一种基于光纤光栅传感器的风沙监控系统及方法技术方案

本发明专利技术实施例公开了一种基于光纤光栅传感器的风沙监控系统及方法，其特征在于，通过所述集沙装置1对流入所述进气管111的风沙进行降速处理；将所述承沙器22收集的沙子通过所述引沙漏斗23导入所述单翻斗21；当沙子累计到预定量时，所述单翻斗21发生翻转，所述第一磁铁211与所述第二磁铁发生磁力感应作用，使得所述悬臂梁发生形变或者位移，使得所述光纤光栅传感器312中的光信号波长发生变化；检测并解调所述光纤光栅传感器312中的光信号，以确定所述光信号波长的变化次数，从而对所述风沙的流量进行监控。

A Wind Sand Monitoring System Based on Fiber Bragg Grating Sensor and Its Method

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤光栅传感器的风沙监控系统及方法
本专利技术实施例涉及光电领域，尤其涉及一种基于光纤光栅传感器的风沙监控系统及方法。
技术介绍
随着全球沙尘暴现象越来越严重，沙漠化防治与区域经济发展综合研究，已经成为当前国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题。为了有效地防治风蚀危害，首先要准确地掌握风沙运动规律。集沙仪可以测到近地表风沙流结构，建立单宽输沙率和总输沙率与风速之间的关系，这对治理风蚀荒漠化有着重要的指导意义。专利技术人发现，传统集沙仪在数据采集过程中，需要人工计时、称重，增加劳动力，自动化程度低，测点相对单一；自动集沙仪由于结构设计问题，集沙仪出口风速较大，对称重传感器有一定的冲击扰动，造成数据采集有误差；野外监测时布线复杂，劳动强度大，影响测试效率；传统的称重、数据传输技术以电子信息处理为基础的特点注定了其将受到供电、电磁干扰、信号传输不稳定、数据传输容量受限等因素制约，限制了其安全性与可靠性。为了克服传统监测的缺点，本专利技术克服了传统监测方法的缺陷，实现了对沙量的无源式实时监测。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术实施例提供一种基于光纤光栅传感器的风沙监控系统及方法，解决目前现有的风沙测量装置安装校验不方便、易受供电和电磁干扰、信号传输不稳定等技术问题。使用本专利技术提出的光纤光栅式翻斗风沙测量装置，具有易操作，高可靠，高效率，无需供电，不受电磁干扰等优点。第一方面，本专利技术实施例提供了一种基于光纤光栅传感器的风沙监控系统，其特征在于，所述风沙监控系统包括依次相连的集沙装置1、沙量感应装置2和悬臂梁装置3；其中，所述集沙装置1包括进气管111、楔形体112、排气管113、分流对冲腔114、扩容腔115、第一回流腔116、分离腔117和第二回流腔118；所述沙量感应装置2包括承沙器22、引沙漏斗23和单翻斗21，所述单翻斗21上设有第一磁铁211；所述悬臂梁装置3包括具有自由端和固定端的悬臂梁31，其中，所述自由端设有与所述第一磁铁211相对应的第二磁铁311，所述悬臂梁31靠近固定端的位置设有光纤光栅传感器312。其中，可选的，在所述集沙装置1中：所述楔形体112和所述排气管113位于所述分流对冲腔114内部，共同构成气流分流结构，用于对进入的气流进行分流；可选的，所述扩容腔115、所述第一回流腔116和所述第二回流腔118均为圆台形结构，所述分离腔117为圆柱形结构；所述扩容腔115的上腔口与所述分流对冲腔114的下腔口贯通连接，所述扩容腔115的下腔口与所述第一回流腔116的上腔口贯通连接，所述第一回流腔116位于所述分离腔117内部，所述第二回流腔118的上腔口与所述所述分离腔117下腔口贯通连接；其中，所述扩容腔115的下腔口、所述第一回流腔116的上腔口、所述第二回流腔118的上腔口均与所述分离腔117的圆柱体横截面相吻合；所述扩容腔115的上腔口、所述第一回流腔116的下腔口、所述第二回流腔118的下腔口的横截面均小于所述分离腔117的圆柱体横截面。可选的，所述悬臂梁31被设置于正对着所述单翻斗21的正前方，所述第一磁铁211被设置于所述单翻斗21的侧壁处；在所述单翻斗翻转过程中，所述第一磁铁211扫过所述第二磁铁311，但是不与所述第二磁铁311相接触，所述悬臂梁31因磁铁之间的磁力而发生形变或者位移。可选的，所述风沙监控系统还包括：信号检测器，通过光纤与所述光纤光栅传感器312相连，用于检测所述光纤光栅传感器输出的光信号；光调制解调器，用于对所述信号检测器检测到的所述光信号进行解调；信号处理器，基于所述光调制解调器输出的解调信号，对沙量进行实时计算。可选的，所述风沙监控系统还包括显示装置，用于对监控结果进行图形或文字展示。可选的，所述悬臂梁装置3包括两个所述光纤光栅传感器312，所述悬臂梁31的正反两面均设有开槽区域313，所述两个所述光纤光栅传感器312分别设置于所述悬臂梁31的正反两面的开槽区域313中。可选的，所述承沙器22通过所述引沙漏斗23与所述单翻斗21相连，所述承沙器22收集的沙子通过引沙漏斗23进入单翻斗21，当沙子累积到预定量时，单翻斗21发生翻转，单翻斗21侧壁处的所述第一磁铁211对悬臂梁31扫描一次。可选的，所述风沙监控系统还包括底座4，所述底座4上设置有出沙孔；所述悬臂梁装置3还包括悬臂梁底座32；所述沙量感应装置2还包括平衡螺母24，用于通过调节所述平衡螺母24使得所述翻斗底座32处于水平状态。可选的，所述平衡螺母24还用于，通过调节所述平衡螺母24两端的距离来控制所述单翻斗21能翻转到的最大角度。可选的，所述单翻斗21包括第一斗室和第二斗室；所述风沙监控系统还包括底座4，所述底座4上设置有与所述第一斗室和所述第二斗室对应设置的第一出沙孔和第二出沙孔。可选的，所述光纤光栅传感器为光纤光栅应变传感器。第二方面，本专利技术实施例还提供了一种基于光纤光栅传感器的风沙监控方法，应用于前述的任一项所述的风沙监控系统，其特征在于，所述方法包括：通过所述集沙装置1对流入所述进气管111的风沙进行降速处理；将所述承沙器22收集的沙子通过所述引沙漏斗23导入所述单翻斗21；当沙子累计到预定量时，所述单翻斗21发生翻转，所述第一磁铁211与所述第二磁铁发生磁力感应作用，使得所述悬臂梁发生形变或者位移，使得所述光纤光栅传感器312中的光信号波长发生变化；解调所述光纤光栅传感器312中的光信号波长，以确定所述光信号波长的变化频率，从而对所述风沙的流量进行监控。本专利技术实施例采用分流对冲和旋风分离组合，是以分流对冲降速为基础，通过设计多级旋风分离结构以实现气流速度多次降低的方法，对风沙流中的沙子进行采集；通过单翻斗将沙量转换为翻转次数，通过悬梁臂的形变来感测翻转次数，从而实现风沙的无源监控和实时测量，具有非常好的有益效果。同时，本专利技术实施例基于光纤光栅传感技术的翻斗风沙测量装置，克服了传统的计量方式的缺陷，同时通过测量悬臂梁的受力变化，将受力的变化次数转变为翻斗翻转的次数，进而实现了对沙量的实时测量，适用于长时间的野外测量。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术一实施例提供的基于光纤光栅传感器的风沙监控系统的结构示意图；图2-图3为本专利技术一实施例提供的风沙监控系统中的集沙装置的结构示意图；图4-图5为本专利技术一实施例提供的风沙监控系统中的单翻斗的结构示意图；图6为本专利技术一实施例提供的风沙监控系统中的悬臂梁的结构示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本专利技术，而非对本专利技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本专利技术相关的部分而非全部结构。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本专利技术相关的部分而非全部内容。在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作(或步骤)描述成顺序的处本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光纤光栅传感器的风沙监控系统，其特征在于，所述风沙监控系统包括依次相连的集沙装置1、沙量感应装置2和悬臂梁装置3；其中，所述集沙装置1包括进气管111、楔形体112、排气管113、分流对冲腔114、扩容腔115、第一回流腔116、分离腔117和第二回流腔118；所述沙量感应装置2包括承沙器22、引沙漏斗23和单翻斗21，所述单翻斗21上设有第一磁铁211；所述悬臂梁装置3包括具有自由端和固定端的悬臂梁31，其中，所述自由端设有与所述第一磁铁211相对应的第二磁铁311，所述悬臂梁31靠近固定端的位置设有光纤光栅传感器312。

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤光栅传感器的风沙监控系统，其特征在于，所述风沙监控系统包括依次相连的集沙装置1、沙量感应装置2和悬臂梁装置3；其中，所述集沙装置1包括进气管111、楔形体112、排气管113、分流对冲腔114、扩容腔115、第一回流腔116、分离腔117和第二回流腔118；所述沙量感应装置2包括承沙器22、引沙漏斗23和单翻斗21，所述单翻斗21上设有第一磁铁211；所述悬臂梁装置3包括具有自由端和固定端的悬臂梁31，其中，所述自由端设有与所述第一磁铁211相对应的第二磁铁311，所述悬臂梁31靠近固定端的位置设有光纤光栅传感器312。2.根据权利要求1所述的风沙监控系统，其中，在所述集沙装置1中：所述楔形体112和所述排气管113位于所述分流对冲腔114内部，共同构成气流分流结构，用于对进入的气流进行分流。3.根据权利要求1所述的风沙监控系统，其中，在所述集沙装置1中：所述扩容腔115、所述第一回流腔116和所述第二回流腔118均为圆台形结构，所述分离腔117为圆柱形结构；所述扩容腔115的上腔口与所述分流对冲腔114的下腔口贯通连接，所述扩容腔115的下腔口与所述第一回流腔116的上腔口贯通连接，所述第一回流腔116位于所述分离腔117内部，所述第二回流腔118的上腔口与所述所述分离腔117下腔口贯通连接；其中，所述扩容腔115的下腔口、所述第一回流腔116的上腔口、所述第二回流腔118的上腔口均与所述分离腔117的圆柱体横截面相吻合；所述扩容腔115的上腔口、所述第一回流腔116的下腔口、所述第二回流腔118的下腔口的横截面均小于所述分离腔117的圆柱体横截面。4.根据权利要求1所述的风沙监控系统，其中：所述悬臂梁31被设置于正对着所述单翻斗21的正前方，所述第一磁铁211被设置于所述单翻斗21的侧壁处；在所述单翻斗翻转过程中，所述第一磁铁211扫过所述第二磁铁311，但是不与所述第二磁铁311相接触，所述悬臂梁31因磁铁之间的磁力作用而发生形变或者位移。5.根据权利要求1所述的风沙监控系统，其中，所述风沙监控系统还包括：信号检测器，通过光纤与所述光纤光栅传感器312相连，用于检测所述光纤...

【专利技术属性】
技术研发人员：张治国，周瑶，朱修德，颜哲昊，周瑞，翟桐，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11