CN203117219U - 一种风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器 - Google Patents

一种风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN203117219U
CN203117219U CN201320002440.1U CN201320002440U CN203117219U CN 203117219 U CN203117219 U CN 203117219U CN 201320002440 U CN201320002440 U CN 201320002440U CN 203117219 U CN203117219 U CN 203117219U
Authority
CN
China
Prior art keywords
optical fiber
vane
fiber bragg
bragg raster
equi intensity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
CN201320002440.1U
Other languages
English (en)
Inventor
李川
李晓龙
王达达
张少泉
陈云
刘杨
周亚平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kunming University of Science and Technology
Yunnan Electric Power Experimental Research Institute Group Co Ltd of Electric Power Research Institute
Original Assignee
Kunming University of Science and Technology
Yunnan Electric Power Experimental Research Institute Group Co Ltd of Electric Power Research Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kunming University of Science and Technology, Yunnan Electric Power Experimental Research Institute Group Co Ltd of Electric Power Research Institute filed Critical Kunming University of Science and Technology
Priority to CN201320002440.1U priority Critical patent/CN203117219U/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN203117219U publication Critical patent/CN203117219U/zh
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

本实用新型涉及一种风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器，属于光电子测量技术领域。三个风杯互成120°角，1#风杯中心轴线垂直于正北方；三个风杯侧棱开槽至风杯中心，并在风杯中心处分别与三个等强度悬臂梁自由端连接，三个等强度悬臂梁采用螺旋上升式固定于凸台上半部，每两个光栅耦合后分别对称粘贴于每个等强度悬臂梁正反表面的中心轴线上，6支光纤Bragg光栅通过输入输出光纤在凸台底座内耦合，最后输入输出光纤连接于光纤光栅信号解调仪。本实用新型利用光纤光栅信息材料体积小、抗电磁干扰和使用寿命长等特殊物理属性，实现风荷载警报控制单位的风速风向实时在线监测，抗干扰性强，准确度高。

Description

一种风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器
技术领域
本实用新型涉及一种风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器，属于光电子测量技术领域。
背景技术
风速和风向参数是所有气象观测的基本要素中随时间变化最剧烈且最重要的要素之一，在航空航天、工农业生产和气象等领域应用广泛。目前世界上风速风向传感器种类众多，按输出量来分，风速传感器主要有脉冲计数、模拟量、偏转角、数字信号等，风向传感器主要有开关量、模拟量、格雷码等，这些传感器涉及到的测量方法主要包括旋转、压力、热线、漩涡和声学等。而在实际使用中发现这些传感器在抗电磁干扰、电绝缘性能、维护周期、抗环境温度干扰、机械性能、测量间隔、通信信号稳定性等方面普遍存在问题。
与本实用新型接近的技术是输电线路覆冰监测用光纤布拉格光栅风速传感器及系统（参见文献：李成榕，马国明，“输电线路覆冰监测用光纤布拉格光栅风速传感器及系统”，实用新型专利说明书，2010年12月，申请号：201010621828.0，申请公布号：CN102175888A）。该实用新型采用平面受压板、直线轴承、悬臂梁和光纤光栅的结构，及4个传感器按正交坐标系处于同一水平面的布置方式对风速风向进行测量。由于采用平板结构，风阻由受压板到悬臂梁的传递易受风速、风向及风内杂质的影响；采用直线轴承结构及正交坐标系的布置方式，传感器受轴承摩擦力影响所产生的迟滞较大，存在卡滞现象隐患，传感器测量精度和灵敏度较低；4个传感器按正交坐标系的方式布置于同一水平面，互相遮挡，每个风杯在测量时都会受其它风杯产生的尾流影响，传感器测量精度和灵敏度受空气湍流的影响较大。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器，利用光纤光栅信息材料体积小、成本低、非电量传感传输、高精度、抗电磁干扰和使用寿命长等特殊物理属性，实现铁路港口装卸机械、高层建筑、塔吊、大桥、机场、电厂、铁塔、矿山、高层设备、船舶、气象等风荷载警报控制单位的风速风向实时在线监测，抗干扰性强，准确度高。
为实现本实用新型的上述目的，所采取的技术方案是：风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器由2#光纤Bragg光栅1、1#等强度悬臂梁2、3#光纤Bragg光栅3、2#风杯4、4#光纤Bragg光栅5、1#风杯6、插槽7、防风罩顶端长方形开口8、1#光纤Bragg光栅9、防风罩10、凸台底座11、凸台上半部12、光纤引出孔13、咬合式压片14、6#光纤Bragg光栅15、3#风杯16、5#光纤Bragg光栅17、2#等强度悬臂梁固定螺纹孔18、1#等强度悬臂梁固定螺纹孔19、3#等强度悬臂梁固定螺纹孔20、弹簧式压片21、固定螺栓22、风杯反面23、风杯正面24、风杯侧棱25、输入输出光纤26、2#等强度悬臂梁27和3#等强度悬臂梁28组成，1#风杯6、2#风杯4和3#风杯16互成120°角，1#风杯6中心轴线垂直于正北方；1#风杯6、2#风杯4和3#风杯16的风杯侧棱25开槽至风杯中心，并在风杯中心处分别与三个等强度悬臂梁自由端连接，1#等强度悬臂梁2、2#等强度悬臂梁27和3#等强度悬臂梁28采用螺旋上升式通过固定螺栓22和弹簧式压片21固定于凸台上半部12，1#光纤Bragg光栅9、2#光纤Bragg光栅1耦合后对称粘贴于1#等强度悬臂梁2正反表面的中心轴线上，3#光纤Bragg光栅3、4#光纤Bragg光栅5耦合后对称粘贴于2#等强度悬臂梁27的正反表面中心轴线上，5#光纤Bragg光栅17、6#光纤Bragg光栅15耦合后对称粘贴于3#等强度悬臂梁28的正反表面中心轴线上，3个等强度悬臂梁的6支光纤Bragg光栅通过输入输出光纤26在凸台底座11内耦合，输入输出光纤26通过咬合式压片14固定于凸台底座11上，最后输入输出光纤26经光纤引出孔13连接于光纤光栅信号解调仪。
1#光纤Bragg光栅9、3#光纤Bragg光栅3和5#光纤Bragg光栅17为测量光栅，2#光纤Bragg光栅1、4#光纤Bragg光栅5和6#光纤Bragg光栅15为温补光栅。
输入输出光纤26由绝缘耐压耐高温材质封装。
防风罩10套在等强度悬臂梁上，不与悬臂梁接触，由螺栓22和弹簧压片21固定于凸台上半部12，且防风罩10顶端处留有长方形开口8。
1#风杯6、2#风杯4和3#风杯16均为正反双凹球面式，每个风杯的正反两个球面中心轴线与水平面平行。
本实用新型的使用过程：3个风杯将受到的风阻分别传递到等强度悬臂梁的自由端，风阻引起粘贴在等强度悬臂梁正反表面中心轴线上的光纤Bragg光栅发生波长移位，分别测出3组光纤Bragg光栅波长移位量                                                
Figure 246857DEST_PATH_IMAGE001
、、，利用公式：
Figure 463578DEST_PATH_IMAGE004
，计算出风向角的正切值
Figure 12371DEST_PATH_IMAGE005
，再根据反三角函数公式计算出风向角
Figure 38095DEST_PATH_IMAGE006
，最后代人
Figure 305129DEST_PATH_IMAGE007
，求得风速值
Figure 192444DEST_PATH_IMAGE008
，可以实现对风速和风向同时进行实时监测，其中,为1#风杯的光纤Bragg光栅中心波长，
Figure 792370DEST_PATH_IMAGE010
为2#风杯的光纤Bragg光栅中心波长，
Figure 733650DEST_PATH_IMAGE001
为1#风杯的光纤Bragg光栅中心波长移位量，
Figure 470662DEST_PATH_IMAGE011
为2#风杯的光纤Bragg光栅中心波长移位量，
Figure 931730DEST_PATH_IMAGE008
为风速，
Figure 361575DEST_PATH_IMAGE012
为等强度悬臂梁的杨氏模量，
Figure 26036DEST_PATH_IMAGE013
为等强度悬臂梁固定端宽度，
Figure 566739DEST_PATH_IMAGE014
为等强度悬臂梁厚度，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为等强度悬臂梁长度，
Figure 147893DEST_PATH_IMAGE016
为光纤有效弹-光系数，为风杯阻尼系数，
Figure 398932DEST_PATH_IMAGE018
为风杯的杯口投影面积，
Figure 415429DEST_PATH_IMAGE019
为空气密度。
在利用公式
Figure 913407DEST_PATH_IMAGE004
进行求解过程中，分?~?情况进行分析： 
? 根据
Figure 419474DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 312389DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 194894DEST_PATH_IMAGE022
判断
Figure 485061DEST_PATH_IMAGE023
；
? 根据
Figure 427610DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 52495DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 473112DEST_PATH_IMAGE022
判断0°~ 60°，根据、
Figure 731235DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 344881DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 569189DEST_PATH_IMAGE026
判断60°~ 90°，具体角度可由公式：计算；
? 根据
Figure 118299DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 717777DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 480196DEST_PATH_IMAGE022
判断
Figure 599462DEST_PATH_IMAGE029
；
? 根据
Figure 54714DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 642953DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 209063DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 182835DEST_PATH_IMAGE030
判断90°~ 120°，具体角度可由公式：                                           
Figure 808989DEST_PATH_IMAGE031
计算；
? 根据
Figure 383058DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 487281DEST_PATH_IMAGE025
、判断
Figure 378193DEST_PATH_IMAGE033
；
? 根据
Figure 675445DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 848937DEST_PATH_IMAGE025
、判断120°~ 180°，根据
Figure 765257DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 48340DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 494365DEST_PATH_IMAGE035
判断180°~ 240°，具体角度可由公式：计算；
? 根据
Figure 701672DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 973516DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 160915DEST_PATH_IMAGE035
判断
Figure 146188DEST_PATH_IMAGE037
；
? 根据
Figure 642898DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 713622DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 704712DEST_PATH_IMAGE035
判断
Figure 544492DEST_PATH_IMAGE038
；
? 根据
Figure 713567DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 6008DEST_PATH_IMAGE021
、、
Figure 495075DEST_PATH_IMAGE026
判断240°~ 270°，具体角度可由公式：计算；
? 根据
Figure 378904DEST_PATH_IMAGE036
、、
Figure 260589DEST_PATH_IMAGE032
判断
Figure 37046DEST_PATH_IMAGE039
；
? 根据
Figure 304080DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 175084DEST_PATH_IMAGE021
、、
Figure 289856DEST_PATH_IMAGE030
判断270°~ 300°，根据
Figure 778606DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 718880DEST_PATH_IMAGE021
、判断300°~ 360°，具体角度可由公式： 
Figure 94946DEST_PATH_IMAGE040
计算。
当风向角
Figure 336572DEST_PATH_IMAGE041
时，计算风速的公式
Figure 814958DEST_PATH_IMAGE007
采用替换。
本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型在设计时充分考虑了传感器的性能指标，采用正反双凹球面式风杯，风阻由风杯到等强度悬臂梁的传递受风速、风向及风内杂质的影响较小；传感器通过3个等强度悬臂梁采用非旋转式的形变测量方式，没有轴承，极大地减小迟滞，排除了卡滞现象隐患，传感信号针对风压的跟随性较好；3个风杯互成120°角，通过3个等强度悬臂梁螺旋上升式分布于凸台上半部，互不遮挡，使每个风杯都不受其他风杯产生的尾流影响。
2、采用双凹球面式风杯、防风罩、光纤光栅传感元件、等强度悬臂梁及非旋转式无轴承的形变测量方式，且输入输出光纤由绝缘耐压耐高温材质封装，并通过螺栓和咬合压片固定于凸台底座上，减小了沙石、冰雪等恶劣天气因素对传感器风速风向测量的影响。
3、本实用新型只采用了3个风杯、3个等强度悬臂梁、6支光纤光栅传感元件及其特殊结构设计，就完成了各种气候条件下风速风向的同时准确监测。
4、本实用新型设计的风速风向传感器，除了利用光纤Bragg光栅质轻、柔韧、体积小、成本低、非电量传感传输、波分复用、高精度、电绝缘、抗电磁干扰和使用寿命长等特殊物理属性，还可以通过改变等强度悬臂梁的特性指标（比如：长度、厚度和固定端宽度）以及传感器的尺寸、附加封装及放置方式等来调整传感器的具体性能指标，提高了传感器在各种风力测量场合的适用性。
附图说明
图1 为本实用新型的结构俯视图；
图2 为本实用新型的凸台支架结构侧面剖视图；
图3 为本实用新型的凸台上半部结构俯视图；
图4 为本实用新型的正反双凹球面式风杯结构侧面剖视图；
图5 为风向分布示意图。
图中：1-2#光纤Bragg光栅、2-1#等强度悬臂梁、3-3#光纤Bragg光栅、4-2#风杯、5-4#光纤Bragg光栅、6-1#风杯、7-插槽、8-防风罩顶端长方形开口、9-1#光纤Bragg光栅、10-防风罩、11-凸台底座、12-凸台上半部、13-光纤引出孔、14-咬合式压片、15-6#光纤Bragg光栅、16-3#风杯、17-5#光纤Bragg光栅、18-2#等强度悬臂梁固定螺纹孔、19-1#等强度悬臂梁固定螺纹孔、20-3#等强度悬臂梁固定螺纹孔、21-弹簧式压片、22-固定螺栓、23-风杯反面、24-风杯正面、25-风杯侧棱、26-输入输出光纤、27-2#等强度悬臂梁、28-3#等强度悬臂梁。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明，以方便技术人员理解。
如图1、2、3所示：风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器由2#光纤Bragg光栅1、1#等强度悬臂梁2、3#光纤Bragg光栅3、2#风杯4、4#光纤Bragg光栅5、1#风杯6、插槽7、防风罩顶端长方形开口8、1#光纤Bragg光栅9、防风罩10、凸台底座11、凸台上半部12、光纤引出孔13、咬合式压片14、6#光纤Bragg光栅15、3#风杯16、5#光纤Bragg光栅17、2#等强度悬臂梁固定螺纹孔18、1#等强度悬臂梁固定螺纹孔19、3#等强度悬臂梁固定螺纹孔20、弹簧式压片21、固定螺栓22、风杯反面23、风杯正面24、风杯侧棱25、输入输出光纤26、2#等强度悬臂梁27和3#等强度悬臂梁28组成，1#风杯6、2#风杯4和3#风杯16互成120°角，1#风杯6中心轴线垂直于正北方；1#风杯6、2#风杯4和3#风杯16的风杯侧棱25开槽至风杯中心，并在风杯中心处分别与三个等强度悬臂梁自由端连接，1#等强度悬臂梁2、2#等强度悬臂梁27和3#等强度悬臂梁28采用螺旋上升式通过固定螺栓22和弹簧式压片21固定于凸台上半部12，1#光纤Bragg光栅9、2#光纤Bragg光栅1耦合后对称粘贴于1#等强度悬臂梁2正反表面的中心轴线上，3#光纤Bragg光栅3、4#光纤Bragg光栅5耦合后对称粘贴于2#等强度悬臂梁27的正反表面中心轴线上，5#光纤Bragg光栅17、6#光纤Bragg光栅15耦合后对称粘贴于3#等强度悬臂梁28的正反表面中心轴线上，3个等强度悬臂梁的6支光纤Bragg光栅通过输入输出光纤26在凸台底座11内耦合，输入输出光纤26通过咬合式压片14固定于凸台底座11上，最后输入输出光纤26经光纤引出孔13连接于光纤光栅信号解调仪。
1#光纤Bragg光栅9、3#光纤Bragg光栅3和5#光纤Bragg光栅17为测量光栅，2#光纤Bragg光栅1、4#光纤Bragg光栅5和6#光纤Bragg光栅15为温补光栅。
输入输出光纤26由绝缘耐压耐高温材质封装。
防风罩10套在等强度悬臂梁上，不与悬臂梁接触，由螺栓22和弹簧压片21固定于凸台上半部12，且防风罩10顶端处留有长方形开口8。
如图4所示：1#风杯6、2#风杯4和3#风杯16均为正反双凹球面式，每个风杯的正反两个球面中心轴线与水平面平行。
本实用新型的使用过程：3个风杯将受到的风阻分别传递到等强度悬臂梁的自由端，风阻引起粘贴在等强度悬臂梁正反表面中心轴线上的光纤Bragg光栅发生波长移位，分别测出3组光纤Bragg光栅波长移位量
Figure 793595DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 443888DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 725965DEST_PATH_IMAGE003
，利用公式：
Figure 223942DEST_PATH_IMAGE004
，计算出风向角的
Figure 730010DEST_PATH_IMAGE005
，再根据反三角函数公式计算出风向角，最后代人
Figure 528867DEST_PATH_IMAGE007
，求得风速值，可以实现对风速和风向同时进行实时监测，其中,
Figure 496003DEST_PATH_IMAGE009
为1#风杯的光纤Bragg光栅中心波长，
Figure 120889DEST_PATH_IMAGE010
为2#风杯的光纤Bragg光栅中心波长，
Figure 744768DEST_PATH_IMAGE001
为1#风杯的光纤Bragg光栅中心波长移位量，
Figure 640174DEST_PATH_IMAGE011
为2#风杯的光纤Bragg光栅中心波长移位量，
Figure 753623DEST_PATH_IMAGE008
为风速，
Figure 803488DEST_PATH_IMAGE012
为等强度悬臂梁的杨氏模量，
Figure 27796DEST_PATH_IMAGE013
为等强度悬臂梁固定端宽度，
Figure 292555DEST_PATH_IMAGE014
为等强度悬臂梁厚度，
Figure 576906DEST_PATH_IMAGE015
为等强度悬臂梁长度，为光纤有效弹-光系数，
Figure 440268DEST_PATH_IMAGE017
为风杯阻尼系数，
Figure 559534DEST_PATH_IMAGE018
为风杯的杯口投影面积，为空气密度。
本实用新型技术的数学推导如下：
空气密度的表达式为：                  
Figure 101559DEST_PATH_IMAGE043
                                （1）
公式（1）中，
Figure 667670DEST_PATH_IMAGE044
为实际大气压，
Figure 641442DEST_PATH_IMAGE045
为标准物理大气压，
Figure 267595DEST_PATH_IMAGE046
为实际绝对温度（绝对温度=摄氏温度+273.15），通常情况下，即20摄氏度时，取1.205kg/m3。
1#风杯受到风产生的压力用风速表示为：
                              （2）
2#风杯受到风产生的压力用风速表示为：
                           （3）
公式（2）、（3）中，
Figure 338265DEST_PATH_IMAGE008
为风速，为阻尼系数，为风杯的杯口投影面积，
Figure 990329DEST_PATH_IMAGE006
为风向角。
等强度悬臂梁的截面为矩形，其截面惯性矩为：
Figure 958285DEST_PATH_IMAGE049
                                    （4）
公式（4）中，
Figure 742832DEST_PATH_IMAGE013
为等强度悬臂梁固定端宽度，
Figure 454437DEST_PATH_IMAGE014
为等强度悬臂梁厚度。
等强度悬臂梁自由端受集中荷载作用时，自由端最大挠度为：
Figure 522887DEST_PATH_IMAGE050
                                     （5）
公式（5）中，
Figure 661744DEST_PATH_IMAGE051
为等强度悬臂梁自由端受力，
Figure 166544DEST_PATH_IMAGE015
为等强度悬臂梁长度，
Figure 681839DEST_PATH_IMAGE012
为等强度悬臂梁的杨氏模量。
等强度悬臂梁上各点应变与挠度的关系为：
Figure 604795DEST_PATH_IMAGE052
                                     （6）
光纤Bragg光栅中心波长移位量公式：
                      
Figure 914554DEST_PATH_IMAGE053
                        （7）
公式（7）中，
Figure 408114DEST_PATH_IMAGE054
为光纤Bragg光栅的中心波长，
Figure 461521DEST_PATH_IMAGE055
为波长移位量，为光纤有效弹-光系数，
Figure 719644DEST_PATH_IMAGE056
为轴向应变量，
Figure 464615DEST_PATH_IMAGE057
为光纤热膨胀系数，为光纤热光系数，为温度变化量。
由于等强度悬臂梁正反表面应变大小相同方向相反，选取粘贴于等强度悬臂梁正反表面的光纤Bragg光栅中心波长
Figure 605243DEST_PATH_IMAGE060
≈
Figure 73396DEST_PATH_IMAGE061
=
Figure 468605DEST_PATH_IMAGE062
，则悬臂梁正反表面光纤Bragg光栅中心波长移位量之差为：
                    （8）
将公式（1）~（6）带入公式（8）得1#、2#风杯的光纤Bragg光栅中心波长移位量与风速风向角关系为：
Figure 43123DEST_PATH_IMAGE064
                    （9）
Figure 497107DEST_PATH_IMAGE065
               （10）
根据公式（9）~（10），利用三角函数公式，求得风向角正切值为：
               （11）
由于1#风杯中心轴线垂直于正北方，且1#光纤Bragg光栅、3#光纤Bragg光栅和5#光纤Bragg光栅为测量光栅，2#光纤Bragg光栅、4#光纤Bragg光栅和6#光纤Bragg光栅为温补光栅，则顺时针方向为风向角
Figure 302569DEST_PATH_IMAGE006
的正方向，0°或360°为北风，90°为东风，180°为南风，270°为西风。3个等强度悬臂梁的光纤Bragg光栅中心波长移位量（分别为
Figure 295933DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 738678DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 741269DEST_PATH_IMAGE003
）将随风向变化而改变，在利用公式
Figure 202337DEST_PATH_IMAGE004
进行求解过程中，分?~?情况进行分析： 
? 根据、、判断
Figure 651456DEST_PATH_IMAGE023
；
? 根据、
Figure 392241DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 736634DEST_PATH_IMAGE022
判断0°~ 60°，根据
Figure 906716DEST_PATH_IMAGE024
、、
Figure 815952DEST_PATH_IMAGE022
、判断60°~ 90°，具体角度可由公式：
Figure 988624DEST_PATH_IMAGE027
计算；
? 根据
Figure 931172DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 57523DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 681402DEST_PATH_IMAGE022
判断
Figure 888392DEST_PATH_IMAGE029
；
? 根据
Figure 188793DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 114023DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 276014DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 603090DEST_PATH_IMAGE030
判断90°~ 120°，具体角度可由公式：                                           
Figure 621862DEST_PATH_IMAGE031
计算；
? 根据
Figure 722804DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 688486DEST_PATH_IMAGE025
、判断
Figure 325321DEST_PATH_IMAGE033
；
? 根据
Figure 146515DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 712626DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 951977DEST_PATH_IMAGE035
判断120°~ 180°，根据
Figure 578131DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 388086DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 695571DEST_PATH_IMAGE035
判断180°~ 240°，具体角度可由公式：
Figure 851746DEST_PATH_IMAGE031
计算；
? 根据、
Figure 444587DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 352500DEST_PATH_IMAGE035
判断
Figure 300864DEST_PATH_IMAGE037
；
? 根据、
Figure 53368DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 702655DEST_PATH_IMAGE035
判断；
? 根据
Figure 893651DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 477079DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 930057DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 649751DEST_PATH_IMAGE026
判断240°~ 270°，具体角度可由公式：
Figure 647925DEST_PATH_IMAGE031
计算；
? 根据
Figure 718650DEST_PATH_IMAGE036
、、
Figure 736470DEST_PATH_IMAGE032
判断；
? 根据
Figure 712833DEST_PATH_IMAGE036
、、
Figure 687054DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 604194DEST_PATH_IMAGE030
判断270°~ 300°，根据
Figure 321615DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 716824DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 718147DEST_PATH_IMAGE022
判断300°~ 360°，具体角度可由公式： 
Figure 540609DEST_PATH_IMAGE040
计算。 
根据式（9）~（10）得风速与光纤Bragg光栅中心波长移位量及风向角的关系为：
Figure 745326DEST_PATH_IMAGE007
                          （12）
             
Figure 944226DEST_PATH_IMAGE042
                     （13）                   
将风向角
Figure 301520DEST_PATH_IMAGE006
值带入公式（12）~（13）（当
Figure 232567DEST_PATH_IMAGE041
时，将
Figure 986896DEST_PATH_IMAGE006
带入公式（13）），可得风速值。
式（11）~（13）表明了风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器所受到的风速和风向与光纤Bragg光栅中心波长移位量之间的数学模型，通过测量 3 组光纤Bragg光栅的中心波长移位量，可以同时实现对风速和风向进行实时监测。
在具体实施中，空气密度（20℃，标准大气压）
Figure 434244DEST_PATH_IMAGE019
=1.205kg/m3，风杯尺寸：杯口投影面积
Figure 864088DEST_PATH_IMAGE018
=0.0314m2，实验测得的阻尼系数=0.529，等强度悬臂梁尺寸：45#钢，杨氏弹性模量
Figure 18655DEST_PATH_IMAGE012
=210GPa，固定端宽度
Figure 662126DEST_PATH_IMAGE013
=0.10m，厚度
Figure 934975DEST_PATH_IMAGE014
=0.001m，等强度悬臂梁长度
Figure 850848DEST_PATH_IMAGE015
=0.20m，光纤Bragg光栅技术参数：有效弹-光系数
Figure 929662DEST_PATH_IMAGE067
=0.22，1#和2#光纤Bragg光栅中心波长≈
Figure 825385DEST_PATH_IMAGE069
=
Figure 776023DEST_PATH_IMAGE070
=1550.00nm，3#和4#光纤Bragg光栅中心波长
Figure 596212DEST_PATH_IMAGE071
≈
Figure 948696DEST_PATH_IMAGE072
=
Figure 78195DEST_PATH_IMAGE073
=1553.00nm，5#和6#光纤Bragg光栅中心波长
Figure 516129DEST_PATH_IMAGE074
≈
Figure 874429DEST_PATH_IMAGE075
=
Figure 346999DEST_PATH_IMAGE076
=1556.00nm，按附图1配置实验，用光纤光栅分析仪获取光纤Bragg光栅的Bragg波长，根据式（11）~（13），理论计算有光纤Bragg光栅解调仪的波长分辨率为1pm。
实施例1：
当传感器测得光纤Bragg光栅移位量
Figure 148864DEST_PATH_IMAGE001
=0.001nm、
Figure 11778DEST_PATH_IMAGE002
=0.001nm、时，将数据带入公式（11），求得风向角正切值为：
Figure 484533DEST_PATH_IMAGE077
= 0.578
根据反三角函数计算得风向角：
Figure 768884DEST_PATH_IMAGE078
=
Figure 119094DEST_PATH_IMAGE079
=30.03°
将风向角
Figure 147093DEST_PATH_IMAGE006
=30°及传感器各种参量带入公式（12），求得风速为：
Figure 328676DEST_PATH_IMAGE080
=1.20 m/s。
实施例2：
当传感器测得光纤Bragg光栅移位量
Figure 206764DEST_PATH_IMAGE001
=0.096nm、
Figure 106587DEST_PATH_IMAGE002
=0.424nm、
Figure 610381DEST_PATH_IMAGE022
时，计算得风向角
Figure 99000DEST_PATH_IMAGE006
=10.01°、风速
Figure 459574DEST_PATH_IMAGE008
=19.99m/s。
实施例3：
当传感器测得光纤Bragg光栅移位量当=0.519nm、
Figure 154177DEST_PATH_IMAGE002
= -0.424nm、
Figure 733189DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 530243DEST_PATH_IMAGE030
时，计算得风向角
Figure 76762DEST_PATH_IMAGE006
=110.01°、风速=19.99m/s。
实施例4：
当传感器测得光纤Bragg光栅移位量= -0.136nm、=0.089nm、
Figure 449658DEST_PATH_IMAGE081
时，计算得风向角
Figure 161262DEST_PATH_IMAGE006
=280.03°、风速
Figure 714865DEST_PATH_IMAGE008
=9.99m/s。
计算结果表明，该风速风向传感器具有高测量分辨率（通过改变等强度悬臂梁的特性指标、传感器的尺寸、附加封装及放置方式等也可以调整传感器的具体性能指标），测量误差小，重复性好等优点。
本实用新型是通过具体实施过程进行说明的，在不脱离本实用新型范围的情况下，还可以对本实用新型专利进行各种变换及等同代替，因此，本实用新型专利不局限于所公开的具体实施过程，而应当包括落入本实用新型专利权利要求范围内的全部实施方案。

Claims (5)

1.一种风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器，其特征是：所述风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器由2#光纤Bragg光栅（1）、1#等强度悬臂梁（2）、3#光纤Bragg光栅（3）、2#风杯（4）、4#光纤Bragg光栅（5）、1#风杯（6）、插槽（7）、防风罩顶端长方形开口（8）、1#光纤Bragg光栅（9）、防风罩（10）、凸台底座（11）、凸台上半部（12）、光纤引出孔（13）、咬合式压片（14）、6#光纤Bragg光栅（15）、3#风杯（16）、5#光纤Bragg光栅（17）、2#等强度悬臂梁固定螺纹孔（18）、1#等强度悬臂梁固定螺纹孔（19）、3#等强度悬臂梁固定螺纹孔（20）、弹簧式压片（21）、固定螺栓（22）、风杯反面（23）、风杯正面（24）、风杯侧棱（25）、输入输出光纤（26）、2#等强度悬臂梁（27）和3#等强度悬臂梁（28）组成，1#风杯（6）、2#风杯（4）和3#风杯（16）互成120°角， 1#风杯（6）中心轴线垂直于正北方；1#风杯（6）、2#风杯（4）和3#风杯（16）的风杯侧棱（25）开槽至风杯中心，并在风杯中心处分别与三个等强度悬臂梁自由端连接，1#等强度悬臂梁（2）、2#等强度悬臂梁（27）和3#等强度悬臂梁（28）采用螺旋上升式通过固定螺栓（22）和弹簧式压片（21）固定于凸台上半部（12），1#光纤Bragg光栅（9）、2#光纤Bragg光栅（1）耦合后对称粘贴于1#等强度悬臂梁（2）正反表面的中心轴线上，3#光纤Bragg光栅（3）、4#光纤Bragg光栅（5）耦合后对称粘贴于2#等强度悬臂梁（27）的正反表面中心轴线上，5#光纤Bragg光栅（17）、6#光纤Bragg光栅（15）耦合后对称粘贴于3#等强度悬臂梁（28）的正反表面中心轴线上，3个等强度悬臂梁的6支光纤Bragg光栅通过输入输出光纤（26）在凸台底座（11）内耦合，输入输出光纤（26）通过咬合式压片（14）固定于凸台底座（11）上，最后输入输出光纤（26）经光纤引出孔（13）连接于光纤光栅信号解调仪。
2.按照权利要求1所述的一种风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器，其特征是：1#光纤Bragg光栅（9）、3#光纤Bragg光栅（3）和5#光纤Bragg光栅（17）为测量光栅，2#光纤Bragg光栅（1）、4#光纤Bragg光栅（5）和6#光纤Bragg光栅（15）为温补光栅。
3.按照权利要求1所述的风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器，其特征是：输入输出光纤（26）由绝缘耐压耐高温材质封装。
4.按照权利要求1所述的一种风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器，其特征是：防风罩（10）套在等强度悬臂梁上，不与悬臂梁接触，由螺栓（22）和弹簧压片（21）固定于凸台上半部（12），且防风罩（10）顶端处留有长方形开口（8）。
5.按照权利要求1所述的一种风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器，其特征是：1#风杯（6）、2#风杯（4）和3#风杯（16）均为正反双凹球面式，每个风杯的正反两个球面中心轴线与水平面平行。
CN201320002440.1U 2013-01-05 2013-01-05 一种风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器 Expired - Lifetime CN203117219U (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201320002440.1U CN203117219U (zh) 2013-01-05 2013-01-05 一种风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201320002440.1U CN203117219U (zh) 2013-01-05 2013-01-05 一种风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN203117219U true CN203117219U (zh) 2013-08-07

Family

ID=48897554

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201320002440.1U Expired - Lifetime CN203117219U (zh) 2013-01-05 2013-01-05 一种风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN203117219U (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103076463A (zh) * 2013-01-05 2013-05-01 昆明理工大学 一种风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器
CN105092887A (zh) * 2015-07-22 2015-11-25 国家电网公司 基于光纤光栅传感技术的无源风速监测装置、系统及方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103076463A (zh) * 2013-01-05 2013-05-01 昆明理工大学 一种风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器
CN105092887A (zh) * 2015-07-22 2015-11-25 国家电网公司 基于光纤光栅传感技术的无源风速监测装置、系统及方法
CN105092887B (zh) * 2015-07-22 2018-02-16 国家电网公司 基于光纤光栅传感技术的无源风速监测装置、系统及方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103076463B (zh) 一种风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器
CN102175888B (zh) 输电线路覆冰监测用光纤布拉格光栅风速传感器及系统
CN103675330B (zh) 一种光纤Bragg光栅动态风速风向仪及其使用方法
CN201637756U (zh) 基于无线传感器的万维风速风向仪
CN203274736U (zh) 一种沉降自动监测系统
CN107765030A (zh) 一种感知流速变化的压电纤维阵列传感器及其测量方法
CN203117219U (zh) 一种风杯式光纤Bragg光栅风速风向传感器
CN201697932U (zh) 风力发电机组的电容式风速风向仪
CN203688576U (zh) 一种光纤Bragg光栅动态风速风向仪
CN104063811A (zh) 一种架空输电线路载流限值评估方法
CN104390710A (zh) 输电线路导线温度在线检测系统和方法
CN103344782B (zh) 一种光纤布喇格光栅风向传感系统及风向计算方法
CN106368913B (zh) 一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法
CN206450849U (zh) 基于物联网一体化的多要素超声波气象监测传感器
CN201955348U (zh) 一种风速风向监测装置
CN202331083U (zh) 通用多功能前兆数据采集器
CN204239154U (zh) 风力发电机塔筒沉降倾斜及震动安全监测系统
CN107656091B (zh) 一种基于风机控制传感器的风速测量方法及其系统
CN205676916U (zh) 一种输电线路铁塔基础塌方监测装置
CN104359438A (zh) 基于导线温度的导线弧垂测量装置及测量方法
CN201945602U (zh) 一种活塞式磁浮传动可直读多功能风速计
CN204313976U (zh) 输电线路导线温度在线检测系统
CN203069312U (zh) 光纤光栅风压传感器
CN203069618U (zh) 风向码盘
CN203084221U (zh) 一种光纤光栅降雨量监测装置

Legal Events

Date Code Title Description
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
AV01 Patent right actively abandoned

Granted publication date: 20130807

Effective date of abandoning: 20141001

AV01 Patent right actively abandoned

Granted publication date: 20130807

Effective date of abandoning: 20141001

RGAV Abandon patent right to avoid regrant