Абстракт

Представлены весы, позволяющие взвешивать грузовики и другой транспорт на дороге во время движения без уменьшения его скорости (Weight In Motion - WIM). Динамометр весов оптический со световодом в качестве чувствительного элемента. Используется известное свойство твердого прозрачного тела, называемое фотоупругостью [1,2]. Весы мобильные, они могут быть быстро установлены, быстро демонтированы и установлены в другом месте.

         Введение

Известно, что одной из основных причин дорожных аварий является потеря маневренности и управляемости тяжелого транспорта. Чаще всего это происходит с автомобилями, нагруженными сверх допустимой нормы. Отправитель старается положить возможно больше. Водитель не заинтересован в превышении загрузки, так как это может привести к потере управляемости автомобилем, вызывает  повышенный расход топлива и быстрый износ резины, иногда неожиданное моментальное ее разрушение. Автор в молодости работал водителем, и однажды перегруженная шина его самосвала лопнула на ходу так резко, что кусок ее долетел до светофора, грузовик занесло на обочину, он накренился, чуть не опрокинулся. Водитель не может противостоять сверхнормативной загрузке автомобиля, так как не имеет средств контроля веса груза. Отметим также, что слишком большое давление колёс вызывает быстрый износ дорог и опасно для других путевых сооружений.

Полиция стремится не выпускать на дороги автомобили, нагруженные сверх  нормы. Несколько стационарных автомобильных весов, устанавливаемых в ответвлениях магистральных дорог, куда инспектор направляет подозрительный транспорт, не решают проблемы. Поставить такие весы около всех дорог невозможно вследствие экономических и технических проблем.

Во многих странах пробуют устанавливать автовесы непосредственно на дороге с целью контроля веса транспорта в движении (WIM). Многие из таких весов основаны на использовании тензорезисторных динамометров. Однако они имеют довольно большие габариты, и поэтому необходимо врезание весов в дорогу (установка в весовой яме), что делает такие весы стационарными, а не мобильными. Максимальная скорость движения во время взвешивания на таких весах не более 10...20 км/час. Бóльшую скорость движения позволяют весы с пьезоэлектрическими динамометрами. Но они не применимы при малой скорости, сигнал при остановке транспорта совсем исчезает, проявляются и другие недостатки  [3].

Ниже показано, что в разработанных фотоупругих весах динамометр может быть простейшей конструкции, в виде тонкой пластины с тончайшим световодом внутри нее. Малая толщина динамометра обеспечивает его большую механическую жесткость и, следовательно, высокую собственную частоту, то есть возможность измерения веса быстро проезжающего транспорта. Возможно и взвешивание остановившегося транспорта. Динамометр удобно транспортируется, он может быть даже свернут в рулон, подобно коврику. Дорожная полиция может оперативно разместить весы на любом участке дороги, быстро демонтировать их почти без повреждения дорожного покрытия и установить на другом месте. Это обеспечивает оперативный контроль практически на всех дорогах даже при малом количестве весов. Весы дешевы, имеют большой диапазон измерения и другие преимущества по сравнению с весами других типов.

1. Конструкция 

Весы (фиг.1) содержат оптический световодный динамометр 1 и блок электроники 2,  а также  вспомогательные детали 3 (пандусы, крепеж и пр.). Динамометр уложен и закреплен на поверхности автодороги. Взвешиваемый автомобиль, проезжая по динамометру со скоростью V, давит на него силой F от каждой оси.

Фиг.1  Автомобиль проезжает весы              Фиг.2  Вертикальный разрез динамометра

 Динамометр (фиг.2 и 3) содержит одномодовый волоконный световод (light fiber). Этот световод  является чувствительным элементом динамометра. Используется серийно выпускаемый промышленностью световод, предназначаемый для оптической связи. Сердцевина его диаметром около 10 микрон, передающая свет, изготовлена из чистейшего кварцевого стекла очень высокой прозрачности. Она окружена оболочкой тоже из кварцевого стекла, но с меньшим показателем преломления, что обеспечивает полное внутреннее отражение света на границе этих сред. Снаружи световод защищен пластмассовой оболочкой.

Световод уложен в виде плоской спирали между металлическими листами, передающими измеряемую силу  F  в направлении, перпендикулярном его оси. 

Касание световода с металлом  осуществляется через тонкие резиновые листы. 

Эти мягкие прокладки  равномерно передают световоду давление.

                      Фиг.3.  Горизонтальный разрез динамометра.

Источником света в оптической схеме динамометра (фиг. 4) является одномодовый полупроводниковый лазер. Его  излучение мощностью около 1 мВт направлено в указанный выше световод, воспринимающий силу F. Далее по ходу света размещен разделитель (сплиттер), делящий свет на две приблизительно равные части и направляющий их в два оптических канала -  основной и дополнительный. В основном канале на пути света расположены пленочный поляроид-анализатор и за ним полупроводниковый фотоприемник. В дополнительном канале такие же детали, но перед анализатором вставлена четвертьволновая фазовая пластинка. Такая 2-канальная схема позволяет значительно увеличить точность измерительной системы.

             Фиг.4   Оптическая схема динамометра

Выходной сигнал динамометра поступает в усилитель и затем обрабатывается в цифровом процессоре.

Весы размещены на одной из полос автодороги, куда полиция направляет грузовики и  другой тяжелый транспорт (Фиг.5).

Фиг.5. Расположение весов на дороге. Вид сверху.

2. Принцип действия

Используется известное оптическое явление, называемое фотоупругостью или пьезооптическим эффектом [1,2].  Когда сила F нагружает  твердое прозрачное изотропное тело, создавая в нем механические напряжения, не параллельные направлению света, поток линейно поляризованного света Ф амплитудой  напряженности электрического поля Е, поступающий из лазера 1 в это тело 2, (в данном случае световод) распадается в нем на две световые волны, линейно поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях с амплитудами электрического поля Е₁ и Е₂ , соответственно (см. фиг.6).

Фиг.6  Преобразование света  в  оптическом  канале    

                               Фиг.7   Сигнал оптического канала                 

Скорости распространения этих волн различны и зависят от механической нагрузки. Поэтому на  выходе  из  нагруженного  тела  создаётся  разность  хода   Г  между  фронтами этих волн света. Анализатор 3 выделяет из них составляющие, направления колебаний которых находятся в его плоскости пропускания. Эти волны когерентны и поляризованы в одной и той же плоскости. Поэтому в результате их интерференции интенсивность света I, поступающего на фотоприемник 4, зависит от разности хода Г и, следовательно, от механической нагрузки. Эта зависимость является  периодической функцией силы F (фиг.7) .        

3. Теория, расчет

Как показано в [4], выходной сигнал оптического канала фотоупругого динамометра  I  описывается выражением

                                                 I=k₁Ф_L[k₂  + k₃sin²(k₄F+k₅)+k₆] , [A] 

Это - гармоническая функция измеряемой силы F.

Здесь: I - сигнал фотоприемника, Ф_L – интенсивность света на входе световода, F – измеряемая сила (вес), k_i – коэффициенты, зависящие от конструкции динамометра и ориентации оптических элементов.

Фиг.8 Семейстро графиков уравнения  (1)

 Как это видно из фиг.8, наибольшая амплитуда сигнала достигается в двух случаях:  пунктирная и штрих-пунктирная линии. Это соответствует двум вариантам ориентации оптических элементов: так называемые  скрещенный полярископ и параллельный полярископ. При других ориентациях амплитуда сигнала меньше, она даже может равняться нулю (линия из точек), то есть, динамометр окажется не чувствительным к силе. Поэтому важно правильно устанавливать  оптические элементы.

Используя характеристики оптико-механической системы, можно вычислить [4] основные параметры  динамометра. Период F₁ выходного сигнала выражается формулой

F₁ = h σ_о^1.0  0    , [N]  ……………(2)

 Подставляя сюда известную фотоупругую константу материала световода. σ_о^1.0 = 3.8*10⁵ N/м и назначая  расстояние между соседними витками световода h=0.01м, получаем период сигнала   F₁ = 3800 N . Такой большой период выбран для уменьшения частоты сигнала. Действительно, при наезде на динамометр сверхперегруженной оси с силой 30 тонн при скорости 80 км/час возникает около 80 периодов сигнала за приблизительно 25 мсек, то есть частота сигнала достигает 4КГц. Для хорошей обработки входного сигнала верхняя частотная  граница электронной аппаратуры f_max должна быть раз в 20 больше указанной частоты, т.е. около 100 KHz. Это ещё не проблема для современной электроники, но уже требует использования не самых дешевых элементов.    

Заметим, что указанный период сигнала F₁ не является слишком большим для необходимой точности измерений. Он составляет приблизительно 1% от максимальной нагрузки на ось автомобиля. Это приемлемая величина. Для получения необходимой точности при определении сверхнормативной загрузки транспорта (допускаемая погрешность 3%…5%) достаточно считать периоды сигнала, без интерполяции внутри периодов.

Используя публикации [1] и [4], можно показать, что период сигнала не зависит от места приложения силы и размеров площадки нагружения. Поэтому не требуется дополнительных устройств «развязки» от этих влияний и конструкция динамометра оказывается сравнительно простой. 

В рассматриваемом динамометре амплитуда А сигнала фотоприемника не характеризует измеряемую силу, но её величина должна быть достаточно большой для надежной работы измерительной системы. Амплитуда сигнала скрещенного полярископа выражается формулой [4]

А = 0.5 Ф   s τ η  ,    [А]       …………. (3)

Подставляя в (3) реальные характеристики прибора: мощность излучения лазера Ф ≈1мW, чувствительность фотоприемника s ≈ 0.7 A/W, пропускание оптической системы τ ≈ 0.3, и котраст η ≈ 0.8, получаем А ≈ 0.08 mA. Это – большая величина, существенно превышающая шумы современной электроники.

6. Эксперименты

Было изготовлено и испытано 14 лабораторных моделей фотоупругого динамометра со световодом. Испытаны различные варианты оптических элементов и варианты конструкции. 

Фиг.9   Модель №1-а  фотоупругого   динамометра со световодом     

На фиг.9 показана одна из первых моделей динамометра. Эта модель содержит одномодовый

световод для красного света (λ=635nm). Диаметр световедущей сердцевины из кварцевого стекла около 6 μм в оболочке диаметром 125 μм, тоже из кварцевого стекла и в защитной толстой пластмассовой оболочке наружным диаметром 0.9 мм. Световод  длиною 1.5 м уложен между двумя плексигласовыми листами в виде плоской спирали. Монохроматический (λ=635nm) линейно поляризованный свет поступает от одномодового полупроводникового лазера выходной мощностью 0.1 мВт. На выходе световода установлен пленочный поляризатор видимого света и за ним кремниевый фотоприемник. Цифровой вольтметр класса 0.05% измеряет  сигнал фотоприемника.

                              Фиг.10    Результаты статической   градуировки модели №1   

 При градуировке этой модели  была получена периодическая зависимость сигнала (фиг.10), что соответствует теории. Однако были выявлены значительные недостатки устройства, главным из которых является большая погрешность измерений по причине плохих реологических свойств мягкой пластиковой оболочки световода, нагружение которой вовсе не соответствует закону Гука. Поэтому необходимо было найти  световод с более качественной  оболочкой.

Оболочка для стеклянного световода должна быть обязательно. Иначе он даже при легком касании с каким-нибудь твердым телом получит царапину и неминуемо порвется в этом месте. Стекло очень чувствительно к царапинам. Существуют световоды в алюминиевой внешней оболочке и даже в золотой, но они слишком дорогие и поэтому не применимы в реальных весах. Нам повезло, одна из фирм начала выпускать световод в тонкой и жесткой пластиковой оболочке с хорошими реологическими свойствами.

 Можно отметить, что при разработке данной темы нам сильно везло в своевременном появлении необходимых элементов. Один из первых фотоупругих динамометров, созданный ещё в России в 1969-ом году,  содержал довольно крупногабаритные и дорогие оптические элементы: лампу накаливания, вакуумный фотоумножитель, призменные поляризаторы и чувствительный элемент из оптического стекла в виде куба размером более сантиметра. Вскоре удалось найти миниатюрные полупроводниковые фотоприемники с подходящими характеристиками. Промышленность начала выпускать полупроводниковые источники света (светодиоды), но тогда приемлемой мощности они были только в инфракрасном свете. На одном из подмосковных оптических заводов начали изготавливать пленочные поляризаторы (поляроиды) для этого света.   На горно-обогатительной фабрике удалось подобрать слюдяные пластинки необходимой толщины для использования их как фазосдвигающие элементы. С такими элементами удалось создать несколько типов различных датчиков силы, давления, ускорения и температуры - малогабаритных, вибростойких, помехозащищенных и обладающих другими отличными метрологическими характеристиками [10]. Один из таких фотоупругих акселерометров был использован в ракете, достигшей планеты Венера.  Все эти приборы были разработаны с участием автора под руководством Исаака Исаевича Слезингера - заведующего лабораторией измерений НИИ Механики МГУ. 

  Применение оптического волокна (световода) в качестве чувствительного элемента фотоупругого измерителя было предложено автором в 1971-ом году [11], но долгое время не могло быть осуществлено из-за отсутствия соответствующих оптических элементов. Пригодные для фотоупругого динамометра одномодовые, дешевые световоды начали серийно изготавливаться промышленностью лишь в последние десятилетия. Все более дешевым и качественным становится полупроводниковый одномодовый лазер. Он имеет малые габариты, хорошую стабильность изучения и хорошо согласуется с одномодовыми световодами. Появились фотоупругие динамометры с использованием таких элементов. Один из них был разработан во Франции, именно, для автомобильных весов WIM [12]. Однако использование этого динамометра было прекращено, по-видимому, из-за несовершенства его конструкции. Сочетание указанных элементов мы использовали во всех последующих моделях фотоупругих динамометров.

Наиболее подробно была исследована модель No7 (фиг.11). Эта модель содержит одномодовый световод инфракрасного света в тонкой пластмассовой оболочке. Он уложен между двумя плоскими алюминиевыми обкладками, образующими два нагружаемых прямых участка световода общей длиной 0.5м. Используются одномодовый полупроводниковый лазер  инфракрасного света (λ = 1.55 μм),  На выходе световода установлен пленочный поляризатор инфракрасного света и за ним германиевый фотоприемник, который в отличие от кремниевого чувствителен к этому излучению.

На фиг.12  показан участок записи выходного сигнала этого динамометра. В нижней части графика показаны отклонения сигнала от среднего значения.

Фиг.11  Модель №7  фотоупругого   динамометра 

                   Фиг.12    Результаты статической  градуировки   модели №7       

Среднеквадратичное отклонение σ равно здесь 0.54% диапазона сигнала. Следовательно,  обеспечивается высокая точность измерений, гораздо лучше, чем необходимо для рассматриваемого применения. Определен период  выходного сигнала F₁ =26.5N. Это хорошо совпадает с расчетом, по  которому для данного динамометра вычислено F₁ = 25,7N.

Заметим, что период сигнала модели №7 не большой, то есть динамометр слишком чувствителен для взвешивания тяжелого транспорта. Для определения возможности увеличения периода сигнала было изготовлено несколько моделей. На фиг.13 показаны результаты испытаний одной из таких моделей динамометра. Нагрузить до полного периода не удалось из-за ограниченных лабораторных возможностей. Было применено приспособление  с винтом и предварительно градуированной пружиной (фиг.14). Экстраполяцией результатов  измерений получено, что период сигнала  F₁ приблизительно  равен 1500Н. Это существенно больше, чем у модели №7.

      Фиг.13    Результаты градуировки   модели  № 9а  

   Фиг.14   Приспособление с пружиной для   нагружения динамометра (пресс)                   

Большее число периодов сигнала было получено при нагружении модели №13. Она отличается большей длиной нагружаемого световода (около 6 м) и, следовательно, большим диапазоном. Модель была нагружена наложением довольно большой массы, состоящей из предварительно взвешенных кусков керамики и металла (фиг.16). Как это показано на фиг. 15, получено 10 периодов (20 экстремумов) выходного сигнала, Это - около трети числа периодов, которое будут в среднем выдавать весы на реальной автомобильной дороге.

Фиг.15 Сигнал при нагружении большой силой. Модель13.

Как это видно из фиг.15, график выходного сигнала периодический, но сильно отличается от теоретической зависимости. Нам не удалось найти причины такого искажения формы сигнала. Может быть, читатели подскажут  объяснение.

К счастью, это искажение не повлияет на точность весов, его можно обойти, если не производить интерполяцию внутри периода, а только считать минимумы и максимумы  (экстремумы)  сигнала.   Из  теории  следует,  что   величина   периода   сигнала  зависит

Фиг.16    Нагружение  модели №13, 

17  Линейная нагрузочная характеристика                      

только от длины волны света лазера, константы фотоупругости просвечиваемого световода. Эти величины изменяются незначительно, что подтверждается экспериментом. Как показано на фиг.17,  количество экстремумов выходного сигнала пропорционально измеряемой массе. Среднеквадратичное отклонение составляет здесь 0.61% от диапазона, что фактически не хуже точности, полученной при малых нагружениях модели №7.

 Динамические измерения были проведены при движении  имитации автомобиля. Модель колеса в виде тяжелого цилиндра с шиной  прокатывали по  модели динамометра №13. Осциллограммы  выходного сигнала (фиг.18) показывают при  наезде и съезде  в среднем  по 6.5 периодов, который здесь был 3,15 кг. Получаем, что измеренная в движении масса колеса m ≈ 20.5 кг.  Это близко к измеренной на стационарных весах m ≈ 20.3 кг. Хорошая точность динамических измерений.

                                       Фиг.18  Динамическое нагружение.

 Была сделана попытка измерения веса движущегося транспорта в натуральных условиях, как это показано на фиг.19. Из-за ограниченных возможностей  модели весов  опробован проезд только легкового автомобиля  и на малой скорости.

                      Фиг. 19   Фотоупругий динамометр под колесом автомобиля   

 Есть надежда  (мечта), что  большая  фирма,  занимающаяся  весами,  выделит

средства   для   разработки  и  изготовления   опытного   образца   световодных

фотоупругих весов, который будет испытан в реальных условиях автомобильной

дороги.

Автор   благодарен   профессору Анатолию  Патлаху,   профессору   Владимиру  

Белицкому, доктору наук  Станиславу Йоришу,  инженеру   Михаилу   Говбергу и

студенту Меиру Белицкому  за научную и техническую помощь.

Литература

1. Фрохт М.М. "Фотоупругость", Москва-Ленинград, Гостехиздат,1948

3.     Richard Livingston (редактор) Финальный отчет WIM, 2003

10. Slezinger I., Belitsky G., Shiryaev, V., Mironov, Y. and Kaplinskaya N. “A Piezooptic Measuring  Transducer and Accelerometer, Pressure Gauge, Dynamometer and Thermometer Based Thereon”, US Patent № 3950987.1976.

11. Белицкий Г.М. «Пьезооптический измерительный преобразователь». Заявка на  изобретение 1665623/18-10. Москва. 1971.

12.  Caussignas, J.M. and Rougier, J.C. “Fiber Optic WIM Sensor and Optoelectronic  

System  in Weigh-in-Motion of Road Vehicles: Preliminary Tests, Paris, 1999.

13. Belitsky G., Belitsky V and A. Liberson «Mobile scales for traffic weighing based on   

optical fiber  technology ».  7^th International Conference on Weigh-In-Motion (ICWIM7): Foz do Iguaçu, 2016.