基于光纤光栅的风速传感装置及风速风向监测系统制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于光纤光栅的风速传感装置及风速风向监测系统。包括风能传递机构、等强度悬臂梁和封装外壳；风能传递机构由迎风受压板和连接杆组成，连接杆垂直于迎风受压板，一端固定在连接杆的圆心，另一端固定在等强度悬臂梁的顶端。封装外壳的顶端设有开口，封装外壳内的底部固定悬臂梁安装底座；等强度悬臂梁伸入封装外壳的顶端开口后，可拆卸式固定在悬臂梁安装底座上；迎风受压板板面与等强度悬梁臂板面平行设置；等强度悬梁臂的正反两面轴线位置分别贴有一支光纤光栅。风速风向监测系统包括两个所述的风速传感装置正交放置，测得的数据传输至远程终端。本发明专利技术具有结构紧凑、体积小、抗电磁干扰等特点。

Wind speed sensing device based on Fiber Bragg grating and wind speed and wind direction monitoring system

The invention discloses a wind speed sensing device based on an optical fiber grating and a wind speed and wind direction monitoring system. Including wind energy transfer mechanism, cantilever and package; wind energy transfer mechanism is composed by wind plate and the connecting rod, rod is perpendicular to the wind by the plate, one end is fixed on the connecting rod of the center of the circle, the other end is fixed on top of the cantilever beam. The top package is provided with an installation base is fixed at the bottom of the cantilever beam in the enclosure; the top beam extends into the opening of the housing package, detachable fixed on the mounting base on the cantilever beam; the wind by plate board surface and the equal strength cantilever beam plate is arranged in parallel on both sides of the axis; position of equal strength cantilever beam respectively. With a fiber grating. The wind speed and wind direction monitoring system comprises two wind speed sensing devices which are arranged orthogonal, and the measured data is transmitted to the remote terminal. The invention has the advantages of compact structure, small volume, anti electromagnetic interference, etc..

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光纤传感
，特别涉及了一种基于光纤光栅的风速传感装置及风速风向监测系统。
技术介绍
风速风向的监测，在气象预报、电力系统、航空航海和农业生产等领域发挥着重要的作用。目前，此类传感器主要包括：机械式(风杯式)、电子式(热线式、超声波式、多普勒平移式)及皮托管式。在实际应用过程中各自存在以下问题：机械式易磨损和受惯性影响，测量的精度和时效不好；电子式的在恶劣的电磁环境下，传感器易受到电磁干扰；而皮托管只能测风速，无法监测风向。同时，现有的风速传感器均以无线方式传送给控制中心，在很多工程现场，环境恶劣，无线信号不稳定，会导致测量数据无法传回。光纤作为一种光信号的载体，能够在恶劣条件下工作，对电磁干扰免疫，同时易于组网，便于实现控制中心与各个传感点之间的通信。因此光纤型的风速风向传感器，有望解决目前传感器所面临的问题。与本专利技术接近的是“输电线路浮冰监测用光纤布拉格光栅风速传感器及系统”申请公开号CN102175888A。其采用平面受压板设计，通过直线轴承和焊有光纤光栅的悬臂梁相连，并通过四个传感器正交放置的方式进行风速和风向的测量。此专利技术提出了一种便于实时远程监控的风速风向测量手段，但由于其会受轴承摩擦力的影响，易产生较大的迟滞，野外环境还存在卡滞的隐患；同时，四个传感器同一水平面正交放置也会产生遮挡，出现尾流干扰，影响测量精度和灵敏度。
技术实现思路
1、本专利技术的目的。本专利技术为了解决现有技术中风速传感装置过于复杂，存在干扰的问题，而提出了一种适用于多种环境下成本较低的基于光纤光栅的风速传感装置及风速风向监测系统。2、本专利技术所采用的技术方案。基于光纤光栅的风速传感装置，包括风能传递机构、等强度悬臂梁和封装外壳；风能传递机构由迎风受压板和连接杆组成，连接杆垂直于迎风受压板，一端固定在连接杆的圆心，另一端固定在等强度悬臂梁的顶端。为了能够降低风能传递机构与封装外壳部件之间的摩擦力对风速和风向的干扰，封装外壳的顶端设有开口，封装外壳内的底部固定悬臂梁安装底座；等强度悬臂梁伸入封装外壳的顶端开口后，可拆卸式固定在悬臂梁安装底座上，通过可拆卸是的结构设计可以实现不同环境下更换不同材料的等强度悬臂梁及风能传递机构；迎风受压板板面与等强度悬梁臂板面平行设置；等强度悬梁臂的正反两面轴线位置分别贴有一支光纤光栅。为了能够通过光纤光栅的形变测算风向风速，所述的光纤光栅为光纤布拉格光栅(FBG)，风速传感装置的迎风受压板受风压作用推动等强度梁发生弯曲形变，两面所焊接的光纤光栅被分别受到拉伸和压缩应变ε，所探测的反射波长变化与风速的关系： Δ λ = 12 ρSlS ϵ λ B Bh 2 E v 2 ]]>其中λB为光纤布拉格光栅反射中心波长，ρ为空气密度，S为迎风受压板面积，l为等强度梁长度，B为等强度悬臂梁固定宽度，h为等强度梁厚度，E为等强度梁所用材料杨氏模量；通过测量两个光栅的反射波长相对漂移，即可以得到风场风速信息；由于两个光栅位于同一温度场，相对漂移的处理也避免了温度变化对风速探测的影响，即温度自补偿。为了提高风向风速的监测灵敏度，所述迎风受压板为圆形。为了传递光纤光栅的信号，所述的光纤光栅的尾纤通过设置在封装外壳上的光纤适配器与外部解调系统相连。为保证光纤光栅受力均匀，等强度悬梁臂为等腰三角形的形状。为了防止灰尘、雨水等杂质进入封装壳体，还包括防尘罩，覆盖封装外壳的上部，由轻薄金属构成。更进一步，所述的防尘罩由轻薄金属构成。还包括自加热装置，安装在封装外壳的内壁上，当外界温度过低，为防止冰冻造成传感器失灵，自加热装会自动给装置加热，保证其正常工作。更进一步具体实施例中，自加热装置，安装在封装外壳的内壁上端，与封装外壳开口接近，可以降低外界温度对本装置的影响。本专利技术还提出了一种风速风向监测系统，包括两个所述的风速传感装置正交放置，测得的数据传输至远程终端。正交放置的风速传感装置分别测量风速在两个垂直方向上的投影分量，最后通过几何合成计算，可以得到风向信息。还包括波长解调装置，两个所述的正交放置的风速传感装置通过光纤跳线与波长解调设备相连，波长解调设备将光纤光栅反射波长的变化转换为光信号强度的变化，并将强度信号的变化传给远程监控计算机，再根据相应模型计算得到风速风向信息，最终，风速和风向信息可传给终端计算机进行实时的显示与记录。3、本专利技术的有益效果。(1)、本专利技术提出的风速传感装置，其风能传递机构和封装外壳的设置，可以将测量的风速信息无干扰地传送至等强度悬梁臂，而背景中的现有技术中采用的直线轴承和中心轴的配合，本专利技术相对于现有技术解决了直线轴承和中心轴之间摩擦力干扰、中心轴与直线轴承在运动过程中的卡滞的问题。(2)、本专利技术提出的风速传感装置，其底部采用可拆卸的方式，便于更换等强度悬梁臂，使其适应不同的环境。(3)、本专利技术提出的风速传感装置，其附带的防尘罩和自加热装置，降低了外界环境对本装置监测的干扰。(4)、本专利技术提出的风速风向监测系统，其风速风向解调方法是基于相对波长漂移监测结合正交传感器放置，通过两个光栅反射波长差值来解调风速信息，避免了温度引起的交叉敏感问题，实现了温度自补偿。(5)本专利技术具有结构紧凑、体积小、抗电磁干扰等特点。附图说明图1是本专利技术的一种基于光纤光栅的风速传感装置的正视图；图2是本专利技术的一种基于光纤光栅的风速传感装置的左视图。图中1-迎风受压板；2-防尘罩；3-封装外壳；4-光纤适配端口；5-等强度悬臂梁；6-自加热装置；7-光纤光栅和8-悬臂梁安装底座。图3是基于图2所制备的风速传感器样品的风速测量结果：两个FBG反射波长漂移量随风速的变化关系图。图4是基于图2所制备的风速传感器样品的风速测量结果：两个FBG反射波长差随风速的变化关系图。图5是本专利技术提出的风速风向监测系统结构示意图。具体实施方式实施例1本专利技术涉及基于光纤光栅的风速传感装置结构示意图如图1和图2所示。风速传感装置包括：圆形迎风受压板1、等强度悬臂梁5、防尘罩2、光纤光栅7、光纤适配器4、自加热装置6和封装壳体3。所述迎风受压板1通过连接杆9与等强度悬臂梁5顶端焊接；等强度悬臂梁5固定于封装外壳3的底座，且其正反表面中心轴位置各焊有一支光纤布拉格光栅，均位于如850nm波段，为保证光纤光栅受力均匀，等强度梁5在有效受力范围内被设计成等腰三角形的形状。光栅尾纤通过传感装置封装外壳3上的光纤适配器4，与外部通讯光纤相连或通过无线传输到服务器；为了提高传感器的环境适应能力，还包括防尘罩2和自加热装置6。防尘罩2由轻薄的金属做成，焊接在等强度悬臂梁5上，防止灰尘、雨水等杂质进入封装壳体3内。自加热装置6依附于封装外壳3内，当外界温度过低，为防止冰冻造成传感器失灵，自加热装置6会自动给装置加热，保证其正常工作。所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光纤光栅的风速传感装置，其特征在于：包括风能传递机构、等强度悬臂梁(5)和封装外壳(3)；风能传递机构由迎风受压板(1)和连接杆(9)组成，连接杆(9)垂直于迎风受压板(1)，一端固定在连接杆(9)的圆心，另一端固定在等强度悬臂梁(5)的顶端；封装外壳(3)的顶端设有开口，封装外壳(3)内的底部固定悬臂梁安装底座(8)；等强度悬臂梁(5)伸入封装外壳(3)的顶端开口后，可拆卸式固定在悬臂梁安装底座(8)上；迎风受压板(1)板面与等强度悬梁臂(5)板面平行设置；等强度悬梁臂(5)的正反两面轴线位置分别贴有一支光纤光栅(7)。

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤光栅的风速传感装置，其特征在于：包括风能传递机构、等强度悬臂梁(5)和封装外壳(3)；风能传递机构由迎风受压板(1)和连接杆(9)组成，连接杆(9)垂直于迎风受压板(1)，一端固定在连接杆(9)的圆心，另一端固定在等强度悬臂梁(5)的顶端；封装外壳(3)的顶端设有开口，封装外壳(3)内的底部固定悬臂梁安装底座(8)；等强度悬臂梁(5)伸入封装外壳(3)的顶端开口后，可拆卸式固定在悬臂梁安装底座(8)上；迎风受压板(1)板面与等强度悬梁臂(5)板面平行设置；等强度悬梁臂(5)的正反两面轴线位置分别贴有一支光纤光栅(7)。2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的风速传感装置，其特征在于：所述的光纤光栅(7)为光纤布拉格光栅，风速传感装置的迎风受压板受风压作用推动等强度梁发生弯曲形变，两面所焊接的光纤光栅被分别受到拉伸和压缩应变ε，所探测的反射波长变化与风速的关系： Δ λ = 12 ρSlS ϵ λ B Bh 2 E v 2 ]]>其中λB为光纤布拉格光...

【专利技术属性】
技术研发人员：严国锋，何赛灵，
申请(专利权)人：常熟市浙大紫金光电技术研究中心，
类型：发明
国别省市：江苏;32