动态称重系统是高速公路用以计费的主要平台，设计过程相对复杂。介绍了光纤光栅的传感原理及高速解调技 术的基础上，详细阐述了以该技术为基础的高速公路动态称重系统的设计方法，并从试验的角度，验证了该系统的性能， 证实了该系统的应用价值。
0.引言
近些年来，高速公路车辆超载问题逐渐严重化，不仅增加 了交通事故发生的几率，同时也潜在地影响着高速公路的使用 寿命。光纤光栅属于光纤无源器件的一种，在通信以及传感领 域应用较广，将其应用到动态称重系统的设计中，能够使行经 高速公路车辆的重量被及时准确地测量，对于公路车辆重量控 制效率的提高，具有重要意义。
1.光纤光栅的传感原理
光纤光栅可通过对温度、压力以及应变情况的评估，达到 测量车辆重量的目的。随着上述几项指标的改变，光纤光栅的 反射谱同样会发生一定变化，通过对反射谱变化情况的分析， 即可得到压力等的动态值。根据布拉格条件及应变传感与温 度传感等公式，即可得到车辆的重量指标m。
2.以光纤光栅为基础的高速公路动态称重系统的设计
2.1光纤光栅高速解调技术的选择
光纤光栅高速解调技术主要包括干涉解调技术及滤波解 调技术两种m :①干涉解调:光由宽带光源发出，经耦合器传人 光栅。反射后，经耦合器进人M - Z干涉仪，达到干涉解调的 目的。②滤波解调:光由宽带光源发出，经3dB耦合器传人光 栅。反射后，经耦合器进人可调谐滤波光栅。滤波后，光信号 可转换为电信号，通过放大及计算机处理等过程，完成滤波解 调的过程。本文综合上述两项技术的优势，采用扫描激光解调 技术对高速公路动态称重系统进行了设计。
2.2高速公路动态称重系统的设计方法
高速公路动态称重系统由地秤、FRP传感器、温度补偿传 感器以及信号采集系统构成。设计方法如下。
1）地秤的设计。地秤表面为台面板，经螺栓与传感器相连 接。光纤光栅解调仪位于台面板中间部位。当车辆载荷施加 与台面板上时，解调仪可随即感知到载荷，并迅速作出反应，完 成称重的过程。
2）FRP传感器的设计。FRP传感器由航空航天材料设计 而成，材料成本高，但性能较好。设计过程中，要求采用光纤布 拉格光栅对拉挤成型工艺进行监测，并对相应的工艺参数进行 控制，以确保残余应变等指标能够满足称重的需求。
3）温度补偿传感器的设计。根据季节的不同，光纤光栅所 处的环境温度也存在一定的差异，称重结果会与车辆的实际重 量存在一定的误差。温度补偿传感器的功能，即在于平衡环境 温度值，使测量误差得到控制。本研究所设计的温度补偿传感 器为光纤光栅拉力式应力传感器，其反射波长与光纤布拉格光 栅基本相同。将两个传感器所测量到的指标相综合，即可消除温度对称重结果的影响。
4)信号采集。本研究所设计的称重系统，主要采用虚拟仪 器软件Lab - VIEW编程采集称重信号。该软件界面由两部分 波形图构成。上部分波形可显示波长与重量的关系，下部分波 形则显示称重数据的动态变化信息。将两部分信息综合，即可 得到最终的称重信息。
3.性能试验及结果分析
为判断该称重系统是否能够满足高速公路的车辆称重需 求，本研究采用性能试验的方法，对系统称重结果的准确度进 行了观察。
3.1 试验设计
①拉力式平板地秤共设计4个支撑点，分别安装1个光纤 光栅传感器。②将笔记本电脑与高速多通道光纤光栅解调仪 相连接。③准备已知重量值的车辆共4辆，逐一称重。④观察 加重与加速的过程对称重结果的影响。
3.2加重试验及结果分析
逐渐增加车辆重量，观察传感器是否能够检测到车辆重量 的动态增强情况。根据试验结果评价传感器的灵敏度。当车 辆重量为83 kg、140 kg、220 kg、250 kg时，得到的质量与波长 的变化曲线具有一定的规律性。试验结果显示，随着重量的增 加，质量与波长指标均不断增加，且两者的变化幅度基本一致。 表明，本研究所设计的传感器灵敏度较强。
3. 3 加速试验及结果分析
在重量固定的条件下，以速度作为变量，对传感器数据采 集的精确度以及实时性进行了观察。试验结果显示：当速度为 5 km/h-,20 km/h以及25 km/h时，传感器所测量的重量数值与 车辆重量的实际值相比，无显著差异，误差较小。表明，本研究 所设计的传感器，数据采集的精确度较高、实时性较强。
4.结语
本研究借助光纤光栅传感原理，以扫描激光解调技术为基 础，设计了高速公路动态称重系统。通过对加重及加速试验结 果的观察发现，采用该方法设计称重系统，传感器的灵敏度、实 时性及准确度均较高。有关领域可将该原理及相应技术应用 到高速公路动态称重系统的设计中，以使公路车辆超重的问题 得到妥善的解决。