本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及了一種基于光纖光柵的風(fēng)速傳感裝置及風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

風(fēng)速風(fēng)向的監(jiān)測，在氣象預(yù)報、電力系統(tǒng)、航空航海和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。目前，此類傳感器主要包括：機械式(風(fēng)杯式)、電子式(熱線式、超聲波式、多普勒平移式)及皮托管式。在實際應(yīng)用過程中各自存在以下問題：機械式易磨損和受慣性影響，測量的精度和時效不好；電子式的在惡劣的電磁環(huán)境下，傳感器易受到電磁干擾；而皮托管只能測風(fēng)速，無法監(jiān)測風(fēng)向。同時，現(xiàn)有的風(fēng)速傳感器均以無線方式傳送給控制中心，在很多工程現(xiàn)場，環(huán)境惡劣，無線信號不穩(wěn)定，會導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)無法傳回。

光纖作為一種光信號的載體，能夠在惡劣條件下工作，對電磁干擾免疫，同時易于組網(wǎng)，便于實現(xiàn)控制中心與各個傳感點之間的通信。因此光纖型的風(fēng)速風(fēng)向傳感器，有望解決目前傳感器所面臨的問題。與本發(fā)明接近的是“輸電線路浮冰監(jiān)測用光纖布拉格光柵風(fēng)速傳感器及系統(tǒng)”申請公開號CN102175888A。其采用平面受壓板設(shè)計，通過直線軸承和焊有光纖光柵的懸臂梁相連，并通過四個傳感器正交放置的方式進行風(fēng)速和風(fēng)向的測量。此發(fā)明提出了一種便于實時遠程監(jiān)控的風(fēng)速風(fēng)向測量手段，但由于其會受軸承摩擦力的影響，易產(chǎn)生較大的遲滯，野外環(huán)境還存在卡滯的隱患；同時，四個傳感器同一水平面正交放置也會產(chǎn)生遮擋，出現(xiàn)尾流干擾，影響測量精度和靈敏度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

1、本發(fā)明的目的。

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中風(fēng)速傳感裝置過于復(fù)雜，存在干擾的問題，而提出了一種適用于多種環(huán)境下成本較低的基于光纖光柵的風(fēng)速傳感裝置及風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測系統(tǒng)。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案。

基于光纖光柵的風(fēng)速傳感裝置，包括風(fēng)能傳遞機構(gòu)、等強度懸臂梁和封裝外殼；風(fēng)能傳遞機構(gòu)由迎風(fēng)受壓板和連接桿組成，連接桿垂直于迎風(fēng)受壓板，一端固定在連接桿的圓心，另一端固定在等強度懸臂梁的頂端。為了能夠降低風(fēng)能傳遞機構(gòu)與封裝外殼部件之間的摩擦力對風(fēng)速和風(fēng)向的干擾，封裝外殼的頂端設(shè)有開口，封裝外殼內(nèi)的底部固定懸臂梁安裝底座；等強度懸臂梁伸入封裝外殼的頂端開口后，可拆卸式固定在懸臂梁安裝底座上，通過可拆卸是的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以實現(xiàn)不同環(huán)境下更換不同材料的等強度懸臂梁及風(fēng)能傳遞機構(gòu)；迎風(fēng)受壓板板面與等強度懸梁臂板面平行設(shè)置；等強度懸梁臂的正反兩面軸線位置分別貼有一支光纖光柵。

為了能夠通過光纖光柵的形變測算風(fēng)向風(fēng)速，所述的光纖光柵為光纖布拉格光柵(FBG)，風(fēng)速傳感裝置的迎風(fēng)受壓板受風(fēng)壓作用推動等強度梁發(fā)生彎曲形變，兩面所焊接的光纖光柵被分別受到拉伸和壓縮應(yīng)變ε，所探測的反射波長變化與風(fēng)速的關(guān)系：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}=\frac{12{\mathrm{\ρSlS}}_{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{Bh}}^{2}E}{v}^2$

其中λ_B為光纖布拉格光柵反射中心波長，ρ為空氣密度，S為迎風(fēng)受壓板面積，l為等強度梁長度，B為等強度懸臂梁固定寬度，h為等強度梁厚度，E為等強度梁所用材料楊氏模量；通過測量兩個光柵的反射波長相對漂移，即可以得到風(fēng)場風(fēng)速信息；由于兩個光柵位于同一溫度場，相對漂移的處理也避免了溫度變化對風(fēng)速探測的影響，即溫度自補償。

為了提高風(fēng)向風(fēng)速的監(jiān)測靈敏度，所述迎風(fēng)受壓板為圓形。

為了傳遞光纖光柵的信號，所述的光纖光柵的尾纖通過設(shè)置在封裝外殼上的光纖適配器與外部解調(diào)系統(tǒng)相連。

為保證光纖光柵受力均勻，等強度懸梁臂為等腰三角形的形狀。

為了防止灰塵、雨水等雜質(zhì)進入封裝殼體，還包括防塵罩，覆蓋封裝外殼的上部，由輕薄金屬構(gòu)成。

更進一步，所述的防塵罩由輕薄金屬構(gòu)成。

還包括自加熱裝置，安裝在封裝外殼的內(nèi)壁上，當(dāng)外界溫度過低，為防止冰凍造成傳感器失靈，自加熱裝會自動給裝置加熱，保證其正常工作。

更進一步具體實施例中，自加熱裝置，安裝在封裝外殼的內(nèi)壁上端，與封裝外殼開口接近，可以降低外界溫度對本裝置的影響。

本發(fā)明還提出了一種風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測系統(tǒng)，包括兩個所述的風(fēng)速傳感裝置正交放置，測得的數(shù)據(jù)傳輸至遠程終端。正交放置的風(fēng)速傳感裝置分別測量風(fēng)速在兩個垂直方向上的投影分量，最后通過幾何合成計算，可以得到風(fēng)向信息。

還包括波長解調(diào)裝置，兩個所述的正交放置的風(fēng)速傳感裝置通過光纖跳線與波長解調(diào)設(shè)備相連，波長解調(diào)設(shè)備將光纖光柵反射波長的變化轉(zhuǎn)換為光信號強度的變化，并將強度信號的變化傳給遠程監(jiān)控計算機，再根據(jù)相應(yīng)模型計算得到風(fēng)速風(fēng)向信息，最終，風(fēng)速和風(fēng)向信息可傳給終端計算機進行實時的顯示與記錄。

3、本發(fā)明的有益效果。

(1)、本發(fā)明提出的風(fēng)速傳感裝置，其風(fēng)能傳遞機構(gòu)和封裝外殼的設(shè)置，可以將測量的風(fēng)速信息無干擾地傳送至等強度懸梁臂，而背景中的現(xiàn)有技術(shù)中采用的直線軸承和中心軸的配合，本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)解決了直線軸承和中心軸之間摩擦力干擾、中心軸與直線軸承在運動過程中的卡滯的問題。

(2)、本發(fā)明提出的風(fēng)速傳感裝置，其底部采用可拆卸的方式，便于更換等強度懸梁臂，使其適應(yīng)不同的環(huán)境。

(3)、本發(fā)明提出的風(fēng)速傳感裝置，其附帶的防塵罩和自加熱裝置，降低了外界環(huán)境對本裝置監(jiān)測的干擾。

(4)、本發(fā)明提出的風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測系統(tǒng)，其風(fēng)速風(fēng)向解調(diào)方法是基于相對波長漂移監(jiān)測結(jié)合正交傳感器放置，通過兩個光柵反射波長差值來解調(diào)風(fēng)速信息，避免了溫度引起的交叉敏感問題，實現(xiàn)了溫度自補償。

(5)本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、抗電磁干擾等特點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種基于光纖光柵的風(fēng)速傳感裝置的正視圖；

圖2是本發(fā)明的一種基于光纖光柵的風(fēng)速傳感裝置的左視圖。

圖中1-迎風(fēng)受壓板；2-防塵罩；3-封裝外殼；4-光纖適配端口；5-等強度懸臂梁；6-自加熱裝置；7-光纖光柵和8-懸臂梁安裝底座。

圖3是基于圖2所制備的風(fēng)速傳感器樣品的風(fēng)速測量結(jié)果：兩個FBG反射波長漂移量隨風(fēng)速的變化關(guān)系圖。

圖4是基于圖2所制備的風(fēng)速傳感器樣品的風(fēng)速測量結(jié)果：兩個FBG反射波長差隨風(fēng)速的變化關(guān)系圖。

圖5是本發(fā)明提出的風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

實施例1

本發(fā)明涉及基于光纖光柵的風(fēng)速傳感裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1和圖2所示。風(fēng)速傳感裝置包括：圓形迎風(fēng)受壓板1、等強度懸臂梁5、防塵罩2、光纖光柵7、光纖適配器4、自加熱裝置6和封裝殼體3。所述迎風(fēng)受壓板1通過連接桿9與等強度懸臂梁5頂端焊接；等強度懸臂梁5固定于封裝外殼3的底座，且其正反表面中心軸位置各焊有一支光纖布拉格光柵，均位于如850nm波段，為保證光纖光柵受力均勻，等強度梁5在有效受力范圍內(nèi)被設(shè)計成等腰三角形的形狀。光柵尾纖通過傳感裝置封裝外殼3上的光纖適配器4，與外部通訊光纖相連或通過無線傳輸?shù)椒?wù)器；為了提高傳感器的環(huán)境適應(yīng)能力，還包括防塵罩2和自加熱裝置6。防塵罩2由輕薄的金屬做成，焊接在等強度懸臂梁5上，防止灰塵、雨水等雜質(zhì)進入封裝殼體3內(nèi)。自加熱裝置6依附于封裝外殼3內(nèi)，當(dāng)外界溫度過低，為防止冰凍造成傳感器失靈，自加熱裝置6會自動給裝置加熱，保證其正常工作。

所述的等強度懸臂梁5，可根據(jù)實際風(fēng)速測量范圍選用不同楊氏模量的材料，如碳纖維板或鈹青銅等；同時所設(shè)計懸臂梁也是可拆裝式的，便于根據(jù)具體的測量要求更換相應(yīng)懸臂梁。

當(dāng)傳感器放在風(fēng)場中，迎風(fēng)受壓板受風(fēng)壓作用推動等強度梁發(fā)生彎曲形變，梁上下兩面所焊接的光纖光柵被分別受到拉伸應(yīng)變ε和壓縮應(yīng)變ε。兩者位于同一溫度場中，且光柵的應(yīng)變靈敏度為S_ε，則引起的反射波長變化可以表示為：

Δλ＝Δλ₁-Δλ₂＝εS_ελ_B-(-ε)S_ελ_B＝2εS_ελ_B (1)

其中λ_B為光纖布拉格光柵反射中心波長。

對于等強度梁，由風(fēng)壓產(chǎn)生的應(yīng)變ε可以表示為

$\mathrm{\ϵ}=\frac{6\mathrm{\ρ}Sl}{{\mathrm{Bh}}^{2}E}{v}^2---\left(2\right)$

其中ρ為空氣密度，S為迎風(fēng)受壓板面積，l為等強度梁長度，B為等強度懸臂梁固定寬度，h為等強度梁厚度，E為等強度梁所用材料楊氏模量。由1，2兩式可以得到，所探測的反射波長變化與風(fēng)速的關(guān)系，

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}=\frac{12{\mathrm{\ρSlS}}_{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{Bh}}^{2}E}{v}^2---\left(3\right)$

則通過測量兩個光柵的反射波長相對漂移，即可以得到風(fēng)場風(fēng)速信息。還需說明的是，由于兩個光柵位于同一溫度場，相對漂移的處理也避免了溫度變化對風(fēng)速探測的影響，即溫度自補償。

對某一風(fēng)速儀品進行風(fēng)速響應(yīng)測試。樣品具體材料和參數(shù)如下：懸臂梁材料為鈹青銅，厚度為1.5mm，長度為100mm；等強度梁上下寬度跟別為5mm和10mm；上下兩面所貼FBG的初始波長分別為850.56nm和850.30nm。迎風(fēng)受壓板為3D打印制備，ABS材料。在風(fēng)洞中進行靜態(tài)風(fēng)速測量，兩個FBG的反射波長隨風(fēng)速變化如圖3所示。圖中上表面的FBG(FBG_1)由于懸臂梁彎曲時的拉伸，使得其反射波長往長波方向漂移；類似的，下表面的FBG(FBG_2)由于懸臂梁彎曲時的壓縮，使得其反射波長往短波方向漂移。兩者的波長差作為標定風(fēng)速的參量，其變化趨勢如圖4所示。隨著風(fēng)速的增加，兩個FBG的反射波長差增大，可用二次多項式的形式表示為：Δλ＝1.73×10^-3v²+4.57×10^-3v+0.227，符合公式(3)中的二次項關(guān)系。

實施例2

圖5是基于本風(fēng)速傳感裝置所提出的風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測系統(tǒng)實例圖，包括2個上述光纖光柵風(fēng)速傳感器、光纖跳線、波長解調(diào)設(shè)備以及遠程控制計算機四部分。2個光纖光柵風(fēng)速傳感器正交放置，分別測量風(fēng)速在兩個垂直方向上的投影分量，最后通過幾何合成計算，可以得到風(fēng)向信息。兩個傳感器的探測信號通過光纖跳線發(fā)送給遠端的波長解調(diào)裝置。本發(fā)明中為了降低成本，簡化系統(tǒng)，將把光纖布拉格光柵的波長信息轉(zhuǎn)換為光信號強度進行解調(diào)，再根據(jù)相應(yīng)模型計算得到風(fēng)速風(fēng)向信息。最終，風(fēng)速和風(fēng)向信息會傳給終端計算機進行實時的顯示與記錄。