CN103076463A - 一种风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器 - Google Patents

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CN103076463A CN2013100018373A CN201310001837A CN103076463A CN 103076463 A CN103076463 A CN 103076463A CN 2013100018373 A CN2013100018373 A CN 2013100018373A CN 201310001837 A CN201310001837 A CN 201310001837A CN 103076463 A CN103076463 A CN 103076463A
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Abstract

本发明涉及一种风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器，属于光电子测量技术领域。三个风杯互成120°角，1#风杯中心轴线垂直于正北方；三个风杯侧棱开槽至风杯中心，并在风杯中心处分别与三个等强度悬臂梁自由端连接，三个等强度悬臂梁采用螺旋上升式固定于凸台上半部，每两个光栅耦合后分别对称粘贴于每个等强度悬臂梁正反表面的中心轴线上，6支光纤Bragg光栅通过输入输出光纤在凸台底座内耦合，最后输入输出光纤连接于光纤光栅信号解调仪。本发明利用光纤光栅信息材料体积小、抗电磁干扰和使用寿命长等特殊物理属性，实现风荷载警报控制单位的风速风向实时在线监测，抗干扰性强，准确度高。

Description

一种风杯式光纤 Bragg 光栅风速风向传感器
技术领域
本发明涉及一种风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器，属于光电子测量技术领域。
背景技术
风速和风向参数是所有气象观测的基本要素中随时间变化最剧烈且最重要的要素之一，在航空航天、工农业生产和气象等领域应用广泛。目前世界上风速风向传感器种类众多，按输出量来分，风速传感器主要有脉冲计数、模拟量、偏转角、数字信号等，风向传感器主要有开关量、模拟量、格雷码等，这些传感器涉及到的测量方法主要包括旋转、压力、热线、漩涡和声学等。而在实际使用中发现这些传感器在抗电磁干扰、电绝缘性能、维护周期、抗环境温度干扰、机械性能、测量间隔、通信信号稳定性等方面普遍存在问题。
与本发明接近的技术是输电线路覆冰监测用光纤布拉格光栅风速传感器及系统（参见文献：李成榕，马国明，“输电线路覆冰监测用光纤布拉格光栅风速传感器及系统”，发明专利说明书，2010年12月，申请号：201010621828.0，申请公布号：CN102175888A）。该发明采用平面受压板、直线轴承、悬臂梁和光纤光栅的结构，及4个传感器按正交坐标系处于同一水平面的布置方式对风速风向进行测量。由于采用平板结构，风阻由受压板到悬臂梁的传递易受风速、风向及风内杂质的影响；采用直线轴承结构及正交坐标系的布置方式，传感器受轴承摩擦力影响所产生的迟滞较大，存在卡滞现象隐患，传感器测量精度和灵敏度较低；4个传感器按正交坐标系的方式布置于同一水平面，互相遮挡，每个风杯在测量时都会受其它风杯产生的尾流影响，传感器测量精度和灵敏度受空气湍流的影响较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器，利用光纤光栅信息材料体积小、成本低、非电量传感传输、高精度、抗电磁干扰和使用寿命长等特殊物理属性，实现铁路港口装卸机械、高层建筑、塔吊、大桥、机场、电厂、铁塔、矿山、高层设备、船舶、气象等风荷载警报控制单位的风速风向实时在线监测，抗干扰性强，准确度高。
为实现本发明的上述目的，所采取的技术方案是：风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器由2#光纤Bragg光栅1、1#等强度悬臂梁2、3#光纤Bragg光栅3、2#风杯4、4#光纤Bragg光栅5、1#风杯6、插槽7、防风罩顶端长方形开口8、1#光纤Bragg光栅9、防风罩10、凸台底座11、凸台上半部12、光纤引出孔13、咬合式压片14、6#光纤Bragg光栅15、3#风杯16、5#光纤Bragg光栅17、2#等强度悬臂梁固定螺纹孔18、1#等强度悬臂梁固定螺纹孔19、3#等强度悬臂梁固定螺纹孔20、弹簧式压片21、固定螺栓22、风杯反面23、风杯正面24、风杯侧棱25、输入输出光纤26、2#等强度悬臂梁27和3#等强度悬臂梁28组成，1#风杯6、2#风杯4和3#风杯16互成120°角，1#风杯6中心轴线垂直于正北方；1#风杯6、2#风杯4和3#风杯16的风杯侧棱25开槽至风杯中心，并在风杯中心处分别与三个等强度悬臂梁自由端连接，1#等强度悬臂梁2、2#等强度悬臂梁27和3#等强度悬臂梁28采用螺旋上升式通过固定螺栓22和弹簧式压片21固定于凸台上半部12，1#光纤Bragg光栅9、2#光纤Bragg光栅1耦合后对称粘贴于1#等强度悬臂梁2正反表面的中心轴线上，3#光纤Bragg光栅3、4#光纤Bragg光栅5耦合后对称粘贴于2#等强度悬臂梁27的正反表面中心轴线上，5#光纤Bragg光栅17、6#光纤Bragg光栅15耦合后对称粘贴于3#等强度悬臂梁28的正反表面中心轴线上，3个等强度悬臂梁的6支光纤Bragg光栅通过输入输出光纤26在凸台底座11内耦合，输入输出光纤26通过咬合式压片14固定于凸台底座11上，最后输入输出光纤26经光纤引出孔13连接于光纤光栅信号解调仪。
1#光纤Bragg光栅9、3#光纤Bragg光栅3和5#光纤Bragg光栅17为测量光栅，2#光纤Bragg光栅1、4#光纤Bragg光栅5和6#光纤Bragg光栅15为温补光栅。
输入输出光纤26由绝缘耐压耐高温材质封装。
防风罩10套在等强度悬臂梁上，不与悬臂梁接触，由螺栓22和弹簧压片21固定于凸台上半部12，且防风罩10顶端处留有长方形开口8。
1#风杯6、2#风杯4和3#风杯16均为正反双凹球面式，每个风杯的正反两个球面中心轴线与水平面平行。
本发明的使用过程：3个风杯将受到的风阻分别传递到等强度悬臂梁的自由端，风阻引起粘贴在等强度悬臂梁正反表面中心轴线上的光纤Bragg光栅发生波长移位，分别测出3组光纤Bragg光栅波长移位量
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE003
，利用公式：
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE004
，计算出风向角的正切值
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，再根据反三角函数公式计算出风向角
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE006
，最后代人
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，求得风速值
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE008
，可以实现对风速和风向同时进行实时监测，其中,
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为1#风杯的光纤Bragg光栅中心波长，
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE010
为2#风杯的光纤Bragg光栅中心波长，
Figure 110360DEST_PATH_IMAGE001
为1#风杯的光纤Bragg光栅中心波长移位量，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为2#风杯的光纤Bragg光栅中心波长移位量，
Figure 715654DEST_PATH_IMAGE008
为风速，
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE012
为等强度悬臂梁的杨氏模量，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为等强度悬臂梁固定端宽度，
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE014
为等强度悬臂梁厚度，为等强度悬臂梁长度，
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE016
为光纤有效弹-光系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为风杯阻尼系数，
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE018
为风杯的杯口投影面积，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为空气密度。
在利用公式
Figure 304340DEST_PATH_IMAGE004
进行求解过程中，分⒜~⒦情况进行分析：
⒜ 根据
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE022
判断
Figure DEST_PATH_IMAGE023
；
⒝ 根据
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 247894DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 961773DEST_PATH_IMAGE022
判断0°~ 60°，根据
Figure 7089DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 529862DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE026
判断60°~ 90°，具体角度可由公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
计算；
⒞ 根据、
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 353647DEST_PATH_IMAGE022
判断
Figure DEST_PATH_IMAGE029
；
⒟ 根据
Figure 682997DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 944214DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 409831DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE030
判断90°~ 120°，具体角度可由公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE031
计算；
⒠ 根据
Figure 808056DEST_PATH_IMAGE024
、、
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE032
判断
Figure DEST_PATH_IMAGE033
；
⒡ 根据、、
Figure DEST_PATH_IMAGE035
判断120°~ 180°，根据
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 134367DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 626528DEST_PATH_IMAGE035
判断180°~ 240°，具体角度可由公式：
Figure 667821DEST_PATH_IMAGE031
计算；
⒢ 根据
Figure 270841DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 914312DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 311795DEST_PATH_IMAGE035
判断
Figure DEST_PATH_IMAGE037
；
⒣ 根据
Figure 165350DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 244165DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 804459DEST_PATH_IMAGE035
判断；
⒤ 根据
Figure 372844DEST_PATH_IMAGE036
、、
Figure 599130DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 13931DEST_PATH_IMAGE026
判断240°~ 270°，具体角度可由公式：
Figure 956479DEST_PATH_IMAGE031
计算；
⒥ 根据
Figure 519048DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 1981DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 474551DEST_PATH_IMAGE032
判断
Figure DEST_PATH_IMAGE039
；
⒦ 根据
Figure 447055DEST_PATH_IMAGE036
、、
Figure 658911DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 51233DEST_PATH_IMAGE030
判断270°~ 300°，根据
Figure 397901DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 810428DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 635164DEST_PATH_IMAGE022
判断300°~ 360°，具体角度可由公式：
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE040
计算。
当风向角
Figure DEST_PATH_IMAGE041
时，计算风速的公式
Figure 941381DEST_PATH_IMAGE007
采用
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE042
替换。
本发明的有益效果是：
1、本发明在设计时充分考虑了传感器的性能指标，采用正反双凹球面式风杯，风阻由风杯到等强度悬臂梁的传递受风速、风向及风内杂质的影响较小；传感器通过3个等强度悬臂梁采用非旋转式的形变测量方式，没有轴承，极大地减小迟滞，排除了卡滞现象隐患，传感信号针对风压的跟随性较好；3个风杯互成120°角，通过3个等强度悬臂梁螺旋上升式分布于凸台上半部，互不遮挡，使每个风杯都不受其他风杯产生的尾流影响。
2、采用双凹球面式风杯、防风罩、光纤光栅传感元件、等强度悬臂梁及非旋转式无轴承的形变测量方式，且输入输出光纤由绝缘耐压耐高温材质封装，并通过螺栓和咬合压片固定于凸台底座上，减小了沙石、冰雪等恶劣天气因素对传感器风速风向测量的影响。
3、本发明只采用了3个风杯、3个等强度悬臂梁、6支光纤光栅传感元件及其特殊结构设计，就完成了各种气候条件下风速风向的同时准确监测。
4、本发明设计的风速风向传感器，除了利用光纤Bragg光栅质轻、柔韧、体积小、成本低、非电量传感传输、波分复用、高精度、电绝缘、抗电磁干扰和使用寿命长等特殊物理属性，还可以通过改变等强度悬臂梁的特性指标（比如：长度、厚度和固定端宽度）以及传感器的尺寸、附加封装及放置方式等来调整传感器的具体性能指标，提高了传感器在各种风力测量场合的适用性。
附图说明
图1 为本发明的结构俯视图；
图2 为本发明的凸台支架结构侧面剖视图；
图3 为本发明的凸台上半部结构俯视图；
图4 为本发明的正反双凹球面式风杯结构侧面剖视图；
图5 为风向分布示意图。
图中：1-2#光纤Bragg光栅、2-1#等强度悬臂梁、3-3#光纤Bragg光栅、4-2#风杯、5-4#光纤Bragg光栅、6-1#风杯、7-插槽、8-防风罩顶端长方形开口、9-1#光纤Bragg光栅、10-防风罩、11-凸台底座、12-凸台上半部、13-光纤引出孔、14-咬合式压片、15-6#光纤Bragg光栅、16-3#风杯、17-5#光纤Bragg光栅、18-2#等强度悬臂梁固定螺纹孔、19-1#等强度悬臂梁固定螺纹孔、20-3#等强度悬臂梁固定螺纹孔、21-弹簧式压片、22-固定螺栓、23-风杯反面、24-风杯正面、25-风杯侧棱、26-输入输出光纤、27-2#等强度悬臂梁、28-3#等强度悬臂梁。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，以方便技术人员理解。
如图1、2、3所示：风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器由2#光纤Bragg光栅1、1#等强度悬臂梁2、3#光纤Bragg光栅3、2#风杯4、4#光纤Bragg光栅5、1#风杯6、插槽7、防风罩顶端长方形开口8、1#光纤Bragg光栅9、防风罩10、凸台底座11、凸台上半部12、光纤引出孔13、咬合式压片14、6#光纤Bragg光栅15、3#风杯16、5#光纤Bragg光栅17、2#等强度悬臂梁固定螺纹孔18、1#等强度悬臂梁固定螺纹孔19、3#等强度悬臂梁固定螺纹孔20、弹簧式压片21、固定螺栓22、风杯反面23、风杯正面24、风杯侧棱25、输入输出光纤26、2#等强度悬臂梁27和3#等强度悬臂梁28组成，1#风杯6、2#风杯4和3#风杯16互成120°角，1#风杯6中心轴线垂直于正北方；1#风杯6、2#风杯4和3#风杯16的风杯侧棱25开槽至风杯中心，并在风杯中心处分别与三个等强度悬臂梁自由端连接，1#等强度悬臂梁2、2#等强度悬臂梁27和3#等强度悬臂梁28采用螺旋上升式通过固定螺栓22和弹簧式压片21固定于凸台上半部12，1#光纤Bragg光栅9、2#光纤Bragg光栅1耦合后对称粘贴于1#等强度悬臂梁2正反表面的中心轴线上，3#光纤Bragg光栅3、4#光纤Bragg光栅5耦合后对称粘贴于2#等强度悬臂梁27的正反表面中心轴线上，5#光纤Bragg光栅17、6#光纤Bragg光栅15耦合后对称粘贴于3#等强度悬臂梁28的正反表面中心轴线上，3个等强度悬臂梁的6支光纤Bragg光栅通过输入输出光纤26在凸台底座11内耦合，输入输出光纤26通过咬合式压片14固定于凸台底座11上，最后输入输出光纤26经光纤引出孔13连接于光纤光栅信号解调仪。
1#光纤Bragg光栅9、3#光纤Bragg光栅3和5#光纤Bragg光栅17为测量光栅，2#光纤Bragg光栅1、4#光纤Bragg光栅5和6#光纤Bragg光栅15为温补光栅。
输入输出光纤26由绝缘耐压耐高温材质封装。
防风罩10套在等强度悬臂梁上，不与悬臂梁接触，由螺栓22和弹簧压片21固定于凸台上半部12，且防风罩10顶端处留有长方形开口8。
如图4所示：1#风杯6、2#风杯4和3#风杯16均为正反双凹球面式，每个风杯的正反两个球面中心轴线与水平面平行。
本发明的使用过程：3个风杯将受到的风阻分别传递到等强度悬臂梁的自由端，风阻引起粘贴在等强度悬臂梁正反表面中心轴线上的光纤Bragg光栅发生波长移位，分别测出3组光纤Bragg光栅波长移位量、
Figure 483407DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 49517DEST_PATH_IMAGE003
，利用公式：
Figure 139134DEST_PATH_IMAGE004
，计算出风向角的
Figure 827604DEST_PATH_IMAGE005
，再根据反三角函数公式计算出风向角，最后代人
Figure 381263DEST_PATH_IMAGE007
，求得风速值
Figure 599754DEST_PATH_IMAGE008
，可以实现对风速和风向同时进行实时监测，其中,
Figure 459126DEST_PATH_IMAGE009
为1#风杯的光纤Bragg光栅中心波长，为2#风杯的光纤Bragg光栅中心波长，
Figure 303771DEST_PATH_IMAGE001
为1#风杯的光纤Bragg光栅中心波长移位量，
Figure 376769DEST_PATH_IMAGE011
为2#风杯的光纤Bragg光栅中心波长移位量，
Figure 407042DEST_PATH_IMAGE008
为风速，
Figure 568421DEST_PATH_IMAGE012
为等强度悬臂梁的杨氏模量，
Figure 76762DEST_PATH_IMAGE013
为等强度悬臂梁固定端宽度，为等强度悬臂梁厚度，
Figure 408704DEST_PATH_IMAGE015
为等强度悬臂梁长度，
Figure 54449DEST_PATH_IMAGE016
为光纤有效弹-光系数，
Figure 366481DEST_PATH_IMAGE017
为风杯阻尼系数，为风杯的杯口投影面积，为空气密度。
本发明技术的数学推导如下：
空气密度的表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE043
（1）
公式（1）中，
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE044
为实际大气压，为标准物理大气压，
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE046
为实际绝对温度（绝对温度=摄氏温度+273.15），通常情况下，即20摄氏度时，
Figure 46752DEST_PATH_IMAGE019
取1.205kg/m3。
1#风杯受到风产生的压力用风速表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE047
（2）
2#风杯受到风产生的压力用风速表示为：
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE048
（3）
公式（2）、（3）中，
Figure 224792DEST_PATH_IMAGE008
为风速，
Figure 126889DEST_PATH_IMAGE017
为阻尼系数，
Figure 669866DEST_PATH_IMAGE018
为风杯的杯口投影面积，为风向角。
等强度悬臂梁的截面为矩形，其截面惯性矩为：
（4）
公式（4）中，
Figure 944038DEST_PATH_IMAGE013
为等强度悬臂梁固定端宽度，
Figure 703571DEST_PATH_IMAGE014
为等强度悬臂梁厚度。
等强度悬臂梁自由端受集中荷载作用时，自由端最大挠度为：
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE050
（5）
公式（5）中，
Figure DEST_PATH_IMAGE051
为等强度悬臂梁自由端受力，
Figure 479766DEST_PATH_IMAGE015
为等强度悬臂梁长度，
Figure 587400DEST_PATH_IMAGE012
为等强度悬臂梁的杨氏模量。
等强度悬臂梁上各点应变与挠度的关系为：
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE052
（6）
光纤Bragg光栅中心波长移位量公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE053
（7）
公式（7）中，
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE054
为光纤Bragg光栅的中心波长，
Figure DEST_PATH_IMAGE055
为波长移位量，
Figure 231877DEST_PATH_IMAGE016
为光纤有效弹-光系数，为轴向应变量，
Figure DEST_PATH_IMAGE057
为光纤热膨胀系数，为光纤热光系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE059
为温度变化量。
由于等强度悬臂梁正反表面应变大小相同方向相反，选取粘贴于等强度悬臂梁正反表面的光纤Bragg光栅中心波长
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE060
≈
Figure DEST_PATH_IMAGE061
=
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE062
，则悬臂梁正反表面光纤Bragg光栅中心波长移位量之差为：
Figure DEST_PATH_IMAGE063
（8）
将公式（1）~（6）带入公式（8）得1#、2#风杯的光纤Bragg光栅中心波长移位量与风速风向角关系为：
（9）
Figure DEST_PATH_IMAGE065
（10）
根据公式（9）~（10），利用三角函数公式，求得风向角正切值为：
（11）
由于1#风杯中心轴线垂直于正北方，且1#光纤Bragg光栅、3#光纤Bragg光栅和5#光纤Bragg光栅为测量光栅，2#光纤Bragg光栅、4#光纤Bragg光栅和6#光纤Bragg光栅为温补光栅，则顺时针方向为风向角
Figure 259642DEST_PATH_IMAGE006
的正方向，0°或360°为北风，90°为东风，180°为南风，270°为西风。3个等强度悬臂梁的光纤Bragg光栅中心波长移位量（分别为
Figure 526675DEST_PATH_IMAGE001
、、
Figure 253508DEST_PATH_IMAGE003
）将随风向变化而改变，在利用公式
Figure 574768DEST_PATH_IMAGE004
进行求解过程中，分⒜~⒦情况进行分析：
⒜ 根据、、判断
Figure 940710DEST_PATH_IMAGE023
；
⒝ 根据
Figure 182336DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 785356DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 228494DEST_PATH_IMAGE022
判断0°~ 60°，根据、
Figure 354899DEST_PATH_IMAGE025
、、
Figure 321904DEST_PATH_IMAGE026
判断60°~ 90°，具体角度可由公式：
Figure 890288DEST_PATH_IMAGE027
计算；
⒞ 根据
Figure 106506DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 51328DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 466129DEST_PATH_IMAGE022
判断
Figure 205415DEST_PATH_IMAGE029
；
⒟ 根据、
Figure 394792DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 664100DEST_PATH_IMAGE022
、判断90°~ 120°，具体角度可由公式：
Figure 765097DEST_PATH_IMAGE031
计算；
⒠ 根据
Figure 51722DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 441115DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 725465DEST_PATH_IMAGE032
判断
Figure 934730DEST_PATH_IMAGE033
；
⒡ 根据
Figure 25046DEST_PATH_IMAGE034
、、
Figure 724197DEST_PATH_IMAGE035
判断120°~ 180°，根据
Figure 677548DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 305975DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 342065DEST_PATH_IMAGE035
判断180°~ 240°，具体角度可由公式：
Figure 30535DEST_PATH_IMAGE031
计算；
⒢ 根据
Figure 214392DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 646510DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 802685DEST_PATH_IMAGE035
判断
Figure 662056DEST_PATH_IMAGE037
；
⒣ 根据
Figure 333209DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 303439DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 314120DEST_PATH_IMAGE035
判断
Figure 347323DEST_PATH_IMAGE038
；
⒤ 根据
Figure 505772DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 279693DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 410460DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 611634DEST_PATH_IMAGE026
判断240°~ 270°，具体角度可由公式：计算；
⒥ 根据
Figure 569412DEST_PATH_IMAGE036
、、
Figure 926761DEST_PATH_IMAGE032
判断
Figure 794223DEST_PATH_IMAGE039
；
⒦ 根据、
Figure 752656DEST_PATH_IMAGE021
、、
Figure 915970DEST_PATH_IMAGE030
判断270°~ 300°，根据、
Figure 529671DEST_PATH_IMAGE021
、判断300°~ 360°，具体角度可由公式：
Figure 85603DEST_PATH_IMAGE040
计算。
根据式（9）~（10）得风速与光纤Bragg光栅中心波长移位量及风向角的关系为：
Figure 480812DEST_PATH_IMAGE007
（12）
Figure 357501DEST_PATH_IMAGE042
（13）
将风向角
Figure 242281DEST_PATH_IMAGE006
值带入公式（12）~（13）（当
Figure 509314DEST_PATH_IMAGE041
时，将
Figure 773461DEST_PATH_IMAGE006
带入公式（13）），可得风速值。
式（11）~（13）表明了风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器所受到的风速和风向与光纤Bragg光栅中心波长移位量之间的数学模型，通过测量 3 组光纤Bragg光栅的中心波长移位量，可以同时实现对风速和风向进行实时监测。
在具体实施中，空气密度（20℃，标准大气压）
Figure 560337DEST_PATH_IMAGE019
=1.205kg/m3，风杯尺寸：杯口投影面积
Figure 314667DEST_PATH_IMAGE018
=0.0314m2，实验测得的阻尼系数
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE066
=0.529，等强度悬臂梁尺寸：45#钢，杨氏弹性模量
Figure 441891DEST_PATH_IMAGE012
=210GPa，固定端宽度
Figure 27594DEST_PATH_IMAGE013
=0.10m，厚度
Figure 191859DEST_PATH_IMAGE014
=0.001m，等强度悬臂梁长度
Figure 495801DEST_PATH_IMAGE015
=0.20m，光纤Bragg光栅技术参数：有效弹-光系数
Figure DEST_PATH_IMAGE067
=0.22，1#和2#光纤Bragg光栅中心波长
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE068
≈
Figure DEST_PATH_IMAGE069
=
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE070
=1550.00nm，3#和4#光纤Bragg光栅中心波长
Figure DEST_PATH_IMAGE071
≈
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE072
==1553.00nm，5#和6#光纤Bragg光栅中心波长
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE074
≈
Figure DEST_PATH_IMAGE075
=
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE076
=1556.00nm，按附图1配置实验，用光纤光栅分析仪获取光纤Bragg光栅的Bragg波长，根据式（11）~（13），理论计算有光纤Bragg光栅解调仪的波长分辨率为1pm。
实施例1：
当传感器测得光纤Bragg光栅移位量
Figure 612004DEST_PATH_IMAGE001
=0.001nm、
Figure 989896DEST_PATH_IMAGE002
=0.001nm、
Figure 655888DEST_PATH_IMAGE022
时，将数据带入公式（11），求得风向角正切值为：
Figure DEST_PATH_IMAGE077
= 0.578
根据反三角函数计算得风向角：
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE078
=
Figure DEST_PATH_IMAGE079
=30.03°
将风向角
Figure 306181DEST_PATH_IMAGE006
=30°及传感器各种参量带入公式（12），求得风速为：
Figure 2013100018373100002DEST_PATH_IMAGE080
=1.20 m/s。
实施例2：
当传感器测得光纤Bragg光栅移位量=0.096nm、=0.424nm、
Figure 841571DEST_PATH_IMAGE022
时，计算得风向角=10.01°、风速
Figure 802278DEST_PATH_IMAGE008
=19.99m/s。
实施例3：
当传感器测得光纤Bragg光栅移位量当
Figure 154762DEST_PATH_IMAGE001
=0.519nm、= -0.424nm、
Figure 659879DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 346075DEST_PATH_IMAGE030
时，计算得风向角
Figure 615382DEST_PATH_IMAGE006
=110.01°、风速
Figure 791149DEST_PATH_IMAGE008
=19.99m/s。
实施例4：
当传感器测得光纤Bragg光栅移位量
Figure 778696DEST_PATH_IMAGE001
= -0.136nm、
Figure 3004DEST_PATH_IMAGE002
=0.089nm、
Figure DEST_PATH_IMAGE081
时，计算得风向角
Figure 454714DEST_PATH_IMAGE006
=280.03°、风速
Figure 538732DEST_PATH_IMAGE008
=9.99m/s。
计算结果表明，该风速风向传感器具有高测量分辨率（通过改变等强度悬臂梁的特性指标、传感器的尺寸、附加封装及放置方式等也可以调整传感器的具体性能指标），测量误差小，重复性好等优点。
本发明是通过具体实施过程进行说明的，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明专利进行各种变换及等同代替，因此，本发明专利不局限于所公开的具体实施过程，而应当包括落入本发明专利权利要求范围内的全部实施方案。

Claims (8)

1.一种风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器，其特征是：所述风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器由2#光纤Bragg光栅（1）、1#等强度悬臂梁（2）、3#光纤Bragg光栅（3）、2#风杯（4）、4#光纤Bragg光栅（5）、1#风杯（6）、插槽（7）、防风罩顶端长方形开口（8）、1#光纤Bragg光栅（9）、防风罩（10）、凸台底座（11）、凸台上半部（12）、光纤引出孔（13）、咬合式压片（14）、6#光纤Bragg光栅（15）、3#风杯（16）、5#光纤Bragg光栅（17）、2#等强度悬臂梁固定螺纹孔（18）、1#等强度悬臂梁固定螺纹孔（19）、3#等强度悬臂梁固定螺纹孔（20）、弹簧式压片（21）、固定螺栓（22）、风杯反面（23）、风杯正面（24）、风杯侧棱（25）、输入输出光纤（26）、2#等强度悬臂梁（27）和3#等强度悬臂梁（28）组成，1#风杯（6）、2#风杯（4）和3#风杯（16）互成120°角， 1#风杯（6）中心轴线垂直于正北方；1#风杯（6）、2#风杯（4）和3#风杯（16）的风杯侧棱（25）开槽至风杯中心，并在风杯中心处分别与三个等强度悬臂梁自由端连接，1#等强度悬臂梁（2）、2#等强度悬臂梁（27）和3#等强度悬臂梁（28）采用螺旋上升式通过固定螺栓（22）和弹簧式压片（21）固定于凸台上半部（12），1#光纤Bragg光栅（9）、2#光纤Bragg光栅（1）耦合后对称粘贴于1#等强度悬臂梁（2）正反表面的中心轴线上，3#光纤Bragg光栅（3）、4#光纤Bragg光栅（5）耦合后对称粘贴于2#等强度悬臂梁（27）的正反表面中心轴线上，5#光纤Bragg光栅（17）、6#光纤Bragg光栅（15）耦合后对称粘贴于3#等强度悬臂梁（28）的正反表面中心轴线上，3个等强度悬臂梁的6支光纤Bragg光栅通过输入输出光纤（26）在凸台底座（11）内耦合，输入输出光纤（26）通过咬合式压片（14）固定于凸台底座（11）上，最后输入输出光纤（26）经光纤引出孔（13）连接于光纤光栅信号解调仪。
2.按照权利要求1所述的一种风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器，其特征是：1#光纤Bragg光栅（9）、3#光纤Bragg光栅（3）和5#光纤Bragg光栅（17）为测量光栅，2#光纤Bragg光栅（1）、4#光纤Bragg光栅（5）和6#光纤Bragg光栅（15）为温补光栅。
3.按照权利要求1所述的风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器，其特征是：输入输出光纤（26）由绝缘耐压耐高温材质封装。
4.按照权利要求1所述的一种风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器，其特征是：防风罩（10）套在等强度悬臂梁上，不与悬臂梁接触，由螺栓（22）和弹簧压片（21）固定于凸台上半部（12），且防风罩（10）顶端处留有长方形开口（8）。
5.按照权利要求1所述的一种风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器，其特征是：1#风杯（6）、2#风杯（4）和3#风杯（16）均为正反双凹球面式，每个风杯的正反两个球面中心轴线与水平面平行。
6.按照权利要求1所述的一种风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器，其特征是：3个风杯将受到的风阻分别传递到等强度悬臂梁的自由端，风阻引起粘贴在等强度悬臂梁正反表面中心轴线上的光纤Bragg光栅发生波长移位，分别测出3组光纤Bragg光栅波长移位量
Figure 282391DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 2013100018373100001DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 315376DEST_PATH_IMAGE003
，利用公式：，计算出风向角的正切值
Figure 157430DEST_PATH_IMAGE005
，再根据反三角函数公式计算出风向角
Figure 2013100018373100001DEST_PATH_IMAGE006
，最后代入
Figure 677273DEST_PATH_IMAGE007
，求得风速值
Figure 2013100018373100001DEST_PATH_IMAGE008
，可以实现对风速和风向同时进行实时监测，其中,
Figure 553962DEST_PATH_IMAGE009
为1#风杯的光纤Bragg光栅中心波长，为2#风杯的光纤Bragg光栅中心波长，
Figure 438742DEST_PATH_IMAGE001
为1#风杯的光纤Bragg光栅中心波长移位量，为2#风杯的光纤Bragg光栅中心波长移位量，为风速，
Figure 2013100018373100001DEST_PATH_IMAGE012
为等强度悬臂梁的杨氏模量，
Figure 763434DEST_PATH_IMAGE013
为等强度悬臂梁固定端宽度，
Figure 2013100018373100001DEST_PATH_IMAGE014
为等强度悬臂梁厚度，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为等强度悬臂梁长度，
Figure 2013100018373100001DEST_PATH_IMAGE016
为光纤有效弹-光系数，为风杯阻尼系数，为风杯的杯口投影面积，
Figure 822712DEST_PATH_IMAGE019
为空气密度。
7.按照权利要求5所述的一种风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器，其特征是：在利用公式
Figure 559724DEST_PATH_IMAGE004
进行求解过程中，分⒜~⒦情况进行分析：
⒜ 根据
Figure 2013100018373100001DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 210672DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 2013100018373100001DEST_PATH_IMAGE022
判断；
⒝ 根据
Figure 2013100018373100001DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 69093DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 406533DEST_PATH_IMAGE022
判断0°~ 60°，根据、
Figure 447487DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 238726DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 2013100018373100001DEST_PATH_IMAGE026
判断60°~ 90°，具体角度可由公式：
Figure 379857DEST_PATH_IMAGE027
计算；
⒞ 根据
Figure 943081DEST_PATH_IMAGE024
、、
Figure 839362DEST_PATH_IMAGE022
判断
Figure 790000DEST_PATH_IMAGE029
；
⒟ 根据
Figure 734823DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 149624DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 92172DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 2013100018373100001DEST_PATH_IMAGE030
判断90°~ 120°，具体角度可由公式：
Figure 654740DEST_PATH_IMAGE031
计算；
⒠ 根据
Figure 137674DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 610244DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 2013100018373100001DEST_PATH_IMAGE032
判断
Figure 862975DEST_PATH_IMAGE033
；
⒡ 根据
Figure 2013100018373100001DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 850523DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 137148DEST_PATH_IMAGE035
判断120°~ 180°，根据、、
Figure 607629DEST_PATH_IMAGE035
判断180°~ 240°，具体角度可由公式：
Figure 82473DEST_PATH_IMAGE031
计算；
⒢ 根据
Figure 172789DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 419618DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 609291DEST_PATH_IMAGE035
判断；
⒣ 根据
Figure 199858DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 501527DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 986735DEST_PATH_IMAGE035
判断
Figure 2013100018373100001DEST_PATH_IMAGE038
；
⒤ 根据
Figure 436170DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 868289DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 886448DEST_PATH_IMAGE035
、判断240°~ 270°，具体角度可由公式：
Figure 416972DEST_PATH_IMAGE031
计算；
⒥ 根据、
Figure 725780DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 756053DEST_PATH_IMAGE032
判断
Figure 914501DEST_PATH_IMAGE039
；
⒦ 根据
Figure 626106DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 553610DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 757714DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 403459DEST_PATH_IMAGE030
判断270°~ 300°，根据
Figure 653175DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 700765DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 72841DEST_PATH_IMAGE022
判断300°~ 360°，具体角度可由公式：
Figure 2013100018373100001DEST_PATH_IMAGE040
计算。
8.按照权利要求6所述的一种风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器，其特征是：当风向角
Figure 205882DEST_PATH_IMAGE041
时，计算风速的公式
Figure 321605DEST_PATH_IMAGE007
采用
Figure 2013100018373100001DEST_PATH_IMAGE042
替换。
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