CN108387754B - 二维风速风向传感器及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种二维风速风向传感器及系统，涉及传感设备领域，以缓解技术中不能满足用户对二维风速风向的测量的需求，导致用户体验度较差的问题，改善用户体验度。该二维风速风向传感器包括：X向风速探头组件和Y向风速探头组，X向风速探头组件与Y向风速探头组件相互垂直设置，X向风速探头组件用于测量X向风速，X向风速包括X轴的反向风速Vx‑和正向风速Vx+；Y向风速探头组件用于测量Y向风速；Y向风速包括Y轴的反向风速Vy‑和正向风速Vy+。此外，该传感器结构简单、体积小，方便于安装；且灵敏度高，可实现低风速的高精度测量，保证了二维风速风向的测量准确性；还具有安全可靠的优点。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其是涉及一种二维风速风向传感器及系统。
背景技术
目前用于风速测量的主要方式包括热线式、叶轮式、差压式等。热式、旋转式、超声式和压差式等。热线式风速传感器是利用风流经发热元件时带走的热量与风速成正比的原理测量风速。风杯式和桨叶式风速传感器均使用叶轮式测风技术，基本原理是风杯及桨叶的旋转速度与风速成一定比例，通过将风杯和桨叶的旋转速度转换成电信号实现对风速的测量。超声式风速传感器采用一对对射的超声换能器，利用顺风与逆风两种情况下超声传播的渡越时间差实现对风速的测量。差压式风速传感器利用风流经差压结构体时，在结构体阻力件会产生压力差，该压力差的大小与风速有关，通过测试其压力差，就可计算出风速。以上所提的风速测量方式均不能直接实现对风向的测量。
综上，对于二维风速风向的测量，目前尚未有有效的解决方案，即现有技术中不能满足用户对二维风速风向的测量的需求，导致用户体验度较差。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供二维风速风向传感器及系统，以缓解现有技术中不能满足用户对二维风速风向的测量的需求，导致用户体验度较差的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种二维风速风向传感器，包括：X向风速探头组件100和Y向风速探头组200，所述X向风速探头组件100与所述Y向风速探头组件200相互垂直设置，所述X向风速探头组件100用于测量X向风速，所述X向风速包括X轴的反向风速Vx-和X轴的正向风速Vx+；所述Y向风速探头组件200用于测量Y向风速；所述Y向风速包括Y轴的反向风速Vy-和正向风速Vy+。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述X向风速探头组件100包括：X向固定座7、第一X向风速探头4和第二X向风速探头9；
所述第一X向风速探头4和所述第二X向风速探头9反向设置；所述第一X向风速探头4用于检测沿X轴的正向风速Vx+；所述第二X向风速探头9用于检测沿X轴的反向风速Vx-；
所述X向固定座7包括依次连接的第一X向卡槽部71、X向卡槽连接部73和第二X向卡槽部72，所述X向卡槽连接部73为中空结构，所述X向卡槽连接部73的内部设置有第一连接光纤16，所述第一连接光纤16用于连接第一X向风速探头4和所述第二X向风速探头9；
所述第一X向卡槽部71和所述第二X向卡槽部72的槽口方向相反，所述第一X向卡槽部71和所述第二X向卡槽部72的槽截面平行，且所述第一X向卡槽部71和所述第二X向卡槽部72的槽截面与X轴垂直；
所述第一X向卡槽部71、所述第二X向卡槽部72的尺寸分别与所述第一X向风速探头4、所述第二X向风速探头9的尺寸相适应；所述第一X向卡槽部71用于放置所述第一X向风速探头4，所述第二X向卡槽部72用于放置第二X向风速探头9。
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述Y向风速探头组件200包括：Y向固定座8、第一Y向风速探头6和第二Y向风速探头10；
所述第一Y向风速探头6和所述第二Y向风速探头10反向设置；所述第一Y向风速探头6用于检测沿Y轴的反向风速Vy-；所述第二Y向风速探头10用于检测沿Y轴的正向风速Vy+；
所述Y向固定座8包括依次连接的第一Y向卡槽部81、Y向卡槽连接部83和第二Y向卡槽部82，所述Y向卡槽连接部83为中空结构，所述Y向卡槽连接部83的内部设置有第二连接光纤17，所述第二连接光纤17用于连接第一Y向风速探头6和所述第二Y向风速探头10；
所述第一Y向卡槽部81和所述第二Y向卡槽部82的槽口方向相反，所述第一Y向卡槽部81和所述第二Y向卡槽部82的槽截面平行，且所述第一Y向卡槽部81和所述第二Y向卡槽部82的槽截面与Y轴垂直；
所述第一Y向卡槽部81、所述第二Y向卡槽部82的尺寸分别与所述第一Y向风速探头6、所述第二Y向风速探头10的尺寸相适应；所述第一Y向卡槽部81用于放置所述第一Y向风速探头6，所述第二Y向卡槽部82用于放置第二Y向风速探头10。
结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述X向固定座7和/或Y向固定座8采用高强度绝热陶瓷底座。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，该二维风速风向传感器还包括：三通接头3、第一光缆接头12和第二光缆接头13，所述X向风速探头组件100的两端分别与所述三通接头3和所述第一光缆接头12相连接；所述Y向风速探头组件200的两端分别与所述三通接头3和所述第二光缆接头13相连接。
结合第一方面第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，该二维风速风向传感器还包括：第一支架2、第二支架14和第三支架15，所述第一支架2与所述三通接头3相连接，所述第二支架14与所述第一光缆接头12相连接；所述第三支架15和所述第二光缆接头13相连接。
结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，该二维风速风向传感器还包括环境温度光栅探头11，所述环境温度光栅探头11设置在所述第二光缆接头13或者所述第一光缆接头12内部，所述环境温度光栅探头11用于测量环境温度。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述二维风速风向传感器的X向风速探头组件100、Y向风速探头组件200通过光纤5与外部的检测设备相连接；
所述光纤5包括第一光纤51和第二光纤52，所述X向风速探头组件100与第一光纤51相连接，所述Y向风速探头组件200与第二光纤52相连接；所述第一光纤51与所述第二光纤52串联连接，并用于与检测设备相连接；
或者，
所述光纤5包括第一光纤51和第二光纤52，所述X向风速探头组件100与第一光纤51相连接，所述Y向风速探头组件200与第二光纤52相连接；所述第一光纤51与所述第二光纤52分别用于连接检测设备的两个端口。
第二方面，本发明实施例还提供一种二维风速风向传感器系统，包括：检测设备800和第一方面所述的二维风速风向传感器900，所述检测设备800与所述二维风速风向传感器900相连接。
结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，所述二维风速风向传感器800的X向风速探头组件100、Y向风速探头组件200通过光纤5与所述检测设备900相连接；
所述光纤5包括第一光纤51和第二光纤52，所述X向风速探头组件100与第一光纤51相连接，所述Y向风速探头组件200与第二光纤52相连接；所述第一光纤51与所述第二光纤52串联连接，并用于与检测设备800相连接；所述光纤5还包括第三光纤53，所述第三光纤53设置在第一光缆接头或者第二光缆接头内部，所述第三光纤53用于与检测设备800的一个端口相连接；所述检测设备800包括：泵浦光源801、光纤光栅解调仪802和波分复用器803，所述泵浦光源801、所述光纤光栅解调仪802均分别与所述波分复用器803相连接，所述波分复用器803通过所述第三光纤53与所述二维风速风向传感器900相连接；
或者，
所述光纤5包括第一光纤51和第二光纤52，所述X向风速探头组件100与第一光纤51相连接，所述Y向风速探头组件200与第二光纤52相连接；所述第一光纤51与所述第二光纤52分别与检测设备800的两个端口相连接，所述检测设备800包括：泵浦光源801、光纤光栅解调仪802、波分复用器803和耦合器804，所述耦合器804包括三个端口，所述泵浦光源801、所述光纤光栅解调仪802均与所述波分复用器803相连接，所述波分复用器803与所述耦合器804的第一端口相连接，所述耦合器804的第二端口、第三端口分别与所述二维风速风向传感器900的第一光纤51、第二光纤52相连接。
本发明实施例带来了以下有益效果：
本发明实施例提供的二维风速风向传感器及系统中，其中，该二维风速风向传感器包括：X向风速探头组件和Y向风速探头组，X向风速探头组件与Y向风速探头组件相互垂直设置，X向风速探头组件用于测量X向风速，X向风速包括X轴的反向风速Vx-和X轴的正向风速Vx+；Y向风速探头组件用于测量Y向风速；Y向风速包括Y轴的反向风速Vy-和正向风速Vy+。因此，本发明实施例提供的技术方案，能够缓解现有技术中不能满足用户对二维风速风向的测量的需求，导致用户体验度较差的问题，改善用户体验度。
此外，本发明实施例提供的二维风速风向传感器还具有以下优点：
1)该二维风速风向传感器为采用4个风速探头，通过精巧的设计集成实现，结构简单、体积小，方便于安装于煤矿井下等危险场合及狭小空间，测量所在空间的微风矢量场信息；
2)利用热线原理测量风速具有很高的灵敏度，可实现低风速的高精度测量，采用高绝热材料作为风速探头底座，并采用正交和单向隔离结构，保证了二维风速风向的测量准确性；
3)可以同步测量环境温度变化，是一种风速、风向、温度同步测量传感器。
4)上述的探头无需供电，耐高压、耐高温、抗电磁干扰，在易燃、易爆环境下安全可靠。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的一种二维风速风向传感器的外观示意图；
图2为本发明实施例提供的一种二维风速风向传感器的示意图；
图3为本发明实施例提供的X向固定座和Y向固定座的示意图；
图4为本发明实施例提供的三通接头的示意图；
图5为本发明实施例提供的光缆接头的示意图；
图6为本发明实施例提供的支架的示意图；
图7为本发明实施例提供的二维风速风向传感器的串联结构示意图；
图8为本发明实施例提供的二维风速风向传感器的并联结构示意图；
图9为本发明实施例提供的二维风速风向传感器系统的结构框图；
图10为本发明实施例提供的二维风速风向传感器系统的串联型结构示意图；
图11为本发明实施例提供的二维风速风向传感器系统的并联型结构示意图。
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，下面将结合附图对本发明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做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。
目前，现有的风速或者风向测试只能单一的实现风速的测量或者风向的测量，且不能实现对二维风速风向的测量，即现有技术中不能满足用户对二维风速风向的测量的需求，导致用户体验度较差。基于此，本发明实施例提供的一种二维风速风向传感器及系统，可以缓解现有技术中不能满足用户对二维风速风向的测量的需求，导致用户体验度较差的问题，能够实现对二维风速风向的测量，改善用户体验度。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种二维风速风向传感器进行详细介绍。
实施例一：
本发明实施例提供了一种二维风速风向传感器，可应用于矿井等微风测量领域。
如图1至图6所示，该二维风速风向传感器包括：设置在Y轴上的X向风速探头组件100和设置在X轴上的Y向风速探头组件200，上述X向风速探头组件100与上述Y向风速探头组件200相互垂直设置，上述X向风速探头组件100用于测量X向风速Vx，上述X向风速Vx包括X轴的反向风速Vx-和X轴的正向风速Vx+；上述Y向风速探头组件200用于测量Y向风速Vy；上述Y向风速包括Y轴的反向风速Vy-和正向风速Vy+；则由下式可以得到X向风速Vx和Y向风速Vy：
Vx+-Vx-＝Vx
Vy+-Vy-＝Vy
进一步的，合成风速V为：
且风向可以以与坐标轴X轴的夹角θ表示：
进一步的，上述X向风速探头组件100包括：X向固定座7、第一X向风速探头4和第二X向风速探头9。
上述第一X向风速探头4和上述第二X向风速探头9反向间隔设置；上述第一X向风速探头4用于检测沿X轴的正向风速Vx+；上述第二X向风速探头9用于检测沿X轴的反向风速Vx-。
上述X向固定座7包括依次连接的第一X向卡槽部71、X向卡槽连接部73和第二X向卡槽部72，上述X向卡槽连接部73为中空结构，上述X向卡槽连接部73的内部设置有第一连接光纤16，上述第一连接光纤16用于连接第一X向风速探头4和上述第二X向风速探头9。
上述第一X向卡槽部71和上述第二X向卡槽部72的槽口方向相反，上述第一X向卡槽部71和上述第二X向卡槽部72的槽截面平行，且上述第一X向卡槽部71和上述第二X向卡槽部72的槽截面与X轴垂直。
上述第一X向卡槽部71、上述第二X向卡槽部72的尺寸分别与上述第一X向风速探头4、上述第二X向风速探头9的尺寸相适应；上述第一X向卡槽部71用于放置上述第一X向风速探头4，上述第二X向卡槽部72用于放置第二X向风速探头9。
进一步的，上述Y向风速探头组件200包括：Y向固定座8、第一Y向风速探头6和第二Y向风速探头10。
上述第一Y向风速探头6和上述第二Y向风速探头10反向间隔设置；上述第一Y向风速探头6用于检测沿Y轴的反向风速Vy-；上述第二Y向风速探头10用于检测沿Y轴的正向风速Vy+。
上述Y向固定座8包括依次连接的第一Y向卡槽部81、Y向卡槽连接部83和第二Y向卡槽部82，上述Y向卡槽连接部83为中空结构，上述Y向卡槽连接部83的内部设置有第二连接光纤17，上述第二连接光纤17用于连接第一Y向风速探头6和上述第二Y向风速探头10。
上述第一Y向卡槽部81和上述第二Y向卡槽部82的槽口方向相反，上述第一Y向卡槽部81和上述第二Y向卡槽部82的槽截面平行，且上述第一Y向卡槽部81和上述第二Y向卡槽部82的槽截面与Y轴垂直。
上述第一Y向卡槽部81、上述第二Y向卡槽部82的尺寸分别与上述第一Y向风速探头6、上述第二Y向风速探头10的尺寸相适应；上述第一Y向卡槽部81用于放置上述第一Y向风速探头6，上述第二Y向卡槽部82用于放置第二Y向风速探头10。
需要指出的是，这里的风速探头(包括第一X向风速探头、第二X向风速探头、第一Y向风速探头、第二Y向风速探头)可以采用掺杂光纤式风速探头、光纤拉锥式风速探头、错熔接式风速探头的任意一种或者几种的组合；且上述的风速探头是基于光纤热线原理，上述光纤5、第一连接光纤16和第二连接光纤17是普通的单模光纤(未掺杂的单模光纤)。
需要说明的是，上述的连接光纤或者光纤与上述的探头之间是通过对芯熔接连接。
进一步的，上述的风速探头是由加热光纤与温度测量光栅构成的结构功能一体化探头。
具体的，上述的风速探头是通过在掺杂的单模光纤(加热光纤)刻写光栅(温度测量光栅)的方式制成的结构功能一体化光纤热线风速探头。且单个光纤热线风速探头对风速测量具有各向异性。
进一步的，上述X向固定座和/或Y向固定座采用高强度绝热陶瓷底座。
具体的，上述X向固定座和/或Y向固定座采用纳米氧化锆制成的圆柱体陶瓷底座。该圆柱形陶瓷底座用于对上述的各个风速探头及下述的环境温度光栅探头进行保护和固定。
采用高强度绝热材料的上述的陶瓷底座对4个风速探头和1个环境温度光栅探头进行保护和固定。具体的，上述的陶瓷底座为精密对中的圆柱体，中心有一微孔，圆柱直径为2.5mm，内孔直径为0.125mm。环境温度光栅探头和4个风速探头从陶瓷底座内径孔插入。上述的X向陶瓷底座、Y向陶瓷底座为x、y两轴正交结构，每个轴布置两个光纤热线探头，对应每一个风速探头处，陶瓷底座从圆柱中心处有一个开槽，开槽长度与光纤热线探头长度一致。每个轴上的两处开槽相互平行，方向相反，且与另一轴垂直。
进一步的，上述X向固定座和Y向固定座的结构尺寸相同；第一X向风速探头、第二X向风速探头、第一Y向风速探头、第二Y向风速探头的结构尺寸相同。
进一步的，该二维风速风向传感器还包括：三通接头3、第一光缆接头12和第二光缆接头13，上述X向风速探头组件100的两端分别与上述三通接头3和上述第一光缆接头12相连接；上述Y向风速探头组件200的两端分别与上述三通接头3和上述第二光缆接头13相连接。
具体的，上述X向固定座与上述三通接头通过钎焊的方式相连接或者以套设的方式配合连接。
上述Y向固定座与上述三通接头通过钎焊的方式相连接或者以套设的方式配合连接。
上述第一光缆接头与上述X向固定座之间通过钎焊的方式相连接或者以套设的方式配合连接。
第二光缆接头与上述Y向固定座之间通过钎焊的方式相连接或者以套设的方式配合连接。
进一步的，上述三通接头采用不锈钢材料制作而成。
上述第一光缆接头和第二光缆接头采用不锈钢材料制作而成。
进一步的，该二维风速风向传感器还包括：第一支架2、第二支架14和第三支架15，上述第一支架2与上述三通接头3相连接，上述第二支架14与上述第一光缆接头12相连接；上述第三支架15和上述第二光缆接头13相连接。
进一步的，上述第一支架2、第二支架14和第三支架15结构尺寸完全相同，上述的支架(第一支架2、第二支架14和第三支架15，统称为支架)包括连接部23和支撑部24；其中，上述连接部23包括内连接孔22。
进一步的，上述第一光缆接头与上述第二光缆接头的结构尺寸相同，上述第一光缆接头/第二光缆接头(统称为光缆接头)包括：第一端口110和第二端口111。
具体的，上述三通接头包括第一通道31、第二通道32和第三通道33，上述X向固定座的一端与上述三通接头的第一通道31相连接，上述X向固定座的另一端与上述第一光缆接头的第一端口110相连接，上述第一光缆接头的第二端口111用于与第二支架的内连接孔22配合连接；上述Y向固定座的一端与上述三通接头的第二通道32相连接，上述Y向固定座的另一端与上述第二光缆接头的第一端口110相连接，上述第二光缆接头的第二端口111用于与第三支架的内连接孔22配合连接。上述三通接头的第三通道33用于与第一支架的内连接孔22配合连接。
进一步的，上述连接部23还设置有第一固定孔21。
上述第一端口包括相连接的连接槽115和空心槽114；上述连接槽115和空心槽114呈台阶状，上述第二端口包括第二固定孔113和光缆连接孔112。
具体的，上述连接槽用于115与上述的固定座(包括X向固定座和Y向固定座)通过钎焊固定连接。
上述第一光缆接头的第二端口111的第二固定孔113用于与第二支架的第一固定孔21配合连接；上述第二光缆接头的第二端口111的第二固定孔113用于与第三支架的第一固定孔21配合连接，从而起到防止轴向滑动的作用。具体的，当传感器安装完成后，用螺钉将上述支架和对应的接头(光缆接头、三通接头)进行固定以防止轴向滑动。
具体的，本实施例中，第三通道33的外壁为正六边形凸台，第二端口111为正六边形凸台，内连接孔22为与正六边形凸台配合的内六边形孔。
为了同步实现环境温度的测量，进一步的，该二维风速风向传感器还包括环境温度光栅探头11，上述环境温度光栅探头11设置在上述第二光缆接头13或者上述第一光缆接头12内部，上述环境温度光栅探头11用于测量环境温度。
具体的，本实施例中，环境温度光栅探头11设置在第二光缆接头13的空心槽114内部。当然，环境温度光栅探头11也可以设置在第一光缆接头12的空心槽114内部。
进一步的，该环境温度光栅探头包括刻写了环境温度测量光栅的(普通的)单模光纤。
本实施例中的X向风速探头组件100、上述Y向风速探头组件200通过光纤5与外部的检测设备相连接。为了适应不同检测设备接口的连接需要，拓宽本申请中的二维风速风向传感器的应用范围。
进一步的，X向风速探头组件100与上述Y向风速探头组件200可以是通过串联的形式或者并联的形式与外界的检测设备相连接。
在一个实施例中，X向风速探头组件100与上述Y向风速探头组件200可以是通过串联的形式与外界的检测设备相连接。
下面结合图7对本发明实施例提供的二维风速风向传感器的串联型连接结构作一简要说明：
上述光纤5包括第一光纤51和第二光纤52，上述X向风速探头组100与第一光纤51相连接，上述Y向风速探头组200与第二光纤52相连接；上述第一光纤51与上述第二光纤52串联连接，并用于与检测设备相连接。
具体的，上述X向风速探头组件100的第一X向风速探头4与第一光纤51的一端相连接，上述Y向风速探头组件200的第一Y向风速探头6与第二光纤52的一端相连接，上述第一光纤51的另一端与上述第二光纤52的另一端串联连接。
进一步的，光纤5还包括第三光纤53，X向风速探头组件100与第一光纤51相连接，Y向风速探头组件200与第二光纤52相连接；第一光纤51与第二光纤52串联连接，第三光纤53与检测设备的一个端口相连接。
具体的，在图7中，第三光纤53设置在第一光缆接头12的空心槽114的内部。
第三光纤53通过与第一光缆接头的光缆连接孔112相连接的连接光缆18外接检测设备的一个端口。
进一步的，串联连接时，三通接头3的第三通道33可以设置有封帽1，封帽1用于封住第三通道33，从而防止灰尘进入三通接头内部，影响测量精度。同样的，第二光缆接头的第二端口的光缆连接孔也可以设置封闭装置(例如封帽，未示于图中)封住。
当然，第三光纤53也可以设置在第二光缆接头13的空心槽114的内部，换句话说，第三光纤53、环境温度光栅探头11分别设置在第一光缆接头12、第二光缆接头13的内部。
需要说明的是，第一光缆接头12、第二光缆接头13的内部也可以设置第三光纤53、环境温度光栅探头的任意一种。具体可以根据实际需求设置。
在另外一个实施例中，X向风速探头组件100与上述Y向风速探头组件200可以是通过并联的形式与外界的检测设备相连接。
下面结合图8对本发明实施例提供的二维风速风向传感器的串联型连接结构作一简要说明：
上述光纤5包括第一光纤51和第二光纤52，上述X向风速探头组件100与第一光纤51相连接，上述Y向风速探头组件200与第二光纤52相连接；上述第一光纤51与上述第二光纤52分别用于连接检测设备的两个端口。
具体的，上述X向风速探头组件100的第一X向风速探头4与第一光纤51的一端相连接，上述Y向风速探头组件200的第一Y向风速探头6与第二光纤52的一端相连接，上述第一光纤51的另一端、上述第二光纤52的另一端分别与检测设备的两个端口相连接。
进一步的，在图8中，光纤5也可以包括第三光纤53，第三光纤53设置在第一光缆接头12的空心槽114的内部。
第一光纤51和第二光纤52分别通过与三通接头3的第三通道33相连接的光缆外接检测设备的两个端口。
进一步的，并联连接时，第一光缆接头的第二端口的光缆连接孔、第二光缆接头的第二端口的光缆连接孔处也可以设置封闭装置(例如封帽，未示于图中)封住。
本发明实施例提供的二维风速风向传感器的主体为x、y两轴正交结构的风速探头组，能够实现对二维风速风向的检测；具体的，本发明实施例提供的技术方案采用在每个轴(或者每个探头组)上布置两个光纤热线探头和一个陶瓷底座，两个轴的至少一个轴上还可以设置环境温度光栅探头探测环境温度，4个光纤热线风速探头从陶瓷底座内径孔插入。利用经过切割处理的圆柱形陶瓷底座对光纤热线探头及环境温度光栅探头保护和固定，在每一个光纤热线风速探头的位置，从x轴陶瓷底座中心轴位置切除一半开槽，开槽长度与光纤热线探头长度一致，同时确保两处开槽方向相反，槽截面平行，且与y轴垂直；同样的，对应y轴两光纤热线探头的位置，从y轴陶瓷底座中心轴位置切除一半开槽，开槽长度与光纤热线探头长度一致，同时确保两处开槽方向相反，槽截面平行，且与x轴垂直。
此外，本发明实施例具有以下有益效果：
1)该二维风速风向传感器为采用4个风速探头，通过精巧的设计集成实现，结构简单、体积小，方便于安装于煤矿井下等危险场合及狭小空间，测量所在空间的微风矢量场信息；
2)利用热线原理测量风速具有很高的灵敏度，可实现低风速的高精度测量，采用高绝热材料作为风速探头底座，并采用正交和单向隔离结构，保证了二维风速风向的测量准确性；
3)可同步测量环境温度变化，是一种风速、风向、温度同步测量传感器。
4)上述的探头无需供电，耐高压、耐高温、抗电磁干扰，在易燃、易爆环境下安全可靠。
最后，需要指出的是，(1)掺杂光纤式风速探头可以根据所测量程、测量精度等要求替换成不同掺杂的光纤类型或不同掺杂浓度的光纤类型，也可采用其他结构形式，如金属镀膜式探头(此时可以不需要陶瓷底座，直接通过在普通的单模光纤上间隔预设距离正反向镀膜，以实现对正反向风速风向测量)、光纤拉锥式探头、错位熔接式探头等，或几种方式的融合；
(2)陶瓷底座可以替换成其他高强度绝热材料，陶瓷底座内孔直径可根据具体设计需要，与4个风速探头、1个环境温度光栅探头以及连接光纤的直径相适应(保持一致)；
(3)4个风速探头和1个环境温度光栅探头可在不改变上述风速风向测量原理的情况下任意组合，形成多种串并联系统方案和传感器内部结构。
实施例二：
图9示出了本发明实施例还提供的一种二维风速风向传感器系统的结构框图，该系统包括：检测设备800和实施例一上述的二维风速风向传感器900，上述检测设备与上述二维风速风向传感器相连接。
进一步的，根据风速探头的连接形式的不同和检测设备的端口不用，该系统可分为串联型和并联型系统结构，分别如图10、图11所示。
图10示出了本发明实施例提供的一种二维风速风向传感器系统的串联型结构示意图。
参照图10，上述二维风速风向传感器的X向风速探头组件、Y向风速探头组件通过光纤5与上述检测设备相连接；上述光纤5包括第一光纤51和第二光纤52，上述X向风速探头组件与第一光纤51相连接，上述Y向风速探头组与第二光纤52相连接；上述第一光纤51与上述第二光纤52串联连接，并用于与检测设备相连接。
具体的，上述X向风速探头组件的第一X向风速探头4与第一光纤51的一端相连接，上述Y向风速探头组件的第一Y向风速探头6与第二光纤52的一端相连接，上述第一光纤51的另一端与上述第二光纤52的另一端串联连接。
光纤5还包括第三光纤53，X向风速探头组件与第一光纤51相连接，Y向风速探头组件与第二光纤52相连接；第一光纤51与第二光纤52串联连接，第三光纤53与检测设备的一个端口相连接。
具体的，上述第三光纤53设置在第一光缆接头12或者上述第二光缆接头13内部，上述第三光纤53用于与检测设备的一个端口相连接；上述检测设备包括：泵浦光源801、光纤光栅解调仪802和波分复用器803，上述泵浦光源、上述光纤光栅解调仪均分别与上述波分复用器相连接，上述波分复用器通过上述第三光纤53与上述二维风速风向传感器相连接。
在该串联型结构中，泵浦光源和光纤光栅解调仪探测光通过波分复用器合并后直接注入到有环境温度光栅探头和4个风速探头(具体的，采用基于光纤热线原理的光纤热线式风速探头)组成的光纤光栅串中，光纤热线风速探头会吸收泵浦激光能量并释放热量，使对应的光栅区温度变化，形成特定温度场，因此对应光栅的解调波长随栅区温度变化发生漂移，当传感器置于不同风场中时，通过光纤光栅解调仪及解调软件实时测量出对应光纤热线风速探头的温度和环境温度光栅所测环境温度，从而进一步计算出每一个光纤热线风速探头对应所测方向上的风速值。
图11示出了本发明实施例提供的一种二维风速风向传感器系统的并联型结构示意图。
参照图11，上述二维风速风向传感器的X向风速探头组件、Y向风速探头组件通过光纤5与上述检测设备相连接。
上述光纤5包括第一光纤51和第二光纤52，上述X向风速探头组件与第一光纤51相连接，上述Y向风速探头组件与第二光纤52相连接；上述第一光纤51与上述第二光纤52分别与检测设备的两个端口相连接，上述检测设备包括：泵浦光源801、光纤光栅解调仪802、波分复用器803和耦合器804，上述耦合器804包括三个端口，上述泵浦光源、上述光纤光栅解调仪均与上述波分复用器相连接，上述波分复用器与上述耦合器的第一端口相连接，上述耦合器的第二端口、第三端口分别与上述二维风速风向传感器的第一光纤51、第二光纤52相连接。
进一步的，上述的泵浦光源801采用泵浦激光器。
进一步的，上述的耦合器采用1*2光耦合器。
在该并联型结构中，泵浦光源和光纤光栅解调仪探测光通过波分复用器合并后，由1*2耦合器(50:50)进行分光，再分别通过第一光纤51注入到位于Y轴上的两个X向风速探头和环境温度光栅探头、通过第二光纤52注入到位于X轴上的两个Y向风速探头。
上述的4个风速探头优选在掺杂的单模光纤上刻写FBG(光纤光栅)的方式制作而成，1个环境温度测量光栅采用在普通的单模光纤上刻写FBG方式制作而成。
具体的，在本实施例中，每个风速探头采用在长度为8mm的掺杂光纤上刻写长度为5mm的光栅制作而成，对应每一个陶瓷底座切除段的长度也为8mm。通过调配掺杂浓度、热线长度、光热转化效率等条件，将注入的泵浦激光分配到4个光纤热线探头上，确保4个光纤热线探头的风速测量精度。
本发明实施例提供的二维风速风向传感器系统，与上述实施例提供的二维风速风向传感器具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，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：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种二维风速风向传感器，其特征在于，包括：X向风速探头组件(100)和Y向风速探头组件(200)，所述X向风速探头组件(100)与所述Y向风速探头组件(200)相互垂直设置，所述X向风速探头组件(100)用于测量X向风速，所述X向风速包括X轴的反向风速Vx-和X轴的正向风速Vx+；所述Y向风速探头组件(200)用于测量Y向风速；所述Y向风速包括Y轴的反向风速Vy-和正向风速Vy+；
所述X向风速探头组件(100)和Y向风速探头组件(200)为掺杂的加热光纤刻写温度测量光纤制备的结构功能一体化光纤热线风速探头，单个光纤热线风速探头对风速测量具有各向异性。
2.根据权利要求1所述的二维风速风向传感器，其特征在于，所述X向风速探头组件(100)包括：X向固定座(7)、第一X向风速探头(4)和第二X向风速探头(9)；
所述第一X向风速探头(4)和所述第二X向风速探头(9)反向设置；所述第一X向风速探头(4)用于检测沿X轴的正向风速Vx+；所述第二X向风速探头(9)用于检测沿X轴的反向风速Vx-；
所述X向固定座(7)包括依次连接的第一X向卡槽部(71)、X向卡槽连接部(73)和第二X向卡槽部(72)，所述X向卡槽连接部(73)为中空结构，所述X向卡槽连接部(73)的内部设置有第一连接光纤(16)，所述第一连接光纤(16)用于连接第一X向风速探头(4)和所述第二X向风速探头(9)；
所述第一X向卡槽部(71)和所述第二X向卡槽部(72)的槽口方向相反，所述第一X向卡槽部(71)和所述第二X向卡槽部(72)的槽截面平行，且所述第一X向卡槽部(71)和所述第二X向卡槽部(72)的槽截面与X轴垂直；
所述第一X向卡槽部(71)、所述第二X向卡槽部(72)的尺寸分别与所述第一X向风速探头(4)、所述第二X向风速探头(9)的尺寸相适应；所述第一X向卡槽部(71)用于放置所述第一X向风速探头(4)，所述第二X向卡槽部(72)用于放置第二X向风速探头(9)。
3.根据权利要求2所述的二维风速风向传感器，其特征在于，所述Y向风速探头组件(200)包括：Y向固定座(8)、第一Y向风速探头(6)和第二Y向风速探头(10)；
所述第一Y向风速探头(6)和所述第二Y向风速探头(10)反向设置；所述第一Y向风速探头(6)用于检测沿Y轴的反向风速Vy-；所述第二Y向风速探头(10)用于检测沿Y轴的正向风速Vy+；
所述Y向固定座(8)包括依次连接的第一Y向卡槽部(81)、Y向卡槽连接部(83)和第二Y向卡槽部(82)，所述Y向卡槽连接部(83)为中空结构，所述Y向卡槽连接部(83)的内部设置有第二连接光纤(17)，所述第二连接光纤(17)用于连接第一Y向风速探头(6)和所述第二Y向风速探头(10)；
所述第一Y向卡槽部(81)和所述第二Y向卡槽部(82)的槽口方向相反，所述第一Y向卡槽部(81)和所述第二Y向卡槽部(82)的槽截面平行，且所述第一Y向卡槽部(81)和所述第二Y向卡槽部(82)的槽截面与Y轴垂直；
所述第一Y向卡槽部(81)、所述第二Y向卡槽部(82)的尺寸分别与所述第一Y向风速探头(6)、所述第二Y向风速探头(10)的尺寸相适应；所述第一Y向卡槽部(81)用于放置所述第一Y向风速探头(6)，所述第二Y向卡槽部(82)用于放置第二Y向风速探头(10)。
4.根据权利要求3所述的二维风速风向传感器，其特征在于，所述X向固定座(7)和/或Y向固定座(8)采用高强度绝热陶瓷底座。
5.根据权利要求1所述的二维风速风向传感器，其特征在于，还包括：三通接头(3)、第一光缆接头(12)和第二光缆接头(13)，所述X向风速探头组件(100)的两端分别与所述三通接头(3)和所述第一光缆接头(12)相连接；所述Y向风速探头组件(200)的两端分别与所述三通接头(3)和所述第二光缆接头(13)相连接。
6.根据权利要求5所述的二维风速风向传感器，其特征在于，还包括：第一支架(2)、第二支架(14)和第三支架(15)，所述第一支架(2)与所述三通接头(3)相连接，所述第二支架(14)与所述第一光缆接头(12)相连接；所述第三支架(15)和所述第二光缆接头(13)相连接。
7.根据权利要求1所述的二维风速风向传感器，其特征在于，所述二维风速风向传感器的X向风速探头组件(100)、Y向风速探头组件(200)通过光纤(5)与外部的检测设备相连接；
所述光纤(5)包括第一光纤(51)和第二光纤(52)，所述X向风速探头组件(100)与第一光纤(51)相连接，所述Y向风速探头组件(200)与第二光纤(52)相连接；所述第一光纤(51)与所述第二光纤(52)串联连接，并用于与检测设备相连接；
或者，
所述光纤(5)包括第一光纤(51)和第二光纤(52)，所述X向风速探头组件(100)与第一光纤(51)相连接，所述Y向风速探头组件(200)与第二光纤(52)相连接；所述第一光纤(51)与所述第二光纤(52)分别用于连接检测设备的两个端口。
8.一种二维风速风向传感器系统，其特征在于，包括：检测设备(800)和权利要求1所述的二维风速风向传感器(900)，所述检测设备(800)与所述二维风速风向传感器(900)相连接。
9.根据权利要求8所述的二维风速风向传感器系统，其特征在于，所述二维风速风向传感器(800)的X向风速探头组件(100)、Y向风速探头组件(200)通过光纤(5)与所述检测设备(900)相连接；
所述光纤(5)包括第一光纤(51)和第二光纤(52)，所述X向风速探头组件(100)与第一光纤(51)相连接，所述Y向风速探头组件(200)与第二光纤(52)相连接；所述第一光纤(51)与所述第二光纤(52)串联连接，并用于与检测设备(800)相连接；所述光纤(5)还包括第三光纤(53)，所述第三光纤(53)设置在第一光缆接头或者第二光缆接头内部，所述第三光纤(53)用于与检测设备(800)的一个端口相连接；所述检测设备(800)包括：泵浦光源(801)、光纤光栅解调仪(802)和波分复用器(803)，所述泵浦光源(801)、所述光纤光栅解调仪(802)均分别与所述波分复用器(803)相连接，所述波分复用器(803)通过所述第三光纤(53)与所述二维风速风向传感器(900)相连接；
或者，
所述光纤(5)包括第一光纤(51)和第二光纤(52)，所述X向风速探头组件(100)与第一光纤(51)相连接，所述Y向风速探头组件(200)与第二光纤(52)相连接；所述第一光纤(51)与所述第二光纤(52)分别与检测设备(800)的两个端口相连接，所述检测设备(800)包括：泵浦光源(801)、光纤光栅解调仪(802)、波分复用器(803)和耦合器(804)，所述耦合器(804)包括三个端口，所述泵浦光源(801)、所述光纤光栅解调仪(802)均与所述波分复用器(803)相连接，所述波分复用器(803)与所述耦合器(804)的第一端口相连接，所述耦合器(804)的第二端口、第三端口分别与所述二维风速风向传感器(900)的第一光纤(51)、第二光纤(52)相连接。
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