CZ2015154A3 - Optovláknový interferometrický senzor pro monitorování dopravního provozu - Google Patents

Abstract

Optovláknový interferometrický senzor pro monitorování dopravního provozu má laserový zdroj (1) propojený přes optické vlákno (2) s ochranným boxem (3), z kterého vede optické vlákno (2) do fotodetektoru (6), který je dále propojen se zařízením (4) pro zpracování signálu, přičemž na vstupu do boxu (3) a výstupu z boxu (3) optické vlákno (2) prochází přes referenční vazební člen (9) a měřící vazební člen (91), v nichž se optické vlákno (2) dělí na referenční větev (10) a měřicí větev (11), přičemž měřicí větev (11) interferometru tvoří měřící optické vlákno (22) uspořádané na rezonátoru (7), zatímco referenční větev (10) interferometru tvoří referenční optické vlákno (21) umístěné na tlumící první ploše (8), přičemž druhá tlumící plocha (81) je uspořádána v odstupu nad první tlumicí plochou (8).

Description

OPTOVLÁKNOVÝ INTERFEROMETRICKÝ SENZOR PRO MONITOROVÁNÍ DOPRAVNÍHO PROVOZU

Oblast techniky

Vynález se týká optovláknového senzoru, který slouží k monitorování dopravního provozu a k analýze projíždějících vozidel, jejich identifikaci a kategorizaci za využití interferometrie.

Dosavadní stav techniky

Detekční systémy zasahující do vozovky, pro řízení a ovlivňování dopravy můžeme rozdělit na základě typů detektorů, které tyto systémy využívají. Detektory můžou fungovat na bázi elektromagnetické indukce, přičemž se využívá princip indukční smyčky. Smyčka tvoří indukční součást oscilátoru a při průjezdu nebo přítomnosti vozidla nad smyčkou se snižuje její induktance, což mění parametry oscilátoru. Smyčka je napájena z oscilátoru a okolo závitů vytvořeno homogenní magnetické pole, které narušuje přítomnost karoserie vozidla.

Magnetické detektory se ještě dělí na fluxgate magnetometry a magnetoindukční senzory. Magnetické detektory obecně měří hustotu siločar magnetického pole Země. Kovová masa vozidla v prostoru senzoru zvýší hustotu siločar magnetického pole. Magnetický detektor se nedá použit v blízkosti rovníku, protože je tam malý náklon magnetických siločar.

Fluxgate magnetometr je v současnosti využíván jako alternativa ke smyčkovým detektorům. Měří změny magnetického pole Země v případě přítomnosti vozidla v blízkosti detektoru. Používá se při počítání vozidel nebo měření rychlosti vozidla, kde jsou za potřebí dva detektory. Základní konstrukce fluxgate magnetometru se skládá z jedné nebo více válcových sond zapuštěných do vozovky. Kabelu spojující sondy s propojovacím boxem a propojovací box. Dále se skládá z řídicí jednotky a napájecí jednotky. Nevýhodou je to, že instalace vyžaduje zásah do vozovky a dokonce je nutná i uzavírka jízdního pruhu a některé modely mají dokonce malé zóny detekce.

Je známa konstrukce indukčního magnetometru ve tvaru projektilu s magneticky stabilním jádrem, na kterém je navinuto několik vinutí zapojených v sérii. Magnetometr je tunelem z nemagnetického materiálu zaveden pod vozovku. Magnetometr dále obsahuje propojovací kabel mezi smyčkou a řídicí jednotkou,

-2-: ·: :. j přičemž řídicí jednotka zaznamenává změny elektrických vlastností vinutí detektoru při průjezdu vozidla. Indukční magnetometr je schopen zaznamenávat pouze změny magnetického pole Země. Magnetická sonda měří změny elektrických vlastností vinutí v případě průjezdu vozidla v blízkosti detektoru. Pokud vozidlo projíždí prostorem senzoru, pak jeho kovová masa mění hustotu siločar magnetického pole. Do vinutí se indukuje velmi nízké napětí, které je dále zesíleno a vyhodnoceno.

Pneumatické detektory jsou přenosné technologie s velmi snadnou instalací. Princip činnosti spočívá v měření změny tlaku v trubce položené na vozovce. Konstrukce se skládá z ochranného krytu, který je pevný, ale ohebný. Dále zahrnuje propojovací kabel mezi senzorem a měřicí elektronikou, řídicí jednotku a napájení. V principu je činnost pneumatických detektorů založena na průjezdu vozidla, přičemž pneumatika stlačí trubičku obsahující vzduch. Toto stlačení způsobí zvýšení tlaku v trubičce a následné sepnutí tlakového senzoru na konci trubičky. Jejich nevýhodou je, že nelze dobře rozpoznat stojící, či pomalu se pohybující vozidla.

Piezoelektrické detektory fungují na principu stláčení sondy, které je způsobeno koly zavěšenými na nápravě vozidla. Napětí generované senzorem je úměrné síle nebo hmotnosti, která působí na senzor. Elektrické napětí je vytvářeno nábojem opačné polarity, který se objeví při stlačení na protilehlých površích piezoelektrického detektoru.

Detektory obsahující optické kabely jsou relativně novou technologií. Optický kabel položený na kulatinách, které se při stlačení pohnou směrem k sobě, ohnou vlákno a tak dojde k emisi světla. Intenzita světla je měřena na konci smyčky. Optické kabel^nejsou omezeny na jedinou konfiguraci a provoz na rozdíl od mnoha konvenčních snímačů, jako jsou elektrické tenzometry a piezoelektrické snímače. Moderní detekční systémy spočívají v umístění optických vláken pod povrch vozovky. Tato aplikace detekčních systému je rychlá a přesná, ale vkládat optické vlákno pod povrch vozovky je nepraktické.

Detekční systém umístěný na povrchu nebo uvnitř vozovky určený pro snímání rychlosti je popsán v přihlášce CN1641359. K měření využívá dva interferometry umístěné v určité vzdálenosti od sebe. Při průjezdu vozidla zaznamená první interferometr jeho průjezd a sepne časový spínač. Když vozidlo projede druhým interferometrem, časovač se vypne. Ze vzdálenosti obou

-3-:: :

• · ··· ·· ·· ·····* interferometrů a času průjezdu vozidla mezi oběma interferometry se dopočítá rychlost.

Známé jsou detekční systémy, které k měření využívají změnu fáze přenášeného světla. Takové řešení je popsáno v přihlášce CN201498105, kde je popsán systém, obsahující světelný zdroj, kterým je Fabry — Perotův interferometr a optické vlákno zabudované ve vozovce. Vozidlo jedoucí přes optické vlákno deformuje vlákno a tato deformace následně způsobí fázový posun světelného paprsku v optickém vlákně. Z fázového posunu detekční systém dokáže získat informace o rychlosti, hmotnosti a typu vozidla.

Detekční systémy pro měření hmotnosti vozidla v pohybu zahrnují optické vlákno, nebo tenzometry, umístěné pod povrchem vozovky přes alespoň jeden jízdní pruh. Dále zahrnují zpracovací prostředky pro příjem signálu ztenzometrů, nebo interferometrů. Takový detekční systém řeší přihláška WO0127569.

V užitném vzoru CN200962255 je popsáno zařízení určené k detekci projíždějících vozidel. K měření využívá dvou Mach — Zehnderových interferometrů pro zvýšení citlivosti, optické vlákno je umístěno pod vozovkou v ochranném kovovém krytu. Nerezová ocel a lehký plastický obal umožňuje zlepšení citlivosti a snížení negativní interference elektromagnetického záření detektoru.

Nevýhodou všech níže uvedených řešení, které k měření potřebují optické vlákno, je potřeba natáhnout optické vlákno pod povrch vozovky. Pokud tedy dojde k opravě vozovky, kde je optické vlákno natažené, dojde k jeho zničení a je tedy nutná jeho instalace pod povrch vozovky.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody odstraňuje optovláknový interferometrický senzor pro monitorování dopravního provozu, jehož podstata spočívá v tom, že má laserový zdroj propojený přes optické vlákno s ochranným boxem, z kterého vede optické vlákno do fotodetektoru, který je dále propojen se zařízením pro zpracování signálu a přičemž na vstupu do boxu a výstupu z boxu optické vlákno prochází přes referenční vazební člen a měřící vazební člen, v nichž se optické vlákno dělí na referenční větev a měřicí větev, přičemž měřicí větev interferometru tvoří měřící optické vlákno uspořádané na rezonátoru, zatímco referenční větev interferometru tvoří referenční

optické vlákno umístěné na tlumící první ploše, přičemž druhá tlumící plocha je uspořádána v odstupu nad první tlumící plochou.

Podstata optovláknového interferometrického senzoru spočívá vtom, že externí/interní laserový zdroj světla je propojený přes optické vlákno s ochranným boxem obsahujícím pasivní optické prvky interferometru (vazební člen/y, vlákna, vláknová zrcadla, aj.) s měřící soustavou, z něhož vede optické vlákno do detektoru, přičemž detektor je dále propojen se zařízením pro zpracování signálu. Uvnitř boxu prochází optické vlákno přes vazební členy, v nichž se optické vlákno dělí na referenční větev a měřicí větev, přičemž měřicí větev interferometru tvoří měřící optické vlákno uspořádané nad rezonátorem, zatímco referenční větev interferometru tvoří referenční optické vlákno umístěné na tlumící první ploše, přičemž druhá tlumící plocha je uspořádána v odstupu nad první tlumící plochou.

Optovláknový senzor podle tohoto vynálezu, využívá známých zapojení optického interferometru, jeho výhodu však je, že senzor dokáže analyzovat vibrační frekvence a využít je k rozpoznání typu projíždějícího motorového vozidla, zdali se jedná např. o osobní nebo nákladní automobil.

Senzor může být umístěn ve značné vzdálenosti (jednotky až desítky km) od vyhodnocovací jednotky, která tak může pracovat v optimálních podmínkách. Konstrukce senzoru je dále zvolena s ohledem na vysokou citlivost senzoru na vibrační frekvence.

Vyhodnocovací jednotka na základě spektrální analýzy dat se senzoru dokáže projíždějící vozidlo zařadit do patřičné kategorie.

Princip dovoluje rozšíření aplikačních možností na měření rychlosti případně hmotnosti projíždějících vozidel.

Jeho výhody lze shrnout v následujících bodech:

• možnost vzdáleného umístění vyhodnocovací jednotky • senzor je pasivní, nepotřebuje elektrickou energii, stačí jen 1 až 2 přívodní optické vlákno/a dle typu interferometru • optické vlákno je dielektrikum, tzn. imunita vůči elektromagnetickým interferencím • senzor není nutné zabudovat do vozovky, nevyžaduje složité stavební úpravy, stačí jen umístit jej na krajnici

Objasnění výkresů

Předkládaný vynález je blíže osvětlen pomocí výkresů, na kterých obr. 1 zobrazuje blokové schéma zapojení optovláknových interferometrických senzorů, obr. 2 je zobrazen půdorysný pohled uspřádání dvojice optovláknových interferometrických senzorů v ochranném boxu uspořádaných do měřící sestavou a na obr. 3 je zobrazen boční pohled na upořádání ochranného boxu s dvojicí optovláknových interferometrických senzorů.

Příklady provedení vynálezu

Řešení optovláknového interferometrického senzoru pro monitorování dopravního provozu bude vysvětleno na jednotlivých příkladech jeho provedení. Je nasnadě, že níže uvedené popisy jsou ilustrativním vyjádřením aplikace principů tohoto vynálezu.

Zapojení optovláknového interferometrického senzoru pro monitorování dopravního provozu s dalšími součástmi je znázorněno na obr. 1. Zapojení v tomto provedení zahrnuje laserový zdroj 1 propojený přes optické vlákno 2 s ochranným boxem 3, v němž je optické vlákno 2 rozděleno na měřící větev 11 a referenční větev 10 tvořící měřící soustavu interferometrického senzoru. Z ochranného boxu 3 je optické vlákno 2 vedeno do fotodetektoru 6, který je dále propojen prostřednictvím koaxiálního kabelu 5 se zařízením 4 pro zpracování signálu. Jako zdroj záření je použit Laserový zdroj 1. o vlnové délce 1310 až 1550 nm, vykazuje hodnoty výkonu 1-1 OmW při dostatečné stabilitě a kohereční délce. U propojovacího (transitního) optického vlákna 2 lze volit jeho délku v rozmezí 0,5-10 OOOrn. Zařízení ppro zpracování signálu využívá horní propusti k odstranění stejnosměrné složky, zesilovač a analogově digitální převodník, software převádí signál z časové do frekvenční oblasti a dále provádí operace pro nalezení amplitudových minim a maxim.

Příkladné provedení optovláknového interferometrického senzoru určeného pro monitorování dopravního provozu, je znázorněno na obr. 2 a obr. 3.

__6 Optovláknový interferometrický senzor v tomto provedení tvoří ochranný box 3 odolný proti vnějším vlivům, zejména počasí. Přes ochranný box 3 prochází optické vlákno 2, jenž je na jeho vstupu napojeno do prvního referenčního vazebního členu 9, ve kter^m^e optické vlákno dělí na referenční větev 10 a měřicí větev 11, přičemž obě vět^še ve druhém měřicím vazebním členu 91 uspořádaným na výstupu z ochranného box 3 spojují a navazují na optické vlákno 2, přičemž vazebními členy jsou vláknové couplery s dělícím poměrem 50/50 s tolerancí +/- 5%. Měřicí větev 11 interferometrického senzoru tvoří optické měřící vlákno 22, například standardu G. 652, jenž je stočené do smyčky a dotýká se rezonátoru 7. Rezonátorem 7 je deska o tloušťce 5 až 50mm vyrobená z materiálů jako je ocel, sklo nebo keramika. Referenční větev 10 interferometrického senzoru tvoří referenční optické vlákno 21 stočené do smyčky, které je uspořádáno na první tlumící ploše 8, přičemž druhá tlumící plocha 81 je uspořádána v odstupu nad první tlumící plochou 8. Takovéto uspořádání tvoří vláknově optickou měřící soustavou v podobě interferometru, například typu Mach-Zehnder, schopnou monitorování průjezdu vozidel. Průjezdem vozidla dojde ke změně fáze světla vlivem rozdílné změny v délce případně indexu lomu referenčního vlákna 21 a měřícího vlákna 22. Změna fáze světla je pomocí měřicího vazebního členu 91 převedena na interference, které jsou optickým vláknem 2 přenášeny do fotodetektoru 6 a zde jsou převáděny SW z časové do frekvenční domény.

Další variantou měřící soustavy je použití interferometru typu Michelson. Ten se liší ve svém provedení tím, že je měřicí vazební člen 91 odstraněn a každé z větví je zakončena zrcadlem.

Průmyslová využitelnost

Navržený optovláknový senzor lze použít jak k monitorování dopravního provozu, tak k analýze projíždějících vozidel, zejména k jejich identifikaci a kategorizaci.

Seznam vztahových značek

Laserový zdroj záření optické vlákno referenční vlákno měřící vlákno

Ochranný box

Zařízení pro zpracování signálu

Koaxiální kabel

Fotodetektor

Rezonátor pro uchycení měřící větve

Tlumící plocha pro uchycení referenční větve

Tlumící plocha pro uchycení měřící větve referenční vazební člen měřicí vazební člen

Referenční větev

Měřící větev

Claims (1)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   Optovláknový interferometrický senzor pro monitorování dopravního provozu vyznačující se tím, že má laserový zdroj (1) propojený přes optické vlákno (2) s ochranným boxem (3), z kterého vede optické vlákno (2) do fotodetektoru (6), který je dále propojen se zařízením (4) pro zpracování signálu^ přičemž na vstupu do boxu (3) a výstupu z boxu (3) optické vlákno (2) prochází přes referenční vazební člen (9) a měřící vazební člen (91), v nichž se optické vlákno (2) dělí na referenční větev (10) a měďcí větev (11), přičemž měřicí větev (11) interferometru tvoří měřící optické vláknop3)uspořádané na rezonátoru (7), zatímco referenční větev (10) interferometru tvoří referenční optické vlákno (21) umístěné na tlumící první ploše (8), přičemž druhá tlumící plocha (81) je uspořádána v odstupu nad první tlumící plochou (8).