基于宏弯曲技术的光纤传感器，结合弹簧增强放大机制，适用于动态称重应用

《Optical Fiber Technology》：Macrobending-based optical fiber sensor with spring-enhanced amplification for Weigh-In-Motion applications

　　

安迪·塞蒂奥诺（Andi Setiono）|哈里·普拉托莫（Hari Pratomo）|内尔菲妮（Nelfyenny）|科马尔丁（Qomaruddin）|伊玛目·穆利亚ント（Imam Mulyanto）|德维·巴尤瓦蒂（Dwi Bayuwati）|伊尔万·拉瓦尔·胡斯迪（Irwan Rawal Husdi）|德维·汉托（Dwi Hanto）|苏汉迪（Suhandi）|穆尔贾迪（Muljadi）|班邦·维迪亚特莫科（Bambang Widiyatmoko）

光子学研究中心，国家研究与创新机构（BRIN），KST BJ. 哈比比（KST BJ. Habibie），南丹格朗（South Tangerang），15314，印度尼西亚

摘要

动态称重（WIM）系统能够实时监测车辆载荷，但通常受到安装复杂性、环境敏感性和系统成本的限制。本研究介绍了一种基于宏观弯曲引起光衰减的光纤WIM系统，该系统采用机械可扩展的架构实现。其主要创新在于将螺旋缠绕的光纤传感器与平行压缩弹簧阵列集成在一起，这种设计能够分散车辆载荷并放大位移，从而使简单的被动光纤传感器能够在车辆负载下正常工作。该系统通过静态实验室校准进行了性能测试，并通过涉及多种双轴车辆类别的动态现场测试得到了验证。实验中观察到不同的轴载荷引起的电压响应，从而实现了轴级信号的提取和车辆重量估计。现场测试结果表明，该系统能够再现相对车辆重量趋势，平均估计误差约为15%，与早期WIM技术的性能相当。研究结果表明，当宏观弯曲光纤传感器与适当的机械载荷管理结合使用时，可以为筛查级WIM应用提供一种可行且复杂度较低的方法。

引言

动态称重（WIM）系统提供了一种非侵入式和实时的方法来监测轴载荷和整车重量，这是实施超载监管、基础设施维护和交通管理政策的基础[1]、[2]。重型车辆超载是导致路面过早损坏、桥梁疲劳和增加维护成本的主要原因[3]。因此，开发可靠的WIM技术对于确保可持续和有弹性的交通基础设施至关重要。传统的WIM系统主要使用压电传感器、应变计和嵌入路面的载荷传感器[4]、[5]、[6]。尽管这些技术已经成熟并得到广泛应用，但它们常常面临电磁干扰、温度引起的信号漂移、长期机械退化以及复杂的安装程序等挑战[7]、[8]。这些限制促使人们越来越关注那些具有更好耐用性、环境适应性和简化部署的新传感方法。

光纤传感器（OFS）由于其固有的抗电磁干扰能力、轻量化设计、耐腐蚀性和信号复用能力，在结构健康监测和交通传感应用中显示出巨大潜力[9]、[10]。在OFS技术中，光纤布拉格光栅（FBG）因具有高灵敏度和波长编码响应而在WIM系统中受到特别关注[11]、[12]、[13]。干涉式光纤传感器（如法布里-珀罗（Fabry–Pérot）和马赫-曾德尔（Mach–Zehnder）配置）可以实现更高的灵敏度，但系统复杂性和成本也会相应增加[14]、[15]。基于瑞利（Rayleigh）和布里渊（Brillouin）散射技术的分布式光传感可以实现连续的长距离监测，但通常需要复杂的探测硬件和先进的信号处理算法[16]、[17]。

尽管光学和传统的动态称重（WIM）技术已经取得了显著进步，但仍存在实际限制。在大多数情况下，提高精度会带来系统复杂性的增加、更严格的安装程序和更高的成本。例如，基于石英传感器或光纤布拉格光栅（FBG）的高精度系统通常需要昂贵的探测单元和精细的温度补偿以确保稳定运行。另一方面，简单的压电传感器更容易部署，但其性能可能受到温度变化和长期漂移的影响。非接触式方法（如基于视觉的系统和桥梁WIM方法）避免了侵入性路面安装，但它们往往依赖于密集的数据处理，并且可能对环境条件敏感。综上所述，仍需要一种机械稳定、可扩展且经济可行的传感架构，以更好地平衡简单性和可靠的现场性能。

基于宏观弯曲的光纤传感器提供了一种更简单且更具成本效益的替代方案。其传感机制基于光纤弯曲超过临界半径时产生的辐射光损耗，从而导致传输光信号的衰减[18]、[19]。这种损耗可以与机械位移或施加的载荷定量关联，适用于压力、应变和振动监测。先前的研究已经证明了它们在压力传感[20]、位移测量[21]、[22]和振动检测[23]、[24]、[25]方面的可行性，但它们在车辆载荷监测中的应用仍相对较少。最近的实验研究表明，利用嵌入弹性基质中的螺旋缠绕光纤的宏观弯曲传感器可以显著提高载荷检测的灵敏度。具体来说，优化螺旋直径（例如25–38毫米）和光纤间距（例如约15毫米）可以提高机械变形下的线性和动态响应能力[26]。这些发现强调了内部传感器几何形状对系统整体性能的重要性。基于这一认识，本研究提出了一种新的WIM传感平台，将螺旋缠绕的宏观弯曲光纤集成到基于弹簧的机械结构中。弹簧机制既充当位移放大器，又起到机械缓冲作用，使车辆载荷能够有效地转化为光纤的受控弯曲。该传感器在静态和动态载荷条件下都经过了评估。结果表明，所提出的设计在机械柔顺性、传感精度和结构简洁性之间取得了良好的平衡，使其成为利用光纤技术的低成本、可现场部署的WIM应用的理想选择。

章节摘录

宏观弯曲损耗的理论基础和数值验证

当光纤弯曲超过临界半径时，会发生宏观弯曲损耗，导致部分引导光从纤芯泄漏到包层和周围介质中。Marcuse的直波导等效方法[27]很好地描述了这一现象，该方法提供了一种实用的计算弯曲损耗系数$\alpha$的方法。根据该模型，单位长度的损耗可以表示为：2α=πκ2exp[?23(γ3βg3)R2γ23V2γa)$a$是纤芯半径，$\lambda$是

静态特性和响应建模

首次评估旨在表征基于宏观弯曲的光纤传感器的静态响应，该传感器通过光衰减来捕捉载荷引起的变形。实验在准静态压缩条件下进行，使用液压压机同时测量机械变形、施加的载荷和光输出电压。这些测量结果为验证转换原理和建立

结论

本研究证明了将基于宏观弯曲的光纤传感器与机械弹簧组件结合用于动态称重（WIM）应用的可行性。静态和动态评估证实了从轻型乘用车到重型卡车都能可靠地检测轴载荷并进行可扩展的载荷测量，误差范围在2%–36%之间，平均误差约为15%。该系统在不同车辆速度下表现出稳定的性能，尤其是重型车辆的表现更为

CRediT作者贡献声明

安迪·塞蒂奥诺（Andi Setiono）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，资源管理，项目协调，方法论研究，资金获取，正式分析，数据管理，概念构思。哈里·普拉托莫（Hari Pratomo）：方法论研究，资金获取，正式分析。内尔菲妮（Nelfyenny）：撰写 – 审稿与编辑，可视化，软件开发，项目协调，数据管理。科马尔丁（Qomaruddin）：方法论研究。伊玛目·穆利亚ント（Imam Mulyanto）：研究工作。

资金来源

本工作得到了印度尼西亚教育机构研究与发展基金（RIIM-LPDP）的研究与创新激励计划的支持。我们还要感谢纳米技术与材料研究组织（ORNM）- 国家研究与创新机构（BRIN）的研究计划通过研究资助编号No. 7/III.10.6/HK/2024提供的支持。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：安迪·塞蒂奥诺报告称获得了印度尼西亚教育机构（LPDP）和国家研究与创新机构（BRIN）的财务支持。安迪·塞蒂诺正在向国家研究与创新机构（BRIN）申请专利。如果还有其他作者，他们声明没有已知的利益冲突。

致谢

我们感谢研究基础设施局（DIRI-BRIN）提供的必要设施，包括用于现场测量的测试区域和车辆。