1前言
动态称重简称为WIM(weigh-in-motion)，是指在汽车的运动状态下称出汽车的重量.它是智能交通运输系统的一个重要组成部分，已经引起了国内外的普遍重视，并且得到了初步应用.目前投入使用的动态称重仪主要有压电陶瓷式、电容式、电阻应变片式等.这些称重仪的缺点主要有称重误差大、成本高、汽车允许行驶速度不高等，这些缺点限制了动态称重仪的推广应用.光纤光栅(fiberBragggrating简称FBG)传感器是一种波长调制型传感器,克服了强度调制型传感器易受线路损耗和光源输出功率波动干扰的弱点.另外，光纤光栅传感器不受电磁干扰、灵敏度高、重复性好、重量轻、探头尺寸小、结构紧凑、传输距离远。

当FBG受到外界影响(主要是环境温度变化和发生轴向应变)时，其有效折射率和布拉格周期都要相应发生变化，从而引起FBG中心波长的偏移.在应变和温度变化未超出光纤材料的线性响应区时，FBG中心波长偏移可表示为⑵
Ah=Kie+KzAT    (2)
其中:AT——温度变化量；£——轴向应变；
Ki——应变敏感系数；K2——温度敏感系数.
可见FBG在受到轴向应变和温度变化影响时中心波长会发生相应偏移，根据这个偏移可推知外界影响因素的情况,这就是FBG用来制作传感器的基本原理.一般来说FBG中心波长对轴向应变比较敏感，要测量横向负载一般要使用双轴光栅⑶句.以下我们通过合理设计，使汽车的重量引起较大的FBG轴向应变，这样就可以根据FBG中心波长的变化来确定汽车重量,即可用FBG制作汽车动态称重仪.
2光纤加强复合材料
光纤加强复合材料'"圍(fiber-reinforcedcomposites,简称FRC)是把光纤镶嵌在一些基底材料中构成的，如图1所示.复合材料广泛应用于潜艇、汽车发动机和民用建筑中.一般来说，复合材料是由嵌入在相位连续(continuousphase)材料中的一种或几种相位不连续(discontinuousphase)的材料组成的.相位不连续的材料，一般硬度大、强度高，称为加强材料.而相位连续的材料一般称为基底.普通的加强材料有玻璃、碳、氧化铝等，而基底材料有塑料、金属等.FRC中的加强材料把基底和光纤紧紧连结在一起，承载主要的压力及把压力传递给光纤，并保护光纤不受损伤.在工程上仅使用一层FRC,结构往往太薄.一般都是把几层这样的材料叠放在一起使用.其平行于光纤的方向称为FRC的轴向，而垂直于光纤的方向称为FRC的横向.

图1光纤加强材料结构示意图
对于FRC,当其受到横向压力时，由于泊松效应,在轴向上将产生应变m.因为光纤固定在FRC内部,光纤将随之产生轴向应变.

3利用FRC制作动态称重仪
利用光纤光栅为传感元件进行动态称重,参照其它类型称重仪,可首先对汽车一个轮轴称重,即设计一个轴重仪，然后再结合其它技术把整个汽车重量确定下来.我们利用FRC和光纤光栅(FBG)组成传感器,FBG刻在各向异性的FRC中的轴向光纤上.传感器的结构如图2所示.

图2光纤加强材料和光纤光栅组成的传感器
由FRC和FBG组成的WIM系统的基本原理如图3所示.当汽车经过WIM传感器时，汽车轮胎的压力将引起FRC在轴向上产生应变.FBG随之产生轴向应变，如图4所示.由于应变,FBG的中心波长将产生偏移.通过检测中心波长的变化可以确定汽车某轮轴单侧轮胎的重量.

图3光纤光栅WIM原理示意图
FBG中心波长偏移的解调，我们采用边缘滤波法。
宽带光源发出的光经耦合器(couple)1进入FBG,反射回来的光再次经过耦合器1被耦合器2分成两路.第一路反射光经过一个线性边缘滤波器,将FBG波长偏移转变成一个光强信号，再经光探测器转变成电信号.第二路反射光作为参考信号直接被光探测器接收.两束信号的比值将转变成汽车的重量.利用这种解调方法，光源、滤波器、探测器的不稳定以及系统噪声对测量造成的影响将大大减小.
4初步实验
利用FBG和FRC组成的WIM,我们进行了初步的实验.我们把传感器粘贴在一块钢板上，然后固定在道路上.一辆重约1吨的轻型汽车的前轮和后轮分别经过WIM传感器.汽车行驶的速度维持在10km/h.我们目前设计的是汽车动态称重轴重仪,且只称量单侧轮胎的重量，如图6所示.

图6FBG动态称重现场实验
实验时我们按照F-R-R-F-F-R(F代表前轮,R代表后轮)的顺序记录了三组数据，汽车是前轮驱动的,实验结果如图7所示.第三组数据前后轮信号间距比较大是因为汽车行驶速度减小了.实验发现，系统的噪声电压为1〜2mv,这样可计算出系统的动态最小分辨率为10〜20kg.我们设计的光纤光栅动态称重轴重仪的称重量程为3吨,按两轮轴汽车计算，该称重仪对于汽车整车称重的量程可达12吨左右.

图7 FBG称重仪动态实验记录

5讨论

我们设计的动态称重仪已经可以测量运动汽车 的重量，但还需要在以下几方面需要改进：首先, FBG对温度和应变是同时敏感的.我们目前设计的 称重仪没有考虑温度的影响，因而只能在温度基本 保持恒定的环境中使用.实用化的称重仪必须分离 温度对测量的影响，这是我们今后工作中一个需要 重点解决的问题.其次，动态称重仪的精度除与传感器的性能有关外，还受汽车行驶速度、路面状况、称 重仪的安装等许多因素影响.今后的工作中我们要 借鉴其它称重仪在信号处理方面的成功经验，减小 称重误差,进一步提高称量精度.最后需要指出的 是，目前我们设计的称重仪还只能测量一个轮轴单 侧轮胎的重量.要实现汽车的整车称重，还要在软、 硬件方面做大量工作.
6结论
通过理论分析和初步实验可以看出，基于光纤加强复合材料和光纤光栅的动态称重仪是完全可行的.它的精度比较高，预期使用寿命长.采用波分复用技术，可以同时对多个车道进行动态称重,这样设计的系统其成本将大大降低，有望低于目前使用的其它类型的称重仪.同时要最终实现FBG动态称重仪的实用化还需要完成大量的工作.

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