[005引脉冲光源通过导入光纤与一号2 X 2禪合器3a相连，二号2 X 2禪合器3b通过导出光 纤与光电探测器7相连，光电探测器7通过示波器8与计算机9相连；
[0059] 脉冲光源的脉冲宽度为t2,脉冲时间间隔为ti，脉冲光源的光束在环形谐振腔内环 形一周的时间为Tr;脉冲光源经环形谐振腔传输至光电探测器，光电探测器将接收到的光 信号转换为电信号，并将电信号显示在示波器上，显示的光谱为衰荡光谱，衰荡光谱的衰荡 时间为τ，其中，t2<Tr，tl>T。
[0060] 环形谐振腔呈矩形，矩形环形谐振腔的四个角采用圆弧过渡；禪合器和传感头均 设置在矩形环形谐振腔的直线段。
[0061] 在空载时（空载是指本实用新型在没有受到额外压力的状态，即没有车辆压过传 感头的状态），脉冲光源产生的光束经由导入光纤2经一号禪合器3a进入光纤"跑道型"环形 谐振腔，进入环形谐振腔的光束在腔内多次往返，通过采用不同禪合比的禪合器，当光束经 过二号禪合器时，会有一小部分光波被导出进入导出光纤，绝大部分被反射回腔内，多次经 过传感头，此过程循环往复。
[0062] 经导出光纤的光波信号，通过光电探测器将光信号转化为电信号，并在示波器上 进行图形展示，最终到达数据处理系统，进行相应的数据处理;数据处理系统可采用计算机 9。
[0063] 通过示波器观察得到，到达探测器的光强呈现指数衰减，并且衰减时间和禪合器 的禪合比、光纤长度W及环形谐振腔内的损耗有关。于是，通过测量衰荡光谱，就可获得环 形谐振腔内光强随时间的变化关系：
[0064]
V1 )
[0065] 上式中，1〇为入射光强，C为真空中光速，η为传输光纤忍层折射率，L为传输光纤长 度，A代表光束在环形谐振腔内的损失，包括光纤吸收损失、光纤禪合插入损失W及光束在 光纤内部散射损失。
[0066] 衰荡时间το为由环形谐振腔输出的光强衰减到输入到环形谐振腔光强的1/e所需 时间，满足W下公式：
[0067]
(2)
[0068] 定义光束在环形谐振腔内传播一周的时间为Tr，具体表达式为：
[0069]
(3)
[0070] 对比公式(2)和公式(3)，则环形谐振腔内的损耗A可W表示为：
[0071]
W
[0072] 当车轮作用于一号传感头4a时，此时在环形谐振腔内将产生额外的损失，但光波 衰荡信号依然呈现e指数衰减形式，如图2曲线b所示，从曲线中可W看出，额外的损失将导 致衰减速度加快，衰荡时间减少。
[0073] 此时，环形谐振腔内光强随时间变化关系满足下式：
[0074] - 一 (5)
[0075] 其中，B为:运动中的车轮压过传感头产生的损耗，B与车轮和传感头的接触长度和 接触面积有关，具体表达式为：
[0076] B = nlSP (6)
[0077] 其中η定义为损失系数，η的单位为nf3pa-i，l为传感头缓冲板的长度，S为传感头中 的缓冲板与光纤的接触面积，P为车轮压过传感头产生的压强。
[0078] 此时，将导致衰荡光谱中衰荡时间το的改变，改变W后的衰荡时间为τ，具体表达 式为：
[0079]
C7)
[0080] 当不同重量的汽车压过一号传感头4a时，将得到不同的衰减曲线，如图3所示，同 理，也将得到不同的衰荡时间Tl，T2，T3，T4……对比公式(2)和(7)，将发现：
[0081 ]
(该）
[0082]其中資=^，对于本实用新型，β是一个常数，从公式(7)就可W发现，与P nL 了 了0 满足很好的线性关系，通过测量本实用新型空载时衰荡时间τοΚ及在不同压力作用下的衰 荡时间τ，就可W确定作用在传感头上的压强大小。
[0083]
W
[0084] 上式中，Μ表示被测车辆的重量，So代表传感头的面积，g表示当地的重力加速度；
为比例系数，是一个常数。
[0085] k的测定方法：
[0086] 1.1)测出空载时候的衰荡时间τ〇;
[0087] 1.2)在本实用新型传感头上依次放置10个已知重量的破码(Mo)，得到不同的衰荡 时间Τη;
[0088] 1.3)然后W破码重量为纵坐标，为横坐标进行线性曲线拟合，拟合曲线 了η 如图4所示，通过拟合公式可W得到k。
[0089] 对于本实用新型，通过测量某一车辆压过传感头的衰荡时间，利用公式(9)，即可 得到该车的重量Μ。
[0090] 同时，当车轮W-定的速度再次经过二号传感头4b时，对于本实用新型，两个传感 头之间的距离是固定的，设为d，记录车轮经过一号传感头和二号传感头所对应的时间间隔 Td，通过公示= ^就能很容易实现对车速的实时监测。
[0091 ]进一步地，该装置中两个传感头的位置正对，能够实现车辆双向监测，同时，在环 形谐振腔中增加不同的传感头或采用不同类型的传感头时，能够实现多点测量和不同信号 的测量。
[0092] 为能够很好的在示波器上进行分辨，在选取脉冲光源时应该满足W下原则：
[0093] 设脉冲宽度为t2,脉冲时间间隔为ti，如图5所示。
[0094] ① t2<Tr，即脉冲宽度t2小于光波在环形谐振腔内环形一周的时间τ。
[0095] ②ti>T，即脉冲时间间隔大于衰荡时间。
[0096] 由于两个禪合器的禪合比将会影响光波在环形光纤中的衰荡时间，从而在选择禪 合器的禪合比时，需要满足W下原则：
[0097] ①从二号禪合器输出的衰荡光谱中峰值光强越大越好；
[0098] ②从二号禪合器输出的衰荡光谱中的衰荡峰数量越多越好；
[0099] 实施例
[0100] 本实用新型的脉冲光源重复频率1MHZ，脉宽10ns，传感头采用微弯结构，也可W是 其他特种光纤，比如D型光纤，光子晶体光纤，裸光纤等;环形谐振腔采用"跑道型"光纤环形 谐振腔，两个禪合器禪合比都为1:99,传输光纤采用多模烙融石英光纤(忍层折射率1.58)， 整个环形谐振腔长度10m，两传感头之间距离Im;其他还包括导入、导出光纤、光电探测器、 示波器W及计算机。
[0101] 脉冲光源产生重频为lMHz(周期为lus)的光波经导入光纤进入"跑道型"光纤环形 谐振腔，光波在环形谐振腔内环形一周的时间约为53ns，衰荡时间大约为几百个纳秒，当汽 车车轮压过传感头时，导致光纤发生弯曲，模式发生泄漏，产生额外的损失，从而导致整个 衰荡时间减少，经过上面分析，通过衰荡时间的测量就可W得到压过传感头的行驶车辆重 量大小。同时，记录车轮经过两个传感头的时间间隔，就可W得到车辆行驶的速度。
【主权项】
1. 一种基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感装置，其特征在于:包括脉冲光 源（1)、导入光纤（2)、耦合器、传感头、传输光纤(5)、导出光纤(6)、光电探测器(7)、示波器 (8)以及用于数据处理的计算机(9); 親合器包括一号親合器(3a)和二号親合器(3b)，传感头包括一号传感头(4a)和二号传 感头(4b); 所述传感头包括光纤和两个缓冲板，光纤设置在两个缓冲板之间，缓冲板与光纤接触 面为波纹面； 一号親合器(3a)、一号传感头(4a)、二号親合器(3b)和二号传感头(4b)通过传输光纤 连接构成环形谐振腔； 所述脉冲光源通过导入光纤与一号耦合器(3a)相连，二号耦合器(3b)通过导出光纤与 光电探测器(7)相连，光电探测器(7)通过示波器(8)与计算机(9)相连； 脉冲光源的脉冲宽度为t2,脉冲时间间隔为七，脉冲光源的光束在环形谐振腔内环形一 周的时间为脉冲光源经环形谐振腔传输至光电探测器，光电探测器将接收到的光信号 转换为电信号，并将电信号显示在示波器上，显示的光谱为衰荡光谱，衰荡光谱的衰荡时间 为 τ，其中，t2<Tr，ti>T。2. 根据权利要求1所述的基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感装置，其特征 在于:环形谐振腔呈矩形，矩形环形谐振腔的四个角采用圆弧过渡;耦合器和传感头均设置 在矩形环形谐振腔的直线段。3. 根据权利要求2所述的基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感装置，其特征 在于:一号传感头(4a)和二号传感头(4b)的位置正对。4. 根据权利要求3所述的基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感装置，其特征 在于:所述传感头由特种光纤替代。5. 根据权利要求4所述的基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感装置，其特征 在于:所述特种光纤是D型光纤、光子晶体光纤或裸光纤。6. 根据权利要求5所述的基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感装置，其特征 在于:所述传输光纤采用多模熔融石英光纤或单模熔融石英光纤； 所述环形谐振腔的长度为l〇m，一号传感头4a和二号传感头4b之间的距离为lm; 脉冲光源的重复频率为1MHz，脉宽为10ns;所述耦合器是2X2耦合器，耦合器的耦合比 是1:99、12:88、0.1:99.9或8:92。7. 根据权利要求6所述的基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感装置，其特征 在于:耦合器的耦合比满足以下原则： 二号耦合器输出的衰荡光谱中峰值光强越大越好，二号耦合器输出的衰荡光谱中的衰 荡峰数量越多越好。
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于光纤环形腔衰荡技术的车辆动态测量传感装置，属于光纤传感和车辆动态测量领域。该装置包括脉冲光源、导入光纤、耦合器、传感头、传输光纤、导出光纤、光电探测器、示波器以及用于数据处理的计算机；耦合器包括一号耦合器和二号耦合器，传感头包括一号传感头和二号传感头；一号耦合器、一号传感头、二号传感头、二号耦合器通过传输光纤组成环形谐振腔，本实用新型结构简单，方法新颖，测量精度高，重复性好，并且能够同时实现车辆动态称重和速度监测，在公路交通实时监测领域具有广泛的应用前途。
【IPC分类】G01G19/03, G01P3/68, G01G3/12
【公开号】CN205300728
【申请号】
【发明人】阮驰, 王允韬, 杨松林
【申请人】中国科学院西安光学精密机械研究所
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2015年12月18日