一种光纤光栅风速风向传感器制造技术

本申请涉及一种光纤光栅风速风向传感器，包括薄壁圆筒和封装体，薄壁圆筒的中间上部挖空，在此区域安装有第三等强度悬臂梁，在第三等强度悬臂梁上下表面的中轴线上分别对称粘贴光纤光栅传感器；还包括设置在封装体内的方向凸轮、圆柱凸轮和推杆，封装体内部一侧在上下部分分别连接一个水平的等强度悬臂梁，在封装体的顶侧悬挂安装一个竖直的等强度悬臂梁，等强度悬臂梁两面粘贴光纤光栅传感器，自由端设有永磁体，以感应等强度悬臂梁上永磁体受到的磁力变化。本申请结构轻巧、不易损坏，利用光纤光栅体积小、抗电磁干扰、电绝缘性能好和运输容量大等物理属性，实现了对风速风向的实时在线监测。

【技术实现步骤摘要】
一种光纤光栅风速风向传感器
本申请涉及一种光纤光栅风速风向传感器，适用于风速风向检测的

技术介绍
风速风向测量技术应用领域十分广泛：在农业领域，风速的大小对农田的收成有重要影响；在气象领域，为海洋气象预警系统提供准确的风向变化数据，风速风向是预测台风覆盖范围以及“运行”轨迹的重要参数之一；在清洁能源领域，国家对风能开发利用给予高度重视。目前常用风速风向测量手段有：电容式力传感器、超声波式力传感器、压阻式力传感器。上述传感器均需有源供电，且传感信号在传输的过程中容易受到电磁干扰。中国专利申请201310678153.7公开了一种光纤Bragg光栅动态风速风向仪及其使用方法，包括叶轮1、叶轮转轴2、转速凸轮3、风向标转轴4、尾翼5、轴承6、紧固螺丝7、方向凸轮8、光纤Bragg光栅9、等强度悬臂梁10、底座11、角度凸轮12；所述叶轮1与叶轮转轴2连接，叶轮转轴2上设置转速凸轮3，叶轮转轴2一侧设置等强度悬臂梁10，等强度悬臂梁10通过紧固螺丝7与风向标转轴4固定连接，风向标转轴4通过轴承6与底座11连接，风向标转轴4尾部设有尾翼5，风向标转轴4上设置有方向凸轮8和角度凸轮12，风向标转轴4两侧设置有等强度悬臂梁10，等强度悬臂梁10固定在底座11上，光纤Bragg光栅9粘贴在等强度悬臂梁10表面中心轴线上。该专利是通过转速凸轮和角度凸轮的凸出部分撞击等强度悬臂梁使其发生挠度变化，并通过光纤光栅解调仪对波长变化次数进行计数，通过得到的计数就能得到转速凸轮旋转的周数，从而获得转速凸轮的旋转频率和旋转角度。该种方式依赖于部件之间的相互撞击，长期使用以后会导致部件损坏和精度不准确，而且没有考虑到温度对测量设备的影响，精度不高。
技术实现思路
本技术的目的是设计一种光纤光栅风速风向传感器，其结构轻巧、不易损坏，利用光纤光栅体积小、抗电磁干扰、电绝缘性能好和运输容量大等物理属性，实现了对风速风向的实时在线监测。根据本申请的一种光纤光栅风速风向传感器，包括薄壁圆筒和封装体，薄壁圆筒与转轴连接并通过转轴设置在封装体的上方，薄壁圆筒的两端开口，在其一端设置有尾翼，薄壁圆筒的中间上部挖空，在此区域安装有第三等强度悬臂梁，在第三等强度悬臂梁上下表面的中轴线上分别对称粘贴光纤光栅传感器；所述光纤光栅风速风向传感器还包括设置在封装体内的方向凸轮、圆柱凸轮和推杆，圆柱凸轮的外表面从上到下设有螺旋状的连续凹槽，推头容纳在连续凹槽中并可沿连续凹槽滑动，所述推头和所述推杆通过连杆连接，推杆的上下表面分别设有第一磁体和第二磁体；封装体内部一侧在上下部分分别连接一个水平的等强度悬臂梁，在上部的水平的等强度悬臂梁的下表面自由端和下部的水平的等强度悬臂梁的上表面自由端分别设置有永磁体，在上部的水平的等强度悬臂梁和下部的水平的等强度悬臂梁的上下表面分别设有光纤光栅传感器；在封装体的顶侧悬挂安装一个竖直的等强度悬臂梁，在该竖直的等强度悬臂梁的两面粘贴有光纤光栅传感器，所述方向凸轮旋转时能够周期性地撞击所述竖直的等强度悬臂梁，使其产生应变。优选地，所述转轴可以通过轴承固定在封装体上方的安装孔内；所述薄壁圆筒可以为铝合金圆筒，并和转轴焊接在一起；所述方向凸轮和所述圆柱凸轮嵌套在所述转轴上，所述方向凸轮和所述圆柱凸轮间隔开。本申请的有益技术效果在于：1.本技术采用的薄壁圆筒结构既相当于风向标，也起到叶轮结构相同的作用，可以同时测出风速、风向。无需采用两个单独的装置就可以达到测量风速风向目的，这样结构的优点在于可以减小摩擦阻力的影响，也可以减小两个装置之间的相互作用，影响数据的准确性。具体地，本申请利用同性磁极相斥的原理，通过永磁体与设置在悬臂梁末端的磁体之间的斥力使弹性悬臂梁发生形变或者通过风作用在薄壁圆筒壁上的弹性悬臂梁使之发生形变，根据设置在弹性悬臂梁上的光纤光栅感应到发射波长的变化，从而计算出弹性悬臂梁的应变量，根据应变量的大小和变化规律来推算出风向的变化和风速的大小。本申请减轻了现有技术中需要碰撞弹性悬臂梁才能测量应变量的局限，减小了部件间的相互碰撞作用，增加了使用寿命，减小了部件损耗。2.实现了对风速的实时动态在线监测：当风与薄壁圆筒的方向不一致时，通过尾翼的作用，就可以让薄壁圆筒在风的作用下转动起来；当风与薄壁圆筒方向一致时，风会吹进薄壁圆筒，这时，风会对薄壁圆筒产生径向的力，也对薄壁圆筒内部的等强度悬臂梁产生力的作用，将等强度悬臂梁的挠度变化转换为光纤光栅中心波长的位移变化量，根据对应的公式，就可以测出风速。3.实现了对风向的实时动态在线监测：本技术转轴上设置方向凸轮和角度凸轮，通过方向凸轮和角度凸轮确定薄壁圆筒旋转的角度，从而计算出风向，实现了对风向实时动态在线监测。4.本技术在等强度悬臂梁的上下表面对称粘贴光纤光栅，两个光纤光栅可以消除温度的影响，并且提高了测量的准确性。5.本技术在薄壁圆筒的一端安装了轻质尾翼，既不会使薄壁圆筒两侧由于质量不等发生失稳，又可以保证薄壁圆筒在风的作用下可以转动。附图说明图1是本申请的光纤光栅风速风向传感器的拆解图。图2是本申请的光纤光栅风速风向传感器的正剖视图。图3是本申请的光纤光栅风速风向传感器的另一方向的截面图。图4是本申请的带光纤光栅的等强度悬臂梁的示意图。图5是图2中B位置处的放大图。图6是本申请的推杆和圆柱凸轮的示意图。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和2所示，其中显示了根据本申请的光纤光栅风速风向传感器的结构示意图。本申请的光纤光栅风速风向传感器包括薄壁圆筒1和封装体3，薄壁圆筒1与转轴6连接并通过转轴6设置在封装体3的上方。优选地，转轴6可以通过轴承固定在封装体3上方的安装孔内。薄壁圆筒1的两端开口，在其一端设置有尾翼2。本申请的薄壁圆筒可以为铝合金圆筒，可以在风的作用下发生转动，并和转轴焊接在一起。如图3和5所示，薄壁圆筒1的中间上部挖空，在此区域安装有第三等强度悬臂梁，在第三等强度悬臂梁上下表面的中轴线上分别对称粘贴一支光纤光栅传感器。本申请的光纤光栅风速风向传感器还包括设置在封装体3内的方向凸轮4、圆柱凸轮5和推杆10。优选地，方向凸轮4和圆柱凸轮5可以嵌套在转轴6上，方向凸轮4和圆柱凸轮5间隔开而不接触。圆柱凸轮5的外表面从上到下设有螺旋状的连续凹槽51，推头12容纳在连续凹槽51中并可沿连续凹槽51滑动。推头12和推头10通过连杆13连接，推杆10的上下表面分别设有第一磁体101和第二磁体102。封装体3内部一侧在上下部分分别连接一个水平的等强度悬臂梁7。如图4所示，在等强度悬臂梁的自由端设置有永磁体9，在上下两面分别粘贴有光纤光栅传感器8。本申请中，在上部的水平的悬臂梁7的下表面设置有永磁体9，在下部的水平的悬臂梁7的上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光纤光栅风速风向传感器，包括薄壁圆筒(1)和封装体(3)，薄壁圆筒(1)与转轴(6)连接并通过转轴(6)设置在封装体(3)的上方，薄壁圆筒(1)的两端开口，在其一端设置有尾翼(2)，其特征在于，薄壁圆筒(1)的中间上部挖空，在此区域安装有第三等强度悬臂梁，在第三等强度悬臂梁上下表面的中轴线上分别对称粘贴光纤光栅传感器；/n所述光纤光栅风速风向传感器还包括设置在封装体内的方向凸轮(4)、圆柱凸轮(5)和推杆(10)，圆柱凸轮(5)的外表面从上到下设有螺旋状的连续凹槽(51)，推头(12)容纳在连续凹槽(51)中并可沿连续凹槽(51)滑动，所述推头(12)和所述推杆(10)通过连杆(13)连接，推杆(10)的上下表面分别设有第一磁体(101)和第二磁体(102)；/n封装体(3)内部一侧在上下部分分别连接一个水平的等强度悬臂梁，在上部的水平的等强度悬臂梁的下表面自由端和下部的水平的等强度悬臂梁的上表面自由端分别设置有永磁体(9)，在上部的水平的等强度悬臂梁和下部的水平的等强度悬臂梁的上下表面分别设有光纤光栅传感器；/n在封装体(3)的顶侧悬挂安装一个竖直的等强度悬臂梁，在该竖直的等强度悬臂梁的两面粘贴有光纤光栅传感器，所述方向凸轮(4)旋转时能够周期性地撞击所述竖直的等强度悬臂梁，使其产生应变。/n...

【技术特征摘要】
1.一种光纤光栅风速风向传感器，包括薄壁圆筒(1)和封装体(3)，薄壁圆筒(1)与转轴(6)连接并通过转轴(6)设置在封装体(3)的上方，薄壁圆筒(1)的两端开口，在其一端设置有尾翼(2)，其特征在于，薄壁圆筒(1)的中间上部挖空，在此区域安装有第三等强度悬臂梁，在第三等强度悬臂梁上下表面的中轴线上分别对称粘贴光纤光栅传感器；
所述光纤光栅风速风向传感器还包括设置在封装体内的方向凸轮(4)、圆柱凸轮(5)和推杆(10)，圆柱凸轮(5)的外表面从上到下设有螺旋状的连续凹槽(51)，推头(12)容纳在连续凹槽(51)中并可沿连续凹槽(51)滑动，所述推头(12)和所述推杆(10)通过连杆(13)连接，推杆(10)的上下表面分别设有第一磁体(101)和第二磁体(102)；
封装体(3)内部一侧在上下部分分别连接一个水平的等强度悬臂梁，在上部的水平的等强度悬臂梁的下表面自由端和下部的水平的等强度...

【专利技术属性】
技术研发人员：段君淼，刘辛宇，杨新妹，王焱楠，张浩，亢莹莹，朱义文，杨淑慧，李雅静，周彦旭，刘广逊，刘颖，钟志鑫，
申请(专利权)人：石家庄铁道大学，
类型：新型
国别省市：河北;13