CN105092887A - 基于光纤光栅传感技术的无源风速监测装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光纤光栅传感技术的无源风速监测装置、系统及方法，所述装置包括：三杯式风杯、传动装置、安装在应变悬臂梁上的光纤光栅应变传感器；传动装置包括：转动圆盘、做往复水平运动的横向联动杆、与三杯式风杯为一体结构的中心转轴；中心转轴的底端固定在转动圆盘的中心区域，转动圆盘连接横向联动杆的一端头，横向联动杆的另一端头安装一个弹簧，弹簧作用在应变悬臂梁上。使用该装置能够实时在线监测风速的大小，监测结果更准确可靠，解决了现有电子式风速测量技术在有源供电、抗电磁干扰、信号远程传输不稳定、数据传输容量受限的问题。

Description

基于光纤光栅传感技术的无源风速监测装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及基于光纤光栅传感技术的风速监测技术领域，尤其涉及一种基于光纤光栅传感技术的无源风速监测装置、系统及方法。

背景技术

1978年，首次在接错的光线中观察到了光子诱导光栅，后来通过增加或延长注入光纤中的光辐照时间的方法在纤芯中形成了光栅。在1989年，世界上第一支波长位于通信波段的光纤研制成功。自此以后，光纤光栅传感技术引起了人们的广泛关注，并对其开展了广泛的技术研究。因其在抗电磁干扰、无源、轻便和灵敏度方面具有独特的优势，已经在很多领域取得了广泛的应用。

由于传统的电子式风速测量技术是以电子信息处理技术为基础的，这一特点注定了其必将受到有源供电、电磁干扰、信号远距离传输不稳定、数据传输容量受限等诸多因素的制约，限制了其安全性和可靠性，也限制了其应用环境的局限性，尤其是在一些强磁、强电环境下电子式风速测量设备的安全性和可靠性受到了极大的挑战。

鉴于此，如何解决现有电子式风速测量技术在有源供电、抗电磁干扰、信号远程传输不稳定、数据传输容量受限的问题成为当前需要解决的技术问题

发明内容

本发明提供一种基于光纤光栅传感技术的无源风速监测装置、系统及方法，能够实时在线监测风速的大小，监测结果更准确可靠，解决了现有电子式风速测量技术在有源供电、抗电磁干扰、信号远程传输不稳定、数据传输容量受限的问题。

第一方面，本发明提供一种基于光纤光栅传感技术的无源风速监测装置，包括：三杯式风杯、传动装置、安装在应变悬臂梁上的光纤光栅应变传感器；

所述传动装置包括：转动圆盘、做往复水平运动的横向联动杆、与所述三杯式风杯为一体结构的中心转轴；

所述中心转轴的底端固定在所述转动圆盘的中心区域，所述转动圆盘连接所述横向联动杆的一端头，所述横向联动杆的另一端头安装一个弹簧，所述弹簧作用在所述应变悬臂梁上。

第二方面，本发明提供一种基于光纤光栅传感技术的无源风速监测系统，包括：耦合器、信号调解仪和服务器，还包括：上述的基于光纤光栅传感技术的无源风速监测装置；

所述信号调解仪包括：光源和调解装置，所述光源、调解装置分别通过所述耦合器与所述光纤光栅应变传感器连接；

所述调解装置与所述服务器连接；

其中，所述光纤光栅应变传感器获取风吹动所述三杯式风杯时的应变悬臂梁的应变信息，通过所述耦合器接收所述光源发出的第一光谱信号，并根据所述应变信息和所述第一光谱信号产生相应的应变波长的第二光谱信号，并将所述第二光谱信号发送至所述调解装置；

所述调解装置对获取所述第二光谱信号的功率，并将所述第二光谱信号调解成波长编码的数字信号；

所述服务器接收所述数字信号，根据所述数字信号获取所述光纤光栅应变传感器的应变频率，根据所述应变频率获取风速大小。

可选地，所述光源、所述调解装置和所述光纤光栅应变传感器均通过光纤与所述耦合器连接。

可选地，所述系统还包括：与所述服务器连接的显示器，用于显示所述风速大小，并对所述风速大小进行修正。

可选地，所述系统还包括：与所述服务器连接的存储器，用于存储所述风速大小。

第三方面，本发明提供一种基于上述基于光纤光栅传感技术的无源风速监测装置的无源风速监测方法，包括：

光纤光栅应变传感器获取风吹动三杯式风杯时的应变悬臂梁的应变信息，接收光源发出的第一光谱信号，并根据所述应变信息和所述第一光谱信号产生相应的应变波长的第二光谱信号；

调解装置获取所述第二光谱信号的功率，并将所述第二光谱信号调解成波长编码的数字信号；

服务器根据所述数字信号获取所述光纤光栅应变传感器的应变频率，根据所述应变频率获取风速大小。

可选地，在所述服务器根据所述数字信号获取所述光纤光栅应变传感器的应变频率之前，还包括：

服务器滤除所述数字信号的噪声；

相应地，所述根据所述数字信号获取所述光纤光栅应变传感器的应变频率，具体为：

根据噪声滤除后的数字信号，获取所述光纤光栅应变传感器的应变频率。

可选地，所述根据所述应变频率获取风速大小，具体包括：

根据所述应变频率和实时监测风速大小的线性关系，获取风速大小。

可选地，在所述根据所述应变频率获取风速大小之后，还包括：

所述服务器判断获取的风速大小是否大于等于预设阈值，若获取的风速大小大于等于预设阈值，则发出告警信息。

可选地，所述服务器判断获取的风速大小是否大于等于预设阈值，若获取的风速大小大于等于预设阈值，则发出告警信息，包括：

所述服务器判断获取的风速大小是否大于等于第一预设阈值且小于第二预设阈值，若获取的风速大小大于等于第一预设阈值且小于第二预设阈值，则发出低级告警信息；

判断获取的风速大小是否大于等于第二预设阈值且小于第三预设阈值，若获取的风速大小大于等于第二预设阈值且小于第三预设阈值，则发出中级告警信息；

判断获取的风速大小是否大于等于第三预设阈值，若获取的风速大小大于等于第三预设阈值，则发出高级告警信息。

由上述技术方案可知，本发明的基于光纤光栅传感技术的无源风速监测装置、系统及方法，能够实时在线监测风速的大小，监测结果更准确可靠，解决了现有电子式风速测量技术在有源供电、抗电磁干扰、信号远程传输不稳定、数据传输容量受限的问题。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的基于光纤光栅传感技术的无源风速监测装置的结构示意图；

图2为本发明第二实施例提供的基于光纤光栅传感技术的无源风速监测系统的结构示意图；

图3为本发明第三实施例提供的基于图2所示基于光纤光栅传感技术的无源风速监测装置的无源风速监测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

第一实施例

图1为本发明第一实施例提供的基于光纤光栅传感技术的无源风速监测装置的结构示意图，如图1所示，本实施例的基于光纤光栅传感技术的无源风速监测装置，包括：三杯式风杯11、传动装置、安装在应变悬臂梁12上的光纤光栅应变传感器13；

所述传动装置包括：转动圆盘15、做往复水平运动的横向联动杆16、与所述三杯式风杯为一体结构的中心转轴14；

所述中心转轴14的底端固定在所述转动圆盘15的中心区域，所述转动圆盘15连接所述横向联动杆16的一端头，所述横向联动杆16的另一端头安装一个弹簧17，所述弹簧17作用在所述应变悬臂梁上。

可理解的是，本实施例所述光纤光栅应变传感器13为光纤布拉格光栅(FiberBraggGrating简称FBG)应变传感器。

光纤光栅传感技术的出现，除突破了有源供电和强电、强磁等干扰因素的限制外，还具有灵敏度高、体积小、质量轻、成本低的优点，并且具有本征自相干能力强和在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势。因此，基于光纤光栅传感技术对风速进行无源监测，能够有效的弥补现有电子式风速测量装置倾角测量方法的不足，解决倾角测量方面的优化与升级中所面临的挑战，有利于计算机远程监测和多元化分析。

本实施例所利用的光纤光栅应变传感器因其具有可实现无源化操作、可抗强电和强磁干扰、体积小、质量轻、抗腐蚀和耐高温等特点，并且集传感和信息传输于一体，已经得到了业界的广泛关注，并取得了广泛的应用。

在本实施例中，将传统的悬臂梁和风速传动装置直接硬性接触变为有弹簧承接的软连接，这种设计一方面可以减少硬性连接装置长期工作对装置带来的磨损，另一方面可以增加缓冲，减小了应变过程中的噪声，极大的提高了风速测量的精确度和可靠性。

本基于光纤光栅传感器的无源风速监测装置，巧妙的将三杯式风杯所受的来自风的力，转换为带动横向联动杆做水平往复运动的水平应力，横向联动杆又通过与其连接的的弹簧结构引起装有FBG传感器的应变悬臂梁应变，从而获得相应的数据信息。这种设计即减小了装置之间由于摩擦带来的装置损坏，又可以避免横向联动杆与应变悬臂梁的硬性连接给数据采集带来的影响，使结果更加准确可靠。

利用本实施例的基于光纤光栅传感技术的无源风速监测装置，能够实时在线监测风速的大小，监测结果更准确可靠，解决了现有电子式风速测量技术在有源供电、抗电磁干扰、信号远程传输不稳定、数据传输容量受限的问题。

第二实施例

图2为本发明第二实施例提供的基于光纤光栅传感技术的无源风速监测系统的结构示意图，如图2所示，本实施例的基于光纤光栅传感技术的无源风速监测系统，包括：耦合器2、信号调解仪3和(远端)服务器4，还包括：第一实施例所述的基于光纤光栅传感技术的无源风速监测装置；

所述信号调解仪3包括：(局端)光源31和调解装置32，所述光源31、调解装置32分别通过所述耦合器2与所述光纤光栅应变传感器13连接；

所述调解装置32与所述服务器4连接；

其中，所述光纤光栅应变传感器13获取风吹动所述三杯式风杯11时的应变悬臂梁12的应变信息，通过所述耦合器2接收所述光源31发出的第一光谱信号，并根据所述应变信息和所述第一光谱信号产生相应的应变波长(即与所述光纤光栅应变传感器13的自身中心波长相匹配的光谱波长)的第二光谱信号，并将所述第二光谱信号发送至所述调解装置32；

所述调解装置32对获取所述第二光谱信号的功率，并将所述第二光谱信号调解成波长编码的数字信号；

所述服务器4接收所述数字信号，根据所述数字信号获取所述光纤光栅应变传感器13的应变频率，根据所述应变频率获取风速大小。

在具体应用中，本实施例所述光源、所述调解装置32和所述光纤光栅应变传感器13均通过光纤与所述耦合器2连接。

举例来说，所述光纤可以为光纤复合架空地线(OpticalFiberCompositeOverheadGroundWire，简称OPGW)光缆或者光纤复合相线(OpticalPhaseConductor，简称OPPC)光缆。

在具体应用中，本实施例所述系统还可以包括：与所述服务器4连接的显示器5，用于显示所述风速大小，并对所述风速大小进行修正。

在具体应用中，本实施例所述系统还可以包括：与所述服务器4连接的存储器(在图中未示出)，用于存储所述风速大小。

本实施例的基于光纤光栅传感技术的无源风速监测系统，基于第一实施例所述的基于光纤光栅传感技术的无源风速监测装置，能够实时在线监测风速的大小，监测结果更准确可靠，解决了现有电子式风速测量技术在有源供电、抗电磁干扰、信号远程传输不稳定、数据传输容量受限的问题。

第三实施例

图3为本发明第三实施例提供的基于第二实施例所述基于光纤光栅传感技术的无源风速监测装置的无源风速监测方法的流程示意图，如图3所示，本实施例的无源风速监测方法如下所述。

301、光纤光栅应变传感器获取风吹动三杯式风杯时的应变悬臂梁的应变信息，接收(局端)光源发出的第一光谱信号，并根据所述应变信息和所述第一光谱信号产生相应的应变波长(即与所述光纤光栅应变传感器自身中心波长相匹配的光谱波长)的第二光谱信号。

302、调解装置获取所述第二光谱信号的功率，并将所述第二光谱信号调解成波长编码的数字信号。

303、(远端)服务器根据所述数字信号获取所述光纤光栅应变传感器的应变频率(即单位时间内的应变次数)，根据所述应变频率获取风速大小。

在具体应用中，在上述步骤303的“服务器根据所述数字信号获取所述光纤光栅应变传感器的应变频率”之前，还包括：

服务器滤除所述数字信号的噪声；

相应地，所述根据所述数字信号获取所述光纤光栅应变传感器的应变频率，具体为：

根据噪声滤除后的数字信号，获取所述光纤光栅应变传感器的应变频率。

在具体应用中，上述步骤303的“根据所述应变频率获取风速大小”，可具体包括：

根据所述应变频率和实时监测风速大小的线性关系，获取风速大小。

本实施例的无源风速监测方法，基于第二实施例所述的基于光纤光栅传感技术的无源风速监测系统，能够实时在线监测风速的大小，监测结果更准确可靠，解决了现有电子式风速测量技术在有源供电、抗电磁干扰、信号远程传输不稳定、数据传输容量受限的问题。

在具体应用中，在上述步骤303之后，所述方法还可以包括图中未示出的步骤304：

304、所述服务器判断获取的风速大小是否大于等于预设阈值，若获取的风速大小大于等于预设阈值，则发出告警信息。

进一步地，上述步骤304可具体包括：

所述服务器判断获取的风速大小是否大于等于第一预设阈值且小于第二预设阈值，若获取的风速大小大于等于第一预设阈值且小于第二预设阈值，则发出低级告警信息；

判断获取的风速大小是否大于等于第二预设阈值且小于第三预设阈值，若获取的风速大小大于等于第二预设阈值且小于第三预设阈值，则发出中级告警信息；

判断获取的风速大小是否大于等于第三预设阈值，若获取的风速大小大于等于第三预设阈值，则发出高级告警信息。

在本实施例的无源风速监测方法中，可根据获取的风速大小判断是否发出告警信息，提高了安全性。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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的权利要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于光纤光栅传感技术的无源风速监测装置，其特征在于，包括：三杯式风杯、传动装置、安装在应变悬臂梁上的光纤光栅应变传感器；

所述传动装置包括：转动圆盘、做往复水平运动的横向联动杆、与所述三杯式风杯为一体结构的中心转轴；

所述中心转轴的底端固定在所述转动圆盘的中心区域，所述转动圆盘连接所述横向联动杆的一端头，所述横向联动杆的另一端头安装一个弹簧，所述弹簧作用在所述应变悬臂梁上。

2.一种基于光纤光栅传感技术的无源风速监测系统，其特征在于，包括：耦合器、信号调解仪和服务器，还包括：如权利要求1所述的基于光纤光栅传感技术的无源风速监测装置；

所述信号调解仪包括：光源和调解装置，所述光源、调解装置分别通过所述耦合器与所述光纤光栅应变传感器连接；

所述调解装置与所述服务器连接；

其中，所述光纤光栅应变传感器获取风吹动所述三杯式风杯时的应变悬臂梁的应变信息，通过所述耦合器接收所述光源发出的第一光谱信号，并根据所述应变信息和所述第一光谱信号产生相应的应变波长的第二光谱信号，并将所述第二光谱信号发送至所述调解装置；

所述调解装置对获取所述第二光谱信号的功率，并将所述第二光谱信号调解成波长编码的数字信号；

所述服务器接收所述数字信号，根据所述数字信号获取所述光纤光栅应变传感器的应变频率，根据所述应变频率获取风速大小。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述光源、所述调解装置和所述光纤光栅应变传感器均通过光纤与所述耦合器连接。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括：与所述服务器连接的显示器，用于显示所述风速大小，并对所述风速大小进行修正。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括：与所述服务器连接的存储器，用于存储所述风速大小。

6.一种基于如权利要求2-5中任一项所述的基于光纤光栅传感技术的无源风速监测系统的无源风速监测方法，其特征在于，包括：

光纤光栅应变传感器获取风吹动三杯式风杯时的应变悬臂梁的应变信息，接收光源发出的第一光谱信号，并根据所述应变信息和所述第一光谱信号产生相应的应变波长的第二光谱信号；

调解装置获取所述第二光谱信号的功率，并将所述第二光谱信号调解成波长编码的数字信号；

服务器根据所述数字信号获取所述光纤光栅应变传感器的应变频率，根据所述应变频率获取风速大小。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述服务器根据所述数字信号获取所述光纤光栅应变传感器的应变频率之前，还包括：

服务器滤除所述数字信号的噪声；

相应地，所述根据所述数字信号获取所述光纤光栅应变传感器的应变频率，具体为：

根据噪声滤除后的数字信号，获取所述光纤光栅应变传感器的应变频率。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述应变频率获取风速大小，具体包括：

根据所述应变频率和实时监测风速大小的线性关系，获取风速大小。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述根据所述应变频率获取风速大小之后，还包括：

所述服务器判断获取的风速大小是否大于等于预设阈值，若获取的风速大小大于等于预设阈值，则发出告警信息。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述服务器判断获取的风速大小是否大于等于预设阈值，若获取的风速大小大于等于预设阈值，则发出告警信息，包括：

所述服务器判断获取的风速大小是否大于等于第一预设阈值且小于第二预设阈值，若获取的风速大小大于等于第一预设阈值且小于第二预设阈值，则发出低级告警信息；

判断获取的风速大小是否大于等于第二预设阈值且小于第三预设阈值，若获取的风速大小大于等于第二预设阈值且小于第三预设阈值，则发出中级告警信息；

判断获取的风速大小是否大于等于第三预设阈值，若获取的风速大小大于等于第三预设阈值，则发出高级告警信息。