本發(fā)明涉及基于光纖光柵傳感技術的風速檢測技術領域，尤其涉及一種光纖無源式風速測量裝置。
背景技術：
目前測量空氣流速的儀器廣泛應用于各領域，如電力、鋼鐵、石化、節(jié)能等行業(yè)，日常生活中，很多行業(yè)都需要用到風速監(jiān)測裝置，如風扇制造業(yè)、出海捕撈業(yè)、抽風排風供暖系統(tǒng)等等，都需要利用風速測量裝置進行風速、風溫、風量的測量。現(xiàn)有的風速測量裝置分為兩大類：有源測量裝置和無源測量裝置，如電子風杯式、熱線式、超聲波式、多普勒頻移式以及皮托管式均屬于有源測量；而光纖光柵接觸式測量風速。在有源測量裝置中較為常用的是電子式風速測量技術，其以電子信息處理技術為基礎的特點注定其將受到有源供電、易受電磁干擾、信號遠程傳輸不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸容量受限等因素的制約，限制了其應用環(huán)境的局限性，尤其是在一些強磁、強電環(huán)境下電子式風速測量設備的安全性和可靠性收到了極大的挑戰(zhàn)。
而光纖光柵傳感技術的出現(xiàn)，除突破了有源供電和強電、強磁等干擾因素的限制外，還具有靈敏度高、體積小、質量輕、成本低的優(yōu)點，并且具有本征自相干能力強和在一根光纖上利用復用技術實現(xiàn)多點復用、多參量分布式區(qū)分測量的獨特優(yōu)勢。雖然現(xiàn)有的光纖光柵傳感技術的無源在線風速監(jiān)測方法，能夠彌補現(xiàn)有電子式風速測量裝置傾角測量方法的不足，有利于計算機遠程監(jiān)測和多元化分析，但是現(xiàn)有的光纖光柵傳感技術的無源在線風速監(jiān)測裝置采用接觸式，長時間的接觸摩擦會造成風速監(jiān)測裝置的磨損與老化，影響裝置的正常工作；并且，現(xiàn)有的光纖光柵傳感技術的無源在線風速監(jiān)測裝置是通過獲取波長數(shù)據(jù)來測量風速的，而在風速的監(jiān)測過程中，光纖光柵應變傳感器周圍的溫度會產生變化，溫度的變化會影響光纖光柵應變傳感器，即對中心波長產生影響，從而不能保證風速測量的精確度和可靠性。
技術實現(xiàn)要素：
(一)要解決的技術問題
本發(fā)明提供一種光纖無源式風速測量裝置，用于解決現(xiàn)有光纖光柵風速測量裝置存在的磨損、老化的問題以及溫度的變化降低風速測量的精確度和可靠性的問題。
(二)技術方案
為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種光纖無源式風速測量裝置，包括固定底盤、風杯結構以及光纖光柵應變傳感器；所述固定底盤上設有能夠相對所述固定底盤轉動的中心轉軸，所述中心轉軸上連接有所述風杯結構和轉動圓盤，所述轉動圓盤上設有磁鐵；所述光纖光柵應變傳感器設置在懸臂梁的懸臂上，所述懸臂梁的自由端設有能夠與所述轉動圓盤的磁鐵在軸向方向上相對的磁鐵。
其中，所述中心轉軸通過軸承固定裝置設置在所述固定底盤上。
其中，所述中心轉軸貫穿所述固定底盤和所述軸承固定裝置，所述中心轉軸的一端與所述風杯結構連接，所述中心轉軸的另一端固定在所述轉動圓盤的中心區(qū)域。
其中，所述懸臂梁設置在所述固定底盤上。
其中，所述光纖光柵應變傳感器焊接在所述懸臂梁上。
其中，所述風杯結構為三杯式風杯結構。
其中，所述風杯結構的風杯為半圓式。
其中，所述風杯結構的材料為鋁。
其中，所述轉動圓盤的材料為鋁。
(三)有益效果
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明所提供的光纖無源式風速測量裝置具有如下有益效果：
1、本發(fā)明的光纖無源式風速測量裝置，采用在轉動圓盤和懸臂梁結構對應位置設置磁鐵的方法，利用非接觸的磁力作用將風速量化為一個周期性變化的應力。該設計一方面可以減少硬性連接裝置長期工作對裝置帶來的磨損，另一方面通過對應變頻率的檢測能夠消除溫度變化對測量結果的影響，極大的提高了風速測量的精確度和可靠性；
2、本發(fā)明的光纖無源式風速測量裝置，采用半圓式的風杯，該結構可以增大受風面積，增大受風力度，有效提高啟動風速；采用無磁的鋁材料制的轉動圓盤，避免磁性的干擾給裝置帶來的性能劣變；采用軸承固定中心轉軸的方式，可以消除中心轉軸與固定結構的摩擦，降低裝置的啟動風速，消除因摩擦給裝置零部件帶來的損害，從而改善裝置的性能，保證裝置的靈活性和實用性。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實施例提供的光纖無源式風速測量裝置的結構示意圖；
圖中，1：風杯結構；2：軸承固定結構；3：中心轉軸；4：底盤；5：轉動圓盤；6：磁鐵；7：懸臂梁；8：光纖光柵應變傳感器。
具體實施方式
為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關附圖對本發(fā)明進行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳實施方式。以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內。
除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬于本發(fā)明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施方式的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術語“及/或”包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。
本發(fā)明提供一種光纖無源式風速測量裝置，用于解決現(xiàn)有光纖光柵風速測量裝置存在的磨損、老化的問題，避免溫度的變化對降低風速測量的精確度和可靠性的影響。
如圖1所示，本發(fā)明實施例中提供一種光纖無源式風速測量裝置，包括固定底盤4、風杯結構1以及光纖光柵應變傳感器8；固定底盤4上設有能夠相對固定底盤4轉動的中心轉軸3，中心轉軸3上連接有風杯結構1和轉動圓盤5，轉動圓盤5上設有磁鐵；光纖光柵應變傳感器8設置在懸臂梁7的懸臂上，懸臂梁7的自由端設有能夠與轉動圓盤5的磁鐵在軸向方向上相對的磁鐵。在風吹動風杯結構1帶動中心轉軸3轉動時，與中心轉軸3固定連接的轉動圓盤5也隨之轉動，設置在轉動圓盤5上的磁鐵與懸臂梁7自由端的磁鐵能夠在某一時刻在軸向方向相互對應從而相互作用，產生非接觸的磁力作用，懸臂梁7上的光纖光柵應變傳感器8受到力的作用，從而改變光纖光柵的中心波長，在風帶動轉動圓盤5轉動過程中，通過檢測單位時間內應變波形的峰值的數(shù)量即可得到應變頻率，再根據(jù)應變和風速之間的關系推導出實時風速。
本發(fā)明采用在轉動圓盤5和懸臂梁7上的對應位置設置磁鐵，能夠利用非接觸的磁力作用巧妙的將風速量化為一個周期性變化的應力。通過檢測應力變化的頻率(單位時間內應變波形的峰值的數(shù)量)測得最終實時風速，該設計一方面能夠減少硬性連接裝置長時間工作對裝置帶來的磨損，另一方面通過對應變頻率的檢測消除了溫度變化對測量結果的影響，能夠提高風速測量的精確度和可靠性。
可以理解的是，本實施例中的光纖光柵應變傳感器8為光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating簡稱FBG)應變傳感器。本發(fā)明利用的光纖光柵應變傳感器具有可實現(xiàn)無源化操作、可抗強電和強磁干擾、體積小、質量輕、抗腐蝕和耐高溫等特點。
本實施例中，中心轉軸3通過軸承固定裝置2設置在固定底盤4上。中心轉軸3貫穿固定底盤4和軸承固定裝置2，軸承固定裝置2連接在固定底盤4的底部，由此中心轉軸3可通過軸承固定裝置2設置在固定底盤4上。該采用軸承固定中心轉軸3的方式，能夠消除中心轉軸3與固定結構的摩擦，極大的降低裝置的啟動風速，而且能夠消除因摩擦給裝置零部件帶來的損害，從而改善裝置的性能，保證裝置的靈活性和實用性。
本實施例中，中心轉軸3的底端與風杯結構1連接，中心轉軸3的頂端固定在轉動圓盤5的中心區(qū)域。轉動圓盤的底部設置磁鐵，懸臂梁7設置在固定底盤4的靠近邊緣處，懸臂梁7自由端的上方設置磁鐵，并使得兩處的磁鐵能夠與在軸向方向上相對應。
本實施例中，懸臂梁7的懸臂的上表面焊接有光纖光柵應變傳感器8，轉動過程中，懸臂梁7自由端的磁鐵與轉動圓盤5底部的磁鐵能夠對齊，從而使得兩處的磁鐵相互作用，為了產生較明顯的磁力作用，兩處磁鐵對齊時應保持一定的距離，即轉動圓盤與固定底盤在軸向方向上需要保持一定的距離，以保證足夠的磁力作用，懸臂梁7上的磁鐵受到轉盤上磁鐵磁力的作用，帶動懸臂梁自由端的形變，懸臂梁自由端的變化會帶動光纖光柵中心波長的漂移，轉動圓盤每轉動一次，光纖光柵的中心波長就會產生一個周期的漂移。
可以理解的是，風杯結構1為多杯式風杯結構，本實施例中，風杯結構1采用三杯式風杯結構。
本實施例中，風杯結構1的風杯為半圓式，此結構可以增大受風面積，增加受風力度，有效的提高啟動風速。
本實施例中，風杯結構1的材料為鋁，由于鋁材料輕質、不生銹，則采用鋁制的風杯結構既可以避免風杯長期暴漏在外面生銹的問題，還可以增加風杯轉動的靈活性。
本實施例中，轉動圓盤5的材料為鋁，鋁質輕，且沒有磁性，在轉動的過程中會更加靈活且不受下方固定在懸臂梁末端的磁鐵的影響，避免了磁性的干擾給裝置帶來的性能劣變。
本發(fā)明提供的光纖無源式風速測量裝置的具體實施原理及工作方式如下所述：
當該光纖無源式風速測量裝置所處環(huán)境有風時，在風的作用下，使得風杯轉動，風杯通過中心轉軸3帶動轉動圓盤5以風杯的轉速轉動。懸臂梁7自由端和轉動圓盤5的底面鑲有固定的磁鐵，當轉動圓盤5底面的磁鐵和懸臂梁7自由端的磁鐵轉到剛好在軸向方向相對時，兩磁鐵相互作用，使得懸臂梁7的懸臂發(fā)生形變，在懸臂梁7上的光纖光柵受到力的作用，中心波長產生漂移，經(jīng)解調儀采集信息，將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，以備程序處理。風杯每轉動一圈就會發(fā)生一次應變過程。風速越大，風杯轉動的速率就越大，即轉速就越高，單位時間內光纖光柵應變的次數(shù)就會越多，也即光纖光柵受拉伸或壓縮應變的頻率就越高，通過監(jiān)測單位時間內光纖光柵應變頻率，就可計算出實時風速大小。
兩磁鐵之間在軸向方向相對時，所產生的相互作用力可以是排斥力，也可以是吸引力，這兩種作用力均可以使得中心波長產生偏移，能夠實現(xiàn)應變頻率的檢測。
當懸臂梁7與轉動圓盤5軸向距離使得兩磁鐵產生排斥作用時，懸臂梁上表面向下發(fā)生變形，產生拉伸的形變，安裝在懸臂梁7上表面的光纖光柵受到拉伸的力作用，光纖光柵的中心波長往大偏移，經(jīng)解調儀采集信息，將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，以備程序處理。
當懸臂梁7與轉動圓盤5軸向距離使得兩磁鐵產生吸引作用時，懸臂梁上表面向上發(fā)生變形，產生壓縮的形變，安裝在懸臂梁7上表面的光纖光柵受到壓縮的力作用，光纖光柵的中心波長往小偏移，經(jīng)解調儀采集信息，將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，以備程序處理。
本發(fā)明基于光纖光柵傳感器的無源在線風速監(jiān)測裝置，巧妙的將風杯所受的來自風的力轉換為應變懸臂梁末端受到的非接觸的磁力作用，引起裝有光纖光柵應變傳感器的懸臂梁應變，從而獲得相應的數(shù)據(jù)信息。這種設計即減小了裝置之間由于摩擦帶來的裝置損壞，又克服了溫度的變化對中心波長的影響，使結果更加準確可靠。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。