CN103076463B

CN103076463B - 一种风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器

Info

Publication number: CN103076463B
Application number: CN201310001837.3A
Authority: CN
Inventors: 李川; 李晓龙; 王达达; 张少泉; 陈云; 刘杨; 周亚平
Original assignee: Kunming University of Science and Technology; Yunnan Electric Power Experimental Research Institute Group Co Ltd of Electric Power Research Institute
Current assignee: Kunming University of Science and Technology; Yunnan Electric Power Experimental Research Institute Group Co Ltd of Electric Power Research Institute
Priority date: 2013-01-05
Filing date: 2013-01-05
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2033-01-05
Also published as: CN103076463A

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、、，利用公式：，计算出风向角的正切值，再根据反三角函数公式计算出风向角，最后代人，求得风速值，可以实现对风速和风向同时进行实时监测，其中,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，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，为等强度悬臂梁的杨氏模量，为等强度悬臂梁固定端宽度，为等强度悬臂梁厚度，为等强度悬臂梁长度，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，为空气密度。

在利用公式进行求解过程中，分⒜~⒦情况进行分析：

⒜ 根据、、判断；

⒝ 根据、、判断0°~ 60°，根据、、、判断60°~ 90°，具体角度可由公式：计算；

⒞ 根据、、判断；

⒟ 根据、、、判断90°~ 120°，具体角度可由公式：计算；

⒠ 根据、、判断；

⒡ 根据、、判断120°~ 180°，根据、、判断180°~ 240°，具体角度可由公式：计算；

⒢ 根据、、判断；

⒣ 根据、、判断；

⒤ 根据、、、判断240°~ 270°，具体角度可由公式：计算；

⒥ 根据、、判断；

⒦ 根据、、、判断270°~ 300°，根据、、判断300°~ 360°，具体角度可由公式：

计算。

当风向角时，计算风速的公式采用替换。

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。

输入输出光纤26由绝缘耐压耐高温材质封装。

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、、，利用公式：，计算出风向角的，再根据反三角函数公式计算出风向角，最后代人，求得风速值，可以实现对风速和风向同时进行实时监测，其中,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，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，为等强度悬臂梁的杨氏模量，为等强度悬臂梁固定端宽度，为等强度悬臂梁厚度，为等强度悬臂梁长度，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，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：

（1）

公式（1）中，为实际大气压，为标准物理大气压，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，取1.205kg/m³。

1#风杯受到风产生的压力用风速表示为：

（2）

2#风杯受到风产生的压力用风速表示为：

（3）

公式（2）、（3）中，为风速，为阻尼系数，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，为等强度悬臂梁固定端宽度，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：

（5）

公式（5）中，为等强度悬臂梁自由端受力，为等强度悬臂梁长度，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：

（6）

光纤Bragg光栅中心波长移位量公式：

（7）

公式（7）中，为光纤Bragg光栅的中心波长，为波长移位量，为光纤有效弹-光系数，为轴向应变量，为光纤热膨胀系数，为光纤热光系数，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≈=，则悬臂梁正反表面光纤Bragg光栅中心波长移位量之差为：

（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）

（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、、）将随风向变化而改变，在利用公式进行求解过程中，分⒜~⒦情况进行分析：

⒜ 根据、、判断；

⒞ 根据、、判断；

⒟ 根据、、、判断90°~ 120°，具体角度可由公式：计算；

⒠ 根据、、判断；

⒢ 根据、、判断；

⒣ 根据、、判断；

⒤ 根据、、、判断240°~ 270°，具体角度可由公式：计算；

⒥ 根据、、判断；

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：

（12）

（13）

将风向角值带入公式（12）~（13）（当时，将带入公式（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）=1.205kg/m³，风杯尺寸：杯口投影面积=0.0314m²，实验测得的阻尼系数=0.529，等强度悬臂梁尺寸：45#钢，杨氏弹性模量=210GPa，固定端宽度=0.10m，厚度=0.001m，等强度悬臂梁长度=0.20m，光纤Bragg光栅技术参数：有效弹-光系数=0.22，1#和2#光纤Bragg光栅中心波长≈==1550.00nm，3#和4#光纤Bragg光栅中心波长≈==1553.00nm，5#和6#光纤Bragg光栅中心波长≈==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=0.001nm、=0.001nm、时，将数据带入公式（11），求得风向角正切值为：

= 0.578

根据反三角函数计算得风向角：

==30.03°

将风向角=30°及传感器各种参量带入公式（12），求得风速为：

=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、时，计算得风向角=10.01°、风速=19.99m/s。

实施例3：

当传感器测得光纤Bragg光栅移位量当=0.519nm、= -0.424nm、、时，计算得风向角=110.01°、风速=19.99m/s。

实施例4：

当传感器测得光纤Bragg光栅移位量= -0.136nm、=0.089nm、时，计算得风向角=280.03°、风速=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

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，不与各等强度悬臂梁接触，由固定螺栓（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、、，利用公式：，计算出风向角的正切值，再根据反三角函数公式计算出风向角，最后代入，求得风速值，可以实现对风速和风向同时进行实时监测，其中,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，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，为等强度悬臂梁的杨氏模量，为等强度悬臂梁固定端宽度，为等强度悬臂梁厚度，为等强度悬臂梁长度，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，为空气密度。

7.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：在利用公式进行求解过程中，分0°~360°情况进行分析：

根据、、判断θ=0°或360°；

根据、、判断θ=0°~60°，根据、、、判断θ=60°~90°，具体角度可由公式：

计算；

根据、、判断θ=60°；

根据、、、判断θ=90°~120°，具体角度可由公式：

计算；

根据、、判断θ=120°；

根据、、判断θ=120°~180°，根据、、判断θ=180°~240°，具体角度可由公式：

计算；

根据、、判断θ=180°；

根据、、判断θ=240°；

根据、、、判断θ=240°~270°，具体角度可由公式：计算；

根据、、判断θ=300°；

根据、、、判断θ=270°~300°，根据、、判断θ=300°~360°，具体角度可由公式：计算。