CN103344782B - 一种光纤布喇格光栅风向传感系统及风向计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了在线监测技术领域的一种光纤布喇格光栅风向传感系统。其技术方案是，所述传感系统包括导风板、重锤、转轴、支柱、若干个弹片、压板、底座、若干个传感光纤布喇格光栅和数据处理子系统；同时给出了光纤布喇格光栅风向传感系统的风向计算方法。本发明解决了现有技术抗电磁干扰能力差，长期可靠性差，不能进行远距离无源监测等难题，特别适合于在输电线路所处的强电磁环境和恶劣温湿度环境中使用。

Description

一种光纤布喇格光栅风向传感系统及风向计算方法

技术领域

本发明属于在线监测技术领域，尤其涉及一种光纤布喇格光栅风向传感系统。

背景技术

架空输电线路覆冰造成导线断线、杆塔倒塌、绝缘子闪络等事故，给社会造成了巨大的经济损失。对架空输电线路进行覆冰状态的在线监测可以实时获得输电线路覆冰状况，提前调度电网负荷，启动融冰设备，有效避免灾害的发生。现有覆冰在线监测方法主要有气象法、图像监控器法、导线温度倾角法和称重法。其中应用最广泛的是称重法，在这种方法中称重传感器测量结果是冰荷载和风荷载之和，风向对覆冰会起到很大的影响作用，因此为了更准确的获得输电线路覆冰情况需要对风荷载进行监测。

以前，人们利用纯机械的装置来测量，例如，众所周知的利用风向标来测量风向。虽然这种方法也能得到良好的结果，但这些机械装置因具有移动部件而易磨损，体积较大，价格昂贵，需要经常维护，且数据无法传输出来，近些年来，主要的测量风向的方法有以下几种：

（1）利用成熟的CMOS集成电路制造工艺及其新兴的MEMS体加工工艺技术来研制硅热流量传感器，这种传感器一般都是用热温差的原理测量风向。

（2）以格雷码盘和光电管为技术核心的风向传感器。

（3）通过热敏电阻温度变化转换会阻值和电压的变化来测风向。

（4）基于流体力学原理，利用风力对四个方向的电容极板的挤压来测风向。

（5）基于电磁感应原理，在风的作用下，固定在转动盘上的磁钢体会与定位盘上的霍尔元件发生电磁感应，经过高低电平编码组合即可测出风向。

（6）时差法超声波风速风向仪来测风向。

（7）基于圆柱绕流的理论分析给出圆柱体周边压强分布方程，并基于MEMS的固态风速风向传感器。

现有风向传感器测量结果需要通过无线方式传递给监控中心，由于易覆冰区多位于山谷，无线通信信号不稳定，导致风向测量结果无法传输。

发明内容

针对上述背景技术中提到现有风向监测系统的不足，本发明提出了一种光纤布喇格光栅风向传感系统。

一种光纤布喇格光栅风向传感系统，其特征在于，所述传感系统包括导风板、重锤、转轴、支柱、N个弹片、压板、底座、N个传感光纤布喇格光栅和数据处理子系统；

其中，转轴垂直布置在底座的中心，导风板的中部通过螺丝固定在转轴顶部，导风板的头部通过螺丝与重锤相连；支柱与转轴下部垂直固定，且与底座平面平行；所述弹片上端空置，下端被压板固定在底座上，通过圆球与支柱接触；所述1-N个弹片均匀布置在底座上；所述光纤布喇格光栅横向固定在弹片上，通过光纤串联后与数据处理子系统连接；

所述导风板用于传感风向；所述重锤用于导流空气；所述转轴用于将导风板的方向传递给支柱；所述支柱在导风板所在平面，且与底座平面平行，用于拨动弹片；所述光纤布喇格光栅用于根据弹片的弯曲程度形成方波脉冲；所述数据处理子系统用于获得弹片上光纤布喇格光栅的波长，并将其转化为风向。

所述底座包括螺丝孔，风向传感系统通过螺丝孔固定在杆塔上。

所述弹片采用的材料为铍青铜。

一种光纤布喇格光栅风向传感系统的风向计算方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1：将风向传感系统弹片上的光纤布喇格光栅FBG顺时针标记为1，2…N，分别对应相应的弹片，并将标记为1的弹片朝向正北；

步骤2：设定含有三个元素的数组D，将出现波长方波脉冲的光纤布喇格光栅FBG标号按倒序放入数组D中，包括D(1)、D(2)和D(3)；其中D(1)为最后通过的光纤布喇格光栅FBG的编号，其编号为X；

步骤3：判断是否满足D(1)<D(2)，若判断结果为真，则风向指针在X与X+1之间，否则判断是否满足D(1)>D(2)，若判断结果为真，则风向指针范围在X与X-1之间，否则判断是否满足D(2)<D(3)，若判断结果为真，则风向指针范围在X与X+1之间,否则判断是否满足D(2)>D(3)，若判断结果为真，则风向指针范围在X与X-1之间，否则风向指针为X；当X-1为0时，风向指针范围为1和N之间，当X+1=N+1时，风向指针范围为N和1之间；

步骤4：将得到的风向指针范围的两端分别代入计算风向指针顺时针偏离正北的角度的公式中，得到风向指针偏离正北的风向角度范围；

步骤5：数据处理子系统通过风向角度与方向的对应关系，得到风向范围。

所述计算风向指针顺时针偏离正北的角度的公式为：

$\mathrm{Direction}=\frac{360\&times;(X-1)}{N}$

其中，X为风向指针所对应的弹片编号；N为弹片数量。

本发明解决了现有技术抗电磁干扰能力差，长期可靠性差，不能进行远距离无源监测等难题，特别适合于在输电线路所处的强电磁环境和恶劣温湿度环境中使用。

附图说明

图1是本发明提供的一种光纤布喇格光栅风向传感系统原理图；

图2是本发明提供的一种光纤布喇格光栅风向传感系统的光纤布喇格光栅在弹片上的固定方式说明图；

图3是本发明提供的一种光纤布喇格光栅风向传感系统的风向计算方法流程图；

图4是本发明提供的风向角度与方向的风向8方位图；

其中，110-导风板；120-重锤；130-转轴；140-支柱；150-弹片；160-压板；170-底座；180-光纤布喇格光栅。

具体实施方式

下面结合附图，对优选的实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是本发明提供的一种光纤布喇格光栅风向传感系统原理图。图1中，所述传感系统包括导风板110、重锤120、转轴130、支柱140、若干个弹片150、压板160、底座170、若干个传感光纤布喇格光栅180和数据处理子系统；

其中，转轴130垂直布置在底座170的中心，导风板110的中部通过螺丝固定在转轴130顶部，导风板110的头部通过螺丝与重锤120相连；支柱140与转轴130下部垂直固定，且与底座170平面平行；所述弹片150上端空置，下端被压板固定在底座170上，通过圆球与支柱140接触；所述若干个弹片150均匀布置在底座170上；所述光纤布喇格光栅180横向固定在弹片150上，通过光纤串联后与数据处理子系统连接；

所述导风板110用于传感风向；所述重锤120用于导流空气；所述转轴130用于将导风板110的方向传递给支柱140；所述支柱140在导风板110所在平面，且与底座170平面平行，用于拨动弹片150；所述光纤布喇格光栅180用于根据弹片150的弯曲程度形成方波脉冲；所述数据处理子系统用于获得多个弹片150上光纤布喇格光栅180的波长，并将其转化为风向。

图2是光纤布喇格光栅在弹片上的固定方式说明图，光纤布喇格光栅180横向固定在弹片150表面。传感系统风向分辨率与所弹片150数量有关，设弹片150数量为N，则风向分辨率为1/(2N)。

图3是本发明提供的一种光纤布喇格光栅风向传感系统的风向计算方法流程图。图3中，具体步骤为：

步骤1：将风向传感系统弹片上的光纤布喇格光栅FBG顺时针标记为1，2…N，分别对应相应的弹片，并将标记为1的弹片朝向正北；

步骤2：设定含有三个元素的数组D，将出现波长方波脉冲的光纤布喇格光栅FBG标号按倒序放入数组D中，包括D(1)、D(2)和D(3)；其中D(1)为最后通过的光纤布喇格光栅FBG的编号，其编号为X；

步骤3：判断是否满足D(1)<D(2)，若判断结果为真，则风向指针在X与X+1之间，否则判断是否满足D(1)>D(2)，若判断结果为真，则风向指针范围在X与X-1之间，否则判断是否满足D(2)<D(3)，若判断结果为真，则风向指针范围在X与X+1之间,否则判断是否满足D(2)>D(3)，若判断结果为真，则风向指针范围在X与X-1之间，否则风向指针为X；当X-1为0时，风向指针范围为1和N之间，当X+1=N+1时，风向指针范围为N和1之间；具体的例子包括：

例1：设D(1)=4；D(2)=5；D(3)=6；则X=4；

判断是否满足D(1)<D(2)，判断结果满足，则风向指针在4,5之间。

例2：D(1)=4；D(2)=3；D(3)=2；则X=4；

判断是否满足D(1)<D(2)，判断结果不满足；继续判断是否满足D(1)>D(2)，判断结果满足，则风向指针在4,3之间。

例3：D(1)=4；D(2)=4；D(3)=5；则X=4；

判断是否满足D(1)<D(2)，判断结果不满足；继续判断是否满足D(1)>D(2)，判断结果不满足；继续判断是否满足D(2)<D(3)，判断结果满足，则风向指针在4,5之间。

例4：D(1)=4；D(2)=4；D(3)=3；则X=4；

判断是否满足D(1)<D(2)，判断结果不满足；继续判断是否满足D(1)>D(2)，判断结果不满足；继续判断是否满足D(2)<D(3)，判断结果不满足；继续判断是否满足D(2)>D(3)，判断结果满足，则风向指针在4,3之间。

例5：D(1)=4；D(2)=4；D(3)=4；则X=4；

判断是否满足D(1)<D(2)，判断结果不满足；继续判断是否满足D(1)>D(2)，判断结果不满足；继续判断是否满足D(2)<D(3)，判断结果不满足；继续判断是否满足D(2)>D(3)，判断结果不满足，则风向指针为4。

步骤4：将得到的风向指针范围的两端分别代入计算风向指针顺时针偏离正北的角度的公式中，得到风向指针偏离正北的风向角度范围；所述计算风向指针顺时针偏离正北的角度的公式为：

$\mathrm{Direction}=\frac{360\&times;(X-1)}{N}$

其中，X为风向指针所对应的弹片编号；N为弹片数量；

步骤5：数据处理子系统通过风向角度与方向的对应关系，得到风向范围；风向角度与方向的对应关系如图4，风向的测量单位，我们用方位来表示。如陆地上，一般用16个方位表示，海上多用36个方位表示；在高空则用角度表示。用角度表示风向，是把圆周分成360度，北风(N)是0度(即360度)，东风(E)是90度，南风(S)是180度，西风(W)是270度，其余的风向都可以由此计算出来。

例如：设定弹片的个数N=8，D(1)=4；D(2)=4；D(3)=3，则X=4；

判断是否满足D(1)<D(2)，判断结果不满足；继续判断是否满足D(1)>D(2)，判断结果不满足；继续判断是否满足D(2)<D(3)，判断结果不满足；继续判断是否满足D(2)>D(3)，判断结果满足，则风向指针在4,3之间；将风向指针的两端代入计算风向指针顺时针偏离正北的角度的公式，风向指针偏北角度为90到135度，则对应得到风向为东偏南。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种光纤布喇格光栅风向传感系统，其特征在于，所述传感系统包括导风板、重锤、转轴、支柱、N个弹片、压板、底座、N个传感光纤布喇格光栅和数据处理子系统；

其中，转轴垂直布置在底座的中心，导风板的中部通过螺丝固定在转轴顶部，导风板的头部通过螺丝与重锤相连；支柱与转轴下部垂直固定，且与底座平面平行；所述弹片上端空置，下端被压板固定在底座上，通过圆球与支柱接触；所述1-N个弹片均匀布置在底座上；所述光纤布喇格光栅横向固定在弹片上，通过光纤串联后与数据处理子系统连接；

所述导风板用于传感风向；所述重锤用于导流空气；所述转轴用于将导风板的方向传递给支柱；所述支柱在导风板所在平面，且与底座平面平行，用于拨动弹片；所述光纤布喇格光栅用于根据弹片的弯曲程度形成方波脉冲；所述数据处理子系统用于获得弹片上光纤布喇格光栅的波长，并将其转化为风向。

2.根据权利要求1所述的风向传感系统，其特征在于，所述底座包括螺丝孔，风向传感系统通过螺丝孔固定在杆塔上。

3.根据权利要求1所述的风向传感系统，其特征在于，所述弹片采用的材料为铍青铜。

4.基于权利要求1所述的光纤布喇格光栅风向传感系统的风向计算方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1：将风向传感系统固定在N个弹片上的光纤布喇格光栅FBG顺时针标记为1，2…N，分别对应相应的弹片，并将标记为1的弹片朝向正北；

步骤2：设定含有三个元素的数组D，将出现波长方波脉冲的光纤布喇格光栅FBG标号按倒序放入数组D中，记为D(1)、D(2)和D(3)；其中D(1)为最后通过的光纤布喇格光栅FBG的编号，其编号为X；

步骤3：判断是否满足D(1)<D(2)，若判断结果为真，则风向指针在X与X+1之间，否则判断是否满足D(1)>D(2)，若判断结果为真，则风向指针范围在X与X-1之间，否则判断是否满足D(2)<D(3)，若判断结果为真，则风向指针范围在X与X+1之间,否则判断是否满足D(2)>D(3)，若判断结果为真，则风向指针范围在X与X-1之间，否则风向指针为X；当X-1为0时，风向指针范围为1和N之间，当X+1＝N+1时，风向指针范围为N和1之间；

步骤4：将得到的风向指针范围的两端分别代入计算风向指针顺时针偏离正北的角度的公式中，得到风向指针偏离正北的风向角度范围；所述计算风向指针顺时针偏离正北的角度的公式为：

$\mathrm{Direction}=\frac{360\&times;(X-1)}{N}$

其中，X为风向指针所对应的弹片编号；N为弹片数量；

步骤5：数据处理子系统通过风向角度与方向的对应关系，得到风向范围。