CN216560650U - 一种基于飞秒光纤光栅的风速传感器 - Google Patents
一种基于飞秒光纤光栅的风速传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型提供了一种基于飞秒光纤光栅的风速传感器，其包括支撑筒（101）、压力感应头（102）、压力感应膜片（103）、压力引导柱（104）、柔性铰链（105）、底座（106）及光纤（107）。本实用新型提出一种新型的结构，将压力引导柱偏离感应膜片中心，通过带有杠杆功能的柔性铰链，将压力感应膜片的变形放大，从而增大光纤光栅波长的变化。
Description
技术领域
本实用新型涉及风速的测量，尤其涉及一种风速传感器。
背景技术
风速测量技术在煤炭油田、航海航天、气象预报、电力系统等领域有广泛的应用。按照工作原理可分为机械式风速传感器、超声波式风速传感器和光纤风速传感器。
机械式风速传感器主要包括风杯式风速传感器、差压式风速传感器和热线式风速传感器。风力推动机械式风速传感器旋转，传感器的中轴带动内部电子元件产生脉冲信号，在风速测量范围内，风速与脉冲频率成一定的线性关系。可据此推算风速。
超声波风速传感器利用超声波时差法来实现风速的测量。声音在空气中的传播速度，会和风向上的气流速度叠加。若超声波的传播方向与风向相同，它的速度会加快；反之，它的速度会变慢。因此，在固定的检测条件下，超声波在空气中传播的速度可以和风速函数对应，通过计算即可得到的风速。
目前光纤风速传感器都是在机械风速传感器的基础上转变而来，只是将电信号转换为光信号，没有实质性的变化。
机械式结构设计，存在转动部件，监测前需要低风速启动，若风速低于启动值将不能驱动螺旋桨或者风杯进行旋转，就不能进行监测；
风杯式风速传感器：该类传感器为机械旋转结构，由于可能高速旋转而不能应用于可燃性气体环境中，如：煤矿和油田；风杯旋转需要启动风速(一般为3m/s)，限制了传感器风速测量下限值。
差压式风速传感器：依据伯努利方程将风速转化为差压，通过测量静压之差求得风速。结构简单，低速下压损相对较大，对于低风速测量存在极大误差。
热线式风速传感器：在恶劣环境下，热线容易损坏，测量精度差，用温度变化测量响应时间长。
当前的光纤风速传感器，结构中存在活动部件，而且测量的动态范围很小。
实用新型内容
为了解决现有技术中问题，本实用新型提供了一种基于飞秒光纤光栅的风速传感器，其包括支撑筒、压力感应头、压力感应膜片、压力引导柱、柔性铰链、底座及光纤；所述支撑筒靠近上面开口的筒壁上设有螺孔安装位置，压力感应头内设有所述压力感应膜片和所述压力引导柱，所述压力感应膜片与所述压力感应头的开口方向平行，所述压力引导柱设置在压力感应膜片上，两者垂直设置，且压力引导柱设置在压力感应膜片偏左或偏右的位置，支撑筒两端分别连接压力感应头和底座，压力感应头底部与支撑筒的上面开口紧密配合连接；柔性铰链通过M1螺孔与支撑筒连接，压力引导柱底部设有M2螺孔，柔性铰链通过M2螺孔固定连接在压力引导柱上；柔性铰链的底部靠近M1螺孔的一端设有光纤连接端，光纤平行于支撑筒的筒壁设置，所述光纤为飞秒光纤光栅，光纤一端连接柔性铰链，另一端连接底座。
作为本实用新型的进一步改进，所述支撑筒为上下开口的通筒。
作为本实用新型的进一步改进，所述压力感应膜片位于所述压力感应头的内部中间位置。
作为本实用新型的进一步改进，施与飞秒光纤光栅一个预张力，预张力要确保光栅至少有5nm的波长变化。
作为本实用新型的进一步改进，所述设压力引导柱中心到压力感应膜片中心位置的距离为L，压力感应膜片的直径为D，则
作为本实用新型的进一步改进，
本实用新型的有益效果是：
目前所有的压力引导柱都位于压力感应膜片的中央。要想获得大的动态范围和高的灵敏度，需要将压力感应膜片做的很薄，同时给予光纤光栅很大的预张力。一方面，很薄的压力感应膜片在机械加工中很难实现，同时也降低了风力和光栅波长关系中的线性度，降低了风力检测的精度；另一方面，普通的光纤光栅实施大的预张力，断裂的风险极高，同时可靠性也不高。
本实用新型提出一种新型的结构，将压力引导柱偏离感应膜片中心，通过带有杠杆功能的柔性铰链，将压力感应膜片的变形放大，从而增大光纤光栅波长的变化。
附图说明
图1是本实用新型一种基于飞秒光纤光栅的风速传感器的压力感应头(内设压力感应膜片和压力引导柱)结构示意图；
图2是本实用新型一种基于飞秒光纤光栅的风速传感器的柔性铰链示意图；
图3是本实用新型一种基于飞秒光纤光栅的风速传感器的支撑筒示意图；
图4是本实用新型支撑筒连接柔性铰链后的结构示意图；
图5是本实用新型压力感应头连接支撑筒的结构示意图；
图6是本实用新型的底座结构示意图；
图7是本实用新型一种基于飞秒光纤光栅的风速传感器结构示意图。
图中各部件名称如下：
支撑筒101、压力感应头102、压力感应膜片103、压力引导柱104、柔性铰链105、底座106、光纤107、飞秒光纤光栅108。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步说明。
一种基于飞秒光纤光栅的风速传感器，其包括支撑筒101、压力感应头102、压力感应膜片103、压力引导柱104、柔性铰链105及底座106；
所述支撑筒101为上下开口的通筒，其靠近上面开口的筒壁上设有螺孔安装位置。
压力感应头102内设有所述压力感应膜片103和所述压力引导柱104，所述压力感应膜片103设在所述压力感应头102内，所述压力感应膜片103与所述压力感应头102的开口方向平行设置，所述压力引导柱104设置在压力感应膜片103上，两者垂直设置，且压力引导柱104设置在压力感应膜片103偏左或偏右的位置，即非中间位置，设压力引导柱104中心到压力感应膜片103中心位置的距离为L，压力感应膜片103的直径为D，则
优选
压力感应膜片103位于所述压力感应头102的内部中间位置。
支撑筒101两端分别连接压力感应头102和底座106，压力感应头102底部与支撑筒101的上面开口紧密配合连接。柔性铰链105通过M1螺孔与支撑筒101连接，压力引导柱104底部设有M2螺孔，柔性铰链105通过M2螺孔固定连接在压力引导柱104上。
柔性铰链105的底部靠近M1螺孔的一端设有光纤连接端，光纤平行于支撑筒101的筒壁设置，所述光纤为飞秒光纤光栅，光纤一端连接柔性铰链105，另一端连接底座106。
本实用新型采用飞秒光纤光栅作为风速传感器的核心传感元件。风力会对压力传感器的压力膜产生振动，导致光纤光栅的中心波长发生变化。通过检测光纤光栅波长的变化来计算风速的大小。无任何活动机械部件，大量程动态测量风速的大小。
压力传感器通常由压力敏感元件和信号处理单元组成。本实用新型采用压力感应膜作为压力敏感元件，采用飞秒光纤光栅作为信号处理单元。不同于电子压力传感器，光纤压力传感器通常采用弹性好硬度高的合金来设计制作成一个压力膜片腔。
压力感应膜用来感应风速的大小。风力会导致压力感应膜内缩变形，压力引导柱会将压力感应膜片的变形传递到飞秒光纤光栅上，从而引起飞秒光纤光栅波长的变化。使用抗极大拉力的飞秒光纤光栅。
带飞秒光栅的光纤与柔性铰链固定相连，光栅的另外一端固定在传感器的底座上面，并施与飞秒光纤光栅一个预张力。预张力要确保光栅至少有5nm的波长变化。
当风力作用到压力感应膜片上时，膜片会向内变形。按照杠杆原理，压力感应膜片轻微的变形会导致飞秒光纤光栅的中心波长发生非常大的变化。
本方案的意义：1，引导柱偏离膜片中心，极大的提供了风速测量的稳定性和测量精度。传统的中央引导柱的膜片在长期的动态测量之后，膜片自身会发生变形。导致测量的基准点发生偏差，同时降低了可靠性。2，带杠杆功能的柔性铰链，使得压力感应膜片的厚度不需要减少就可以提高风速检测的分辨率。3，飞秒光纤光栅可以长时期承受大的张力。作为检测风速的核心敏感元件，飞秒光纤光栅极大的提高了传感器的可靠性。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于飞秒光纤光栅的风速传感器，其特征在于：其包括支撑筒(101)、压力感应头(102)、压力感应膜片(103)、压力引导柱(104)、柔性铰链(105)、底座(106)及光纤(107)；所述支撑筒(101)靠近上面开口的筒壁上设有螺孔安装位置，压力感应头(102)内设有所述压力感应膜片(103)和所述压力引导柱(104)，所述压力感应膜片(103)与所述压力感应头(102)的开口方向平行，所述压力引导柱(104)设置在压力感应膜片(103)上，两者垂直设置，且压力引导柱(104)设置在压力感应膜片(103)偏左或偏右的位置，支撑筒(101)两端分别连接压力感应头(102)和底座(106)，压力感应头(102)底部与支撑筒(101)的上面开口紧密配合连接；柔性铰链(105)通过M1螺孔与支撑筒(101)连接，压力引导柱(104)底部设有M2螺孔，柔性铰链(105)通过M2螺孔固定连接在压力引导柱(104)上；柔性铰链(105)的底部靠近M1螺孔的一端设有光纤连接端，光纤平行于支撑筒(101)的筒壁设置，所述光纤为飞秒光纤光栅，光纤一端连接柔性铰链(105)，另一端连接底座(106)。
2.根据权利要求1所述的一种基于飞秒光纤光栅的风速传感器，其特征在于：所述支撑筒(101)为上下开口的通筒。
3.根据权利要求1所述的一种基于飞秒光纤光栅的风速传感器，其特征在于：所述压力感应膜片(103)位于所述压力感应头(102)的内部中间位置。
4.根据权利要求1所述的一种基于飞秒光纤光栅的风速传感器，其特征在于：施与飞秒光纤光栅一个预张力，预张力要确保光栅至少有5nm的波长变化。
5.根据权利要求1所述的一种基于飞秒光纤光栅的风速传感器，其特征在于：所述压力引导柱(104)中心到压力感应膜片(103)中心位置的距离为L，压力感应膜片(103)的直径为D，则
6.根据权利要求5所述的一种基于飞秒光纤光栅的风速传感器，其特征在于：
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202122977496.6U CN216560650U (zh) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | 一种基于飞秒光纤光栅的风速传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN216560650U true CN216560650U (zh) | 2022-05-17 |
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Family Applications (1)
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| CN202122977496.6U Active CN216560650U (zh) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | 一种基于飞秒光纤光栅的风速传感器 |
Country Status (1)
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|---|---|
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2021
- 2021-11-30 CN CN202122977496.6U patent/CN216560650U/zh active Active
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