CN109030863A - 一种光纤光栅风速监测传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤光栅风速监测传感器，包括三个风杯、一个传动盘、一个测量盘、一个底座，三个光纤光栅位于测量盘中，其中两个光纤光栅的两端分别固定有惯性球，并置于测量盘互相垂直的矩形凹槽内，另外一个光纤光栅自由悬空以提供温度补偿；当有风吹时，风杯受力转动，带动传动盘转动，进而带动测量盘转动，测量盘中的带有惯性球的两个光纤光栅受到离心拉力而波长漂移。本发明结构紧凑，易于实现，双光纤光栅感知风速带来的转动离心力，测量灵敏度高，可实现对微风的测量。

Description

一种光纤光栅风速监测传感器
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，涉及到光纤光栅，具体涉及一种光纤光栅风速监测传感器。
背景技术
大型土木工程在施工期间、完工后的后续监测等阶段需要了解现场风速的情况，进而为施工等工作做相应的准备，为此，能够实时监测风速的传感器技术显得尤为重要。传统的电信号原理的风速计易受自然界雷击等恶劣环境的影响而无法实时长期工作，而光纤光栅作为一种新型光学敏感元件，具备不受电磁干扰、信号可远距离传输等优势，特别能够满足野外恶劣环境对实时监测的要求，因此基于光纤光栅原理的风速传感器备受重视。
申请号为“201520252222.2”的中国实用新型专利公开了一种基于光纤光栅原理的三杯式风速传感器，利用风杯带动齿轮盘转动，齿轮盘拨动粘贴有光纤光栅的悬臂梁，通过光纤光栅感知并计数转过的齿轮进行风速测量，该传感器的齿轮盘受到悬臂梁的反作用力，当风速微小时，就无法带动齿轮盘转动。申请号为“201320501544.7”的中国实用新型专利公开了一种基于光纤Bragg光栅的风速传感器，通过风叶带动设置有凸轮的导杆转动，凸轮拨动粘贴有光纤光栅的悬臂梁，通过检测光纤光栅波长漂移的频率实现风速测量，该专利需要将光纤光栅直接的波长漂移数据做频域分析，数据处理不够简便，而且长期工作时，凸轮易磨损。
发明内容
现有的光纤光栅风速监测传感器存在不利于进行高灵敏测量、数据处理复杂、不能长时间实时监测等技术问题，针对这些问题，本发明提供了一种光纤光栅风速监测传感器，利用直接的波长漂移量大小即可反映风速大小，测量灵敏度高，可实现对微风的监测。
为此，本发明采用了以下技术方案：
一种光纤光栅风速监测传感器，包括风杯、传动盘、测量盘和底座；所述风杯为多个，沿周向均匀间隔分布，位于同一个水平面内；所述传动盘包括传动竖杆和下盘，传动竖杆位于下盘的中心，垂直向上，下盘的底部设有圆周凹槽；所述风杯固定在传动竖杆的顶端；所述测量盘为圆盘结构，带有两个呈十字交叉分布的矩形凹槽，每个矩形凹槽内均设置有可以自由滑动的且分别位于圆心两侧的两个惯性球，惯性球上设置有径向通孔，用于穿过光纤；所述测量盘固定在传动盘的下方，其内部设置有多个光纤光栅；所述底座为单端开口的圆筒结构，开口朝上，开口端上表面设置有若干个周向均布的半圆凸起；所述半圆凸起与传动盘底部的圆周凹槽相匹配，用于支持起传动盘并使传动盘可自由转动；所述测量盘的外径小于底座的开口直径。
优选地，所述测量盘内设置有第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅；所述第一光纤光栅和第二光纤光栅十字交叉布置，其两侧的光纤分别穿过惯性球上的径向通孔并粘贴固定；所述第三光纤光栅处于自由悬空状态；第一光纤光栅)和第二光纤光栅一端的尾纤分别与第三光纤光栅的两端尾纤焊接固定，三个光纤光栅串接于同一根光纤上。
优选地，所述传动盘的下盘上设置有出纤通孔和固定通孔；所述出纤通孔用于引出光纤；所述测量盘上设有若干个螺孔，与固定通孔相匹配，二者通过螺钉连接，用于将测量盘固定在传动盘上。
进一步地，所述螺孔有4个，分别位于十字交叉矩形凹槽的交叉中心的四个直角附近。
优选地，所述风杯为三个。
优选地，所述半圆凸起共4个，沿底座的开口端表面周向等间隔分布。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
当风杯随风转动时，带动传动盘转动，进而带动测量盘转动，位于测量盘圆心两侧的惯性球在离心力作用下，均有背向圆心运动的趋势，进而拉伸光纤光栅，第一光纤光栅和第二光纤光栅波长产生漂移。风速越大，离心力越大，波长漂移量越大，利用直接的波长漂移量大小即可反映风速大小，而且，惯性球拉伸的均是裸光纤光栅，灵敏度极高，可实现对微风的监测。
附图说明
图1是本发明所提供的一种光纤光栅风速监测传感器的整体构成示意图。
图2是风杯和传动盘结构示意图。
图3是测量盘结构示意图。
图4是底座结构示意图。
附图标记说明：1、风杯；2、传动盘；3、测量盘；4、底座；2-1、传动竖杆；2-2、下盘；2-3、出纤通孔；2-4、固定通孔；2-5、圆周凹槽；3-1、矩形凹槽；3-2、惯性球；3-3、螺孔；3-4、第一光纤光栅；3-5、第二光纤光栅；3-6、第三光纤光栅；4-1、半圆凸起。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1和图2所示，本发明公开了一种光纤光栅风速监测传感器，包括风杯1、传动盘2、测量盘3和底座4；所述风杯1为多个，沿周向均匀间隔分布，位于同一个水平面内；所述传动盘2包括传动竖杆2-1和下盘2-2，传动竖杆2-1位于下盘2-2的中心，垂直向上，下盘2-2的底部设有圆周凹槽2-5；所述风杯1固定在传动竖杆2-1的顶端；所述测量盘3为圆盘结构，带有两个呈十字交叉分布的矩形凹槽3-1，每个矩形凹槽3-1内均设置有可以自由滑动的且分别位于圆心两侧的两个惯性球3-2，惯性球3-2上设置有径向通孔，用于穿过光纤；所述测量盘3固定在传动盘2的下方，其内部设置有多个光纤光栅；所述底座4为单端开口的圆筒结构，开口朝上，开口端上表面设置有若干个周向均布的半圆凸起4-1；所述半圆凸起4-1与传动盘2底部的圆周凹槽2-5相匹配，用于支持起传动盘2并使传动盘2可自由转动；所述测量盘3的外径小于底座4的开口直径。
具体地，如图3所示，所述测量盘3内设置有第一光纤光栅3-4、第二光纤光栅3-5、第三光纤光栅3-6；所述第一光纤光栅3-4和第二光纤光栅3-5十字交叉布置，其两侧的光纤分别穿过惯性球3-2上的径向通孔并粘贴固定；所述第三光纤光栅3-6处于自由悬空状态；第一光纤光栅3-4和第二光纤光栅3-5一端的尾纤分别与第三光纤光栅3-6的两端尾纤焊接固定，三个光纤光栅3-4、3-5、3-6串接于同一根光纤上。
具体地，所述传动盘2的下盘2-2上设置有出纤通孔2-3和固定通孔2-4；所述出纤通孔2-3用于引出光纤；所述测量盘3上设有若干个螺孔3-3，与固定通孔2-4相匹配，二者通过螺钉连接，用于将测量盘3固定在传动盘2上。
具体地，所述螺孔3-3有4个，分别位于十字交叉矩形凹槽3-1的交叉中心的四个直角附近。
具体地，所述风杯1为三个。
具体地，如图4所示，所述半圆凸起4-1共4个，沿底座4的开口端表面周向等间隔分布。
实施例
一种光纤光栅风速监测传感器的制作过程如下：
首先，将三杯式的风杯1周向间隔120°的焊接固定在传动盘2上的传动竖杆2-1端部，完成风杯1和传动盘2的装配。
其次，选取三支中心波长不同的光纤光栅，其中两只光纤光栅的光纤部分均各自穿过惯性球3-2，使光栅部分位于两个惯性球3-2之间，然后放入测量盘3上面的矩形凹槽内，使两个惯性球3-2分布于测量盘3圆心两侧，然后采用胶黏剂将惯性球3-2和光纤固定，形成图3中的第一光纤光栅3-4和第二光纤光栅3-5；然后，将第三支光纤光栅的两端尾纤分布与第一光纤光栅3-4和第二光纤光栅3-5某一端的尾纤焊接，并保证第三支光纤光栅悬空不受力，形成温度补偿的第三光纤光栅3-6；然后，采用4个螺钉将测量盘3上的螺孔3-3与传动盘2上的固定通孔2-4对应固定。
最后，将固定有测量盘3、风杯1的传动盘2放在底座4上，传动盘2底部的圆周凹槽2-5与半圆凸起4-1匹配，并使传动盘2可在底座4上自由周向旋转。
测量风速过程如下：当风杯1随风转动时，带动传动盘2转动，进而带动测量盘3转动，位于测量盘3圆心两侧的惯性球3-2在离心力作用下，均有背向圆心运动的趋势，进而拉伸光纤光栅，第一光纤光栅3-4和第二光纤光栅3-5波长产生漂移。采用光纤光栅波长解调器监视这种漂移情况，并在风洞中开展标定测试实验，得到风速和第一、第二光纤光栅波长漂移量之和的对应关系，拟合出标定函数曲线。现场测量时，将第一光纤光栅3-4和第二光纤光栅3-5的波长漂移量之和，先减去第三光纤光栅3-6的波长漂移量的2倍，剔除环境温度影响，得到有风速引起的波长漂移量，然后根据标定函数曲线，即可反推出现场风速。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光纤光栅风速监测传感器，包括风杯(1)、传动盘(2)、测量盘(3)和底座(4)，其特征在于：所述风杯(1)为多个，沿周向均匀间隔分布，位于同一个水平面内；所述传动盘(2)包括传动竖杆(2-1)和下盘(2-2)，传动竖杆(2-1)位于下盘(2-2)的中心，垂直向上，下盘(2-2)的底部设有圆周凹槽(2-5)；所述风杯(1)固定在传动竖杆(2-1)的顶端；所述测量盘(3)为圆盘结构，带有两个呈十字交叉分布的矩形凹槽(3-1)，每个矩形凹槽(3-1)内均设置有可以自由滑动的且分别位于圆心两侧的两个惯性球(3-2)，惯性球(3-2)上设置有径向通孔，用于穿过光纤；所述测量盘(3)固定在传动盘(2)的下方，其内部设置有多个光纤光栅；所述底座(4)为单端开口的圆筒结构，开口朝上，开口端上表面设置有若干个周向均布的半圆凸起(4-1)；所述半圆凸起(4-1)与传动盘(2)底部的圆周凹槽(2-5)相匹配，用于支持起传动盘(2)并使传动盘(2)可自由转动；所述测量盘(3)的外径小于底座(4)的开口直径。
2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅风速监测传感器，其特征在于：所述测量盘(3)内设置有第一光纤光栅(3-4)、第二光纤光栅(3-5)、第三光纤光栅(3-6)；所述第一光纤光栅(3-4)和第二光纤光栅(3-5)十字交叉布置，其两侧的光纤分别穿过惯性球(3-2)上的径向通孔并粘贴固定；所述第三光纤光栅(3-6)处于自由悬空状态；第一光纤光栅(3-4)和第二光纤光栅(3-5)一端的尾纤分别与第三光纤光栅(3-6)的两端尾纤焊接固定，三个光纤光栅(3-4)、(3-5)、(3-6)串接于同一根光纤上。
3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅风速监测传感器，其特征在于：所述传动盘(2)的下盘(2-2)上设置有出纤通孔(2-3)和固定通孔(2-4)；所述出纤通孔(2-3)用于引出光纤；所述测量盘(3)上设有若干个螺孔(3-3)，与固定通孔(2-4)相匹配，二者通过螺钉连接，用于将测量盘(3)固定在传动盘(2)上。
4.根据权利要求3所述的一种光纤光栅风速监测传感器，其特征在于：所述螺孔(3-3)有4个，分别位于十字交叉矩形凹槽(3-1)的交叉中心的四个直角附近。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种光纤光栅风速监测传感器，其特征在于：所述风杯(1)为三个。
6.根据权利要求5所述的一种光纤光栅风速监测传感器，其特征在于：所述半圆凸起(4-1)共4个，沿底座(4)的开口端表面周向等间隔分布。
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