CN105181999A - 高精度可连续测量的光电式风向传感器及风向测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种高精度可连续测量的光电式风向传感器，包括单风向标、圆形渐变滤波片、光学组件和主控电路板，单风向标与竖直设置的转轴连接，圆形渐变滤波片穿设固定在转轴上，光学组件包括分别安装在圆形渐变滤波片上下两侧的第一光纤准直器和第二光纤准直器，主控电路板包括主控电路及与主控电路连接的激光器和光电探测器；激光器发出的光经由光纤传输到第一光纤准直器，再经由圆形渐变滤波片透射到第二光纤准直器后由光电探测器检测；主控电路根据光电探测器检测的透射光得到透射光强，进而根据透射光强和滤波片透射光强随着圆周角度的变化系数计算得到风向角度值。本发明还提供一种风向测量的方法。本发明可以不受电磁干扰的影响，提高风向的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及光电子测量技术领域，具体是一种高精度可连续测量的光电式风向传感器及风向测量方法。
背景技术
风向是自然环境的重要信息参数。当前社会日益注重全球环境保护，而风向也越来越需要在大范围被实时、精确地测量出来。风向传感器主要用于建筑、机械、铁路、港口、气象、索道、环境、温室、养殖、交通等各行各业的风向观测，为人们的生产和生活提供准确、可靠的气象信息。
中国专利公开了一种“风向传感器”(公开号CN2537013，公开日2003年2月19日)，它由拨盘、转抽、码盘、轴承、轴座、线路板、管座、插座、发光管、光电管，还有上夹板、下夹板、螺丝构成，其中上夹板、线路板、下夹板上的安装孔用夹模一次加工而成，用螺栓将它们连接成一体，这种结构能保证码盘上弧槽的中心与管座上下翼插装的发光管、光电管的中心一一对应，从而保证了仪器测量的精度。
中国专利公开了“一种风向传感器”(公开号CN201311431，公开日2009年9月16日)，包括风向标、传动部件、风向编码座以及基座；所述风向编码器包括转动盘及套设在所述转盘外的定位盘，所述转动盘与所述传动部件相连，随转动部件的旋转而转动，所述定位盘固定在所述基座上；所述转动盘外圆周上设置有至少两层磁钢体层，所述磁钢体层上下垂直排列，每层包括有若干个磁钢体；在所述定位盘的内圆周上、与所述磁钢体层相对应的位置处设置有感应元件层，所述感应元件层包括有若干个感应元件，所述感应元件输出端连接有测量电路；每层磁钢体层及其对应的感应元件层构成风向传感器的编码盘。
但是，基于编码盘的风向传感器易于受到电磁干扰，且受到分辨率的限制而导致测量精度难以保证。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供一种高精度可连续测量的光电式风向传感器及风向测量方法，可以不受电磁干扰的影响，提高风向的测量精度。
一种高精度可连续测量的光电式风向传感器，包括单风向标、圆形渐变滤波片、光学组件和主控电路板，单风向标与竖直设置的转轴连接，圆形渐变滤波片呈水平状态穿设固定在转轴上，光学组件包括分别安装在圆形渐变滤波片上下两侧的第一光纤准直器和第二光纤准直器，第一光纤准直器和第二光纤准直器的中心在一条竖直直线上，所述主控电路板包括主控电路及与主控电路连接的激光器和光电探测器；
所述主控电路用于控制激光器发光，激光器发出的光经由光纤传输到第一光纤准直器，再经由圆形渐变滤波片透射到第二光纤准直器后由光电探测器检测；
所述主控电路还用于将光电探测器检测的透射光得到透射光强，进而根据透射光强和滤波片透射光强随着圆周角度的变化系数计算得到风向角度值。
如上所述的高精度可连续测量的光电式风向传感器，设所述主控电路将光电探测器检测的透射光得到透射光强P，滤波片透射光强随着圆周角度的变化系数为其中PMAX和PMIN分别为将圆形渐变滤波片绕转轴缓慢旋转一周主控电路记录的最大透射光强PMAX和最小透射光强PMIN，风向角度值θ的计算公式为：
如上所述的高精度可连续测量的光电式风向传感器，所述单风向标与转轴之间用螺丝衔接，转轴与圆形渐变滤波片之间用卡槽连接并封装在圆柱壳体内，单风向标可在圆柱壳体上方自由转动。
如上所述的高精度可连续测量的光电式风向传感器，第一光纤准直器和第二光纤准直器分别位于“匚”字型支架的上下两端。
如上所述的高精度可连续测量的光电式风向传感器，“匚”字型支架上下各开一个固定孔，两固定孔中心在一条直线上，第一光纤准直器和第二光纤准直器分别粘附在上下两固定孔中。
一种风向测量方法，利用上述光电式风向传感器进行风向的测量，包括如下步骤：
步骤一、主控电路板上电后主控电路执行预先设定的程序，激光器发出一定功率的光，光经过光纤传输到第一光纤准直器端面，穿透圆形渐变滤波片后光投射到第二光纤准直器端面，耦合至光纤中传输，并由光电探测器检测后转换成电信号，光电探测器检测的电信号经过主控电路转换为透射光强；
步骤二、将圆形渐变滤波片绕转轴缓慢旋转一周，主控电路记录最大透射光强PMAX和最小透射光强PMIN，从而得到滤波片透射光强随着圆周角度的变化系数
步骤三、测风向时，单风向标在风带动下偏转一定角度，同时圆形渐变滤波片也转动一角度，主控电路记录此时光电探测器检测到的透射光强P，主控电路根据透射光强P及公式计算得到风向角度值θ。
本发明所使用的圆形渐变滤波片作为一种光谱特性随滤波片表面位置变化的光学薄膜器件，具有体积小，重量轻，稳定性好等优点，本发明利用圆形渐变滤波片的光谱特性，即其在圆周方向上随着滤波片的角度呈现线性变化的特点，同时设计出根据滤波片透射率随着圆周角度的变化系数和实时检测的透射光强即可得到风向角度，相比现有技术使用编码盘不会存在电磁干扰的的问题，而且计算出的风向角度值精确度高。
附图说明
图1是本发明高精度可连续测量的光电式风向传感器的结构示意图。
图中：1—单风向标，2—转轴，3—圆形渐变滤波片，4—光学组件，5—第一光纤准直器，6—第二光纤准直器，7—光纤，8—主控电路板，9—主控电路，10—激光器，11—光电探测器。
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、完整的描述，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做出创造性劳动的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。
图1是本发明高精度可连续测量的光电式风向传感器结构示意图，所述光电式风向传感器包括单风向标1、圆形渐变滤波片3、光学组件4和主控电路板8。单风向标1与竖直设置的转轴2连接，圆形渐变滤波片3呈水平状态穿设固定在转轴2上。所述圆形渐变滤波片3为360°全方向上光，透射率沿圆周呈线性变化，即所述圆形渐变滤波片3在一周360°方向内，光的透射率呈线性变化。
所述单风向标1与转轴2之间可用螺丝衔接，转轴2与圆形渐变滤波片3之间可用卡槽连接并封装在圆柱壳体内，单风向标1可在圆柱壳体上方自由转动。
光学组件4包括分别安装在圆形渐变滤波片3上下两侧的第一光纤准直器5和第二光纤准直器6，第一光纤准直器5和第二光纤准直器6的中心在一条竖直直线上。第一光纤准直器5和第二光纤准直器6分别位于“匚”字型支架的上下两端。“匚”字型支架可由不锈钢加工而成，上下各开一个固定孔，两固定孔中心在一条直线上，第一光纤准直器5和第二光纤准直器6分别用502胶粘附在上下两固定孔中。
所述主控电路板8包括主控电路9及与主控电路9连接的激光器10和光电探测器11，激光器10通过光纤7与第一光纤准直器5连接，激光器10发出的光经由光纤7传输到第一光纤准直器5，再穿透圆形渐变滤波片3后透射到第二光纤准直器6后由光电探测器11检测，第二光纤准直器6接收到的光可经由光纤7传输到光电探测器11进行。当风向标1随风向变化而转动时，通过转轴2带动下端的圆形渐变滤波片3转动，光电探测器11将所测的透射光传输至主控电路9，主控电路9根据光电探测器11探测到透射光判断出风向。光纤7由绝缘耐压耐高温材质封装。
所述主控电路9通过D/A转换芯片来控制激光器10发光及其光强，通过放大电路、A/D转换芯片来检测光电探测器11接收光的光强。
本发明的使用过程：所述圆形渐变滤波片3具有最大透光率TMAX和最小透光率TMIN，记最大透光率处为该滤波片的起点，该透光率在360°全方向上沿圆周顺时针方向呈线性递减变化。在逆时针方向上，滤光片上的最大透光率点到最小透光率点视为理想阶跃变化，可忽略这两点之间的微小角度差。显然地，在同一输入光下，透过圆形渐变滤波片3后的光在滤光片上的最大透光率点和最小透光率点处应该分别具有最大透射光强PMAX和最小透射光强PMIN，并可记滤波片透射光强随着圆周角度的变化系数这一系数K值即为测量圆周角度的灵敏度。这样的话，通过设计圆形渐变滤光片的最大透光率TMAX和最小透光率TMIN来设计合适的灵敏度，从而提高测量精度。
此外，我们将圆形渐变滤波片的起点(最大透光率TMAX)处标记为正北方向。在任何时候光电探测器探测到透射光强P后，可根据公式计算出此时的角度(即偏离正北方向的角度)。
优选地，所述传感器还可以包括无线数据传输模块及GPRS天线，所述无线数据传输模块受主控电路9控制，用于将计算得到的角度值θ通过GPRS天线发送给远端监控端服务器。
优选地，在传感器安装时，传感器所标记的正北方向与实际地理正北方向严格一致。
本发明还提供一种利用上述高精度可连续测量的光电式风向传感器进行风向测量的方法，包括如下步骤：
步骤一、主控电路板8上电后主控电路9执行预先设定的程序，激光器10发出一定功率的光，光经过光纤7传输到第一光纤准直器5端面，穿透圆形渐变滤波片3后光投射到第二光纤准直器6端面，耦合至光纤中传输，并由光电探测器11检测后转换成电信号，光电探测器11检测的电信号经过主控电路9的放大电路、A/D转换芯片后转换为透射光强；
步骤二、将圆形渐变滤波片3绕转轴2缓慢旋转一周，主控电路9记录最大透射光强PMAX和最小透射光强PMIN，从而得到滤波片透射光强随着圆周角度的变化系数
步骤三、测风向时，单风向标1在风带动下偏转一定角度，同时圆形渐变滤波片3也转动一角度，主控电路9记录此时光电探测器11检测到的透射光强P，主控电路9根据透射光强P及公式计算得到风向角度值θ。
由上述技术方案可知，本发明的利用圆谐渐变滤波器在圆周方向上光谱特性呈现线性变化这一现象，通过对比在规定零度角(正北方向)和任意位置时的光参数，通过计算可得出此时单风向标所偏移的角度，从而实现风向的监测。该设计方案结构简单、抗电磁干扰强、测量精度高、成本低、安装简便、高精度可连续测量，适于工业场景应用
最后应说明的是：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 (6)
1.一种高精度可连续测量的光电式风向传感器，其特征在于：包括单风向标(1)、圆形渐变滤波片(3)、光学组件(4)和主控电路板(8)，单风向标(1)与竖直设置的转轴(2)连接，圆形渐变滤波片(3)呈水平状态穿设固定在转轴(2)上，光学组件(4)包括分别安装在圆形渐变滤波片(3)上下两侧的第一光纤准直器(5)和第二光纤准直器(6)，第一光纤准直器(5)和第二光纤准直器(6)的中心在一条竖直直线上，所述主控电路板(8)包括主控电路(9)及与主控电路(9)连接的激光器(10)和光电探测器(11)；
所述主控电路(9)用于控制激光器(10)发光，激光器(10)发出的光经由光纤(7)传输到第一光纤准直器(5)，再经由圆形渐变滤波片(3)透射到第二光纤准直器(6)后由光电探测器(11)检测；
所述主控电路(9)还用于将光电探测器(11)检测的透射光得到透射光强，进而根据透射光强和滤波片透射光强随着圆周角度的变化系数计算得到风向角度值。
2.如权利要求1所述的高精度可连续测量的光电式风向传感器，其特征在于：设所述主控电路(9)将光电探测器(11)检测的透射光得到透射光强P，滤波片透射光强随着圆周角度的变化系数为其中PMAX和PMIN分别为将圆形渐变滤波片(3)绕转轴(2)缓慢旋转一周主控电路(9)记录的最大透射光强PMAX和最小透射光强PMIN，风向角度值θ的计算公式为：
3.如权利要求1所述的高精度可连续测量的光电式风向传感器，其特征在于：所述单风向标(1)与转轴(2)之间用螺丝衔接，转轴(2)与圆形渐变滤波片(3)之间用卡槽连接并封装在圆柱壳体内，单风向标(1)可在圆柱壳体上方自由转动。
4.如权利要求1所述的高精度可连续测量的光电式风向传感器，其特征在于：第一光纤准直器(5)和第二光纤准直器(6)分别位于“匚”字型支架的上下两端。
5.如权利要求4所述的高精度可连续测量的光电式风向传感器，其特征在于：“匚”字型支架上下各开一个固定孔，两固定孔中心在一条直线上，第一光纤准直器(5)和第二光纤准直器(6)分别粘附在上下两固定孔中。
6.一种风向测量方法，其特征在于：利用权利要求1-5中任一项所述光电式风向传感器进行风向的测量，包括如下步骤：
步骤一、主控电路板(8)上电后主控电路(9)执行预先设定的程序，激光器(10)发出一定功率的光，光经过光纤(7)传输到第一光纤准直器(5)端面，穿透圆形渐变滤波片(3)后光投射到第二光纤准直器(6)端面，耦合至光纤中传输，并由光电探测器(11)检测后转换成电信号，光电探测器(11)检测的电信号经过主控电路(9)转换为透射光强；
步骤二、将圆形渐变滤波片(3)绕转轴(2)缓慢旋转一周，主控电路(9)记录最大透射光强PMAX和最小透射光强PMIN，从而得到滤波片透射光强随着圆周角度的变化系数
步骤三、测风向时，单风向标(1)在风带动下偏转一定角度，同时圆形渐变滤波片(3)也转动一角度，主控电路(9)记录此时光电探测器(11)检测到的透射光强P，主控电路(9)根据透射光强P及公式计算得到风向角度值θ。
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|---|---|
| CN (1) | CN105181999A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108226570A (zh) * | 2016-12-09 | 2018-06-29 | 北京金风科创风电设备有限公司 | 风向测量装置及方法 |
| CN110500203A (zh) * | 2019-09-20 | 2019-11-26 | 西安航天动力测控技术研究所 | 一种基于风标的固体火箭冲压发动机高速自由射流迎角测量系统 |
| CN111781397A (zh) * | 2020-06-08 | 2020-10-16 | 湖北工程学院 | 一种风向检测器 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102279005A (zh) * | 2010-06-12 | 2011-12-14 | 飞秒光电科技(西安)有限公司 | 基于渐变式滤光片的光纤传感器 |
| CN102288786A (zh) * | 2011-08-12 | 2011-12-21 | 山东省科学院激光研究所 | 光纤干涉式风向仪及其探头 |
| CN203069618U (zh) * | 2012-12-25 | 2013-07-17 | 安徽工贸职业技术学院 | 风向码盘 |
| US20150077735A1 (en) * | 2012-04-16 | 2015-03-19 | Epsiline | Device for determining wind speed comprising a plurality of laser sources |
-
2015
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102279005A (zh) * | 2010-06-12 | 2011-12-14 | 飞秒光电科技(西安)有限公司 | 基于渐变式滤光片的光纤传感器 |
| CN102288786A (zh) * | 2011-08-12 | 2011-12-21 | 山东省科学院激光研究所 | 光纤干涉式风向仪及其探头 |
| US20150077735A1 (en) * | 2012-04-16 | 2015-03-19 | Epsiline | Device for determining wind speed comprising a plurality of laser sources |
| CN203069618U (zh) * | 2012-12-25 | 2013-07-17 | 安徽工贸职业技术学院 | 风向码盘 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 马强 等: "星等及光谱可调的标定用单星模拟器系统设计", 《应用光学》 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108226570A (zh) * | 2016-12-09 | 2018-06-29 | 北京金风科创风电设备有限公司 | 风向测量装置及方法 |
| CN108226570B (zh) * | 2016-12-09 | 2022-01-21 | 北京金风科创风电设备有限公司 | 风向测量装置及方法 |
| CN110500203A (zh) * | 2019-09-20 | 2019-11-26 | 西安航天动力测控技术研究所 | 一种基于风标的固体火箭冲压发动机高速自由射流迎角测量系统 |
| CN111781397A (zh) * | 2020-06-08 | 2020-10-16 | 湖北工程学院 | 一种风向检测器 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20151223 |