CN210954086U - 一种磁力风速风向传感器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种磁力风速风向传感器，包括抗磁壳体和底部固结件，抗磁壳体的外周均匀分布有多个等强度悬臂梁，抗磁壳体的内部侧壁上水平设置有等强度悬臂梁，等强度悬臂梁的末端都设有磁配体，在等强度悬臂梁的上下表面均对称粘贴有光纤光栅，刚性丝依次经过磁性球、万向球和多个滑轮，最终连接到杠杆，杠杆的末端也设有磁配体，杠杆末端的磁配体与抗磁壳体内部侧壁上水平设置的等强度悬臂梁末端的磁配体相对设置。本申请的磁力风向风速传感器，其结构轻巧，操作便捷，抗外界干扰能力强，增加了传感器的灵敏度，并通过采用磁性传导力原件，解决了机械风速风向传感器固有的摩擦力过大的问题，经济效益高，适用范围广。

Description

一种磁力风速风向传感器

技术领域

本申请涉及一种磁力风速风向传感器，适用于风向检测的技术领域。

背景技术

由于工程结构在长期使用过程中，始终不断遭受风的冲击、雨雪冲刷等因素的影响，从而出现工程结构基础动力软化、材料侵蚀老化现象，导致工程结构构件及整体抗力的衰减，影响结构的安全度和耐久度。因此，长期监测结构物风荷载情况，对掌握工程结构物的性能演变，评价结构的工作状态，针对性进行合理的养修，避免各种安全事故发生，确保结构物的安全和提高使用年限具有重要意义，而风速风向是影响工程结构安全的主要因素之一，对风速风向的监测将为结构物的正常使用提供安全保障。传统流速流向测量仪器存在着信号易受干扰、测量误差大、电路复杂且故障率高以及寿命短的缺点。

光纤光栅传感器是目前应用最为广泛的光纤传感器之一，可测量应变、温度、压力、位移、流量、液位等参数。其传感原理一般基于被测参数变化引起光栅周期和有效折射率的变化，从而导致光栅特征波长的变化，通过测量特征波长的移动量来测量上述参数。通过对国内外资料的查阅发现，到目前为止有关光纤光栅风速风向传感器方面的研究并不完善，一般都是通过对光纤光栅所在的悬臂梁进行碰撞，通过测量膨胀引起的光纤反射波长的变化来测量应变。而碰撞会导致悬臂梁产生很大的摩擦力，从而容易损坏，而且精度也不高。现有的光纤光栅风速风向传感器由于精度和灵敏度低、寿命短、体积大等缺点难以应用于工程结构的安全监测。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种磁力风速风向传感器，其精度高、灵敏度高、损坏小、寿命长、操作简单便捷。

根据本申请的磁力风速风向传感器，包括抗磁壳体和底部固结件，抗磁壳体的外周均匀分布有多个等强度悬臂梁，抗磁壳体的内部侧壁上水平设置有等强度悬臂梁，所述等强度悬臂梁的末端都设有磁配体，在所述等强度悬臂梁的上下表面均对称粘贴有光纤光栅以形成双光纤光栅，所述抗磁壳体外周的磁配体低于所述底部固结件的底面；

所述底部固结件的中间设有万向球，所述万向球中间设有通道以供刚性丝穿过，所述刚性丝的下端连接磁性球，在抗磁壳体的侧壁上设有多个长轴，长轴的末端分别连接有滑轮形成可供刚性丝绕过的滑轮组，所述刚性丝依次经过磁性球、万向球和多个滑轮，最终连接到杠杆，所述杠杆的末端也设有磁配体，所述杠杆末端的磁配体与所述抗磁壳体内部侧壁上水平设置的等强度悬臂梁末端的磁配体相对设置。

优选地，抗磁壳体的内壁设有凹槽，凹槽中设有滚动轴承，所述长轴通过滚动轴承与所述抗磁壳体相连接；所述滑轮与所述长轴也通过滚动轴承配合，并处于所述长轴的自由端部；所述万向球嵌设在所述底部固结件上的安装槽中；在底部固结件下端、位于抗磁壳体外部的刚性丝上嵌套有薄壁管；均匀分布在抗磁壳体的外部圆周的等强度悬臂梁有四组，水平设置在抗磁壳体的内部侧壁上的等强度悬臂梁为一组；所述薄壁管具有抗磁性；所述滑轮组将磁性球端刚性丝所受拉力放大4倍，所述杠杆的两端力臂为1:2；所述磁配体是永磁铁。

本实用新型基于光纤光栅传感技术的风速风向测量方法，并利用非接触性磁斥力来有效的减少机械摩擦或撞击带来的偏差，同时可大幅提高传感器的灵敏度，能有效弥补现有风速风向测量方法的不足，解决风速风向测量方面的优化与升级中所面临的挑战。本实用新型重要的部分之一是在于采用磁性球作为风速风向的感应元件，相比于传统的感应元件大大减小了风阻，增强了灵敏性。采用万向球作为刚性丝的过渡连接装置，减小了刚性丝的机械摩擦。采用滑轮组和杠杆两种放大机构，将风力逐级放大，即使是微风，该传感器也可精确地测得风速和风向。

附图说明

图1是本申请的磁力风速风向传感器的外部示意图。

图2是本申请的磁力风速风向传感器的内部视图。

图3是本申请的磁力风速风向传感器的另一角度的内部视图。

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1-3所示，其中显示了根据本申请的磁力风速风向传感器，包括抗磁壳体1和底部固结件9。优选地，抗磁壳体1和底部固结件9可以焊接在一起，形成封装体。抗磁壳体通过抗磁性对外界的磁场与内界磁场实现隔离，最大程度减少外界磁场对测量结果的影响，抗磁体外壳上设有尾栅口，用于内部测风速的光纤光栅与外界系统的连接。

抗磁壳体1的外部圆周均匀分布有四个等强度悬臂梁2，抗磁壳体1的内部侧壁上水平设置一个等强度悬臂梁2。等强度悬臂梁2的末端设有磁配体3，并在其表面粘贴有光纤光栅4。等强度悬臂梁可根据实际风速测量范围选用不同杨氏模量的材料，同时所设计悬臂梁也是可拆装式地安装在壳体上，便于根据具体的测量要求更换相应悬臂梁。等强度悬臂梁、磁配体、光纤光栅组成传感组件装置，在此传感器中共有五组该装置，一组在内部测量风速，另外四组均匀分布在外侧测量风向。优选地，所述磁配体可以是永磁性磁铁。弹性梁上粘贴的光纤光栅，使变形能够传递，并能够实时通过光纤光栅的波长变化，反应弹性梁的变形程度，而确定受力大小，最终得到力的大小，而计算出风向和风速。更优选地，可以在等强度悬臂梁的两侧分别设置光纤光栅，以形成双光纤光栅，不仅可以消除温度引起的测量误差，而且应变量可以增大为原来的2倍，提高了测量的准确性。

底部固结件9的中间设有万向球10，万向球10可以嵌设在底部固结件9上的安装槽中。万向球10中间设有通道以供刚性丝8穿过，刚性丝8的下端连接磁性球11。优选地，在下端外部的刚性丝上嵌套薄壁管12，使得当有风压时，刚性丝和磁性球可以平稳摆动，而不会发生刚性丝折叠和飘摆不定的误差，同时也可以保护刚性丝。通过底盖固结件和万向球的结合，并使刚性丝穿过万向球，其作用是减少刚性丝和底盖固结件之间的机械摩擦，增强了刚性丝的寿命和装置的灵敏度。刚性丝8具有抗磁性，以防止刚性丝本身与外侧悬臂梁自由端的磁配体产生斥力，影响磁性球的受力，进而影响风向测量的精准度。同理，薄壁管也具有抗磁性，防止对固定在等强度悬臂梁上的磁配体和磁性球相互作用时产生磁力干扰。本申请中所有磁配体的极性相同，并且与磁性球的极性相同，以在相互之间产生磁斥力。

如图3所示，在抗磁壳体1的侧壁上设有多个长轴7，长轴的末端分别连接有滑轮6形成可供刚性丝绕过的滑轮组。优选地，抗磁壳体1的内壁设有凹槽，以与长轴7通过滚动轴承相连接，滑轮6与长轴7也可以通过滚动轴承配合，并处于长轴的自由端部。刚性丝8依次经过磁性球11、万向球10、多个滑轮6，最终连接到杠杆5。杠杆5的末端也设有磁配体3，其与抗磁壳体内部侧壁上水平设置的等强度悬臂梁末端的磁配体3相对设置，通过相互之间斥力的改变而发生形变。本申请通过滑轮组、杠杆和刚性丝的组合，对其间传递的力进行一定比例的放大。其中，杠杆的强度足够大，在与等强度悬臂梁产生斥力时，不会发生变形，进而确保测量的精度。

本申请中的磁性球直接受到风力的作用，作为风向感应部件，刚性丝和万向球为传导部件，滑轮组和杠杆为放大部件，光纤光栅等强度悬臂梁为核心测量部件，磁配体为无接触式的应力转化部件。磁性球与风直接接触，随着风向的变化，磁性球摆动方向随之变化。在磁性球偏向某一方向时，其与均匀分布在壳体外侧的四个光纤光栅磁力应变传感装置之间的四个斥力有一定程度的变化，这种斥力大小的变化致使光纤光栅等强度悬臂梁的受力不再保持无风条件下的平衡，进而导致悬臂梁应变量发生变化，通过光纤光栅对这种应变量变化的检测来判断风向的变化。优选地，抗磁壳体1外周的磁配体在安装上恰好低于底部固结件9的底面，主要为了防止风速太大导致磁性球的摆角太大，使磁性球和磁配体相互碰撞，带来较大的误差。更优选地，抗磁壳体外周的磁配体低于底部固结件的底面的高度与薄壁管的长度之比为0.1-0.5。

具体地，当一定方向的风吹动底部悬吊的磁性球时，磁性球顺着来风的方向发生一定角度的摆动，此时摆动的套有薄壁管的刚性丝受力大于静止时磁性球的重力，并通过滑轮组件对力进行放大并传递，当力到达杠杆时进行二次放大，最终杠杆一端受到刚性丝向下的拉力，固定有磁配体另一端向上翘动与等强度悬臂梁自由端部的磁配体产生斥力，使其发生形变，通过光纤光栅反应出来，并通过波长与应变的函数关系计算出风速的大小。同时在磁性球偏向某一方向时，其与均匀分布在壳体外侧的四个光纤光栅磁力应变传感装置之间的四个斥力有一定程度的变化，这种斥力大小的变化致使光纤光栅等强度悬臂梁的应变量发生变化，通过光纤光栅对这种应变量变化的检测来判断风向的变化。

如图1所示，当磁性球受到来风时，磁性球偏向外侧光纤光栅应变传感装置①，此时装置①受到磁斥力增加量最大，装置②和装置③受到磁斥力增加量较小，而装置④受到的磁斥力则减小。通过四组光纤光栅应变传感装置就可检测四个相应应变量，综合四个应变量就可以得知实时的风向。

下面以图2所示装置为例，说明本申请的磁力风速风向传感器的工作原理。其中，设有四个滑轮，共计两个滑轮组；杠杆的两端力臂为1:2，继而将刚性丝传递过来的力放大2倍。当一定方向的风吹动底部悬吊的磁性球时，磁性球顺着来风的方向发生一定角度的摆动，此时摆动的嵌套有薄壁管的刚性丝受力大于静止时磁性球的重力，并通过第一组滑轮组件对力进行第一次放大，然后再通过第二滑轮组件对力进行第二次放大，当力到达杠杆时进行第三次放大，最终杠杆右端受到刚性丝向下的拉力为磁性球端刚性丝所受拉力的4倍。由于杠杆的力臂为1:2，相当于固定有磁配体另一端向上翘动与壳体内部水平设置的等强度悬臂梁自由端部的磁配体产生的斥力为磁性球端刚性丝所受拉力的8倍。通过拉力的放大使等强度悬臂梁发生形变，通过光纤光栅反应出来，并通过波长与应变的函数关系计算出风速的大小，计算原理如下所述。

当传感器放在风场中，磁性球受风力作用和等强度梁之间的磁斥力发生变化导致发生弯曲形变，梁两面所焊接的光纤光栅被分别受到拉伸应变ε和压缩应变ε。两者位于同一温度场中，且光栅的应变灵敏度为S_ε，则引起的反射波长变化可以表示为：

△λ＝△λ₁-△λ₂＝εS_ελ_B-(-ε)S_ελ_B＝2εS_ελ_B (1)

其中，λ_B为光纤光栅反射中心波长。

对于测量风速的等强度悬臂梁，由风压产生磁斥力经过滑轮组和杠杆的三级放大继而产生应变ε可以表示为：

其中G为磁性球的重力，ρ为空气密度，s为磁性球最大截面面积，l为等强度悬臂梁的长度，B为等强度悬臂梁的宽度，h为等强度梁厚度，E为等强度梁材料杨氏模量。

由以上两式可以得到所探测的反射波长变化与风速的关系：

因此，通过测量两个光栅的反射波长相对漂移量，即可以得到风速信息。

本申请的磁力风向风速传感器，其结构轻巧，操作便捷，抗外界干扰能力强，通过动滑轮原理杠杆原理的放大作用，增加了传感器的灵敏度，并通过采用磁性传导力原件，解决了机械风速风向传感器固有的摩擦力或碰撞力过大的问题，经济效益高，适用范围广，可应用于各种需要测风速风向的情况。

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 (8)

1.一种磁力风速风向传感器，包括抗磁壳体和底部固结件，其特征在于，抗磁壳体的外周均匀分布有多个等强度悬臂梁，抗磁壳体的内部侧壁上水平设置有等强度悬臂梁，所述等强度悬臂梁的末端都设有磁配体，在所述等强度悬臂梁的上下表面均对称粘贴有光纤光栅以形成双光纤光栅，所述抗磁壳体外周的磁配体低于所述底部固结件的底面；

所述底部固结件的中间设有万向球，所述万向球中间设有通道以供刚性丝穿过，所述刚性丝的下端连接磁性球，在抗磁壳体的侧壁上设有多个长轴，长轴的末端分别连接有滑轮形成可供刚性丝绕过的滑轮组，所述刚性丝依次经过磁性球、万向球和多个滑轮，最终连接到杠杆，所述杠杆的末端也设有磁配体，所述杠杆末端的磁配体与所述抗磁壳体内部侧壁上水平设置的等强度悬臂梁末端的磁配体相对设置。

2.根据权利要求1所述的磁力风速风向传感器，其特征在于，抗磁壳体的内壁设有凹槽，凹槽中设有滚动轴承，所述长轴通过滚动轴承与所述抗磁壳体相连接；所述滑轮与所述长轴也通过滚动轴承配合，并处于所述长轴的自由端部。

3.根据权利要求1或2所述的磁力风速风向传感器，其特征在于，所述万向球嵌设在所述底部固结件上的安装槽中。

4.根据权利要求3所述的磁力风速风向传感器，其特征在于，在底部固结件下端、位于抗磁壳体外部的刚性丝上嵌套有薄壁管。

5.根据权利要求1或2或4所述的磁力风速风向传感器，其特征在于，均匀分布在抗磁壳体的外部圆周的等强度悬臂梁有四组，水平设置在抗磁壳体的内部侧壁上的等强度悬臂梁为一组。

6.根据权利要求4所述的磁力风速风向传感器，其特征在于，所述薄壁管具有抗磁性。

7.根据权利要求1或2或4所述的磁力风速风向传感器，其特征在于，所述滑轮组将磁性球端刚性丝所受拉力放大4倍，所述杠杆的两端力臂为1:2。

8.根据权利要求7所述的磁力风速风向传感器，其特征在于，所述磁配体是永磁铁。

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