基于光纤传感的动态称重系统开发及其在交通监测中的应用

为解决车辆超载导致的道路损坏问题，研究人员开发了一种新型强度调制光纤动态称重(WIM)传感器。该传感器通过将长光纤线圈嵌入硬橡胶支撑结构中，利用弹簧模型和胡克定律原理，实现了对运动车辆重量的分布式测量。实验室和现场实验表明，传感器输出的光强衰减与车辆载荷和速度呈线性关系，总动态载荷可通过前后轴光透射率变化之和表征。该技术为低成本、便携式交通执法和基础设施健康监测提供了新方案。

　　

车辆超载是导致道路损坏的重要因素，其对路面的破坏程度与轴载荷的四次方成正比。传统地磅站虽然测量准确，但存在成本高、占地面积大、检测效率低等缺点。动态称重(WIM)系统能在车辆行驶过程中实时测量重量，但现有技术如光纤布拉格光栅(FBG)传感器易受温度影响且成本高昂，而基于弯曲损耗的强度调制传感器又存在疲劳损伤问题。

针对这些技术瓶颈，印度尼西亚某大学的研究团队开发了一种新型强度调制分布式光纤WIM传感器。该研究通过将具有均匀匝数密度的长光纤线圈嵌入硬橡胶支撑结构，构建了符合轮胎接触面积的宽表面传感器。相关成果发表在《Heliyon》期刊，为交通数据采集和执法应用提供了更灵活的解决方案。

研究主要采用光纤线圈制备、机械支撑结构设计和双光路信号检测等关键技术。实验室使用模型车辆和单线圈传感器，现场实验采用实际车辆和三线圈传感器系统，通过测量光强衰减变化来表征车辆载荷。

静态负载实验显示，传感器传输系数随负载增加呈临界阻尼振荡下降，瞬态时间与负载质量相关。当接触时间大于瞬态时间时，系统可测得静态重量。动态负载测试表明，前后轴的光强衰减差异反映了车辆载荷分布，总衰减量与总质量呈线性关系（R²=0.99495-0.99629）。速度影响研究发现，车辆速度通过改变接触时间影响测量结果，推导出动态压缩深度Δy_dn-mv与速度v的反比关系，建立了包含速度修正因子的静态重量估算方程（平均误差2.8%）。

通过现场验证，装载沙袋的实测车辆在10km/h和40km/h速度下，光强衰减与载荷的线性拟合斜率分别为0.00817和0.00937，证实了模型的普适性。该传感器系统不仅解决了FBG传感器的温度敏感性问题，其分布式测量特性还可应用于桥梁健康监测等领域。

这项研究的创新点在于将弹性力学原理与光纤传感技术相结合，通过优化的机械设计实现了对动态载荷的精确测量。相比传统WIM系统，该方案具有成本低、结构简单、兼容现有基础设施等优势，为智能交通管理和可持续基础设施建设提供了新的技术路径。未来研究将重点解决温度对橡胶弹性性能的影响问题，以进一步提升系统的环境适应性。