CN105699690B - 一种基于光纤光栅的涡街风速传感器及其组装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤光栅的涡街风速传感器及其组装方法,包括:增速管包括增速段和平稳段;前涡街发生体和后涡街发生体通过涡街发生体组合基座固定在一起构成双涡街组合体,涡街发生体组合基座固定在增速管平稳段内壁的安装槽中;光纤光栅传感元件直接固定在涡街发生体组合基座上,在增速管和涡街发生体组合基座上分别开有出纤孔,光栅的尾纤通过出纤孔与光栅解调仪连接;本发明有益效果:通过增速管和双涡街结构,使涡街信号增强,同时降低了风速传感器的测量下限值。将双涡街发生体与基座组合安装完成后一起放置于平稳段内,避免了前涡街发生体和后涡街发生体之间的相对位移变化导致的测量误差。
Description
技术领域
本发明涉及风速传感器技术领域,尤其涉及一种基于光纤光栅的涡街风速传感器及其组装方法。
背景技术
风速测量技术在煤炭油田、航海航天、气象预报、电力系统等领域有广泛的应用。目前,最常用的传感器为风杯式风速传感器、差压式风速传感器、热线式风速传感器。
上述传感器存在各自不足之处:
风杯式风速传感器:该类传感器为机械旋转结构,由于可能高速旋转而不能应用于可燃性气体环境中,如:煤矿和油田;风杯旋转需要启动风速(一般为3m/s),限制了传感器风速测量下限值。
差压式风速传感器:依据伯努利方程将风速转化为差压,通过测量静压之差求得风速。结构简单,低速下压损相对较大,对于低风速测量存在极大误差。
热线式风速传感器:在恶劣环境下,热线容易损坏,测量精度差,用温度变化测量响应时间长。
中国专利ZL201310097907.X公开了一种涡街风速计,通过涡街的脱落频率来确定风速值,但是该专利测量管是直管单涡街发生体,对于低风速测量效果不理想;采用电子式压力传感器嵌入发生体中感知涡街信号,无法避免电磁干扰、雷击等因素,需提供有源设备。
中国专利ZL201210248722.X公开了一种基于三角柱型漩涡发生体的光纤Bragg光栅涡街流量计及其使用方法,该专利发生体为单涡街发生体,测量精度不高;另外,传感元件位于发生体内,导致感应到的涡街信号不强,进一步影响了测量精度;并且,该专利结构的光纤无法在涡街发生体装配后进行出纤,生产工艺复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光纤光栅的涡街风速传感器及其组装方法,该传感器通过增速管和双涡街结构使涡街信号增强,降低了风速传感器的测量下限值。
为实现上述目的,本发明采用下述技术方案:
一种基于光纤光栅的涡街风速传感器,包括:增速管,前涡街发生体、后涡街发生体,涡街发生体组合基座以及光纤光栅传感元件;
所述增速管包括增速段和平稳段;所述前涡街发生体和后涡街发生体通过涡街发生体组合基座固定在一起构成双涡街组合体,所述涡街发生体组合基座固定在增速管平稳段内壁的安装槽中;在增速管和涡街发生体组合基座上分别开有出纤孔,光栅的尾纤通过出纤孔与光栅解调仪连接;
风通过增速管加速并趋于稳定后经前涡街发生体阻碍产生周期性脱落的涡街,再由后涡街发生体作用使涡街信号增强作用于光纤光栅传感元件上,振动信号使膜片产生周期性形变进而使光栅波长产生周期性变化,根据光栅波长变化频率等于同列涡街脱落频率求得风速值。
进一步地,所述后涡街发生体上端开有光纤座孔,两侧壁中部位置开设矩形通槽;
所述光纤光栅传感元件固定在涡街发生体组合基座上后,垂直置于后涡街发生体的压腔内。
进一步地,所述增速管收缩段的收缩曲线为变形的维托辛斯基曲线,其内径D1逐渐减小至D2不变,平稳段为直管,其内径为D2。
进一步地,所述涡街发生体组合基座分为上下两部分,每一部分均包含两个端面;其中,与平稳段管壁连接的端面为矩形,远离平稳段管壁的端面设置为与平稳段管道内壁吻合的弧面。
进一步地,所述涡街发生体组合基座上分别设有与前涡街发生体和后涡街发生体的端面相匹配的涡街发生体安装槽。
进一步地,所述光纤光栅传感元件包括弹性膜片、光纤光栅、光纤座和质量块;将光纤光栅在预紧状态下黏贴在弹性膜片上,一并安装在光纤座上,光纤光栅的尾纤通过光纤座轴心孔引出;在弹性膜片另一端安装质量块;
所述光纤座固定在涡街发生体组合基座上,所述光纤光栅黏贴在弹性膜片上,通过膜片的弹性形变使光栅的波长变化。
进一步地,假设前涡街发生体和后涡街发生体的端面之间的间距为s,涡街发生体迎风面宽度为d,两列涡街之间的间距为h,同列涡街之间的间距为L;则满足:h=1.3d,h/L=0.281。
进一步地,所述前涡街发生体和后涡街发生体的端面之间的间距等于同列涡街之间的间距。
一种基于光纤光栅的涡街风速传感器的组装方法,包括:
前涡街发生体和后涡街发生体之间保持设定间距并通过涡街发生体组合基座连接,构成双涡街组合体;
将所述双涡街组合体安装固定在增速管平稳段的矩形槽中;
将光纤光栅黏贴并固化在弹性膜片上,而后一并安装在光纤座和质量块的卡槽中,用环氧树脂胶固化固定;
光纤传感元件安装完成后,插入增速管内,通过光纤座连接在增速管的壁上,弹性膜片和质量块竖直置于后涡街发生体的通槽中;
尾纤通过光纤座和涡街发生体组合基座上的出纤孔和增速管平稳段上的出纤孔与解调仪相连;
将增速管的增速段和平稳段连接。
进一步地,所述前涡街发生体和后涡街发生体之间的间距在60-65mm之间。
本发明的有益效果是:
1.本发明通过增速管和双涡街结构,使涡街信号增强,同时降低了风速传感器的测量下限值。
2.本发明光纤传感元件独立安装拆卸,简化了传感器生产加工工艺,便于后期维修。传感部位置于后涡街发生体内,并且与前涡街发生体的距离在60-65mm之间,根据实验结果可知,此范围内的涡街信号最强,提高了测量精度,同时避免了光纤受流体影响的问题。
3.本发明将双涡街发生体与基座组合安装完成后一起放置于平稳段内,避免了前涡街发生体和后涡街发生体之间的相对位移变化导致的测量误差。
4.本发明传感元件为光纤光栅,抗雷击、不受电磁干扰。
附图说明
图1为本发明光纤光栅涡街风速传感器示意图;
图2为本发明增速管平稳段结构示意图;
图3为本发明光纤光栅传感元件示意图;
图4为本发明后涡街发生体结构示意图;
其中,1.增速管增速段,2.增速管平稳段,3.发生体固定螺钉,4.前涡街发生体,5.涡街发生体组合基座,6.光纤座,7.后涡街发生体,8.弹性膜片,9.光纤光栅,10.质量块。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明提供的一种基于光纤光栅涡街风速传感器的示意图;该光纤光栅涡街风速传感器包括:增速管增速段1、增速管平稳段2、发生体固定螺钉3、前涡街发生体4、涡街发生体组合基座5、光纤座6、后涡街发生体7、弹性膜片8、光纤光栅9和质量块10。
其中,前涡街发生体4和后涡街发生体7通过涡街发生体组合基座5固定在一起构成双涡街组合体,涡街发生体组合基座5固定在增速管平稳段2内壁的安装槽中;在增速管和涡街发生体组合基座5上分别开有出纤孔,光栅的尾纤通过出纤孔与光栅解调仪连接。
增速管增速段1和平稳段2通过螺纹联接,便于安装拆卸;如图2所示,在平稳段2开有螺纹联接孔、出纤孔和安装槽;
螺纹联接孔:用于固定联接涡街发生体组合基座5;
传感元件安装孔:用于安装整个传感元件装置;
安装槽:在增速管平稳段2内壁,截面为矩形,用于安装固定涡街发生体组合基座5;
前涡街发生体4和后涡街发生体7通过涡街发生体组合基座5联接,保持间距为60-65mm,将该组合一并安装固定在增速管平稳段2的矩形槽中,通过发生体固定螺钉3固定。双涡街发生体端面之间的间距为s,涡街发生体迎风面宽度为d,两列涡街之间的间距为h,同列涡街之间的间距为L;若要产生交错稳定的涡街信号,需满足:h=1.3d,h/L=0.281;增速管直径D2为50mm,涡街发生体的迎风面宽度d为14mm,则同列涡街之间的间距L为64.8mm。
其中,涡街发生体基座结构装配如图2所示,涡街发生体组合基座5分为上下两部分,每一部分均包含两个端面;其中,与平稳段2管壁连接的端面为矩形,远离平稳段2管壁的端面设置为与平稳段2管道内壁吻合的弧面(或者曲面)。
光纤传感元件如图3所示,光纤光栅传感元件由光纤座、弹性膜片、光纤光栅和质量块组成;将光纤光栅在预紧状态下黏贴在弹性膜片上,一并安装在光纤座上,光纤光栅的尾纤通过光纤座轴心孔引出;在弹性膜片另一端安装质量块;将整个传感元件安装在增速管平稳的传感元件安装孔内;尾纤通过光纤座的轴心孔引出与外部解调仪连接,弹性膜片和质量块竖直置于后涡街发生体7的通槽中。
后涡街发生体7的结构如图4所示,后涡街发生体7上端开有光纤座孔,中部侧壁开矩形通槽;光纤传感元件安装后,上端法兰连接在增速管2的壁上,弹性膜片8垂直置于后涡街发生体7的槽内,尾纤通过光纤座6和基座5上的出纤孔和增速管平稳段2上的出纤孔与解调仪相连。
如图1所示,风经过增速管,由于增速段1入口直径为D1,出口直径为D2,使风速v1增大到v2=(D1/D2)2v1,而后经过前涡街发生体4产生周期性交错脱落的涡街,经后涡街发生体7涡街同相位叠加,涡街信号增强,作用于黏贴光栅8的膜片7上,涡街的振动引起膜片8的左右振动,使光纤光栅9的波长产生周期变化。同列涡街脱落的频率和波长变化的频率相同。
一种基于光纤光栅的涡街风速传感器的组装方法,包括:
前涡街发生体4和后涡街发生体7之间保持设定间距并通过涡街发生体组合基座5连接,构成双涡街组合体;这样避免了前涡街发生体4和后涡街发生体7之间的相对位移变化对测量精度带来的影响。
将双涡街组合体安装固定在增速管平稳段2的矩形槽中;
将光纤光栅9黏贴并固化在弹性膜片8上,而后一并安装在光纤座6和质量块10的卡槽中,用环氧树脂胶固化固定;
光纤传感元件安装完成后,插入增速管内,通过光纤座6连接在增速管的壁上,弹性膜片8和质量块10竖直置于后涡街发生体7的通槽中;
尾纤通过光纤座6和涡街发生体组合基座5上的出纤孔和增速管平稳段上的出纤孔与解调仪相连;
将增速管的增速段1和平稳段2连接。
作为一种实施方式,前涡街发生体4和后涡街发生体7之间的间距在60-65mm之间。因为双涡街发生体端面之间的间距s=L时会产生信号较强、稳定的涡街,通过大量的实验证明,s在60-65mm之间时产生性能较好的涡街信号,满足理论要求。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (9)
1.一种基于光纤光栅的涡街风速传感器,其特征是,包括:增速管,前涡街发生体、后涡街发生体,涡街发生体组合基座以及光纤光栅传感元件;
所述增速管包括增速段和平稳段;所述前涡街发生体和后涡街发生体通过涡街发生体组合基座固定在一起构成双涡街组合体,所述涡街发生体组合基座固定在增速管平稳段内壁的安装槽中;在增速管和涡街发生体组合基座上分别开有出纤孔,光栅的尾纤通过出纤孔与光栅解调仪连接;
风通过增速管加速并趋于稳定后经前涡街发生体阻碍产生周期性脱落的涡街,再由后涡街发生体作用使涡街信号增强作用于光纤光栅传感元件上,振动信号使弹性膜片产生周期性形变进而使光栅波长产生周期性变化,根据光栅波长变化频率等于同列涡街脱落频率求得风速值;
所述光纤光栅传感元件包括弹性膜片、光纤光栅、光纤座和质量块;将光纤光栅在预紧状态下黏贴在弹性膜片上,一并安装在光纤座上,光纤光栅的尾纤通过光纤座轴心孔引出;在弹性膜片另一端安装质量块;
所述光纤座固定在涡街发生体组合基座上,所述光纤光栅黏贴在弹性膜片上,通过膜片的弹性形变使光栅的波长变化。
2.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅的涡街风速传感器,其特征是,所述后涡街发生体上端开有光纤座孔,两侧壁中部位置开设矩形通槽;
所述光纤光栅传感元件固定在涡街发生体组合基座上后,垂直置于后涡街发生体的压腔内。
3.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅的涡街风速传感器,其特征是,所述增速管收缩段的收缩曲线为变形的维托辛斯基曲线,其内径D1逐渐减小至D2不变,平稳段为直管,其内径为D2。
4.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅的涡街风速传感器,其特征是,所述涡街发生体组合基座分为上下两部分,每一部分均包含两个端面;其中,与平稳段管壁连接的端面为矩形,远离平稳段管壁的端面设置为与平稳段管道内壁吻合的弧面。
5.如权利要求4所述的一种基于光纤光栅的涡街风速传感器,其特征是,所述涡街发生体组合基座上分别设有与前涡街发生体和后涡街发生体的端面相匹配的涡街发生体安装槽。
6.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅的涡街风速传感器,其特征是,假设前涡街发生体和后涡街发生体的端面之间的间距为s,涡街发生体迎风面宽度为d,两列涡街之间的间距为h,同列涡街之间的间距为L;则满足:h=1.3d,h/L=0.281,s在60-65mm之间。
7.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅的涡街风速传感器,其特征是,所述前涡街发生体和后涡街发生体的端面之间的间距等于同列涡街之间的间距。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的基于光纤光栅的涡街风速传感器的组装方法,其特征是,包括:
前涡街发生体和后涡街发生体之间保持设定间距并通过涡街发生体组合基座连接,构成双涡街组合体;
将所述双涡街组合体安装固定在增速管平稳段的矩形槽中;
将光纤光栅黏贴并固化在弹性膜片上,而后一并安装在光纤座和质量块的卡槽中,用环氧树脂胶固化固定;
光纤传感元件安装完成后,插入增速管内,通过光纤座连接在增速管的壁上,弹性膜片和质量块竖直置于后涡街发生体的通槽中;
尾纤通过光纤座和涡街发生体组合基座上的出纤孔和增速管平稳段上的出纤孔与解调仪相连;
将增速管的增速段和平稳段连接。
9.如权利要求8所述的基于光纤光栅的涡街风速传感器的组装方法,其特征是,所述前涡街发生体和后涡街发生体之间的间距在60-65mm之间。
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Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
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