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CN107505477B - 一种三维光纤布拉格光栅风速风向传感器及系统 - Google Patents

一种三维光纤布拉格光栅风速风向传感器及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种三维光纤布拉格光栅风速风向传感器及系统，传感器包括基座和安装在基座上的三组传感装置，三组传感装置按空间直角坐标系布置在基座的三个面上；系统包括：三维光纤布拉格光栅风速风向传感器、光纤耦合器、波长解调装置、宽带光源、模块运算设备，三维光纤布拉格光栅风速风向传感器通过光纤与光纤耦合器连接，光纤耦合器分别与宽带光源和波长解调装置连接，波长解调装置与模块运算设备连接。本发明采用无转动结构，并设独立的温度补偿光栅，具有体积小、结构简单、测量精度高、稳定性好特点，此外，传感器可同时测量风速和风向，通过布置多个传感器可形成测量网络，实现多点测量，而且还可与基于光纤光栅技术的设备实现无缝接入。

Description

一种三维光纤布拉格光栅风速风向传感器及系统
技术领域：
本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种三维光纤布拉格光栅风速风向传感器及系统。
背景技术：
目前测量风速风向的传感器有很多种，如皮托管风速传感器、热线热膜风速风向传感器、超声波风速风向传感器以及传统的机械式传感器风速风向传感器等。但是目前风速风向测量设备在稳定性、准确性、响应性、耐腐蚀、抗电磁干扰及远程检测上存在着一定的不足之处，例如：华北电力大学的李成榕、马国明采用机械补偿法研制出“输电线路覆冰监测用光纤布拉格光栅风速传感器及系统”申请号：201010621828.0，公开号：CN102175888A，由于其受环境温度影响造成传感器测量误差较大，误差值可达到5pm；2012年王昌等人发表的论文《应用于风力发电的全光纤风速传感器及其传感网研究》中，其将光纤布拉格光栅粘贴在压紧偏心凸轮的弹性臂上，通过光纤布拉格光栅波长的变化频率求出对应的风速值，这种方法虽然可消除温度带来的影响，但在低风速下传感器同样存在测量误差。
发明内容：
本发明为克服上述缺陷，提供了一种受环境温度影响小、结构简单、布设方便、精度高、长期稳定的三维光纤布拉格光栅风速风向传感器及系统。
本发明采用的技术方案在于：一种三维光纤布拉格光栅风速风向传感器，包括基座和安装在基座上的三组传感装置，所述三组传感装置按空间直角坐标系布置在基座的三个面上，每组传感装置包括光纤、迎风挡板、等强度弹性梁，所述光纤嵌在等强度弹性梁中心线上，在光纤上刻有光纤布拉格光栅；所述迎风挡板内设有空心金属管；等强度弹性梁一端与迎风挡板连接，且光纤的端部探入空心金属管内部，等强度弹性梁另一端垂直固定在基座上。
优选地，所述光纤布拉格光栅为间隔设置的2段，其中一段位于空心金属管内部，另一段位于等强度弹性梁内。
优选地，所述等强度弹性梁采用恒弹性合金材料制成。
优选地，所述等强度弹性梁的纵截面为梯形。
优选地，所述等强度弹性梁为双层复合结构。
优选地，所述等强度弹性梁的厚度为0.5-1.5毫米。
优选地，所述迎风挡板的厚度大于等强度弹性梁的厚度。
优选地，空心金属管的横截面形状为圆形、方形或椭圆形。
一种三维光纤布拉格光栅风速风向传感系统，包括三维光纤布拉格光栅风速风向传感器、光纤耦合器、波长解调装置、宽带光源、模块运算设备，所述三维光纤布拉格光栅风速风向传感器通过光纤与光纤耦合器连接，光纤耦合器分别与宽带光源和波长解调装置连接，所述波长解调装置与模块运算设备连接。
优选地，所述模块运算设备包括信息处理模块和输出接口，其中：所述信息处理模块包括风速模型单元、温度补偿单元和风向模型单元；所述风速模型单元，用来储存风速模型信息，根据波长解调装置输出信号寻找到与之匹配的瞬时风速；所述温度补偿单元，用来储存温度补偿模型，根据波长解调装置输出信号寻找到与之匹配的差值；所述风向模型单元，用来储存风向模型信息，根据波长解调装置中三个相互正交放置的每组传感装置相互独立的输出信号合成三维风向。
本发明的有益效果是：本发明设计的传感器无转动结构，具有体积小、结构简单的特点；通过设立独立的温度补偿光栅，可将环境温度对传感器的影响降至1pm，将风速测量值精确到0.2m/s，具有测量精度高、稳定性好特点，而且温度补偿光栅还可作为一个高精度的温度传感器来使用；通过光纤进行信号传输，保证了数据传输过程的可靠性。此外，传感器可同时测量风速和风向，通过布置多个传感器可形成传感器测量网络，实现多点测量，还可与基于光纤光栅技术的设备实现无缝接入。
附图说明：
图1为一种三维光纤布拉格光栅风速风向传感器的结构示意图；
图2为图1中单组传感装置的结构示意图；
图3为一种三维光纤布拉格光栅风速风向传感系统的结构示意图；
图4为图3中模块运算设备的结构框图；
其中：1传感装置、2光纤耦合器、3波长解调装置、4宽带光源、5模块运算设备、6迎风挡板、7空心金属管、8.1温度光纤布拉格光栅、8.2应变光纤布拉格光栅、9等强度弹性梁、10光纤安装槽。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图3所示，本发明的一种三维光纤布拉格光栅风速风向传感系统，包括三维光纤布拉格光栅风速风向传感器、光纤耦合器2、波长解调装置3、宽带光源4、模块运算设备5，所述三维光纤布拉格光栅风速风向传感器通过光纤与光纤耦合器2连接，光纤耦合器2分别与宽带光源4和波长解调装置3连接，所述波长解调装置3与模块运算设备5连接。
如图1所示，所述三维光纤布拉格光栅风速风向传感器，包括基座和安装在基座上的三组传感装置1，所述三组传感装置1按空间直角坐标系布置在基座的三个面上，三组传感装置1朝向三个不同的方向，将所测量的三个方向的风速进行合成计算获得风速及风向信息。如图2所示，每组传感装置1包括光纤、迎风挡板6、等强度弹性梁9，每组传感装置1上的等强度弹性梁9一端垂直固定在基座表面上，另一端通过插槽与迎风挡板6水平连接，使迎风挡板6与等强度弹性梁9处于同一个平面。本设计以迎风挡板6和等强度弹性梁9组合作为弹性元件，以刻在光纤上的光纤布拉格光栅作为敏感元件。所述迎风挡板6为中空圆板，在迎风挡板6内嵌有同心的空心金属管7，所述空心金属管7的横截面形状可以是圆形、方形或椭圆形，三组传感装置1中每个空心金属管7的空心朝向三个不同的方向，空心金属管7的朝向与所属传感装置1的朝向相同。所述光纤嵌在等强度弹性梁9中心线上，在光纤上刻有光纤布拉格光栅；等强度弹性梁9一端与迎风挡板6连接，且光纤的端部探入空心金属管7内部，等强度弹性梁9另一端垂直固定在基座上。
所述等强度弹性梁9采用恒弹性合金材料制成，该材料在一定温度范围内弹性模量几乎不随温度变化，具有屈服强度大，弹性形变范围大，弹性滞后小，耐腐蚀等优点。但过薄过窄的恒弹性合金在不受力的情况下也会发生变形，因此本发明中等强度弹性梁9的纵向截面采用梯形结构，厚度选用0.5-1.5毫米，而且迎风挡板厚度必须大于等强度弹性梁9厚度，从而才保证应力应变集中在等强度弹性梁9上。在等强度弹性梁9内设有光纤安装槽10，所述光纤安装槽10位于等强度弹性梁9的中心线上，光纤嵌在光纤安装槽10内，为保护光纤安装槽10中裸露的光纤，等强度弹性梁9采用双层复合结构，其中：位于上层的恒弹合金材料厚度要薄于下层的恒弹合金材料的厚度，再通过金属焊接工艺，将同一大小、薄厚不同的2片恒弹合金焊接在一起，以保证二者在受力形变后不产生相对位移。
嵌于光纤安装槽10内的光纤一端为自由端，该自由端其从等强度弹性梁9顶部的光纤安装槽10内伸出探入空心金属管7内部，其自由端的端部位于空心金属管7中间的空心处。在光纤上刻有光纤布拉格光栅，所述光纤布拉格光栅为2段，分别为温度光纤布拉格光栅8.1和应变光纤布拉格光栅8.2，2段光纤布拉格光栅间隔设置，其中温度光纤布拉格光栅8.1位于光纤自由端的端部，温度光纤布拉格光栅8.1一端被固定在空心金属管7的内壁上，另一端为自由端；应变光纤布拉格光栅8.2与光纤一起被嵌入等强度弹性梁9的光纤安装槽10内，应变光纤布拉格光栅8.2的两端用环氧树脂胶固定。
每组传感装置1分别通过光纤与光纤耦合器2连接，所述光纤耦合器2可采用3db耦合器，也可采用其他型号具有等同功效的耦合器，所述光纤耦合器2分别与宽带光源4和波长解调装置3连接，所述波长调节装置3可采用GM8050光纤光栅解调仪，也可采用其他型号具有等同功效的光纤光栅解调仪，所述波长解调装置3与模块运算设备5连接。
如图4所示，所述模块运算设备5包括信息处理模块和输出接口，其中：所述信息处理模块包括风速模型单元、温度补偿单元和风向模型单元；所述风速模型单元，用来储存风速模型信息，根据波长解调装置3输出信号寻找到与之匹配的瞬时风速；所述温度补偿单元，用来储存温度补偿模型，根据波长解调装置3输出信号寻找到与之匹配的差值；所述风向模型单元，用来储存风向模型信息，根据波长解调装置3中三个相互正交放置的每组传感装置1相互独立的输出信号合成三维风向；模块运算设备5的输出接口可与相关设备连接。
为了消除环境温度对传感器波长的影响，本发明设计了温度光纤布拉格光栅8.1和应变光纤布拉格光栅8.2两段布拉格光栅，从而可以得到精确的温度补偿，具体计算实现方式如下：
Δλ1＝[(1-pe)X+(ξ+α)ΔT]λ1
Δλ2＝[(ξ+α)ΔT]λ2
其中：Δλ1为应变布拉格光栅中心波长变化量、Δλ2为温度布拉格光栅中心波长变化量、λ1为应变布拉格光栅波长、λ2为温度布拉格光栅波长、X为轴向应变、ΔT为温差、pe为有效弹光系数、ξ为光纤的热光系数、α为热膨胀系数。
应变布拉格光栅中心波长变化受到应变与温度的共同影响，其中应变布拉格光栅中心波长变化量为应变与温度影响之和，而温度布拉格光栅中波长的变化只与温度有关，所以通过温度布拉格光栅确定温度，再由上述公式得到应变，经过运算模块计算出风速值。因而，本发明还可实现对环境温度的测量，其对环境温度的测量精度小于0.1℃。
当风吹到迎风挡板6上时，在风速的作用下等强度弹性梁9将发生弯曲，同时带动等强度弹性梁9内部的应变光纤布拉格光栅8.2产生应变，施加的应变将改变布拉格光栅的周期及其折射率，使其反射波长产生一定的漂移量；而位于空心金属管7中间的温度光纤布拉格光栅8.1，由于收到空心金属管7的制约，从而仅反馈温度变化所产生的波长漂移量；宽带光源4发出的宽谱光经过光纤耦合器2和光纤传输到温度光纤布拉格光栅8.1和应变光纤布拉格光栅8.2,其中分别满足温度光纤布拉格光栅8.1和应变光纤布拉格光栅8.2条件的窄带光谱将被反射回来，被反射回来的窄带光谱，再经过光纤传输到达波长解调装置3，波长解调装置3解调出两段布拉格光栅中心波长，然后传输给模块运算设备5，模块运算设备5对两段布拉格光栅布拉格波长进行处理，从而除去应变与温度的交叉影响，经过信息处理模块处理，产生瞬时三维风速，再经模块运算设备5的输出接口将相关信息输出并显示在监控计算机上。
本发明所提供的三维光纤布拉格光栅风速风向传感器，通过每组传感装置1中每个等强度弹性梁9内部的光纤布拉格光栅的信号变化实现对风速风向的测量，并通过光纤进行信号传输，实现了室外设备的无源化，并且在数据的传输过程中不易受到外界信号干扰，具有很高的可靠性。此外，本发明提供的三维光纤布拉格光栅风速风向传感系统，可同时将多个三维光纤布拉格光栅风速风向传感器布置于不同的风速风向监测点，就得到较大范围内的风速风向信息。
本发明中所涉及的光纤耦合器2、波长调节装置3、宽带光源4、模块运算设备5均为现有技术，本领域的技术人员可以根据其使用功能自行选择，在此不再赘述。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种三维光纤布拉格光栅风速风向传感器，其特征在于：包括基座和安装在基座上的三组传感装置(1)，所述三组传感装置(1)按空间直角坐标系布置在基座的三个面上，每组传感装置(1)包括光纤、迎风挡板(6)、等强度弹性梁(9)，所述光纤嵌在等强度弹性梁(9)中心线上，在光纤上刻有光纤布拉格光栅，所述光纤布拉格光栅为间隔设置的二段，分别为温度光纤布拉格光栅(8.1)和应变光纤布拉格光栅(8.2)；所述迎风挡板(6)内设有空心金属管(7)；等强度弹性梁(9)一端与迎风挡板(6)连接，且光纤的端部探入空心金属管(7)内部，等强度弹性梁(9)另一端垂直固定在基座上，所述光纤布拉格光栅中的温度光纤布拉格光栅(8.1)位于空心金属管(7)内部，另一段应变光纤布拉格光栅(8.2)与光纤一起被嵌入等强度弹性梁(9)的光纤安装槽(10)内。
2.根据权利要求1所述的一种三维光纤布拉格光栅风速风向传感器，其特征在于：所述等强度弹性梁(9)采用恒弹性合金材料制成。
3.根据权利要求2所述的一种三维光纤布拉格光栅风速风向传感器，其特征在于：所述等强度弹性梁(9)的纵截面为梯形。
4.根据权利要求2所述的一种三维光纤布拉格光栅风速风向传感器，其特征在于：所述等强度弹性梁(9)为双层复合结构。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种三维光纤布拉格光栅风速风向传感器，其特征在于：所述等强度弹性梁(9)的厚度为0.5-1.5毫米。
6.根据权利要求5所述的一种三维光纤布拉格光栅风速风向传感器，其特征在于：所述迎风挡板(6)的厚度大于等强度弹性梁(9)的厚度。
7.根据权利要求6所述的一种三维光纤布拉格光栅风速风向传感器，其特征在于：空心金属管(7)的横截面形状为圆形、方形或椭圆形。
8.基于权利要求1所述的一种三维光纤布拉格光栅风速风向传感器的传感系统，其特征在于：包括三维光纤布拉格光栅风速风向传感器、光纤耦合器(2)、波长解调装置(3)、宽带光源(4)、模块运算设备(5)，所述三维光纤布拉格光栅风速风向传感器通过光纤与光纤耦合器(2)连接，光纤耦合器(2)分别与宽带光源(4)和波长解调装置(3)连接，所述波长解调装置(3)与模块运算设备(5)连接。
9.根据权利要求8所述的传感系统，其特征在于：所述模块运算设备(5)包括信息处理模块和输出接口，其中：所述信息处理模块包括风速模型单元、温度补偿单元和风向模型单元；所述风速模型单元，用来储存风速模型信息，根据波长解调装置(3)输出信号寻找到与之匹配的瞬时风速；所述温度补偿单元，用来储存温度补偿模型，根据波长解调装置(3)输出信号寻找到与之匹配的差值；所述风向模型单元，用来储存风向模型信息，根据波长解调装置(3)中三个相互正交放置的每组传感装置(1)相互独立的输出信号合成三维风向。
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