CN104749395B - 风速测量探头、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风速测量探头、系统及方法，涉及光电子测量技术领域。该探头包括基座、风杯、转轴、等强度悬臂梁，其中：所述基座由竖直部和水平部组成，竖直部的上端部和水平部的一端固定连接；所述转轴穿透过所述水平部的另一端，在所述转轴的上端部设置有风杯，在所述转轴下端部连接有金属薄片，在所述金属薄片上设置有磁体；所述等强度悬臂梁固定于竖直部的下端部，在所述等强度悬臂梁的上表面和/或下表面设置有光纤光栅，在所述等强度悬臂梁的自由端设置有磁体；所述金属薄片与所述等强度悬臂梁不接触。本发明克服了现有技术的不足，能够进行无源化、长距离、高准确的风速测量。

Description

风速测量探头、系统及方法

技术领域

本发明涉及光电子测量技术领域，具体涉及一种风速测量探头、系统及方法。

背景技术

风速测量在工业生产和科学实验中都有广泛的应用，风速测量具有非常重要的价值。在输电领域，风载荷是输电线路覆冰监测的重要组成部分，输电线系统作为一种跨高柔结构，主要承受的动力载荷有风载荷。风载荷作用极其频繁，由于结构的水平跨距相当大，荷载本身就有很强的不可预测性，输电线的周期较长，更接近于风的卓越周期，此类结构对风载荷十分敏感。风作用给输电线路安全稳定运行造成了极大的危害，严重影响了经济和社会的发展。在农业领域，风是农业产生的影响因子之一。风速适度对改善农田环境起着重要的作用。在发电应用领域，我国的风力资源十分丰富，在目前能源紧张的情况下，风力发电以其绿色性，可再生性受到广泛的关注。

目前常用的风速风向的测量手段有：电子式风速风向传感器；热流量式风速风向传感器；超声波式风速风向传感器。

上述传感器均需要有源供电，难以完成传感信号的长距离传输，且传感信号在传输的过程中易受到电磁干扰。

发明内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种风速测量探头、系统及方法，能够进行无源化、长距离、高准确的风速测量。

（二）技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

本发明提供了一种风速测量探头，包括基座、风杯、转轴、等强度悬臂梁，其中：

所述基座由竖直部和水平部组成，竖直部的上端部和水平部的一端固定连接；

所述转轴穿透过所述水平部的另一端，在所述转轴的上端部设置有风杯，在所述转轴下端部连接有金属薄片，在所述金属薄片上设置有磁体；

所述等强度悬臂梁固定于竖直部的下端部，在所述等强度悬臂梁的上表面和/或下表面设置有光纤光栅，在所述等强度悬臂梁的自由端设置有磁体；

所述金属薄片与所述等强度悬臂梁不接触。

优选的，所述金属薄片上一端设置有安装孔，所述等强度悬臂梁的自由端设置有安装孔，在所述安装孔位置固定磁体。

优选的，在所述金属薄片一端设置的安装孔位置与所述等强度悬臂梁的自由端设置的安装孔位置相对应。

优选的，所述磁体为永磁体。

优选的，所述金属薄片与所述转轴成倒T形。

优选的，所述光纤光栅为应力光栅。

本发明还提供了一种风速测量系统，包括：光源、至少一个如权利要求1～6任一所述的风速测量探头、光纤耦合器、动态解调仪、处理器和显示器；

其中，至少一个风速测量探头串联，并经光缆/OPGW将带有风速信息的光信号反向传输给所述光纤耦合器，所述光纤耦合器连接所述动态解调仪，所述动态解调仪连接所述处理器，经所述处理器处理后输出风速信息，并在显示器上显示。

优选的，所述光源为宽带光源。

本发明还提供了一种风速测量方法，其特征在于，包括步骤：

S1、宽带光源将光信号发送到光纤耦合器进行分路，所述光纤耦合器通过光缆/OPGW将分路后的光信号传输给至少一个风速测量探头中的光纤光栅；

S2、所述光纤光栅将带有风速信息的光信号经光缆/OPGW反向传输给所述光纤耦合器进行合路；

S3、所述光纤耦合器将合路后的带有风速信息的光信号传输给动态解调仪；

S4、所述动态解调仪对合路后的带有风速信息的光信号进行解调，得到光纤光栅的波长信息，并传输给处理器；

S5、所述处理器处理所述波长信息，得到周期性变化的波形；并根据所述波形计算出风速，并通过显示器实时显示。

（三）有益效果

本发明提供了一种风速测量探头、系统及方法。本发明风速测量探头是在基座上安装等强度悬臂梁和带有风杯的转轴，等强度悬臂梁的自由端和转轴下端的金属薄片上都装有磁体结构，使得金属薄片与等强度悬臂梁采用非接触式传导力结构。风杯的转动带动转轴上的磁体结构转动，转轴上的磁体结构对等强度悬臂梁自由端的磁体结构产生一个周期性变化的力，且力的变化周期与风杯的转速具有比较好的线性关系。本发明风速测量探头采用非接触式传导力结构，可以减小摩擦带来的测量不准确性，同时可以有效的避免器件的磨损，保证了长期使用测量的精度。

本发明风速测量探头通过在等强度悬臂梁的固定端的上表面和/或下表面设置有光纤光栅，也能够实现无源化、长距离、高准确的风速测量。

本发明测量系统中将多个风速测量探头采用波分复用的技术串联后可以进行同步测量，提高检测的可靠性。采用波分复用结构，布线简单，一根光纤即可实现多路信号的同时传输，经济性高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1本发明实施中的风速测量探头的结构示意图；

图2本发明实施中的风速测量探头的局部结构示意图；

图3本发明实施中的风速测量系统的结构示意图；

图4本发明实施中的风速测量方法的结构示意图;

其中，1为基座的水平部、2为基座的竖直部、3为风杯、4为转轴、5为金属薄片、6为等强度悬臂梁、7为光纤光栅、8为安装孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供了一种风速测量探头，包括基座、风杯、转轴、等强度悬臂梁，其中：

所述基座由竖直部和水平部组成，竖直部的上端部和水平部的一端固定连接；

所述转轴穿透过所述水平部的另一端，在所述转轴的上端部设置有风杯，在所述转轴下端部连接有金属薄片，在所述金属薄片上设置有磁体；

所述等强度悬臂梁固定于竖直部的下端部，在所述等强度悬臂梁的上表面和/或下表面设置有光纤光栅，在所述等强度悬臂梁的自由端设置有磁体；

所述金属薄片与所述等强度悬臂梁不接触。

本发明风速测量探头是在基座上安装等强度悬臂梁和带有风杯的转轴，等强度悬臂梁的自由端和转轴下端的金属薄片上都装有磁体结构，使得金属薄片与等强度悬臂梁采用非接触式传导力结构。风杯的转动带动转轴上的磁体结构转动，转轴上的磁体结构对等强度悬臂梁自由端的磁体结构产生一个周期性变化的力，且力的变化周期与风杯的转速具有比较好的线性关系。本发明风速测量探头采用非接触式传导力结构，可以减小摩擦带来的测量不准确性，同时可以有效的避免器件的磨损，保证了长期使用测量的精度。

本发明风速测量探头通过在等强度悬臂梁的固定端的上表面和/或下表面设置有光纤光栅，也能够实现无源化、长距离、高准确的风速测量。

下面对本发明实施例进行详细的说明：

如图2所示，一种优选的方式为，所述金属薄片上一端设置有安装孔，所述等强度悬臂梁的自由端设置有安装孔，在所述安装孔位置固定磁体。在金属薄片一端设置的安装孔位置与等强度悬臂梁的自由端设置的安装孔位置相对应。此种方式的感性效果是最佳的。

在等强度悬臂梁的固定端设置有光纤光栅的方案有三种：可以是在等强度悬臂梁上表面单独设置光纤光栅，也可以是在等强度悬臂梁下表面单独设置光纤光栅，单作为一种最优的方案是同时在等强度悬臂梁的上表面和下表面设置光纤光栅。对此最优方案此处需要说明的是：

在本实施例中，光纤光栅是对温度和应变同时敏感的器件，采用光纤光栅作为传感信号采集的元器件，同时采用等强度悬臂梁作为换能原件，将力的变化转变成应变的变化，从而被光纤光栅传感器检测到。当在等强度悬臂梁上下表面各焊接一个光纤光栅时，这种双光纤光栅结构，一个光纤光栅为另一个光纤光栅的温补光栅，可以消除温度对光纤光栅的影响，提高测量的准确性。

原理如下：焊接在上表面的光纤光栅FBG1受到拉应变的影响中心波长λ₁增大，相对的下表面的光纤光栅FBG2受到压应变的影响中心波长λ₂减小。等强度悬臂梁梁上下表面的应变大小相同，方向相反，因此上下表面的波长变化量之差Δλ＝Δλ₁-Δλ₂，又可表示为Δλ＝(λ₁+λ₂)(1-p_e)Δε+(λ₁-λ₂)(α_f+ξ)Δt。在等强度悬臂梁上下表面焊接的光纤光栅的波长差控制在0.1nm以内（λ₁≈λ₂），Δλ＝(λ₁+λ₂)(1-p_e)Δε。从公式可以看出采用双光纤光栅的测量方法，不仅可以消除温度引起的测量误差，同时应变量增大为原来的2倍，提高了测量的准确性。

优选的，所述磁体为永磁体。

优选的，所述金属薄片与所述转轴成倒T形。

优选的，所述光纤光栅为应力光栅。

实施例2：

如图3所示，本发明实施例还提供了一种风速测量系统，包括：光源，至少实施例1中所述的风速测量探头、光纤耦合器、动态解调仪、处理器和显示器；

其中，至少一个风速测量探头串联，并经光缆/OPGW将带有风速信息的光信号反向传输给所述光纤耦合器，所述光纤耦合器连接所述动态解调仪，所述动态解调仪连接所述处理器，经所述处理器处理后输出风速信息，在显示器上显示。

优选的，所述光源为宽带光源。

本实施例中，将多个风速测量探头采用波分复用的技术串联后可以进行同步测量，提高检测的可靠性。采用波分复用结构，布线简单，一根光纤即可实现多路信号的同时传输，经济性高

实施例3：

如图4所示，本发明实施例还提供了一种风速测量方法，使用实施例1中所述的风速测量探头，包括步骤：

S1、宽带光源将光信号发送到光纤耦合器进行分路，所述光纤耦合器通过光缆/OPGW将分路后的光信号传输给至少一个风速测量探头中的光纤光栅；

S2、所述光纤光栅将带有风速信息的光信号经光缆/OPGW反向传输给所述光纤耦合器进行合路；

S3、所述光纤耦合器将合路后的带有风速信息的光信号传输给动态解调仪；

S4、所述动态解调仪对合路后的带有风速信息的光信号进行解调，得到光纤光栅的波长信息，并传输给处理器；

S5、所述处理器处理所述波长信息，得到周期性变化的波形；并根据所述波形计算出风速，通过显示器实时显示。

综上，本发明实施例克服了现有技术的不足，能够进行无源化、长距离、高准确的风速测量。

需要说明的是，在本文中术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种风速测量探头，其特征在于，包括基座、风杯、转轴、等强度悬臂梁，其中：

所述基座由竖直部和水平部组成，竖直部的上端部和水平部的一端固定连接；

所述转轴穿透过所述水平部的另一端，在所述转轴的上端部设置有风杯，在所述转轴下端部连接有金属薄片，在所述金属薄片上设置有磁体；

所述等强度悬臂梁固定于竖直部的下端部，在所述等强度悬臂梁的上表面和/或下表面设置有光纤光栅，在所述等强度悬臂梁的自由端设置有磁体；

所述金属薄片与所述等强度悬臂梁不接触；

所述风杯的转动带动所述金属薄片上的磁体转动，所述金属薄片上的磁体对所述等强度悬臂梁的自由端的磁体产生一个周期性变化的力。

2.如权利要求1所述的风速测量探头，其特征在于，所述金属薄片上一端设置有安装孔，所述等强度悬臂梁的自由端设置有安装孔，在所述安装孔位置固定磁体。

3.如权利要求2所述的风速测量探头，其特征在于，在所述金属薄片一端设置的安装孔位置与所述等强度悬臂梁的自由端设置的安装孔位置相对应。

4.如权利要求1所述的风速测量探头，其特征在于，所述磁体为永磁体。

5.如权利要求1所述的风速测量探头，其特征在于，所述金属薄片与所述转轴成倒T形。

6.如权利要求1～5任一所述的风速测量探头，其特征在于，所述光纤光栅为应力光栅。

7.一种风速测量系统，其特征在于，包括：光源、至少一个如权利要求1～6任一所述的风速测量探头、光纤耦合器、动态解调仪、处理器和显示器；

其中，多个风速测量探头串联，并经OPGW光缆将带有风速信息的光信号反向传输给所述光纤耦合器，所述光纤耦合器连接所述动态解调仪，所述动态解调仪连接所述处理器，经所述处理器处理后输出风速信息，并在显示器上显示。

8.如权利要求7所述的风速测量系统，其特征在于，所述光源为宽带光源。

9.一种风速测量方法，其特征在于，使用如权利要求1～6任一所述的风速测量探头，包括步骤：

S1、宽带光源将光信号发送到光纤耦合器进行分路，所述光纤耦合器通过OPGW光缆将分路后的光信号传输给至少一个风速测量探头中的光纤光栅；

S2、所述光纤光栅将带有风速信息的光信号经OPGW光缆反向传输给所述光纤耦合器进行合路；

S3、所述光纤耦合器将合路后的带有风速信息的光信号传输给动态解调仪；

S4、所述动态解调仪对合路后的带有风速信息的光信号进行解调，得到光纤光栅的波长信息，并传输给处理器；

S5、所述处理器处理所述波长信息，得到周期性变化的波形；并根据所述波形计算出风速，通过显示器实时显示。