特殊环境称重传感器结构设计与性能测试

胡伊 孟栋成 周嘉晟 王佳妮

摘要：针对公路桥梁治超的称重传感器技术问题，本文设计并实现一种基于光纤光栅的新型称重传感器。为了提高称重系统的可靠性和耐用性，结合了光纤光栅技术原理和悬柱式弹性体结构，使得本设计可长期在恶劣环境中进行工作。通过称重传感器的加载实验测试在荷载作用下的应力-应变特性，实验数据表明，使用两个光纤光栅的均值的线性拟合度和非线性误差都比单一光纤光栅计算理想，设计的方案符合预期设计指标要求。

关键词：称重传感器;公路桥梁;超载检测;光纤光栅

1光纤光栅称重传感器的原理

光纤光栅作为全光纤器件，能进行波长选择滤波。当透射率极小时，满足Bragg条件波长的那些光被强烈地反射;透射率极大时，光在通过光纤光栅时无插入损耗。

Bragg光栅方程：

式中，光栅的Bragg波长是，光栅间隔周期是Λ，芯模的有效折射率是。

因为存在由应变和温度变化这些因素，可能会对光栅运转产生影响，会使通过光纤光栅波长随应变和温度变化。依靠相关的方法，可同时测量应力和温度，也能分开测量;可在光纤光栅上附上特定功能的材料，间接测量电场等物理量。由上可知，测量波长即可得到温度及应变等的相关数据及变化情况。

2光纤光栅称重传感器的结构设计

传感器的封装采用了凹槽内嵌式双环形结构设计，如图1所示，光纤光栅放置在中间的槽内，经过预拉后两端用环氧树脂固定，两端光纤固定点之间距离为100mm，这个距离就是传感器的有效应变长度。这种设计的变形体刚度远低于螺钉紧固和底座焊接处，能够将结构表面形变如实传递给封装在其上的光纤光栅处。

一般光纤光栅称重传感器采用悬柱式的弹性体结构如图3所示，结构紧凑，几何形状简单，设计计算、机械加工、热处理、光纤光栅安装等均较容易;刚性较大、固有频率高、动态响应快、固有频率高（几万到十几万赫兹），同时采用的悬柱式弹性体设计解决了传统柱式弹性体因柱体倾斜产生误差较大的问题。为了实现将压力转变成拉伸力，设计了撑结构，弹性体通过与上下法兰固定，法兰再与四周旁承固定，四周旁承与上下基座固定。该结构能够增加传感器的刚性的同时不影响测量的精确度。并且可以根据不同的测量要求更换不同性能的弹性体以满足要求而不需要更换整个传感器。如图3传感器整体结构图。

3 光纤光栅称重传感器的加载测试试验

试验取5KG、10KG、15KG、20KG、25KG、30KG六组不同质量的砝码作为加载装置，进行光栅1换算、光栅2换算以及两读数之间均值换算，为了保证加载过程中试件的稳定，使加载载荷尽量均匀。

实验数据如图4（a）所示，仅使用单一光栅线性拟合时单一光栅线性拟合方程为：y=0.9987x-0.0010线性拟合度为0.9518非线性误差：0.0952KG。如图4（b）所示求均值后线性拟合方程为：y=0.9990x-0.0029线性拟合度为0.9801非线性误差：0.0619KG。

仅使用单一光栅线性拟合情况下的线性拟合度为0.9518比求均值后的线性拟合度0.9801小，前者情况下0.0952KG的非線性误差较后者0.0619KG要大，由此实验数据表明，使用两个光纤光栅的均值的线性拟合度和非线性误差都比单一光纤光栅计算理想，故本课题采用取两个光纤光栅均值的方案，并符合预期设计指标要求。

4 结论

本文设计了一种基于光纤光栅的称重传感器，将光纤光栅技术与悬柱式弹性体结构相结合，对传感器的结构以及性能进行创新设计，提高传感器的结实耐用性以及测量精准度。论文中通过仿真实验，进行静态测试和动态测试，并通过数字滤波器处理数据，得到两者对比数据，实验结果表明光纤光栅的性能比传统的传感元件更优良。因此，利用本设计比传统的称重传感器更具竞争性，适合长期应用于公路桥梁的汽车称重。本文为公路超载检测的称重传感器结构设计与性能测试提供了重要参考。

参考文献

[1]程路，李青，张宏建.基于软质电容式称重传感器的车辆动态称重系统[J].计量学报，2008（04）：334-338.

[2]王建. 电容称重传感器抗偏载性能分析与优化的研究[D].天津大学，2014.

作者简介：胡伊，孟栋成，周嘉晟，王佳妮，衢州学院2018级、2019级自动化专业学生;指导教师：丁霞军、江 舒;项目资助：2020年度国家级大学生创新创业训练计划项目（202011488020、202011488021）。