封装示意图
利毛细钢光纤光栅进行封装实际具定厚度钢套光栅位置光栅起保护增敏作果想光栅进行封装首先光纤串联钢部次毛细钢灌装丙烯酸酯等机化合物缓慢钢前推动直光栅进入钢中心位置整封装程需十分谨慎果光栅位置没非常准确封装效果会折扣封装结束定进行反复检查确认光栅位置保证锈钢部紧凑封装严密产生气泡
根该封装结构进行种测试实验出该封装方法温度传感增敏效果非常灵敏度倍数增长种该封装方法光栅应力言封装前裸光栅灵敏度相光纤光栅钢封装法应力测量没增敏效果
光纤光栅铝合金箔片封装法
图311 光纤光栅铝合金箔片封装示意图
铝然界中存金属具优良特性重量硬度性价高应领域种封装方法利铝合金箔片保护光纤光栅
种封装方法首先需面铝合金箔片开条槽光栅固定选合适黏着剂光栅粘合住然面铝合金箔片盖住保护光纤光栅箔片前定需处理否面污垢种氧化物会封装效果产生影响砂纸仔细铝片进行磨然丙酮乙醇溶液铝片进行清洗丙酮机溶剂挥发性较强洗掉杂质挥发掉影响步操作然光栅粘贴铝片凹槽里
盖板盖住定温度放置段时间等粘合剂达粘度时完成封装根实验中压力波长变化情况证明该封装压力良增敏效果封装光栅增敏效果裸露光栅增敏效果高
13倍
光纤Bragg光栅解调技术
解调部分系统非常重部分良敏感元件通反射回波长变化反映光栅受应力改变波长解调技术优劣直接影响整系统检测精度目前已报道解调方法十种面常两种解调方法作概括性介绍
光谱分析法
光谱分析法基解调方法实验室中常种方法观察波长变化种方法着体积较光信号转换成电信号缺点般光纤光栅基础传感实验时原理图312示：
图312 光谱分析仪原理示意图
日常光谱分析仪中重元件中衍射光栅起着连接两反射镜作般衍射光栅制作材料玻璃通材料表面进行精细加工表面镀反射模光纤中光进入光谱分析仪通反射镜反射衍射光栅衍射光栅定角度时分离出波长类型光分离出光反射镜传递系统底端探测器通断调整光栅位置达扫描效果说基光谱分析仪功基衍射光栅实现利种解调方法解调速度快准确度高
光纤光栅匹配滤波器法
匹配光栅法基原理性参数相FBG中作传感光栅作匹配光栅通驱动原件驱动匹配光栅踪传感光栅谐振波长变化测量驱动原件驱动信号解调出光栅种方法优点结构简单受信号干扰较反射光光强求较低缺点受参考光纤光栅限制传感光栅测量范围匹配光栅法结构两种分投射式反射式原理图313示
图313 光栅匹配滤波器法原理示意图
FBG1作传感光栅受外界环境变化情况 ：压力温度等栅距会发生变化根式（217）（219）知波长位置会发生改变反射光光谱会移动FBG1反射光光谱FBG2相应FBG2光谱重合样检测变化量变量变化情况利匹配滤波解调精度高解调时操作较麻烦系统控制难度
章结
章容做工作核心容车辆重量检测系统核心称重传感器章容中设计种悬臂梁式称重传感器确定结构具体受力情况光栅粘贴位置进行详细理推导外光纤光栅封装技术光纤光栅解调技术进行详细阐述特点决定封装结构解调方法
车辆称重系统模型实验
实验系统搭建
更模拟悬臂梁式称重传感器工作情况利实验室现条件搭建套实验系统图41示：
图41 悬臂梁式称重传感器模拟实验系统
实验采锯条端悬空端固定模拟悬臂梁结构光纤Bragg光栅胶粘贴锯条光纤端接光谱分析仪通锯条悬空端配挂重物方法锯条发生形变锯条形变模拟拉栅效果光栅栅距发生变化通逐渐增加重量观察光谱分析仪波长变化统计数终出重量波长变化关系
图42 模拟实系统受力分析示意图
图42模拟实验程中锯条重物作受力情况
实验程
（1）首先观察光谱仪示数悬臂梁端未悬挂重物时波长值图易未悬挂重物时光栅波长值15591200nm图43示：
图43 重物时Bragg光栅波长
(2)悬臂梁端开始悬挂重物悬挂次波长进行次扫描发现着重物重量改变光栅中心波长断变化图中红色三角标定中心波长图示图44（abcd）示：
图44（a）20g重物作 图44（b）40g重物作
图44（c）60g重物作 图44（d）80g重物作
图44 光栅中心波长变化情况
（3）采集实验实验数步数处理线性度基础
实验数分析
通前模拟实验采集悬臂梁端悬挂重量0g—160g重物波长变化信息现利origin软件数进行分析处理
（1）首先光谱分析仪9组数填充origin软件图45示
图45 光谱分析仪数填充origin
（2）软件绘制出波长光强关系图46示图中颜色变重量
图46 九重量波长光强关系图
（3）九条曲线观察较复杂取中五条线进行介绍五条曲线进行放处理坐标轴进行细化处理图47示
图47 五重量波长光强关系图
（4）origin 软件工具栏中Screen Reader工具五条曲线峰值处取值确定波长变化重量关系出结：
重量（g）
波长值（nm）
0
155910867
20
155933856
40
155955799
60
155972727
80
155994462
（5）述表格数填充origin工作表生成点线图数学分析出图：出直线方程：y001427+1599123根图观察出整实验系统线性拟合度线性度良图48示：
图47 线性拟合线
车辆超载检测系统设计
系统硬件构成
车辆超载检测系统设置收费站处公路意位置处系统硬件系统位机位机两部分组成位机装置称重系统轮轴识系统位机收集车辆重量车型牌信息收集数包成数包通线通信模块传递位机位机收位机发数包解析数包进行计算处理显示模块显示出车辆重量应缴纳费果车辆超载直接触发报警装置超载信息传递相关理部门硬件构成图图48示：
图48 车辆超载检测系统硬件结构示意图
部分功示：
称重系统：该部分容文叙述容通检测光纤光栅波长变化确定出车辆重量位机提供车辆重量信息
轮轴识：通轮胎数量车辆轴距轮轴数量检测结合数库存贮车辆型号信息确定车辆类型
线通信模块：线通信模块该系统中非常重部分检测点位置确定走线方式成太高选择利线通信位机收集数信息传递位机通信方式选择直接决定系统整体性必须保证数信息快速准确传递种通信方式决定选择LORA通信技术LORA技术独特优势线通信领域中广泛应LORA技术较通信方式（例ZigBeewifi蓝牙）具高带宽低功耗传输距离远优势
功模块：位机解析数包控制节点进行工作显示车辆重量通预先设定算法公式车辆费进行计算计算果车辆重量超预先设定阈值直接触发报警装置 传递相关理单位
中央处理模块：中央处理模块位机数处理部分整系统核心部件中央处理模块包含着系统需数库外中央处理模块模块进行控制整套检测系统中设置位机节点中央处理模块统进行数处理
系统拥功外拥许功：动升降杆车牌识通行指示灯等等建立良交通运输秩序做出贡献
系统基流程设计
汽车驶入
传感器产生形变
FBG波长变化
解调仪检测
数计算
光纤光栅垂直压力敏感水力没敏感正常情况设计称重传感器般检测垂直力系统流程设计图42示首先汽车驶入汽车驶入称重台位置时悬臂梁受压力光纤光栅悬臂梁结构部光栅时受压力光栅受压力身特性波长会发生改变时波长信息传递解调系统解调系统波长进行解调终解调出信号量输入算法系统中出车辆重量
章结
章节中详细叙述整系统模拟实验程展示部分数处理程片模拟实验系统测试证明悬臂梁式车辆称重系统灵敏度线性度良断试验程中确定波长变化情况光栅栅距变化关
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