CN103675330B - 一种光纤Bragg光栅动态风速风向仪及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤Bragg光栅动态风速风向仪及其使用方法，属于光电子测量器件技术领域。本发明包括叶轮、叶轮转轴、转速凸轮、风向标转轴、尾翼、轴承、紧固螺丝、方向凸轮、光纤Bragg光栅、等强度悬臂梁、底座、角度凸轮；叶轮与叶轮转轴连接，叶轮转轴上设置转速凸轮，叶轮转轴一侧设置等强度悬臂梁，等强度悬臂梁通过紧固螺丝与风向标转轴固定连接，风向标转轴通过轴承与底座连接，风向标转轴上设置有方向凸轮和角度凸轮，风向标转轴两侧设置有等强度悬臂梁，等强度悬臂梁固定在底座上，光纤Bragg光栅粘贴在等强度悬臂梁表面中心轴线上。本发明能利用光纤Bragg光栅作为传感元件，实现对风速风向的实时动态在线监测。

Description

一种光纤Bragg光栅动态风速风向仪及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种光纤Bragg光栅动态风速风向仪及其使用方法，属于光电子测量器件技术领域。

背景技术

风速风向测量技术应用领域十分广泛：如在气象领域，为台风的监测提供准确数据；在民航领域，为飞机起降提供可靠的风速风向参考；公路桥梁建设，为其设计与施工提供依据；在新能源领域，尤其风力发电领域，测风技术具有重要的作用。目前常用风速风向监测方法有：机械式法、毕托管法、热线热膜法、超声波法等。在风力发电领域，应用最为广泛的测风系统是机械式测风系统，其结构简单、线性关系好、响应快、精度好。

与本发明最接近的技术是王昌，倪家升，王纪强等人提出的风力发电中全光纤风速传感器及制作工艺研究(参见文献：王昌，倪家升，王纪强等，风力发电中全光纤风速传感器及制作工艺研究，激光技术，2012年)。文献中采用风杯式风速传感器结构，只能对风场风速实行监测，无法对风场风向进行监测。

发明内容

本发明要解决的问题是：提供了一种光纤Bragg光栅动态风速风向仪及其使用方法，采用叶轮-风向标结构，实现对风速风向的实时动态在线监测。

本发明技术方案是：一种光纤Bragg光栅动态风速风向仪，包括叶轮1、叶轮转轴2、转速凸轮3、风向标转轴4、尾翼5、轴承6、紧固螺丝7、方向凸轮8、光纤Bragg光栅9、等强度悬臂梁10、底座11、角度凸轮12；所述叶轮1与叶轮转轴2连接，叶轮转轴2上设置转速凸轮3，叶轮转轴2一侧设置第一等强度悬臂梁10，第一等强度悬臂梁10通过紧固螺丝7与风向标转轴4固定连接，风向标转轴4通过轴承6与底座11连接，风向标转轴4尾部设有尾翼5，风向标转轴4上设置有方向凸轮8和角度凸轮12，风向标转轴4两侧分别设置有第二等强度悬臂梁10、第三等强度悬臂梁10，第二等强度悬臂梁10、第三等强度悬臂梁10均固定在底座11上，光纤Bragg光栅9粘贴在第一等强度悬臂梁10、第二等强度悬臂梁10、第三等强度悬臂梁10表面中心轴线上；

所述方向凸轮8圆弧圆周的一半设有凸出部分；

所述角度凸轮12沿圆周对称设置凸出部分。

所述转速凸轮3的一侧设有一个凸出部分。

当叶轮1被风吹动旋转，叶轮转轴2转动带动转速凸轮3旋转，转速凸轮3每旋转一周，转速凸轮3凸出部分会撞击第一等强度悬臂梁10使其产生挠度变化进而导致粘贴在第一等强度悬臂梁10的表面光纤Bragg光栅9中心发生波长移位，由光纤把波长变化传出，利用光纤光栅解调仪对波长变化次数进行计数，通过得到的计数就能得到转速凸轮3旋转的周数，从而获得转速凸轮的旋转频率f，利用公式求得风速值v，可以实现对风速进行实时监测；

当风向改变时，风向标的尾翼5受风力发生旋转，风向标转轴4的转动带动方向凸轮8和角度凸轮12旋转一定角度，角度凸轮12突出部分撞击第三等强度悬臂梁10使其产生挠度变化进而导致粘贴在第三等强度悬臂10梁上下表面中心轴线上的光纤Bragg光栅9中心波长发生移位，测出此波长移位量Δλ_B，在角度凸轮12对称轴一侧的180°范围内，根据公式：可以得出风向标旋转角度α与光纤Bragg光栅的Bragg中心波长移位量Δλ_B成线性关系，因此根据Bragg中心波长移位量可得到风向标旋转的角度，配合紧贴方向凸轮8的第二等强度悬臂梁10上的Bragg中心波长是否发生移位就可得知在360°范围内旋转角度，风向标旋转角度即风向改变角度，从而计算出风向，实现对风向进行实时监测；

其中，Z为叶轮叶片数，β为叶轮叶片的构造角，r为叶轮叶片的平均半径，θ为角度凸轮凸出部分的顶角，r₃为角度凸轮圆弧部分的半径，p_e为光纤的有效弹-光系数，h_b为等强度悬臂梁的厚度，l为等强度悬臂梁的长度，α为风向标旋转角度，λ_B为光纤Bragg光栅的中心波长，Δλ_B为光纤Bragg光栅的中心波长移位量。

本发明技术的数学模型如下：

通过光纤Bragg光栅计数装置，转速凸轮每旋转一周，计数一次，从而获得转速凸轮的旋转频率f，根据旋转频率f就可计算出风速v：

$v=f.\frac{2\mathrm{\π}}{Z}.\frac{r}{tan\mathrm{\β}}---\left(1\right)$

可以实现对风速进行实时监测，式中，Z为叶轮叶片数，β为叶轮叶片的构造角，r为叶轮叶片的平均半径。

当风向改变角度α时即风向标转轴旋转角度α，角度凸轮也随之旋转角度α,等强度悬臂梁所产生的扰度h：

式中，θ为角度凸轮凸出部分的顶角，r₃为角度凸轮圆弧部分的半径。等强度悬臂梁所受的应变量ε为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{h_b}{l^2}.h---\left(3\right)$

把(2)式代人(3)式得：

而光纤Bragg光栅波长位移与等强度悬臂梁自由端应变关系公式，可表示为：

Δλ_B＝(1-p_e)ελ_B(5)

将(4)式代人(5)式得：

在角度凸轮对称轴一侧的180°范围内，根据(6)式可以得出风向标旋转角度α与光纤Bragg光栅的Bragg中心波长移位量Δλ_B成线性关系，光纤Bragg光栅的Bragg波长移位量Δλ_B对风向改变角度α的响应灵敏度为：

因此根据Bragg中心波长移位量可得到风向标旋转的角度，配合紧贴方向凸轮的等强度悬臂梁上的Bragg中心波长是否发生移位就可得知在360°范围内旋转角度，风向标旋转角度即风向改变角度，从而计算出风向，实现对风向进行实时监测；

其中p_e为光纤的有效弹-光系数，h_b为等强度悬臂梁的厚度，l为等强度悬臂梁的长度，α为风向标旋转角度，λ_B为光纤Bragg光栅的中心波长，Δλ_B为光纤Bragg光栅的中心波长移位量。

本发明的有益效果是：

1.实现了对风速的实时动态在线监测：本发明采用叶轮结构，粘贴有光纤Bragg光栅的等强度悬臂梁及叶轮转轴制作成计数装置，将等强度悬臂梁的挠度变化转换为光纤Bragg光栅中心波长的移位变化量，根据波长变化次数进行计数，从而计算出风速，实现了对风速实时动态在线监测。

2.实现了对风向的实时动态在线监测：本发明采用风向标结构，风向标转轴上设置方向凸轮和角度凸轮，通过方向凸轮和角度凸轮确定风向标旋转的角度，从而计算出风向，实现了对风向实时动态在线监测。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2为转速凸轮的结构示意图；

图3为方向凸轮的结构示意图；

图4为角度凸轮的结构示意图。

图1中各标号：1-叶轮，2-叶轮转轴，3-转速凸轮，4-风向标转轴，5-尾翼，6-轴承，7-紧固螺丝，8-方向凸轮，9-光纤Bragg光栅，10-等强度悬臂梁，11-底座，12-角度凸轮。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1-4所示，一种光纤Bragg光栅动态风速风向仪，包括叶轮1、叶轮转轴2、转速凸轮3、风向标转轴4、尾翼5、轴承6、紧固螺丝7、方向凸轮8、光纤Bragg光栅9、等强度悬臂梁10、底座11、角度凸轮12；所述叶轮1与叶轮转轴2连接，叶轮转轴2上设置转速凸轮3，叶轮转轴2一侧设置第一等强度悬臂梁10，第一等强度悬臂梁10通过紧固螺丝7与风向标转轴4固定连接，风向标转轴4通过轴承6与底座11连接，风向标转轴4尾部设有尾翼5，风向标转轴4上设置有方向凸轮8和角度凸轮12，风向标转轴4两侧分别设置有第二等强度悬臂梁10、第三等强度悬臂梁10，第二等强度悬臂梁10、第三等强度悬臂梁10均固定在底座11上，光纤Bragg光栅9粘贴在第一等强度悬臂梁10、第二等强度悬臂梁10、第三等强度悬臂梁10表面中心轴线上；

所述方向凸轮8圆弧圆周的一半设有凸出部分；

所述角度凸轮12沿圆周对称设置凸出部分。

所述转速凸轮3的一侧设有一个凸出部分。

当叶轮1被风吹动旋转，叶轮转轴2转动带动转速凸轮3旋转，转速凸轮3每旋转一周，转速凸轮3凸出部分会撞击第一等强度悬臂梁10使其产生挠度变化进而导致粘贴在第一等强度悬臂梁10的表面光纤Bragg光栅9中心发生波长移位，由光纤把波长变化传出，利用光纤光栅解调仪对波长变化次数进行计数，通过得到的计数就能得到转速凸轮3旋转的周数，从而获得转速凸轮的旋转频率f，利用公式求得风速值v，可以实现对风速进行实时监测；

当风向改变时，风向标的尾翼5受风力发生旋转，风向标转轴4的转动带动方向凸轮8和角度凸轮12旋转一定角度，角度凸轮12突出部分撞击第三等强度悬臂梁10使其产生挠度变化进而导致粘贴在第三等强度悬臂10梁上下表面中心轴线上的光纤Bragg光栅9中心波长发生移位，测出此波长移位量Δλ_B，在角度凸轮12对称轴一侧的180°范围内，根据公式：可以得出风向标旋转角度α与光纤Bragg光栅的Bragg中心波长移位量Δλ_B成线性关系，因此根据Bragg中心波长移位量可得到风向标旋转的角度，配合紧贴方向凸轮8的第二等强度悬臂梁10上的Bragg中心波长是否发生移位就可得知在360°范围内旋转角度，风向标旋转角度即风向改变角度，从而计算出风向，实现对风向进行实时监测；

其中，Z为叶轮叶片数，β为叶轮叶片的构造角，r为叶轮叶片的平均半径，θ为角度凸轮凸出部分的顶角，r₃为角度凸轮圆弧部分的半径，p_e为光纤的有效弹-光系数，h_b为等强度悬臂梁的厚度，l为等强度悬臂梁的长度，α为风向标旋转角度，λ_B为光纤Bragg光栅的中心波长，Δλ_B为光纤Bragg光栅的中心波长移位量。

实施例2：如图1-4所示，一种光纤Bragg光栅动态风速风向仪，包括叶轮1、叶轮转轴2、转速凸轮3、风向标转轴4、尾翼5、轴承6、紧固螺丝7、方向凸轮8、光纤Bragg光栅9、等强度悬臂梁10、底座11、角度凸轮12；所述叶轮1与叶轮转轴2连接，叶轮转轴2上设置转速凸轮3，叶轮转轴2一侧设置第一等强度悬臂梁10，第一等强度悬臂梁10通过紧固螺丝7与风向标转轴4固定连接，风向标转轴4通过轴承6与底座11连接，风向标转轴4尾部设有尾翼5，风向标转轴4上设置有方向凸轮8和角度凸轮12，风向标转轴4两侧分别设置有第二等强度悬臂梁10、第三等强度悬臂梁10，第二等强度悬臂梁10、第三等强度悬臂梁10均固定在底座11上，光纤Bragg光栅9粘贴在第一等强度悬臂梁10、第二等强度悬臂梁10、第三等强度悬臂梁10表面中心轴线上；

所述方向凸轮8圆弧圆周的一半设有凸出部分；

所述角度凸轮12沿圆周对称设置凸出部分。

所述转速凸轮3的一侧设有一个凸出部分。

当叶轮1被风吹动旋转，叶轮转轴2转动带动转速凸轮3旋转，转速凸轮3每旋转一周，转速凸轮3凸出部分会撞击第一等强度悬臂梁10使其产生挠度变化进而导致粘贴在第一等强度悬臂梁10的表面光纤Bragg光栅9中心发生波长移位，由光纤把波长变化传出，利用光纤光栅解调仪对波长变化次数进行计数，通过得到的计数就能得到转速凸轮3旋转的周数，从而获得转速凸轮的旋转频率f，利用公式求得风速值v，可以实现对风速进行实时监测；

当风向改变时，风向标的尾翼5受风力发生旋转，风向标转轴4的转动带动方向凸轮8和角度凸轮12旋转一定角度，角度凸轮12突出部分撞击第三等强度悬臂梁10使其产生挠度变化进而导致粘贴在第三等强度悬臂10梁上下表面中心轴线上的光纤Bragg光栅9中心波长发生移位，测出此波长移位量Δλ_B，在角度凸轮12对称轴一侧的180°范围内，根据公式：可以得出风向标旋转角度α与光纤Bragg光栅的Bragg中心波长移位量Δλ_B成线性关系，因此根据Bragg中心波长移位量可得到风向标旋转的角度，配合紧贴方向凸轮8的第二等强度悬臂梁10上的Bragg中心波长是否发生移位就可得知在360°范围内旋转角度，风向标旋转角度即风向改变角度，从而计算出风向，实现对风向进行实时监测；

其中，Z为叶轮叶片数，β为叶轮叶片的构造角，r为叶轮叶片的平均半径，θ为角度凸轮凸出部分的顶角，r₃为角度凸轮圆弧部分的半径，p_e为光纤的有效弹-光系数，h_b为等强度悬臂梁的厚度，l为等强度悬臂梁的长度，α为风向标旋转角度，λ_B为光纤Bragg光栅的中心波长，Δλ_B为光纤Bragg光栅的中心波长移位量。

在具体实施中，叶轮叶片数Z＝3，叶轮叶片的构造角β＝30°，叶轮叶片的平均半径r＝20cm，转速凸轮的旋转频率f＝10Hz，将这些数据代入公式(1)中，求得风速v为：从而测出风速v；用光纤光栅解调仪获取光纤Bragg光栅的初始中心波长为λ_B＝1550nm，有效弹-光系数为p_e＝0.22，角度凸轮凸出部分的顶角θ＝3°，角度凸轮圆弧部分的半径r₃＝20mm，等强度悬臂梁的长度l＝65mm，等强度悬臂梁的厚度h_b＝2mm，等强度悬臂梁固定端的宽度B＝10mm，等强度悬臂梁自由端的宽度b＝2mm，将这些数据代入公式(7)中，求得光纤Bragg光栅的Bragg波长移位量Δλ_B对风向改变角度α的响应灵敏度为：

计算结果表明，该风速风向仪的风向灵敏度为10皮米/度。因此，当光纤Bragg光栅解调仪的波长分辨率为1pm时，该传感器的分辨率为0.1°。

上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (3)

1.一种光纤Bragg光栅动态风速风向仪，其特征在于：包括叶轮(1)、叶轮转轴(2)、转速凸轮(3)、风向标转轴(4)、尾翼(5)、轴承(6)、紧固螺丝(7)、方向凸轮(8)、光纤Bragg光栅(9)、等强度悬臂梁(10)、底座(11)、角度凸轮(12)；所述叶轮(1)与叶轮转轴(2)连接，叶轮转轴(2)上设置转速凸轮(3)，叶轮转轴(2)一侧设置第一等强度悬臂梁(10)，第一等强度悬臂梁(10)通过紧固螺丝(7)与风向标转轴(4)固定连接，风向标转轴(4)通过轴承(6)与底座(11)连接，风向标转轴(4)尾部设有尾翼(5)，风向标转轴(4)上设置有方向凸轮(8)和角度凸轮(12)，风向标转轴(4)两侧分别设置有第二等强度悬臂梁(10)、第三等强度悬臂梁(10)，第二等强度悬臂梁(10)、第三等强度悬臂梁(10)均固定在底座(11)上，光纤Bragg光栅(9)粘贴在第一等强度悬臂梁(10)、第二等强度悬臂梁(10)、第三等强度悬臂梁(10)表面中心轴线上；

所述方向凸轮(8)圆弧圆周的一半设有凸出部分；

所述角度凸轮(12)沿圆周对称设置凸出部分；

所述转速凸轮(3)每旋转一周，转速凸轮(3)凸出部分会撞击第一等强度悬臂梁(10)；风向标转轴(4)的转动带动方向凸轮(8)和角度凸轮(12)旋转一定角度时，角度凸轮(12)突出部分撞击第三等强度悬臂梁(10)；方向凸轮(8)与第二等强度悬臂梁(10)配合紧贴。

2.根据权利要求1所述的光纤Bragg光栅动态风速风向仪，其特征在于：所述转速凸轮(3)的一侧设有一个凸出部分。

3.一种如权利要求1所述的光纤Bragg光栅动态风速风向仪的使用方法，其特征在于：

当叶轮(1)被风吹动旋转，叶轮转轴(2)转动带动转速凸轮(3)旋转，转速凸轮(3)每旋转一周，转速凸轮(3)凸出部分会撞击第一等强度悬臂梁(10)使其产生挠度变化进而导致粘贴在第一等强度悬臂梁(10)的表面光纤Bragg光栅(9)中心发生波长移位，由光纤把波长变化传出，利用光纤光栅解调仪对波长变化次数进行计数，通过得到的计数就能得到转速凸轮(3)旋转的周数，从而获得转速凸轮的旋转频率f，利用公式求得风速值v，可以实现对风速进行实时监测；

当风向改变时，风向标的尾翼(5)受风力发生旋转，风向标转轴(4)的转动带动方向凸轮(8)和角度凸轮(12)旋转一定角度，角度凸轮(12)突出部分撞击第三等强度悬臂梁(10)使其产生挠度变化进而导致粘贴在第三等强度悬臂梁(10)上下表面中心轴线上的光纤Bragg光栅(9)中心波长发生移位，测出此波长移位量Δλ_B，在角度凸轮(12)对称轴一侧的180°范围内，根据公式：可以得出风向标旋转角度α与光纤Bragg光栅的Bragg中心波长移位量Δλ_B成线性关系，因此根据Bragg中心波长移位量可得到风向标旋转的角度，配合紧贴方向凸轮(8)的第二等强度悬臂梁(10)上的Bragg中心波长是否发生移位就可得知在360°范围内旋转角度，风向标旋转角度即风向改变角度，从而计算出风向，实现对风向进行实时监测；

其中，Z为叶轮叶片数，β为叶轮叶片的构造角，r为叶轮叶片的平均半径，θ为角度凸轮凸出部分的顶角，r₃为角度凸轮圆弧部分的半径，p_e为光纤的有效弹-光系数，h_b为等强度悬臂梁的厚度，l为等强度悬臂梁的长度，α为风向标旋转角度，λ_B为光纤Bragg光栅的中心波长，Δλ_B为光纤Bragg光栅的中心波长移位量。