CN103913592A - 一种基于光纤Bragg光栅的应力式风速风向传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光纤Bragg光栅的应力式风速风向传感器，属于光电技术监测领域和气象环境监测领域。本发明的关键设计在于：空气在自然环境中的流动，遇到阻挡的物体，会对物体表面形成风压。本发明通过设计一套外形结构为圆柱形外观的应力式风速风向传感器，通过对风压进行测量，对风压方向进行分解，得到准确的风速和风向值。本发明的应力式风速风向传感器，无机械旋转结构，将风速和风向传感器合二为一，且采用光纤进行高速通讯，具有可靠性高，结构简单，性能好的特点。
Description
技术领域
本发明属于光电技术监测领域和气象环境监测领域，涉及一种采用光纤Bragg光栅对环境风速和风向进行监测的新型传感器。
背景技术
传统的电学传感器，在复杂的电磁环境下易受到干扰，且测量和通讯离不开电源。而光纤Bragg光栅传感器使用光栅自身特性进行测量，不受电磁干扰，且不需要电源，能够实现无源测量。目前采用光纤Bragg光栅对环境风速和风向进行测量的装置，通常采用的是机械旋转结构，传感器寿命较短，可靠性较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光纤Bragg光栅的应力式风速风向传感器，以提高目前基于光纤传感技术的风速风向传感器的可靠性。
本发明的目的是这样实现的。
一种基于光纤Bragg光栅的应力式风速风向传感器，本发明特征是：传感器包括圆柱形金属外壳和上下顶盖，上下顶盖之间采用四个连接杆进行固定，且上下顶盖内部刻有凹槽，确保圆柱形金属外壳在凹槽限定的范围水平移动；传感器内部中央有一圆柱，上方固定Bragg光栅应力传感器，四根交叉成十字的金属连接杆将金属外壳和Bragg光栅应力传感器连接固定。
其中，所述的Bragg光栅应力传感器，特点是内部采用四组互相垂直放置的结构材料一致的等悬臂梁，每组等悬臂梁表面粘贴有用于测量应力变化的Bragg光栅A，同时另设有一组Bragg光栅B粘贴于与等悬臂梁外形和金属材料一致的金属件表面上，用于测量材料温度，补偿应力算法。
在风力的作用下，传感器的圆柱形金属外壳产生位移，通过四根交叉成十字的金属连接杆将位移的应力传递给Bragg光栅应力传感器，Bragg光栅应力传感器内部的四组等悬臂梁受到应力后产生形变，使粘贴于等悬臂梁表面的Bragg光栅发生形变，Bragg光栅反射的光学信号特征也随之改变。同时，利用不受应力影响的Bragg光栅消除温度对Bragg光栅反射的光学信号特征的影响。由于每组Bragg光栅的光学信号与风速大小是有相关关系的，通过对光学信号进行解调，能够计算得出风速数值；由于互相垂直的两组等悬臂梁测量到的两组风速，方向互相垂直，能够进行矢量分解得出风向角度；由于互相平行的两组等悬臂梁测量到的两组风速，数值一样方向相反，能够形成互相校验机制，进一步提高传感器准确性。
本发明的有益效果是：
1、传感器性能可靠：本发明通过测量风压应力获取环境风速值，无机械旋转结构，不需要电源，不受电磁干扰影响，传感器性能可靠性；
2、传感器准确性高：Bragg光栅应力传感器中，互相平行的两组等悬臂梁能够校正测量的风速，确保传感器的高准确性；
3、传感器整合性好：Bragg光栅应力传感器中，互相垂直的两组等悬臂梁能够分解风向，将风速和风向测量合二为一，结构简单，易于维护。
附图说明
图1为本发明的一种基于光纤Bragg光栅的应力式风速风向传感器的俯视剖面结构示意图；
图2为本发明的一种基于光纤Bragg光栅的应力式风速风向传感器的侧视剖面结构示意图；
图3为本发明的一种基于光纤Bragg光栅的应力式风速风向传感器中Bragg光栅应力传感器的俯视结构示意图。
具体实施方式
参考附图1和附图2所示，本发明的一种基于光纤Bragg光栅的应力式风速风向传感器，包括圆柱形金属外壳101和上下顶盖102，上下顶盖102之间采用四个连接杆103进行固定，且上下顶盖内部刻有凹槽104，确保圆柱形金属外壳在凹槽限定的范围水平移动；传感器内部中央设有一圆柱105，上方固定Bragg光栅应力传感器106，四根交叉成十字的连接杆107将金属外壳101和Bragg光栅应力传感器106连接固定。
参考附图3所示，所述的Bragg光栅应力传感器106，特点是内部采用四组互相垂直放置的结构材料一致的等悬臂梁201，每组等悬臂梁表面粘贴有用于测量应力变化的Bragg光栅A 202，同时另设有一组Bragg光栅B 203粘贴于与等悬臂梁外形和材料一致的金属件204上，用于测量材料温度，补偿应力算法。
在风力的作用下，传感器的圆柱形金属外壳101产生位移，通过四根交叉成十字的金属连接杆107将位移的应力传递给Bragg光栅应力传感器106，Bragg光栅应力传感器内部的四组等悬臂梁201受到应力后产生形变，使粘贴于等悬臂梁表面的Bragg光栅A 202发生形变，Bragg光栅A 202反射的光学信号特征也随之改变。同时，利用不受应力影响的Bragg光栅B 203消除温度对Bragg光栅A 202反射的光学信号特征的影响。由于每组Bragg光栅A 202的光学信号与风速大小是有相关关系的，通过对光学信号进行解调，能够计算得出风速数值；由于互相垂直的两组等悬臂梁测量到的两组风速，方向互相垂直，能够进行矢量分解得出风向角度；由于互相平行的两组等悬臂梁测量到的两组风速，数值一样方向相反，能够形成互相校验机制，得到高准确性的风速和风向测量值。
Claims (2)
1.一种基于光纤Bragg光栅的应力式风速风向传感器，其特征是，传感器外观包括圆柱形金属外壳（101）和上下顶盖（102），上下顶盖（102）之间采用四个连接杆（103）进行固定，且在上下顶盖内部刻有凹槽（104），确保圆柱形金属外壳能够在凹槽限定的范围水平移动；在传感器内部中央设有一圆柱（105），其上方固定Bragg光栅应力传感器（106），设有四根交叉成十字的连接杆（107）将金属外壳（101）和Bragg光栅应力传感器（106）连接固定。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤Bragg光栅的应力式风速风向传感器，其特征在于，所述的Bragg光栅应力传感器内部采用四组互相垂直放置的结构材料一致的等悬臂梁（201），每组等悬臂梁表面粘贴有用于测量应力变化的Bragg光栅A（202），并设有一段用于补偿应力算法的Bragg光栅B（203）粘贴于不受应力的金属件（204）上。
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Application publication date: 20140709 |