ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕСА ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ В ДВИЖЕНИИ
VEHICLES IN MOTION WEIGHT MEASURING FIBER-OPTICAL DEVICE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для измерения нагрузки на колеса и оси транспортных средств в движении. На основании указанных измерений может вычисляться суммарный вес транспортного средства.
Известно множество технических решений платформенных автомобильных весов (например, патент US 8461466, 2013). Они обладают высокими метрологическими характеристиками, однако в силу своей конструкции не позволяют производить измерение в движении. К тому же неопределенной остается развесовка по осям, что важно для безопасного проезда участков с ограничениями на осевую нагрузку.
Известны системы взвешивания транспортных средств в движении (например, патент US 9372110, 21.06.2016). Основным элементом системы является располагаемый поперек полосы движения датчик, в котором усилие от веса колеса (или колес) передается на кварцевые пьезоэлементы, сигнал с которых воспринимается зарядовым электронным усилителем, а затем оцифровывается и передается на обработку.
Недостаток подобного устройства состоит в необходимости обеспечения крайне низких электрических утечек (высокого сопротивления изоляции), что сложно обеспечить в условиях многолетней полевой эксплуатации. Паразитная емкость соединительных кабелей снижает точность измерений. Кроме того, устройство не защищено от электромагнитных помех. Помимо прочего, указанный датчик имеет малый размер в направлении движения транспортного средства и не воспринимает весь вес автомобильного колеса, а только некоторую его часть, что вносит дополнительную погрешность, с которой борются алгоритмическими средствами.
Известно устройство для взвешивания грузовых автомобилей (патент RU 136158, 2013). Известное устройство предназначено для взвешивания грузовых автомобилей в статике и динамике и содержит весовую платформу с тензодатчиками, подключенными к многоканальному динамическому преобразователю, который связан с компьютером. Длина весовой платформы L больше максимальной длины тележки автомобиля LTmax, но меньше минимальной длины межосевого расстояния колес автомобиля LminMo, исключая тележки.
Недостатками известного устройства являются низкие надежность, долговечность сложность конструкции, точность измерений.
Известно устройство для взвешивания транспортных средств (патент RU 13925, 2000), содержащее датчик деформации, выполненный в виде деформируемого элемента, и фотоприемник, оптически связанный через выходные оптоволокна, закрепленные на деформируемом элементе, расщепитель светового луча и входное оптоволокно с источником света, а электрически - с блоком обработки информации, причем деформируемый элемент выполнен с обеспечением относительного смещения концов выходных оптоволокон при его деформации, а фотоприемник снабжен диафрагмой, размер которой меньше полупериода интерференционной картины.
Недостатки устройства - низкие надежность, долговечность сложность конструкции и точность измерений ввиду невозможности обеспечения равномерной чувствительности по площади деформируемого элемента в случае применения для измерения веса транспортного средства (ТС) в движении, а также сложности защиты оптических элементов от загрязнения.
Известно устройство - датчик давления (патент RU 162945, 2015), который служит в том числе для измерения веса ТС в движении, содержащий в качестве чувствительного элемента оптоволокно. Этот датчик обладает теми же недостатками, что и полезная модель (патент RU 13925).
Предлагаемое устройство для измерения веса в движении за счет использования электрически пассивного датчика механических деформаций лишено указанных недостатков. Основным элементом устройства является воспринимающая весовую нагрузку горизонтальная плита, деформация которой измеряется распределенным чувствительным элементом в виде оптического волокна, соединенного жестко с нижней поверхностью плиты. Регистрации при этом подлежит удлинение оптического волокна, возникающее в случае приложения вертикального усилия, изгибающего плиту.
Технический результат - обеспечение надежности и долговечности устройства за счет упрощения конструкции при одновременном повышении точности измерений.
Технический результат достигается тем, что устройство для измерения веса содержит упругодеформируемую горизонтально расположенную плиту, выполненную с возможностью восприятия нагрузки своей верхней поверхностью в результате действия измеряемой силы веса, распределенный чувствительный элемент в виде оптического волокна, жестко связанного с нижней поверхностью упругодеформируемой горизонтально расположенной плиты и оптический прибор, выполненный с возможностью измерения удлинения указанного оптического волокна в результате деформации изгиба упругодеформируемой горизонтально расположенной плиты по приложении измеряемой силы веса к верхней ее поверхности.
Способствует достижению технического результата то, что оптический прибор, представляет собой дальномер оптического диапазона - лидар, выполненный с возможностью измерения временной задержки распространения излучения по указанному оптическому волокну пропорционально приложенной измеряемой силе веса к верхней поверхности упругодеформируемой горизонтальной плиты.
В конкретном случае оптическое волокно жестко связано с нижней поверхностью упругодеформируемой горизонтальной плиты с помощью клея.
Целесообразно, чтобы оптическое волокно, жестко связанное с нижней поверхностью упругодеформируемой горизонтальной плиты с помощью клея, было бы расположено в виде змейки по всей нижней поверхности указанной упругодеформируемой горизонтальной плиты.
Дополнительно достижению технического результата способствует осреднение измерения деформации по всей поверхности плиты, что приводит к нечувствительности результатов измерений при изменении точки приложения усилия. Это обеспечивается приклейкой оптического волокна змейкой по всей нижней поверхности плиты.
Таким образом, за счет отсутствия в предлагаемом устройстве чувствительных элементов, подверженных коррозии, работа которых зависит от влажности и электромагнитной обстановки, а также наличия небольшой длины соединительных линий достигается упрощение конструкции. Кроме того, устройство не содержит дорогостоящих элементов.
На фиг. 1 приведена схема устройства. На фиг. 2 показан возможный способ укладки (приклейки) оптического волокна (чувствительного световода) к нижней поверхности плиты.
Устройство содержит (фиг. 1) горизонтальную упругодеформируемую плиту 1, уложенную на опоры 2, механически связанный с нижней поверхностью 3 плиты 1 распределенный чувствительный элемент в виде оптического волокна (волоконного световода) 4. Механическая связь оптического волокна 4 с нижней поверхностью 3 плиты 1 обеспечивается с помощью клея.
Оптическое волокно 4 в предпочтительном варианте расположено (наклеено) в виде змейки 5 по всей нижней поверхности 3 плиты 1. Имеется оптический прибор (на графике не показан), выполненный с возможностью измерения удлинения указанного оптического волокна (световода) 4, так называемый измеритель временной задержки излучения в указанном оптическом волокне 4. Оптический прибор (лидар) выполнен с возможностью измерения удлинения указанного оптического волокна 4. Наклейка оптического волокна 4 змейкой 5 по всей нижней поверхности 3 плиты 1 обеспечивает равномерную чувствительность устройства. При этом измеритель временной задержки излучения в оптическом волокне 4 подключается оптически к свободным концам 6,7 оптического волокна 4.
Устройство работает следующим образом. В случае приложения весовой нагрузки Р (например, наезд колеса 8 транспортного средства на верхнюю поверхность 9 плиты 1), последняя изгибается в пределах упругой деформации, при этом нижние слои растягиваются, одновременно растягивая оптическое волокно (волоконный световод) 4. При этом время распространения излучения увеличивается, что и регистрируется оптическим измерителем временной задержки излучения в оптическом волокне (световоде) 4.
Возможность реализации волоконно-оптического лидара с уровнем шумов 280 фемтосекунд (что соответствует изменению длины волокна на 60 мкм) показана в (, , Duan G.,  & Kostamovaara J (2007) Pulsed time of- flight radar for fiber-optic strain sensing. Review of Scientific Instruments 78(2): 024705.
Пример осуществления предложенного устройства. На практике реализовано устройство, позволяющее измерять в движении при скорости транспортного средства от 5 до 100 км в час нагрузки до 10 т с погрешностью менее 5%. Плита имеет размеры 1000×400 мм, толщину 20 мм, изготовлена из конструкционной стали. Одномодовое волокно длиной 12 м приклеено к нижней поверхности плиты. Среднее квадратичное отклонение шума при измерении длины волокна составляло 15 мкм. Уровень шумов, приведенный к измеряемому весу, составил 100 кг (1000 Н).
Применение устройства позволяет организовать измерение нагрузки на колесо, на ось и взвешивать в движении все транспортное средство путем суммирования нагрузок на все оси в широком диапазоне скоростей с достаточной точностью и высокой надежностью и долговечностью.