CN110988388A - 一种光纤光栅风速风向传感器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种光纤光栅风速风向传感器，包括薄壁圆筒和封装体，薄壁圆筒的中间上部挖空，在此区域安装有第三等强度悬臂梁，在第三等强度悬臂梁上下表面的中轴线上分别对称粘贴光纤光栅传感器；还包括设置在封装体内的方向凸轮、圆柱凸轮和推杆，封装体内部一侧在上下部分分别连接一个水平的等强度悬臂梁，在封装体的顶侧悬挂安装一个竖直的等强度悬臂梁，等强度悬臂梁两面粘贴光纤光栅传感器，自由端设有永磁体，以感应等强度悬臂梁上永磁体受到的磁力变化。本申请结构轻巧、不易损坏，利用光纤光栅体积小、抗电磁干扰、电绝缘性能好和运输容量大等物理属性，实现了对风速风向的实时在线监测。

Description

一种光纤光栅风速风向传感器

技术领域

本申请涉及一种光纤光栅风速风向传感器，适用于风速风向检测的技术领域。

背景技术

风速风向测量技术应用领域十分广泛：在农业领域，风速的大小对农田的收成有重要影 响；在气象领域，为海洋气象预警系统提供准确的风向变化数据，风速风向是预测台风覆盖 范围以及“运行”轨迹的重要参数之一；在清洁能源领域，国家对风能开发利用给予高度重视。 目前常用风速风向测量手段有：电容式力传感器、超声波式力传感器、压阻式力传感器。上 述传感器均需有源供电，且传感信号在传输的过程中容易受到电磁干扰。

中国专利申请201310678153.7公开了一种光纤Bragg光栅动态风速风向仪及其使用方 法，包括叶轮1、叶轮转轴2、转速凸轮3、风向标转轴4、尾翼5、轴承6、紧固螺丝7、方 向凸轮8、光纤Bragg光栅9、等强度悬臂梁10、底座11、角度凸轮12；所述叶轮1与叶轮 转轴2连接，叶轮转轴2上设置转速凸轮3，叶轮转轴2一侧设置等强度悬臂梁10，等强度 悬臂梁10通过紧固螺丝7与风向标转轴4固定连接，风向标转轴4通过轴承6与底座11连 接，风向标转轴4尾部设有尾翼5，风向标转轴4上设置有方向凸轮8和角度凸轮12，风向 标转轴4两侧设置有等强度悬臂梁10，等强度悬臂梁10固定在底座11上，光纤Bragg光栅 9粘贴在等强度悬臂梁10表面中心轴线上。该专利是通过转速凸轮和角度凸轮的凸出部分撞 击等强度悬臂梁使其发生挠度变化，并通过光纤光栅解调仪对波长变化次数进行计数，通过 得到的计数就能得到转速凸轮旋转的周数，从而获得转速凸轮的旋转频率和旋转角度。该种 方式依赖于部件之间的相互撞击，长期使用以后会导致部件损坏和精度不准确，而且没有考 虑到温度对测量设备的影响，精度不高。

发明内容

本发明的目的是设计一种光纤光栅风速风向传感器，其结构轻巧、不易损坏，利用光纤 光栅体积小、抗电磁干扰、电绝缘性能好和运输容量大等物理属性，实现了对风速风向的实 时在线监测。

根据本申请的一种光纤光栅风速风向传感器，包括薄壁圆筒和封装体，薄壁圆筒与转轴 连接并通过转轴设置在封装体的上方，薄壁圆筒的两端开口，在其一端设置有尾翼，薄壁圆 筒的中间上部挖空，在此区域安装有第三等强度悬臂梁，在第三等强度悬臂梁上下表面的中 轴线上分别对称粘贴光纤光栅传感器；

所述光纤光栅风速风向传感器还包括设置在封装体内的方向凸轮、圆柱凸轮和推杆，圆 柱凸轮的外表面从上到下设有螺旋状的连续凹槽，推头容纳在连续凹槽中并可沿连续凹槽滑 动，所述推头和所述推杆通过连杆连接，推杆的上下表面分别设有第一磁体和第二磁体；

封装体内部一侧在上下部分分别连接一个水平的等强度悬臂梁，在上部的水平的等强度 悬臂梁的下表面自由端和下部的水平的等强度悬臂梁的上表面自由端分别设置有永磁体，在 上部的水平的等强度悬臂梁和下部的水平的等强度悬臂梁的上下表面分别设有光纤光栅传 感器；

在与安装水平的等强度悬臂梁的一侧垂直的封装体的顶侧悬挂安装一个竖直的等强度 悬臂梁，在该竖直的等强度悬臂梁的自由端也设置有永磁体，两面粘贴有光纤光栅传感器， 在方向凸轮的侧边缘设置有第三磁体，以感应等强度悬臂梁上永磁体受到的磁力变化。

优选地，所述转轴可以通过轴承固定在封装体上方的安装孔内；所述薄壁圆筒可以为铝 合金圆筒，并和转轴焊接在一起；所述方向凸轮和所述圆柱凸轮嵌套在所述转轴上，所述方 向凸轮和所述圆柱凸轮间隔开。

其中，利用所述光纤光栅风速风向传感器测得的真实风速的计算公式为：

式中，ρ为空气密度，ξ为管道沿程阻力系数，D为管道直径，L为管道的长度，δ为 薄壁圆筒厚度，E为材料弹性模量，υ为材料泊松比，λ₁为光纤光栅受到拉应变的影响中心 波长，λ₂为光纤光栅受到压应变的影响中心波长，Δλ＝Δλ₁-Δλ₂。

本申请的有益技术效果在于：

1.本发明采用的薄壁圆筒结构既相当于风向标，也起到叶轮结构相同的作用，可以同时 测出风速、风向。无需采用两个单独的装置就可以达到测量风速风向目的，这样结构的优点 在于可以减小摩擦阻力的影响，也可以避免两个装置之间的相互作用，影响数据的准确性。 具体地，本申请利用同性磁极相斥的原理，通过永磁体与设置在悬臂梁末端的磁体之间的斥 力使弹性悬臂梁发生形变或者通过风作用在薄壁圆筒壁上的弹性悬臂梁使之发生形变，根据 设置在弹性悬臂梁上的光纤光栅感应到发射波长的变化，从而计算出弹性悬臂梁的应变量， 根据应变量的大小和变化规律来推算出风向的变化和风速的大小。本申请避免了现有技术中 需要碰撞弹性悬臂梁才能测量应变量的局限，减小了部件间的相互碰撞作用，增加了使用寿 命，减小了部件损耗。

2.实现了对风速的实时动态在线监测：当风与薄壁圆筒的方向不一致时，通过尾翼的作 用，就可以让薄壁圆筒在风的作用下转动起来；当风与薄壁圆筒方向一致时，风会吹进薄壁 圆筒，这时，风会对薄壁圆筒产生径向的力，也对薄壁圆筒内部的等强度悬臂梁产生力的作 用，将等强度悬臂梁的挠度变化转换为光纤光栅中心波长的位移变化量，根据对应的公式， 就可以测出风速。

3.实现了对风向的实时动态在线监测：本发明转轴上设置方向凸轮和角度凸轮，通过方 向凸轮和角度凸轮确定薄壁圆筒旋转的角度，从而计算出风向，实现了对风向实时动态在线 监测。

4.本发明在等强度悬臂梁的上下表面对称粘贴光纤光栅，两个光纤光栅可以消除温度的 影响，并且提高了测量的准确性。

5.本发明在薄壁圆筒的一端安装了轻质尾翼，既不会使薄壁圆筒两侧由于质量不等发生 失稳，又可以保证薄壁圆筒在风的作用下可以转动。

附图说明

图1是本申请的光纤光栅风速风向传感器的拆解图。

图2是本申请的光纤光栅风速风向传感器的正剖视图。

图3是本申请的光纤光栅风速风向传感器的另一方向的截面图。

图4是本申请的带光纤光栅的等强度悬臂梁的示意图。

图5是图1中B位置处的放大图。

图6是本申请的推杆和圆柱凸轮的示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施 例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征 可以相互任意组合。

如图1和2所示，其中显示了根据本申请的光纤光栅风速风向传感器的结构示意图。本 申请的光纤光栅风速风向传感器包括薄壁圆筒1和封装体3，薄壁圆筒1与转轴6连接并通 过转轴6设置在封装体3的上方。优选地，转轴6可以通过轴承固定在封装体3上方的安装 孔内。薄壁圆筒1的两端开口，在其一端设置有尾翼2。本申请的薄壁圆筒可以为铝合金圆 筒，可以在风的作用下发生转动，并和转轴焊接在一起。如图3和5所示，薄壁圆筒1的中间上部挖空，在此区域安装有第三等强度悬臂梁，在第三等强度悬臂梁上下表面的中轴线上 分别对称粘贴一支光纤光栅传感器。

本申请的光纤光栅风速风向传感器还包括设置在封装体3内的方向凸轮4、圆柱凸轮5 和推杆10。优选地，方向凸轮4和圆柱凸轮5可以嵌套在转轴6上，方向凸轮4和圆柱凸轮5间隔开而不接触。圆柱凸轮5的外表面从上到下设有螺旋状的连续凹槽51，推头12容纳 在连续凹槽51中并可沿连续凹槽51滑动。推头12和推头10通过连杆13连接，推杆10的 上下表面分别设有第一磁体101和第二磁体102。封装体3内部一侧在上下部分分别连接一 个水平的等强度悬臂梁7。如图4所示，在等强度悬臂梁的自由端设置有永磁体9，在上下 两面分别粘贴有光纤光栅传感器8。本申请中，在上部的水平的悬臂梁7的下表面设置有永 磁体9，在下部的水平的悬臂梁7的上表面设置有永磁体9。通过与第一磁体和第二磁体之 间的相互作用，以感应等强度悬臂梁7上永磁体9受到的磁力变化。

在与安装等强度悬臂梁7的一侧垂直的封装体3的顶侧悬挂安装一个竖直的等强度悬臂 梁11，在该竖直的等强度悬臂梁11的自由端也设置有永磁体，两面粘贴有光纤光栅传感器。 同时，在方向凸轮4的侧边缘设置有第三磁体，以感应等强度悬臂梁11上永磁体受到的磁 力变化。通过上述三个光纤光栅感受到的周期应变量，以此来测量并传导风向。

作为替换的实施方式，也可以不在竖直的等强度悬臂梁11的自由端设置永磁体，只在 其两面粘贴有光纤光栅传感器，此时方向凸轮4的侧边缘也无需设置第三磁体，而是将竖直 的等强度悬臂梁11和方向凸轮4靠近设置，使得方向凸轮4在转动时，其最大的凸轮半径 能够撞击到竖直的等强度悬臂梁11。通过方向凸轮对竖直的等强度悬臂梁产生周期性的撞击 作用，使得悬臂梁上的光纤光栅感受应变量的改变。

当薄壁圆筒与风的方向不平行时，由于薄壁圆筒一端安装了尾翼，增加此端部的受力面 积，圆筒受到风的作用时，圆筒的两侧力臂大小不同，产生的力矩差使圆筒转动。当圆筒转 至与风向平行时，风吹进圆筒内部，对圆筒内部的等强度悬臂梁产生力的作用，导致等强度 悬臂梁产生应变，粘贴在悬臂梁上下表面的光纤光栅中心发生波长位移，由光纤把波长变化 传出。本申请的光纤光栅是对温度和应变同时敏感的器件，采用光纤光栅作为传感信号采集 的元器件，同时采用等强度悬臂梁作为换能原件，将力的变化转变成应变的变化，从而被光 纤光栅传感器检测到。当在等强度悬臂梁上下表面各粘贴一个光纤光栅时，这种双光纤光栅 结构，一个光纤光栅为另一个光纤光栅的温补光栅，可以消除温度对光纤光栅的影响，提高 测量的准确性。本发明采用非接触式传导力结构，可以减小摩擦带来的测量不准确性，同时 可以有效的避免器件的磨损，保证了长期使用测量的精度。

本申请中双光纤光栅结构的原理如下：

粘贴在下表面的光纤光栅受到拉应变的影响中心波长λ₁增大，相对的上表面的光纤光栅 受到压应变的影响中心波长λ₂减小。等强度悬臂梁上下表面的应变大小相同，方向相反，因 此上下表面的波长变化量之差Δλ，Δλ＝Δλ₁-Δλ₂，在等强度悬臂梁上下表面粘贴的光纤光 栅的波长差控制在0.1nm以内(λ₁≈λ₂)。此时有

Δλ＝(λ₁+λ₂)(1-p_ε)ε (1)

ε为应变量，p_ε为光纤光栅光弹系数。

从公式可以看出采用双光纤光栅的测量方法，不仅可以消除温度引起的测量误差，同时 应变量增大为原来的2倍，提高了测量的准确性。

由流体力学知识可知，管道截面中的压强与风速有关，可得压强与速度的公式：

式中，ρ为空气密度，ξ为管道沿程阻力系数，D为管道内径，L为管道的长度。薄壁压力容器壁任一点处的应力状态为平面应力状态，有应变公式：

结合公式(1)-(3)可得管道内的风速为：

式中，D为薄壁圆筒内直径，δ为薄壁圆筒厚度，E为材料弹性模量，υ为材料泊松比。

因在通风管道中有风压损失，通风管道中单位长度的风压损失可用下式计算：

v为管内风速，Rm乘以风管长度L等于该段风管的压力损失。

将(2)式与(5)式相加，可得管道外大气中的压强和速度公式

由公式(2)、公式(5)以及公式(6)可知真实风速＝管内风速+损失风速。

由公式(3)、公式(4)、公式(5)以及公式(6)可得所测的真实风速：

由公式(1)和公式(7)可得真实风速v₁与波长Δλ的关系：

当薄壁圆筒转动时，带动转轴转动，此时，方向凸轮和圆柱凸轮跟随转轴转动，方向凸 轮对竖直的等强度悬臂梁产生周期性的作用，悬臂梁上的光纤光栅感受应变量的改变；圆柱 凸轮转动，可以带动推杆上下运动，进而使推杆上下表面设置的第一磁体和第二磁体与水平 安装的两个光纤光栅应变传感悬臂梁末端的永磁体之间发生相对运动导致磁力大小变化，这 种磁力大小的变化致使光纤光栅应变传感悬臂梁的应变量发生变化。通过三个光纤光栅应变 传感器对三处的应变量变化的检测来判断风向的变化。

本发明结构轻巧、不易损坏，利用光纤光栅体积小、抗电磁干扰、电绝缘性能好和运输 容量大等物理属性，实现了对风速风向的实时在线监测。

虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本申请而采用的实 施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属技术领域内的技术人员，在不脱离本申请所 揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本申请 的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种光纤光栅风速风向传感器，包括薄壁圆筒(1)和封装体(3)，薄壁圆筒(1)与转轴(6)连接并通过转轴设置在封装体(3)的上方，薄壁圆筒(1)的两端开口，在其一端设置有尾翼(2)，其特征在于，薄壁圆筒(1)的中间上部挖空，在此区域安装有第三等强度悬臂梁，在第三等强度悬臂梁上下表面的中轴线上分别对称粘贴光纤光栅传感器；

所述光纤光栅风速风向传感器还包括设置在封装体内的方向凸轮(4)、圆柱凸轮(5)和推杆(10)，圆柱凸轮(5)的外表面从上到下设有螺旋状的连续凹槽(51)，推头(12)容纳在连续凹槽(51)中并可沿连续凹槽(51)滑动，所述推头(12)和所述推杆(10)通过连杆(13)连接，推杆(10)的上下表面分别设有第一磁体(101)和第二磁体(102)；

封装体(3)内部一侧在上下部分分别连接一个水平的等强度悬臂梁(7)，在上部的水平的等强度悬臂梁(7)的下表面自由端和下部的水平的等强度悬臂梁(7)的上表面自由端分别设置有永磁体(9)，在上部的水平的等强度悬臂梁(7)和下部的水平的等强度悬臂梁(7)的上下表面分别设有光纤光栅传感器；

在封装体(3)的顶侧悬挂安装一个竖直的等强度悬臂梁(11)，在该竖直的等强度悬臂梁(11)的自由端也设置有永磁体，两面粘贴有光纤光栅传感器，在方向凸轮(4)的侧边缘设置有第三磁体，以感应等强度悬臂梁(11)上永磁体受到的磁力变化。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅风速风向传感器，其特征在于，所述转轴(6)通过轴承固定在封装体(3)上方的安装孔内。

3.根据权利要求1或2所述的一种光纤光栅风速风向传感器，其特征在于，所述薄壁圆筒(1)为铝合金圆筒，并和转轴(6)焊接在一起。

4.根据权利要求1或2所述的一种光纤光栅风速风向传感器，其特征在于，所述方向凸轮(4)和所述圆柱凸轮(5)嵌套在所述转轴(6)上，所述方向凸轮(4)和所述圆柱凸轮(5)间隔开。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种光纤光栅风速风向传感器，其特征在于，利用所述光纤光栅风速风向传感器测得的真实风速的计算公式为：

式中，ρ为空气密度，ξ为管道沿程阻力系数，D为管道直径，L为管道的长度，δ为薄壁圆筒厚度，E为材料弹性模量，υ为材料泊松比，λ₁为光纤光栅受到拉应变的影响中心波长，λ₂为光纤光栅受到压应变的影响中心波长，Δλ＝Δλ₁-Δλ₂。

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