CN102288786B - 光纤干涉式风向仪及其探头 - Google Patents

Abstract

一种光纤干涉式风向仪，其特征是它包括连接激光器和光纤干涉式风向仪探头的光纤耦合器，光纤干涉式风向仪探头返回的光信号原路经过光缆和光纤耦合器进入到光谱仪，光谱仪采集光谱，并将光谱转变为电信号送给计算机。所述光纤干涉式风向仪探头包括设置于转轴上的轴承，在轴承外圈设置有固定在基座上的轴套，轴套与转轴保持相对转动，在轴套上设置光信号收发装置，在转轴上设置有螺旋环圈，在螺旋环圈上与光信号收发装置相对应设置有反光面；反光面与光信号收发装置光线出射方向垂直。从而使得干涉条纹间距与风向角度产生一对应关系，从而实现风向检测。

Description

光纤干涉式风向仪及其探头

技术领域

本发明涉及一种风向仪，尤其涉及一种应用光纤传感技术实现的光纤干涉式风向仪。

背景技术

风能是一种可再生、无污染的绿色能源，是取之不尽、用之不竭的，而且储量十分丰富。据估计，全球可利用的风能总量在53000TW·h/年。风能的大规模开发利用，将会有效减少石化能源的使用、减少温室气体排放、保护环境。大力发展风能已经成为各国政府的重要选择。

风向检测对于风力发电至关重要，随时掌握风向的变化，有利于提高风力发电的效率，提高风能利用率。风电场选址往往在沙漠、沿海等偏远地区，电力、交通等设施都不健全，因此在风向检测装置安装时必须考虑到布线、远程检测问题，传感器安装受到最大的制约也是地理位置以及供电等问题。目前市场上常见风向仪多为电子式传感器，一般将风向分为几个方向，检测风向精度较低。

发明内容

本方案针对现有技术的缺点，提出了一种光纤干涉式风向仪及其探头，它具有结构简单精度高的特点。

一种光纤干涉式风向仪探头，它包括设置于转轴上的轴承，其特征是在轴承外圈设置有固定在基座上的轴套，轴套与转轴保持相对转动，在轴套上设置光信号收发装置，在转轴上设置有螺旋环圈，在螺旋环圈上与光信号收发装置相对应设置有反光面；反光面与光信号收发装置光线出射方向垂直。

所述螺旋环圈为圆柱螺旋线。所述螺旋环圈的可以为圆环状或者任意形状，但是必须保证螺旋线圈上用于反射光的反射面到光收发装置的距离在旋转一周内均有一个唯一对应的值，并且这个值随着角度的旋转（0-360度）是由低到高或者由高到低单调函数变化。

光信号收发装置为带有保护套管的光纤，光纤端面为一平面，光信号收发装置与螺旋环圈反射面的距离保持在一定范围，最小不能接触（0cm），最大时保证有光干涉信号形成。

转轴与尾翼和风向杆连接。

一种光纤干涉式风向仪，其特征是它包括连接激光器和光纤干涉式风向仪探头的光纤耦合器，光纤干涉式风向仪探头返回的光信号原路经过光缆和光纤耦合器进入到光谱仪，光谱仪采集光谱，并将光谱转变为电信号送给计算机。

本方案的具体特点还有，所述光纤干涉式风向仪探头包括设置于转轴上的轴承，在轴承外圈设置有固定在基座上的轴套，轴套与转轴保持相对转动，在轴套上设置光信号收发装置，在转轴上设置有螺旋环圈，在螺旋环圈上与光信号收发装置相对应设置有反光面；反光面与光信号收发装置光线出射方向垂直。

所述螺旋环圈为圆柱螺旋线。

光信号收发装置为带有保护套管的光纤，光纤端面为一平面。

转轴与尾翼和风向杆连接。

本发明的有益效果是，利用采用光纤传感技术，大大增加了传感器的传输距离，当地无需供电，采用光纤干涉技术，提高了检测精度，可以达到1度，即可以将风向分为360个分区，远远超过16个分区。

附图说明

图1为光纤风向远程检测仪系统原理图；图2为探头结构示意图；图3为光信号收发装置结构示意图；图4为光干涉光谱图；图5为干涉条纹周期与风向角度对应图；图6为风向仪实验测试数据图。

图中：1-尾翼；2-风向杆；3-防雨罩；4-转轴；5-螺旋环圈；6-光信号收发装置；7-光纤尾纤；8-轴套；9-保护套管；10-光纤；11-轴承。A-50度；B-180度；C-270度；D-320度。

具体实施方式

实施例1

如图2所示，一种光纤干涉式风向仪探头，它包括设置于转轴4上的轴承11，在轴承11外圈设置有固定在基座上的轴套8，轴套8与转轴4保持相对转动，在轴套8上设置光信号收发装置6，在转轴4上设置有螺旋环圈5，在螺旋环圈5上与光信号收发装置6相对应设置有反光面，反射面经过抛光处理，具有一定的反射率，可以采用金属反射面，也可以是介质膜反射面，反射面的反射率越高效果越好，一般要求大于4%以上；调整光信号收发装置的方向，使光信号收发装置6光线出射方向与反光面垂直。所述螺旋环圈5为圆柱螺旋线。光信号收发装置6为带有保护套管9的光纤，光纤端面为一平面。转轴4与尾翼1和风向杆2连接。

在风场中，由于受力不同会使得尾翼1始终与风向平行，并且风向指向尾翼1反方向；尾翼1安装在风向杆2上，风向杆2连接在转轴4上，当风向变化后，转轴4随风向改变而改变；顶端安装有防雨罩3，用于保护下方结构不进水；轴套8位置固定不变，一般与测风塔等基座设施固定在一起，不随风向改变而改变；轴套8与转轴4通过轴承11连接，轴套上固定有光信号收发装置6，由于轴套8固定不变，因此光信号收发装置也固定不变；如图3所示，光信号收发装置6实际上为使用保护外套的光纤，它包括保护套管9和光纤10，光纤端面切端为一平面，保护套管9保护光纤10不被污染和损伤；

调整光信号收发装置6端面与螺旋环圈5底部的光反射面垂直，螺旋环圈5底面处理为反光面，可以将光信号收发装置6发出的光反射回去，螺旋环圈5为一螺旋式上升曲线，为圆柱螺旋线，其数学表达式为：

其中，t为角度，在本发明中使用的螺旋线为一个周期，因此取；a为螺旋线半径；b为螺旋高度，本专利中，b*为螺旋金属底盘旋转一周最大变化值，即t为0度时与t为时的差，与解调光谱仪分辨率共同决定了传感器的分辨率。

实施例2

本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于如图1所示，它是一种光纤干涉式风向仪，它包括连接激光器和光纤干涉式风向仪探头的光纤耦合器，光纤干涉式风向仪探头返回的光信号原路经过光缆和光纤耦合器进入到光谱仪，光谱仪采集光谱，并将光谱转变为电信号送给计算机。光纤干涉式风向仪探头就是指实施例1中的光纤干涉式风向仪探头。

系统发出的光经过光信号收发装置6发射出来，到达螺旋环圈5，螺旋环圈5表面经过处理，使其能够反光，将光发射回光信号收发装置6，返回的光与发射光形成干涉，光谱仪上显示为周期性的干涉光谱，如图4所示。

干涉信号的周期与螺旋环圈5位置有关，即光信号收发装置6与螺旋环圈5距离与干涉光谱某一频率附近相邻两个级次波长差具有对应关系：

                                                                         

L为光信号收发装置6与螺旋环圈5距离，为两相邻级次波长差，分别为两个相邻级次波长。图5为图4几种情况下得到的光谱干涉条纹周期与转动角度对应关系图，可见，当转动不同角度时，光信号收发装置6与螺旋环圈5的距离发生了相应改变，从而产生了不同的干涉条纹周期，根据干涉条纹周期即可换算出风向角度。首先，按照图2所示组装传感器探头，将光纤收发装置固定好，按照图1所示完成解调装置，通过光缆连接探头。

螺旋环圈5底面为圆柱螺旋线，当螺旋环圈5跟随转轴4转动时，光信号收发装置6如图2所示安装在螺旋环圈5下面，并调整使其与螺旋环圈5下表面垂直，与螺旋环圈5的距离随螺旋环圈5的转动而改变，也符合螺旋公式：

。这里L为光信号收发装置6与螺旋环圈5底面的垂直距离；为光信号收发装置6与螺旋环圈5端面的偏移量设置，用于设置最小偏移距离；螺旋环圈5旋转到每一个角度均会有唯一的L值与其对应，因此可以通过计算L值来计算旋转的角度。

选择某一角度作为标准角度（例如可以选择某一位置为正北向），记录此时的干涉光谱条纹间距；转动尾翼1，尾翼1带动转轴4及螺旋环圈5转动，使得螺旋环圈5与光信号收发装置距离L改变，L改变后，导致干涉光谱的干涉条纹间距发生变化，记录此时的角度及干涉条纹间距；再转动尾翼1，记录角度和干涉条纹间距；依次类推，直至完成360度标定实验，此时将角度与干涉条纹间距的关系公式计算出来，作为解调传感时的反推公式。

安装调试完系统和传感器后，按照将标准角度调整好传感器方位，系统开始工作。解调系统如图1所示光谱仪会读出光谱，该光谱为干涉光谱，如图4所示，计算机将光谱仪干涉光谱读入计算机并计算出干涉条纹间距，根据标定好的干涉条纹间距与方位角度的对应关系计算出此时传感器的方位角，即风向。

如图5所示，该图为本专利实际设计某一传感器的标定曲线图，图中可以看出，每一个角度均对应了一个唯一的干涉条纹周期值，标定完成后，设定0度角为正北方向，当风向发生改变时，螺旋环圈5与光信号收发装置6距离L发生改变，引起干涉周期发生改变，解调仪上读出的干涉周期发生改变，从而可以对应到角度发生的改变量从而实现了风向测量。

如图6所示为风向仪实际实验测试数据图，图中横坐标为理论值，纵轴为实际测量值，图中显示公式为线性曲线拟合公式及其测量误差值，通过数据可以看出，实际测量值基本上与理想值吻合，测量误差非常小，精度高。

Claims (8)

1.一种光纤干涉式风向仪探头，它包括设置于转轴上的轴承，其特征是在轴承外圈设置有固定在基座上的轴套，轴套与转轴保持相对转动，在轴套上设置光信号收发装置，在转轴上设置有螺旋环圈，在螺旋环圈上与光信号收发装置相对应设置有反光面；反光面与光信号收发装置光线出射方向垂直；反射面到光收发装置的距离在旋转一周内均有一个唯一对应的值，并且这个值随着角度的旋转在0-360度范围内是由低到高或者由高到低单调函数变化。

2.根据权利要求1所述的光纤干涉式风向仪探头，其特征是所述螺旋环圈为圆柱螺旋线状。

3.根据权利要求1所述的光纤干涉式风向仪探头，其特征是光信号收发装置为带有保护套管的光纤，光纤端面为一平面。

4.根据权利要求1所述的光纤干涉式风向仪探头，其特征是转轴与尾翼和风向杆连接。

5.一种光纤干涉式风向仪，其特征是它包括连接激光器和光纤干涉式风向仪探头的光纤耦合器，光纤干涉式风向仪探头返回的光信号原路经过光缆和光纤耦合器进入到光谱仪，光谱仪采集光谱，并将光谱转变为电信号送给计算机；所述光纤干涉式风向仪探头包括设置于转轴上的轴承，在轴承外圈设置有固定在基座上的轴套，轴套与转轴保持相对转动，在轴套上设置光信号收发装置，在转轴上设置有螺旋环圈，在螺旋环圈上与光信号收发装置相对应设置有反光面；调整光信号收发装置的方向和位置，使光信号收发装置光线出射方向与反光面垂直；反射面到光收发装置的距离在旋转一周内均有一个唯一对应的值，并且这个值随着角度的旋转在0-360度范围内是由低到高或者由高到低单调函数变化。

6.根据权利要求5所述的光纤干涉式风向仪，其特征是所述螺旋环圈为圆柱螺旋线。

7.根据权利要求5所述的光纤干涉式风向仪，其特征是光信号收发装置为带有保护套管的光纤，光纤端面为一平面。

8.根据权利要求5所述的光纤干涉式风向仪，其特征是转轴与尾翼和风向杆连接。

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