CN106290973A - 一种光纤无源式风速测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风速检测技术领域，尤其涉及一种光纤无源式风速测量装置，其包括固定底盘、风杯结构以及光纤光栅应变传感器；所述固定底盘上设有能够相对所述固定底盘转动的中心转轴，所述中心转轴上连接有所述风杯结构和转动圆盘，所述转动圆盘上设有磁铁；所述光纤光栅应变传感器设置在悬臂梁的悬臂上，所述悬臂梁的自由端设有能够与所述转动圆盘的磁铁在轴向方向上相对的磁铁。本发明可以减少硬性连接装置长期工作对装置带来的磨损；通过对应变频率的检测还能够消除温度对测量结果的影响，提高风速测量的精确度和可靠性。

Description

一种光纤无源式风速测量装置

技术领域

本发明涉及基于光纤光栅传感技术的风速检测技术领域，尤其涉及一种光纤无源式风速测量装置。

背景技术

目前测量空气流速的仪器广泛应用于各领域，如电力、钢铁、石化、节能等行业，日常生活中，很多行业都需要用到风速监测装置，如风扇制造业、出海捕捞业、抽风排风供暖系统等等，都需要利用风速测量装置进行风速、风温、风量的测量。现有的风速测量装置分为两大类：有源测量装置和无源测量装置，如电子风杯式、热线式、超声波式、多普勒频移式以及皮托管式均属于有源测量；而光纤光栅接触式测量风速。在有源测量装置中较为常用的是电子式风速测量技术，其以电子信息处理技术为基础的特点注定其将受到有源供电、易受电磁干扰、信号远程传输不稳定、数据传输容量受限等因素的制约，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收到了极大的挑战。

而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。虽然现有的光纤光栅传感技术的无源在线风速监测方法，能够弥补现有电子式风速测量装置倾角测量方法的不足，有利于计算机远程监测和多元化分析，但是现有的光纤光栅传感技术的无源在线风速监测装置采用接触式，长时间的接触摩擦会造成风速监测装置的磨损与老化，影响装置的正常工作；并且，现有的光纤光栅传感技术的无源在线风速监测装置是通过获取波长数据来测量风速的，而在风速的监测过程中，光纤光栅应变传感器周围的温度会产生变化，温度的变化会影响光纤光栅应变传感器，即对中心波长产生影响，从而不能保证风速测量的精确度和可靠性。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供一种光纤无源式风速测量装置，用于解决现有光纤光栅风速测量装置存在的磨损、老化的问题以及温度的变化降低风速测量的精确度和可靠性的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种光纤无源式风速测量装置，包括固定底盘、风杯结构以及光纤光栅应变传感器；所述固定底盘上设有能够相对所述固定底盘转动的中心转轴，所述中心转轴上连接有所述风杯结构和转动圆盘，所述转动圆盘上设有磁铁；所述光纤光栅应变传感器设置在悬臂梁的悬臂上，所述悬臂梁的自由端设有能够与所述转动圆盘的磁铁在轴向方向上相对的磁铁。

其中，所述中心转轴通过轴承固定装置设置在所述固定底盘上。

其中，所述中心转轴贯穿所述固定底盘和所述轴承固定装置，所述中心转轴的一端与所述风杯结构连接，所述中心转轴的另一端固定在所述转动圆盘的中心区域。

其中，所述悬臂梁设置在所述固定底盘上。

其中，所述光纤光栅应变传感器焊接在所述悬臂梁上。

其中，所述风杯结构为三杯式风杯结构。

其中，所述风杯结构的风杯为半圆式。

其中，所述风杯结构的材料为铝。

其中，所述转动圆盘的材料为铝。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明所提供的光纤无源式风速测量装置具有如下有益效果：

1、本发明的光纤无源式风速测量装置，采用在转动圆盘和悬臂梁结构对应位置设置磁铁的方法，利用非接触的磁力作用将风速量化为一个周期性变化的应力。该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，另一方面通过对应变频率的检测能够消除温度变化对测量结果的影响，极大的提高了风速测量的精确度和可靠性；

2、本发明的光纤无源式风速测量装置，采用半圆式的风杯，该结构可以增大受风面积，增大受风力度，有效提高启动风速；采用无磁的铝材料制的转动圆盘，避免磁性的干扰给装置带来的性能劣变；采用轴承固定中心转轴的方式，可以消除中心转轴与固定结构的摩擦，降低装置的启动风速，消除因摩擦给装置零部件带来的损害，从而改善装置的性能，保证装置的灵活性和实用性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的光纤无源式风速测量装置的结构示意图；

图中，1：风杯结构；2：轴承固定结构；3：中心转轴；4：底盘；5：转动圆盘；6：磁铁；7：悬臂梁；8：光纤光栅应变传感器。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明提供一种光纤无源式风速测量装置，用于解决现有光纤光栅风速测量装置存在的磨损、老化的问题，避免温度的变化对降低风速测量的精确度和可靠性的影响。

如图1所示，本发明实施例中提供一种光纤无源式风速测量装置，包括固定底盘4、风杯结构1以及光纤光栅应变传感器8；固定底盘4上设有能够相对固定底盘4转动的中心转轴3，中心转轴3上连接有风杯结构1和转动圆盘5，转动圆盘5上设有磁铁；光纤光栅应变传感器8设置在悬臂梁7的悬臂上，悬臂梁7的自由端设有能够与转动圆盘5的磁铁在轴向方向上相对的磁铁。在风吹动风杯结构1带动中心转轴3转动时，与中心转轴3固定连接的转动圆盘5也随之转动，设置在转动圆盘5上的磁铁与悬臂梁7自由端的磁铁能够在某一时刻在轴向方向相互对应从而相互作用，产生非接触的磁力作用，悬臂梁7上的光纤光栅应变传感器8受到力的作用，从而改变光纤光栅的中心波长，在风带动转动圆盘5转动过程中，通过检测单位时间内应变波形的峰值的数量即可得到应变频率，再根据应变和风速之间的关系推导出实时风速。

本发明采用在转动圆盘5和悬臂梁7上的对应位置设置磁铁，能够利用非接触的磁力作用巧妙的将风速量化为一个周期性变化的应力。通过检测应力变化的频率(单位时间内应变波形的峰值的数量)测得最终实时风速，该设计一方面能够减少硬性连接装置长时间工作对装置带来的磨损，另一方面通过对应变频率的检测消除了温度变化对测量结果的影响，能够提高风速测量的精确度和可靠性。

可以理解的是，本实施例中的光纤光栅应变传感器8为光纤布拉格光栅(FiberBragg Grating简称FBG)应变传感器。本发明利用的光纤光栅应变传感器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。

本实施例中，中心转轴3通过轴承固定装置2设置在固定底盘4上。中心转轴3贯穿固定底盘4和轴承固定装置2，轴承固定装置2连接在固定底盘4的底部，由此中心转轴3可通过轴承固定装置2设置在固定底盘4上。该采用轴承固定中心转轴3的方式，能够消除中心转轴3与固定结构的摩擦，极大的降低装置的启动风速，而且能够消除因摩擦给装置零部件带来的损害，从而改善装置的性能，保证装置的灵活性和实用性。

本实施例中，中心转轴3的底端与风杯结构1连接，中心转轴3的顶端固定在转动圆盘5的中心区域。转动圆盘的底部设置磁铁，悬臂梁7设置在固定底盘4的靠近边缘处，悬臂梁7自由端的上方设置磁铁，并使得两处的磁铁能够与在轴向方向上相对应。

本实施例中，悬臂梁7的悬臂的上表面焊接有光纤光栅应变传感器8，转动过程中，悬臂梁7自由端的磁铁与转动圆盘5底部的磁铁能够对齐，从而使得两处的磁铁相互作用，为了产生较明显的磁力作用，两处磁铁对齐时应保持一定的距离，即转动圆盘与固定底盘在轴向方向上需要保持一定的距离，以保证足够的磁力作用，悬臂梁7上的磁铁受到转盘上磁铁磁力的作用，带动悬臂梁自由端的形变，悬臂梁自由端的变化会带动光纤光栅中心波长的漂移，转动圆盘每转动一次，光纤光栅的中心波长就会产生一个周期的漂移。

可以理解的是，风杯结构1为多杯式风杯结构，本实施例中，风杯结构1采用三杯式风杯结构。

本实施例中，风杯结构1的风杯为半圆式，此结构可以增大受风面积，增加受风力度，有效的提高启动风速。

本实施例中，风杯结构1的材料为铝，由于铝材料轻质、不生锈，则采用铝制的风杯结构既可以避免风杯长期暴漏在外面生锈的问题，还可以增加风杯转动的灵活性。

本实施例中，转动圆盘5的材料为铝，铝质轻，且没有磁性，在转动的过程中会更加灵活且不受下方固定在悬臂梁末端的磁铁的影响，避免了磁性的干扰给装置带来的性能劣变。

本发明提供的光纤无源式风速测量装置的具体实施原理及工作方式如下所述：

当该光纤无源式风速测量装置所处环境有风时，在风的作用下，使得风杯转动，风杯通过中心转轴3带动转动圆盘5以风杯的转速转动。悬臂梁7自由端和转动圆盘5的底面镶有固定的磁铁，当转动圆盘5底面的磁铁和悬臂梁7自由端的磁铁转到刚好在轴向方向相对时，两磁铁相互作用，使得悬臂梁7的悬臂发生形变，在悬臂梁7上的光纤光栅受到力的作用，中心波长产生漂移，经解调仪采集信息，将数据存入数据库，以备程序处理。风杯每转动一圈就会发生一次应变过程。风速越大，风杯转动的速率就越大，即转速就越高，单位时间内光纤光栅应变的次数就会越多，也即光纤光栅受拉伸或压缩应变的频率就越高，通过监测单位时间内光纤光栅应变频率，就可计算出实时风速大小。

两磁铁之间在轴向方向相对时，所产生的相互作用力可以是排斥力，也可以是吸引力，这两种作用力均可以使得中心波长产生偏移，能够实现应变频率的检测。

当悬臂梁7与转动圆盘5轴向距离使得两磁铁产生排斥作用时，悬臂梁上表面向下发生变形，产生拉伸的形变，安装在悬臂梁7上表面的光纤光栅受到拉伸的力作用，光纤光栅的中心波长往大偏移，经解调仪采集信息，将数据存入数据库，以备程序处理。

当悬臂梁7与转动圆盘5轴向距离使得两磁铁产生吸引作用时，悬臂梁上表面向上发生变形，产生压缩的形变，安装在悬臂梁7上表面的光纤光栅受到压缩的力作用，光纤光栅的中心波长往小偏移，经解调仪采集信息，将数据存入数据库，以备程序处理。

本发明基于光纤光栅传感器的无源在线风速监测装置，巧妙的将风杯所受的来自风的力转换为应变悬臂梁末端受到的非接触的磁力作用，引起装有光纤光栅应变传感器的悬臂梁应变，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，又克服了温度的变化对中心波长的影响，使结果更加准确可靠。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光纤无源式风速测量装置，其特征在于，包括固定底盘、风杯结构以及光纤光栅应变传感器；所述固定底盘上设有能够相对所述固定底盘转动的中心转轴，所述中心转轴上连接有所述风杯结构和转动圆盘，所述转动圆盘上设有磁铁；所述光纤光栅应变传感器设置在悬臂梁的悬臂上，所述悬臂梁的自由端设有能够与所述转动圆盘的磁铁在轴向方向上相对的磁铁。

2.根据权利要求1所述的光纤无源式风速测量装置，其特征在于，所述中心转轴通过轴承固定装置设置在所述固定底盘上。

3.根据权利要求2所述的光纤无源式风速测量装置，其特征在于，所述中心转轴贯穿所述固定底盘和所述轴承固定装置，所述中心转轴的一端与所述风杯结构连接，所述中心转轴的另一端固定在所述转动圆盘的中心区域。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的光纤无源式风速测量装置，其特征在于，所述悬臂梁设置在所述固定底盘上。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的光纤无源式风速测量装置，其特征在于，所述光纤光栅应变传感器焊接在所述悬臂梁上。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的光纤无源式风速测量装置，其特征在于，所述风杯结构为三杯式风杯结构。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的光纤无源式风速测量装置，其特征在于，所述风杯结构的风杯为半圆式。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的光纤无源式风速测量装置，其特征在于，所述风杯结构的材料为铝。

9.根据权利1-3中任一项所述的光纤无源式风速测量装置，其特征在于，所述转动圆盘的材料为铝。