ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2024-24-6-913-922ntv-397Research ArticleОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИOPTICAL ENGINEERINGИсследование метода измерения веса подвижных объектов на основе квазираспределенных волоконных решеток Брэгга с температурной компенсациейInvestigation of the method of moving object weight measurement based on quasi-distributed fiber Bragg gratings with temperature compensationhttps://orcid.org/0000-0002-1624-2659МоорЯ. Д.MoorI. D.

Моор Янина Дмитриевна - инженер, 

Санкт-Петербург, 197101

Ianina D. Moor - Engineer,

Saint Petersburg, 197101

moorID@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1941-6861КозловаА. И.KozlovaA. I.

Козлова Александра Игоревна - инженер,

Санкт-Петербург, 197101

Alexandra I. Kozlova - Engineer,

Saint Petersburg, 197101

sashakozlova80@gmail.comhttps://orcid.org/0009-0009-2402-0413КоробковаУ. Р.KorobkovaU. R.

Коробкова Ульяна Руслановна - инженер,

Санкт-Петербург, 197101

Uliana R. Korobkova - Engineer,

Saint Petersburg, 197101

urkorobkova@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3120-8109ВаржельС. В.VarzhelS. V.

Варжель Сергей Владимирович - кандидат физико-математических наук, доцент, заведующий лабораторией,

Санкт-Петербург, 197101

Sergey V. Varzhel - PhD (Physics & Mathematics), Associate Professor, Head of Laboratory, 

Saint Petersburg, 197101

svvarzhel@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8882-7253КуликовА. В.KulikovA. V.

Куликов Андрей Владимирович - кандидат технических наук, доцент, директор института, 

Санкт-Петербург, 197101

Andrei V. Kulikov - PhD, Associate Professor, Director of Institute,

Saint Petersburg, 197101

avkulikov@itmo.ruУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian Federation202428122024246913922Copyright © Моор Я.Д., Козлова А.И., Коробкова У.Р., Варжель С.В., Куликов А.В., 20242024Моор Я.Д., Козлова А.И., Коробкова У.Р., Варжель С.В., Куликов А.В.Moor I.D., Kozlova A.I., Korobkova U.R., Varzhel S.V., Kulikov A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/397Введение

Введение. В отрасли грузоперевозок активно применяются датчики веса. В системах взвешивания при движении автотранспортных средств в качестве чувствительных элементов используются керамические, полимерные, кварцевые пьезоэлектрические сенсоры, нагрузочные или гидравлические ячейки, тензометрические датчики. Однако большинство электрических датчиков подвержены влиянию электромагнитных помех. В настоящее время наиболее активно развиваются и внедряются в эксплуатацию волоконно-оптические датчики, благодаря их относительно низкой стоимости, малым массогабаритным параметрам, высокой точности измерений и полной пассивности к электромагнитным возмущениям. Волоконно-оптические датчики, как правило, основаны на применении волоконных решеток Брэгга с учетом удобства их мультиплексирования. Механические деформации чувствительного элемента датчика приводят к сдвигу длины волны брэгговского резонанса решетки. При этом проблема применения волоконных решеток связана с их чувствительностью к температуре. Для достижения высокой точности измерений величины деформации, соответственно, и весовых характеристик объекта, требуется устранение или компенсация влияния температуры датчика на его показания. Большинство современных исследований дают описание датчиков, работающих в лабораторных условиях, или используют дополнительный сенсор для измерения температуры.

Метод

Метод. В работе предложен метод решения проблемы перекрестной чувствительности волоконной дифракционной структуры к температуре и деформации. Метод основан на применении в чувствительном элементе датчика пары близкорасположенных решеток. Одна из решеток имеет постоянный период по длине, а другая — переменный. Конструкция чувствительного элемента обеспечивает передачу механической нагрузки только на волоконную решетку с постоянным периодом, а изменение температуры одинаково влияет на обе дифракционные структуры.

Основные результаты

Основные результаты. Предложено конструктивное решение чувствительного элемента, которое позволило осуществить компенсацию температурного воздействия без использования дополнительных элементов. Приведена математическая модель температурного воздействия, позволяющая оценить зависимость температурного градиента от времени при различных толщинах чувствительного элемента. Моделирование показало, что для образца толщиной 0,95 см температурный градиент внутри подложки незначителен. При резком изменении температуры выравнивание температурного поля в пределах подложки на уровне 90 % происходит не более, чем за 2,5 с. Механическая нагрузка на чувствительный элемент может проходить относительно волоконной решетки под различными углами, в связи с чем детально исследована величина сдвига центральной длины волны брэгговского резонанса в зависимости от точки приложения и направления нагрузки.

Обсуждение

Обсуждение. Предлагаемая технология может представлять интерес при разработке и эксплуатации автоматических систем весогабаритного контроля с температурной компенсацией без применения дополнительных датчиков. Предложенная система проста в эксплуатации и обладает невысокой стоимостью.

Weight sensors are widely used in the freight transportation industry. In the systems for weighing vehicles while moving, ceramic, polymer, quartz piezoelectric sensors, load or hydraulic cells, strain gauges are used as sensitive elements. However, most electric sensors are susceptible to electromagnetic interference. Currently, fiber-optic sensors are most actively developed and put into operation due to their relatively low cost, small weight and size parameters, high measurement accuracy and complete passivity to electromagnetic disturbances. Fiber-optic sensors are most often implemented using fiber Bragg gratings, taking into account the convenience of their multiplexing. Mechanical deformations lead to a shift in the wavelength of the Bragg resonance of the grating. At the same time, the problem of using fiber gratings is associated with their sensitivity to temperature. To achieve high accuracy in measuring the deformation value, and accordingly, the weight characteristics of the object, it is necessary to eliminate or compensate for the effect of the sensor temperature on its readings. Most modern studies describe sensors that either operate in laboratory conditions or involve the use of an additional sensor that complicates the circuit for measuring temperature. The paper proposes a method for solving the problem of cross-sensitivity of a fiber diffraction structure to temperature and deformation. The method is based on the use of a pair of closely spaced gratings in the sensitive element of the sensor. One of the gratings has a constant period along the length, and the other has a variable one. The design of the sensitive element ensures the transfer of mechanical load only to the fiber grating with a constant period, and the temperature change equally affects both diffraction structures. A design solution for the sensitive element is proposed that allows for temperature effects compensation without using additional elements. A mathematical model of temperature effects is presented, allowing estimating the dependence of the temperature gradient on time for different thicknesses of the sensitive element. Modeling has showed that for a sample 0.95 cm thick, the temperature gradient inside the substrate is insignificant. With a sharp change in temperature, the equalization of the temperature field within the substrate at a level of 90 % occurs in no more than 2.5 s. The mechanical load on the sensitive element can pass relative to the fiber grating at different angles in connection with which the value of the shift of the central wavelength of the Bragg resonance was studied in detail depending on the point of application and direction of the load. The proposed technology may be of interest in the development and operation of automatic weight and size control systems with temperature compensation without the use of additional sensors. The proposed system is easy to operate and it has a low cost.

температурная компенсацияметод измерения весаволоконные брэгговские решеткидатчик весамоделирование чувствительного элементаповреждения дорогавтомобильный весовой контрольtemperature compensationweight measurement methodfiber Bragg gratingsweight sensorsensing element modelingroad damageauto weight controlРабота выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № FSER-2024-0006).ReferencesCitir N., Gopisetti P., Ceylan H., Kim S. Evaluating the impact of overweight trucks on rigid pavement performance using AASHTOWare pavement ME design // Road Materials and Pavement Design. 2024. V. 25. N 1. P. 168–185. https://doi.org/10.1080/14680629.2023.2199879Citir N., Gopisetti P., Ceylan H., Kim S. Evaluating the impact of overweight trucks on rigid pavement performance using AASHTOWare pavement ME design. Road Materials and Pavement Design, 2024, vol. 25, no. 1, pp. 168–185. https://doi.org/10.1080/14680629.2023.2199879Rys D., Judycki J., Jaskula P. Analysis of effect of overloaded vehicles on fatigue life of flexible pavements based on weigh in motion (WIM) data // International Journal of Pavement Engineering. 2016. V. 17. N 8. P. 716–726. https://doi.org/10.1080/10298436.2015.1019493Rys D., Judycki J., Jaskula P. Analysis of effect of overloaded vehicles on fatigue life of flexible pavements based on weigh in motion (WIM) data. International Journal of Pavement Engineering, 2016, vol. 17, no. 8, pp. 716–726. https://doi.org/10.1080/10298436.2015.1019493Бекенов Т.Н., Мухамбетова А.И. К оценке воздействия автомобильной нагрузки на износ дорожного покрытия // Актуальные проблемы транспорта и энергетики: пути их инновационного решения: Материалы XI Международной научно-практической конференции. 2023. C. 124–127.Bekenov T.N., Mukhambetova A.I. Towards assessing the impact of the vehicle loads on the road surface wear. Proceedings of the XI international scientific-practice conference “Actual Problems of Transport And Energy: The Ways of Its Innovative Solutions”, 2023, pp. 124–127. (in Russian)Каменчуков А.В., Кормилицына Л.В., Лопашук В.В., Цупикова Л.С. Влияние сверхнормативной нагрузки на износ и разрушение дорожной одежды // Международный научно-исследовательский журнал. 2021. № 4-1(106). C. 57–63. https://doi.org/10.23670/IRJ.2021.106.4.009Kamenchukov A.V., Kormilitsyna L.V., Lopashuk V.V., Tsupikova L.S. Influence of excess load on the wear and tear of the road surface. International Research Journal, 2021, no. 4-1(106), pp. 57–63. (in Russian). https://doi.org/10.23670/IRJ.2021.106.4.009Wang J., Wu M. An overview of research on weigh-in-motion system // Proc. of the Fifth World Congress on Intelligent Control and Automation (IEEE cat. no. 04EX788). V. 6. 2004. P. 5241–5244. https://doi.org/10.1109/wcica.2004.1343721Wang J., Wu M. An overview of research on weigh-in-motion system. Proc. of the Fifth World Congress on Intelligent Control and Automation (IEEE cat. no. 04EX788). V. 6, 2004, pp. 5241–5244. https://doi.org/10.1109/wcica.2004.1343721Brzozowski K., Maczyński A., Ryguła A., Konior T. A weigh-inmotion system with automatic data reliability estimation // Measurement. 2023. V. 221. P. 113494. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2023.113494Brzozowski K., Maczyński A., Ryguła A., Konior T. A weigh-inmotion system with automatic data reliability estimation. Measurement, 2023, vol. 221, pp. 113494. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2023.113494Szinyéri B., Kővári B., Völgyi I., Kollár D., Joó A.L. A strain gaugebased Bridge Weigh-In-Motion system using deep learning // Engineering Structures. 2023. V. 277. P. 115472. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2022.115472Szinyéri B., Kővári B., Völgyi I., Kollár D., Joó A.L. A strain gaugebased Bridge Weigh-In-Motion system using deep learning. Engineering Structures, 2023, vol. 277, pp. 115472. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2022.115472Sujon M., Dai F. Application of weigh-in-motion technologies for pavement and bridge response monitoring: State-of-the-art review // Automation in Construction. 2021. V. 130. P. 103844. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2021.103844Sujon M., Dai F. Application of weigh-in-motion technologies for pavement and bridge response monitoring: State-of-the-art review. Automation in Construction, 2021, vol. 130, pp. 103844. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2021.103844Adresi M., Abedi M., Dong W., Yekrangnia M. A review of different types of weigh-in-motion sensors: State-of-the-art // Measurement. 2 0 2 4 . V. 225. P. 114042. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2023.114042Adresi M., Abedi M., Dong W., Yekrangnia M. A review of different types of weigh-in-motion sensors: State-of-the-art. Measurement, 2024, vol. 225, pp. 114042. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2023.114042Al-Tarawneh M., Huang Y., Lu P., Bridgelall R. Weigh-in-motion system in flexible pavements using fiber Bragg grating sensors part a: Concept // IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems. 2020. V. 21. N 12. P. 5136–5147. https://doi.org/10.1109/tits.2019.2949242Al-Tarawneh M., Huang Y., Lu P., Bridgelall R. Weigh-in-motion system in flexible pavements using fiber Bragg grating sensors part a: Concept. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2020, vol. 21, no. 12, pp. 5136–5147. https://doi.org/10.1109/tits.2019.2949242Wang K., Wei Z., Chen B., Cui H.-L. A fiber-optic weigh-in-motion sensor using fiber Bragg gratings // Proceedings of SPIE. 2005. V. 6004. P. 60040S. https://doi.org/10.1117/12.629372Wang K., Wei Z., Chen B., Cui H.-L. A fiber-optic weigh-in-motion sensor using fiber Bragg gratings. Proceedings of SPIE, 2005, vol. 6004, pp. 60040S. https://doi.org/10.1117/12.629372Alamandala S., Puth K., Sai Prasad R.L.N., Kumar P.R. FBG sensing system to study the bridge weigh-in-motion for measuring the vehicle parameters // Proc. of the 2018 3rd International Conference on Microwave and Photonics (ICMAP). 2018. P. 1–2. https://doi.org/10.1109/icmap.2018.8354527Alamandala S., Puth K., Sai Prasad R.L.N., Kumar P.R. FBG sensing system to study the bridge weigh-in-motion for measuring the vehicle parameters. Proc. of the 2018 3rd International Conference on Microwave and Photonics (ICMAP), 2018, pp. 1–2. https://doi.org/10.1109/icmap.2018.8354527Hill D., Nash P. Road traffic monitoring system. Patent US20040080432A1.2004.Hill D., Nash P. Road traffic monitoring system. Patent US20040080432A1, 2004.Моор Я.Д., Варжель С.В., Козлова А.И., Дмитриев А.А., Савин В.В., Токарева В.Д. Чувствительный элемент волоконно-оптического датчика и способ динамического измерения скорости, веса и расстояния между колесами транспортных средств. Патент RU2816110C1. Бюл. 2024. № 9.Moor Ia.D., Varzhel S.V., Kozlova A.I., Dmitriev A.A., Savin V.V., Tokareva V.D. Sensitive element of fiber-optic sensor and method of dynamic measurement of speed, weight and distance between wheels of vehicles. Patent RU2816110C1, 2024. (in Russian)Козлова А.И., Моор Я.Д., Варжель С.В., Комисаров В.А., Калязина Д.В., Савин В.В. Разработка и исследование метода измерения скорости и веса движущихся объектов с применением волоконных решёток Брэгга // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 4. С. 50–59. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-04-50-59Kozlova A., Moor I., Varzhel S., Komisarov V., Kaliazina D., Savin V. Development and investigation of a method for measuring the speed and weight of moving objects using fiber Bragg gratings. Journal of Optical Technology, 2024, vol. 91, no. 4, pp. 242–246. https://doi.org/10.1364/JOT.91.000242Jeon S-J., Park S.Y., Kim S.T. Temperature compensation of fiber Bragg grating sensors in smart strand // Sensors. 2022. V. 22. N 9. P. 3282. https://doi.org/10.3390/s22093282Jeon S-J., Park S.Y., Kim S.T. Temperature compensation of fiber Bragg grating sensors in smart strand. Sensors, 2022, vol. 22, no. 9, pp. 3282. https://doi.org/10.3390/s22093282Velazquez-Carreon F., Perez-Alonzo A., Sandoval-Romero G.E. Temperature-compensated fiber Bragg grating sensor based on curvature sensing for bidirectional displacements measurement // Optical Fiber Technology. 2023. V. 77. P. 103257. https://doi.org/10.1016/j.yofte.2023.103257Velazquez-Carreon F., Perez-Alonzo A., Sandoval-Romero G.E. Temperature-compensated fiber Bragg grating sensor based on curvature sensing for bidirectional displacements measurement. Optical Fiber Technology, 2023, vol. 77, pp. 103257. https://doi.org/10.1016/j.yofte.2023.103257Dubovan J., Litvik J., Markovic M., Frniak M. Utilization of FBG’s in experimental weighing in motion systems // Proc. of the 2018 ELEKTRO. 2018. P. 1–4. https://doi.org/10.1109/elektro.2018.8398252Dubovan J., Litvik J., Markovic M., Frniak M. Utilization of FBG’s in experimental weighing in motion systems. Proc. of the 2018 ELEKTRO, 2018, pp. 1–4. https://doi.org/10.1109/elektro.2018.8398252Wang J.-N., Tang J.-L. Using fiber bragg grating sensors to monitor pavement structures // Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board. 2005. V. 1913. N 1. https://doi.org/10.1177/0361198105191300116Wang J.-N., Tang J.-L. Using fiber bragg grating sensors to monitor pavement structures. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 2005, vol. 1913, no. 1. https://doi.org/10.1177/0361198105191300116Wang J., Han Y., Cao Z., Xu X., Zhang J., Xiao F. Applications of optical fiber sensor in pavement Engineering: A review // Construction and Building Materials. 2023. V. 400. P. 132713. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.132713Wang J., Han Y., Cao Z., Xu X., Zhang J., Xiao F. Applications of optical fiber sensor in pavement Engineering: A review. Construction and Building Materials, 2023, vol. 400, pp. 132713. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.132713Othonos A. Fiber Bragg gratings // Review of Scientific Instruments. 1997. V. 68. N 12. P. 4309–4341. https://doi.org/10.1063/1.1148392Othonos A. Fiber Bragg gratings. Review of Scientific Instruments, 1997, vol. 68, no. 12, pp. 4309–4341. https://doi.org/10.1063/1.1148392Gribaev A.I., Pavlishin I.V., Stam A.M., Idrisov R.F., Varzhel S.V., Konnov K.A. Laboratory setup for fiber Bragg gratings inscription based on Talbot interferometer // Optical and Quantum Electronics. 2016. V. 48. N 12. P. 540. https://doi.org/10.1007/s11082-016-0816-3Gribaev A.I., Pavlishin I.V., Stam A.M., Idrisov R.F., Varzhel S.V., Konnov K.A. Laboratory setup for fiber Bragg gratings inscription based on Talbot interferometer. Optical and Quantum Electronics, 2016, vol. 48, no. 12, pp. 540. https://doi.org/10.1007/s11082-016-0816-3Dmitriev A.A., Gribaev A.I., Varzhel S.V., Konnov K.A., Motorin E.A. High-performance fiber Bragg gratings arrays inscription method // Optical Fiber Technology. 2021. V. 63. P. 102508. https://doi.org/10.1016/j.yofte.2021.102508Dmitriev A.A., Gribaev A.I., Varzhel S.V., Konnov K.A., Motorin E.A. High-performance fiber Bragg gratings arrays inscription method. Optical Fiber Technology, 2021, vol. 63, pp. 102508. https://doi.org/10.1016/j.yofte.2021.102508Fajkus M., Fridrich M., Nedoma J., Kahankova R., Martinek R., Bednar E., Kolarik J. PDMS-FBG-based fiber optic system for traffic monitoring in urban areas // IEEE Access. 2020. V. 8. P. 127648– 127658. https://doi.org/10.1109/access.2020.3006985Fajkus M., Fridrich M., Nedoma J., Kahankova R., Martinek R., Bednar E., Kolarik J. PDMS-FBG-based fiber optic system for traffic monitoring in urban areas. IEEE Access, 2020, vol. 8, pp. 127648– 127658. https://doi.org/10.1109/access.2020.3006985

The authors declare that there are no conflicts of interest present.