Исследование метода измерения веса подвижных объектов на основе квазираспределенных волоконных решеток Брэгга с температурной компенсацией

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. 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. 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. 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.

1. Citir 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/10.1080/14680629.2023.2199879

2. Rys 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/10.1080/10298436.2015.1019493

3. Бекенов 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.

4. 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.2021.106.4.009

5. Wang 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.2004.1343721

6. Brzozowski 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.2023.113494

7. Szinyéri 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.2022.115472

8. Sujon 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.2021.103844

9. Adresi 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.2023.114042

10. Al-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.2019.2949242

11. Wang 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/10.1117/12.629372

12. Alamandala 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.2018.8354527

13. Hill D., Nash P. Road traffic monitoring system. Patent US20040080432A1.2004.

14. 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.

15. 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/10.17586/1023-5086-2024-91-04-50-59

16. Jeon 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/s22093282

17. Velazquez-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.2023.103257

18. Dubovan 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.2018.8398252

19. Wang 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/10.1177/0361198105191300116

20. Wang 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.2023.132713

21. Othonos A. Fiber Bragg gratings // Review of Scientific Instruments. 1997. V. 68. N 12. P. 4309–4341. https://doi.org/10.1063/1.1148392

22. Gribaev 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/s11082-016-0816-3

23. Dmitriev 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.2021.102508

24. Fajkus 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.2020.3006985