DE19649877C2

DE19649877C2 - Verfahren zur Verarbeitung eines interferometrischen Signals zur Messung einer Kraft

Info

Publication number: DE19649877C2
Application number: DE1996149877
Authority: DE
Inventors: Simon Larcher; Stephane Teral
Original assignee: Alcatel Contracting SA France
Current assignee: Alcatel Contracting SA France
Priority date: 1995-12-07
Filing date: 1996-12-02
Publication date: 2000-07-13
Anticipated expiration: 2016-12-03
Also published as: GB2307986A; GB2307986B; DE19649877A1; GB9625347D0; FR2742227A1; FR2742227B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verarbeitung eines interferometrischen Signals zur Messung einer Kraft mit Hilfe der Doppelbrechung, die durch Kraft einwirkung in eine Lichtleiter induziert wird.

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Ver kehrsüberwachung und insbesondere auf das Wiegen fahrender Fahrzeuge.

Das Prinzip der Messung einer Kraft mit Hilfe der durch Krafteinwirkung auf einen Lichtleiter oder eine Mono mode-Lichtleitfaser induzierten Doppelbrechung ist bekannt. Fig. 1 zeigt sehr schematisch die verschiedenen Elemente einer piezo-optischen Meßsonde, die gemäß diesem Prinzip eine Kraft mißt. Ein Lichtstrahl mit Polarisierung entlang einer Geraden Ei, der von einer Laserdiode 1 erzeugt wird, wird in die Lichtleitfaser 2 über einen Polarisationssepara tor 3 injiziert, der diesen Lichtstrahl in zwei Wellen zer legt, deren Polarisationen in Quadratur liegen, und zwar die eine Ev in der (senkrechten) Richtung, in der auf die Licht leitfaser die zu messende Kraft einwirkt und die andere Eh in dazu lotrechter Richtung. Da bei Monomode-Ausbreitung die Polarisation erhalten bleibt, breiten sich beiden Welle un abhängig und in Abhängigkeit vom der Polarisationsrichtung entsprechenden optischen Index aus. Der Unterschied der op tischen Strecken der beiden Wellen hängt also vom Unter schied der gerichteten Kräfte entlang der Strecke ab. Eine Veränderung der Doppelbrechung der Lichtleitfaser aufgrund einer dynamischen Kraft wie z. B. des Reifens 4 eines Fahr zeugs, das über die Lichtleitfaser fährt, bewirkt somit eine relative Phasenverschiebung zwischen den beiden Wellen (wo bei diese Phasenverschiebung mit der Kraft ansteigt, sich dann auf einem bestimmten Niveau einpendelt, wenn die Kraft in senkrechter Richtung ihren Höchstwert hat, und schließ lich abnimmt, je weiter die Kraft abnimmt, d. h. wenn der Reifen die Lichtleitfaser verläßt). Beim Aufbau gemäß Fig. 1 wird der einfallende Lichtstrahl von einem Spiegel 5 re flektiert, der am Ende der Lichtleitfaser angeordnet ist, und dann über den Polarisationsseparator 3 von einer Erfas sungs-Fotodiode 6 aufgefangen. Das aus der additiven Rekom bination der beiden Wellen in Höhe der Erfassungs-Fotodiode 6 entstehende interferometrische elektrische Signal S hat einen augenblicklichen Amplitudenpegel, der sich in Abhän gigkeit von der augenblicklichen relativen Phasenverschie bung zwischen den beiden Wellen Ev und Eh verändert.

Fig. 2 zeigt die allgemeine Form eines interferome trischen Signals S. Dieses Signal hat einen Amplitudenpegel, der über eine Interferenzperiode T, die dem Einfluß der Kraft entspricht, eine Folge von Maxima und Minima aufweist, die polarimetrische Linien definieren. Man sieht in dieser Figur ausgehend vom Ursprung der Zeit t eine erste Folge von polarimetrischen Linien, die der winkelmäßigen Zunahme der Phasenverschiebung entspricht, dann eine zentrale polarime trische Linie, die einem maximalen Winkel der Phasenver schiebung entspricht, dann eine zweite Folge von polarime trischen Linien, die der winkelmäßigen Abnahme der Phasen verschiebung entspricht.

In der Druckschrift EP-0 153 997 wurde bereits vor geschlagen, die Anzahl der polarimetrischen Linien zu zäh len, die in einem interferometrischen Signal vorhanden sind, um eine Kraft gemäß dem oben angegebenen Prinzip zu messen. Eine solche Methode hat jedoch eine Genauigkeit, die für das Messen von fahrenden Fahrzeugen nicht geeignet ist. Ein ein faches Zählen von polarimetrischen Linien hat per Definition nämlich nur eine auf ±0,5 Linien begrenzte Genauigkeit, wobei die Ungewißheit der Präzision einige Prozent der zu messenden Kraft darstellen kann.

Ziel der Erfindung ist es, ein anderes Verfahren zur Verarbeitung des interferometrischen Signals vorzuschlagen, um eine Kraft, insbesondere eine dynamische Last, genauer zu messen.

Zu diesem Zweck hat die Erfindung ein Verfahren zur Verarbeitung eines interferometrischen Signals zur Messung einer Kraft mit Hilfe der durch Belastung in einen Lichtlei ter induzierten Doppelbrechung zum Gegenstand, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es die folgenden Schritte aufweist:

- Digitalisierung des interferometrischen Signals, um eine chronologische Folge von Amplitudenextremwerten in di gitaler Form zu entnehmen,
- Verarbeitung dieser Folge von Extremwerten, um eine entsprechende chronologische Folge von ersten Daten zu er halten, die für ein zeitliches Profil einer Phasendrehung repräsentativ sind,
- Verarbeitung dieser Folge von ersten Daten, ausge hend von einem physikalischen Modell, das die Phasendrehung mit der Kraft in Verbindung setzt, so daß man eine entspre chende chronologische Folge von zweiten Daten erhält, die für ein zeitliches Profil der Kraft repräsentativ sind.

Die Erfindung nutzt die Tatsache, daß der Ausdruck der Phasenverschiebung Φ zwischen den Wellen Ev und Eh, die aus dem Anlegen einer gerichteten Druckbeanspruchung P über eine Länge L einer Lichtleitfaser einer piezo-optischen Meß sonde entsteht, die Form aufweist:

Φ = KP^αL (1)

wobei K und α Konstante sind, die von den Eigenschaften der piezo-optischen Meßsonde abhängen (Geometrie der Lichtleit faser, Elastizität des Siliziumoxids, Wellenlänge der Laser quelle usw.). Diese Konstanten können durch eine Kalibrie rung der piezo-optischen Meßsonde erhalten werden, die mit bekannten Gewichten durchgeführt wird.

Außerdem hat der augenblickliche Amplitudenpegel I(t) des interferometrischen Signals die Form

I(t) = A + BcosΦ(t) (2)

wobei Φ die Phasenverschiebung zwischen den beiden Wellen Ev und Eh darstellt und A und B Konstante sind (A und B werden ausgehend von den Gleichungen A = (Imax + Imin)/2 und B = (Imax- Imin)/2 berechnet, in denen Imax und Imin der maximale Mit telwert bzw. der minimale Mittelwert des interferometrischen Signals über eine Periode interferentieller Aktivität ist). Diese Phasenverschiebung entspricht tatsächlich einer Pha sendrehung in Gegenuhrzeigerrichtung, solange die Last an steigt, und wieder in Uhrzeigerrichtung, sobald die Last abnimmt. Indem man den Ausdruck (2) nach der Zeit ableitet, sieht man, daß die relativen Extremwerte des Signals I(t) entweder einem Überschreiten einer Winkelbestimmung (Φ = kΠ) oder einem Extremwert der Phasendrehung (dΦ/dt = o) entspre chen.

Auf der Basis der Gleichungen (1) und (2) sieht man folglich, daß ein Zeitprofil einer dynamischen Kraft (defi niert durch verschiedene Werte von P in Abhängigkeit von der Zeit) vom Zeitprofil einer Phasendrehung entsprechend der Phasenverschiebung Φ abgeleitet werden kann, wobei dieses Zeitprofil der Phasendrehung einfach für die Extremwerte des interferometrischen Signals bestimmt wird.

Gemäß einer Besonderheit des erfindungsgemäßen Ver fahrens besteht die Verarbeitung der Extremwerte darin, ab wechselnd einen Extremwert am Anfang der Folge von Extrem werten und einen Extremwert am Ende dieser Folge von Extrem werten zu berücksichtigen, indem man bei jedem Wechsel zur Mitte dieser Folge von Extremwerten weiterschreitet, um die Folge der ersten Daten zu erhalten, die für ein Zeitprofil der Phasendrehung repräsentativ sind.

Diese Verarbeitung nutzt die Tatsache, daß das Zeit profil der Phasendrehung von einem Ruhewert ausgeht und dorthin nach einem Durchgang durch einen entsprechenden Ma ximalwert zurückkehrt, der typisch dem Extremwert der Mitte der Folge im einfachen Fall eines Zeitprofils in Form einer glockenförmigen Kurve entspricht.

Bei einem komplexeren Profil der Phasendrehung in Form eines Sattels entspricht das Maximum der Phasendrehung nicht unbedingt dem zentralen Extremwert der Folge von Am plituden-Extremwerten des interferometrischen Signals, und man muß jeden Extremwert als einer Überschreitung einer Win kelbestimmung oder einem Maximum der Phasendrehung entspre chend identifizieren. Diese Zweideutigkeit kann jedoch ein fach behoben werden, indem festgestellt wird, daß eine Über schreitung der Winkelbestimmung einem Extremwert nahe den Grenzwerten (A + B) oder (A-B) entspricht. Umgekehrt ent spricht ein Maximum der Phasendrehung im allgemeinen einem beobachteten Extremwert, der weit außerhalb dieser Grenzwer te liegt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine piezo-optische Meßson de.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines interferometrischen Signals.

Fig. 3 ist ein Ablaufdiagramm, das die hauptsächli chen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Beispiel eines interfero metrischen Signals.

Fig. 5 zeigt in Kurvenform das für das Signal der Fig. 4 erhaltene Zeitprofil der Phasendrehung.

Fig. 6 ist ein detailliertes Flußdiagramm des Schritts der Bildung des Zeitprofils der Phasendrehung.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Messung einer Kraft, insbesondere einer dynamischen Kraft, bildet man ein Zeitprofil dieser Last ausgehend von einem Zeitpro fil einer Phasendrehung, das selbst ausgehend von Amplitu den-Extremwerten des interferometrischen Signals abgeleitet wird. Im Vergleich mit einem einfachen Zählen der polarime trischen Linien kommt man zu einer wesentlich höheren Meß genauigkeit in der Größenordnung von 0,01 Linien. Im Rahmen der Anwendung auf das Wiegen von fahrenden Fahrzeugen ermög licht das Zeitprofil der dynamischen Last außerdem, genauer auf den Wert der statischen Kraft zu schließen, da ein sol ches Profil die dynamischen Wirkungen der Federungen, der Beschleunigung usw. aufzeigt, die dann für die Bestimmung der statischen Kraft berücksichtigt werden können.

Gemäß Fig. 3 beginnt das erfindungsgemäße Verfahren zur Verarbeitung eines interferometrischen Signals S mit einem Schritt 30 der Digitalisierung dieses Signals.

Auf den Schritt 30 folgt vorzugsweise ein Schritt einer digitalen Filterung 31, die eine Reduktion der Störsi gnale durch ein Glätten des digitalen interferometrischen Signals ermöglicht.

Auf den Schritt 31 folgt ein Schritt 32 der Erfassung des Anfangs und des Endes der Periode der Interferenzaktivi tät im interferometrischen Signal in digitaler Form. Die Erfassung des Anfangs und des Endes der Interferenzaktivität kann zum Beispiel auf eine Logik zur Überwachung des augen blicklichen Pegels des digitalen Signals und auf einem Ver gleich dieses augenblicklichen Pegels mit einem mittleren Pegel des digitalen interferometrischen Signals beruhen, das in Abwesenheit einer Kraft gemessen und nach jeder Interfe renzaktivitätsperiode aktualisiert wird.

Auf den Schritt 32 folgt ein Schritt 33 der Verarbei tung von Tastproben, die für die Interferenzaktivitätsperi ode des digitalen Signals gebildet wurden, um diejenigen zu erfassen, die Amplituden-Extremwerten entsprechen.

Fig. 4 zeigt den zeitlichen Verlauf des Amplituden pegels eines interferometrischen Signals. Der Anfang und das Ende der Interferenzperiode sind mit D bzw. F gekennzeich net. Die Amplituden-Extremwerte sind mit Ext[1], . . ., Ext[n] angegeben, wobei Ext einen Vektor bezeichnet, der nach der chronologischen Folge von Amplituden-Extremwerten geordnet ist. In dieser Figur entspricht der Extremwert Ext(j) einem Maximum der Phasendrehung.

Die chronologische Folge von Extremwerten im Vektor Ext wird im Schritt 34 verarbeitet, um eine entsprechende chronologische Folge von Daten zu bestimmen, die für ein Zeitprofil einer Phasendrehung repräsentativ sind. Es ist anzumerken, daß der Schritt 34 es auch erfordert, jedem Ex tremwert seine zeitliche Position in der Interferenzperiode zuzuordnen, um die Zeitprofile der Phasendrehung und der Last zu gewinnen. Aus Gründen der klareren Beschreibung wird nachfolgend die zeitliche Lage der Extremwerte unberücksich tigt gelassen.

Fig. 6 zeigt die Verarbeitung, die im Schritt 34 stattfindet. In dieser Figur bezeichnet PHI den Vektor, in dem die chronologische Folge von Daten geordnet ist, die für das Zeitprofil der Phasendrehung repräsentativ sind. Der Vektor PHI enthält die verschiedenen Werte der entsprechen den Phasendrehung entsprechend den Extremwerten des Vektors Ext. Die Verarbeitung 34 besteht einfach aus einer Schleife mit Indices ig (die zum Anfang des Vektors Ext zeigen) und id (die zum Ende des Vektors Ext zeigen), die im Schritt 61 auf 1 bzw. n initialisiert werden (wobei n die Anzahl von Extremwerten im Vektor Ext angibt), wobei abwechselnd ein Indexextremwert ig des Vektors Ext, um im Schritt 62 einen diskreten Wert PHI[ig] zu bestimmen, der der Phasendrehung entspricht, und ein Indexextremwert id des Vektors Ext be rücksichtigt wird, um im Schritt 63 einen anderen diskreten Wert PHI[id] der Phasendrehung zu bestimmen. Die Indices id und ig bewegen sich gemeinsam im Schritt 64 zur Mitte des Vektors Ext. Wenn der Index ig größer als der oder gleich dem Index id wird, was durch Vergleich im Schritt 65 festge stellt wird, tritt die Verarbeitung aus der Schleife aus und setzt sich im Schritt 66 fort. Der Test id ≧ ig wird bevor zugt und nicht der Test id = ig, um aus der Schleife auszu treten, selbst wenn zufälligerweise die Zahl n von erfaßten Extremwerten gerade ist, obwohl diese Anzahl normalerweise ungerade ist.

Im Schritt 62 dient der Rang ig des berücksichtigten Extremwerts direkt zur Bestimmung des entsprechenden Werts der Phasendrehung. Gleiches gilt im Schritt 63 für den Index id. In diesem Stadium der Verarbeitung ist nur der maximale Wert der Phasendrehung nicht bestimmt. Er wird im Schritt 66 ausgehend vom Wert der Phasendrehung ohne Belastung auf der Basis der folgenden Beziehung bestimmt:

PHI[id] = PHI[id - 1] + Arccos((Ext[id] - A)/B) Φo (3)

wobei Φo der Wert der Phasendrehung ohne Belastung ist. Der Wert Φo hängt von den Einstellungen der piezo-optischen Meß sonde ab und kann beliebig sein. Er wird durch eine Analyse des mittleren Pegels Io des interferometrischen Signals ohne Belastung auf der Basis der folgenden Beziehung geschätzt:

Φo = Arccos(Io - A)/B (4)

Im Schritt 65 entsprechen id und ig dem Index j in Fig. 4, d. h. sie zeigen zum Extremwert in der Mitte der Folge von Extremwerten.

Fig. 5 zeigt die Form des für das interferometrische Signal der Fig. 4 gewonnenen Zeitprofils. Es handelt sich hier um eine einfache glockenförmige Kurve. Man hat

PHI[1] = Π, PHI[2] = 2Π, PHI[3] = 3Π, PHI[n] = Π

Die durch das Flußdiagramm der Fig. 6 dargestellte Verarbeitung kann verfeinert werden für den Fall eines kom plexeren Zeitprofils der Phasendrehung. In diesem Fall muß in den Schritten 62 und 63 der Wert des Extremwerts Ext[ig] oder Ext[id] mit den Werten A + B oder A - B verglichen werden (siehe Fig. 4). Wenn dieser Extremwert nahe A - B oder A + B ist, handelt es sich um einen Extremwert, der einer Bestim mungsüberschreitung der Phasendrehung entspricht, und der Rang ig oder id des Extremwerts dient dann dazu, den Wert der Phasendrehung zu bestimmen. Im gegenteiligen Fall ordnet man dem Datenwert PHI[ig] oder PHI[id] einen besonderen Wert zu, zum Beispiel 0, der leicht durch Analyse des Vektors PHI gewonnen werden kann. Der Vektor PHI wird dann verarbeitet, um diese besonderen Werte durch auf der Basis der Beziehung (3) berechnete Werte zu ersetzen.

Nach dem Schritt 34 in Fig. 3 wird der Vektor PHI im Schritt 35 verarbeitet, um eine letzte chronologische Folge von Daten zu erhalten, die für das Zeitprofil der Last aus gehend von der folgenden Beziehung repräsentativ sind:

P[i] = (PHI[i]/KL)^1/ ^α (5)

wobei P den Vektor bezeichnet, der diese letzte chronologi sche Folge von Daten enthält.

Es ist anzumerken, daß der Wert der Kraft oder der dynamischen Last der Angabe maximalen Werts im Vektor P ent spricht.

Claims

1. Verfahren zur Verarbeitung eines interferometrischen Si gnals (S) zur Messung einer Kraft mit Hilfe der durch Kraft einwirkung auf einen Lichtleiter induzierten Doppelbrechung, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte auf weist:

- Digitalisierung (30) des interferometrischen Si gnals, um eine chronologische Folge von Amplituden-Extrem werten in digitaler Form zu entnehmen,
- Verarbeitung (34) dieser Folge von Extremwerten, um eine entsprechende chronologische Folge von ersten Daten zu erhalten, die für ein zeitliches Profil einer Phasendrehung repräsentativ sind,
- Verarbeitung (35) dieser Folge von ersten Daten ausgehend von einem physikalischen Modell, das die Phasen drehung mit der Kraft in Verbindung setzt, so daß man eine entsprechende chronologische Folge von zweiten Daten erhält, die für ein zeitliches Profil der Kraft repräsentativ sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitung der Extremwerte darin besteht, abwechselnd (62) einen Extremwert des Anfangs der Folge von Extremwerten und (63) einen Extremwert des Endes dieser Folge von Extrem werten zu berücksichtigen und bei jedem Wechsel zur Mitte dieser Folge von Extremwerten weiterzuschreiten, um die Fol ge der ersten Daten (PHI) zu erhalten, die für ein Zeitpro fil der Phasendrehung repräsentativ sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der bei der Verarbeitung berücksichtigte Extremwert als ei ner Überschreitung der Winkelbestimmung der Phasendrehung entsprechend identifiziert wird, wobei der Rang dieses Ex tremwerts in der Folge von Extremwerten dazu dient, einen der Phasendrehung entsprechenden Wert zu bestimmen.