CN103675330A - 一种光纤Bragg光栅动态风速风向仪及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光纤Bragg光栅动态风速风向仪及其使用方法,属于光电子测量器件技术领域。本发明包括叶轮、叶轮转轴、转速凸轮、风向标转轴、尾翼、轴承、紧固螺丝、方向凸轮、光纤Bragg光栅、等强度悬臂梁、底座、角度凸轮;叶轮与叶轮转轴连接,叶轮转轴上设置转速凸轮,叶轮转轴一侧设置等强度悬臂梁,等强度悬臂梁通过紧固螺丝与风向标转轴固定连接,风向标转轴通过轴承与底座连接,风向标转轴上设置有方向凸轮和角度凸轮,风向标转轴两侧设置有等强度悬臂梁,等强度悬臂梁固定在底座上,光纤Bragg光栅粘贴在等强度悬臂梁表面中心轴线上。本发明能利用光纤Bragg光栅作为传感元件,实现对风速风向的实时动态在线监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤Bragg光栅动态风速风向仪及其使用方法,属于光电子测量器件技术领域。
背景技术
风速风向测量技术应用领域十分广泛:如在气象领域,为台风的监测提供准确数据;在民航领域,为飞机起降提供可靠的风速风向参考;公路桥梁建设,为其设计与施工提供依据;在新能源领域,尤其风力发电领域,测风技术具有重要的作用。目前常用风速风向监测方法有:机械式法、毕托管法、热线热膜法、超声波法等。在风力发电领域,应用最为广泛的测风***是机械式测风***,其结构简单、线性关系好、响应快、精度好。
与本发明最接近的技术是王昌,倪家升,王纪强等人提出的风力发电中全光纤风速传感器及制作工艺研究(参见文献:王昌,倪家升,王纪强等,风力发电中全光纤风速传感器及制作工艺研究,激光技术,2012年)。文献中采用风杯式风速传感器结构,只能对风场风速实行监测,无法对风场风向进行监测。
发明内容
本发明要解决的问题是:提供了一种光纤Bragg光栅动态风速风向仪及其使用方法,采用叶轮-风向标结构,实现对风速风向的实时动态在线监测。
本发明技术方案是:一种光纤Bragg光栅动态风速风向仪,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。
所述转速凸轮3的一侧设有一个凸出部分。
所述方向凸轮8圆弧圆周的一半设有凸出部分。
所述角度凸轮12沿圆周对称设置凸出部分。
当叶轮1被风吹动旋转,叶轮转轴2转动带动转速凸轮3旋转,转速凸轮3每旋转一周,转速凸轮3凸出部分会撞击等强度悬臂梁10使其产生挠度变化进而导致粘贴在等强度悬臂梁10的表面光纤Bragg光栅9中心发生波长移位,由光纤把波长变化传出,利用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3旋转的周数,从而获得转速凸轮的旋转频率f,利用公式,求得风速值,可以实现对风速进行实时监测;
当风向改变时,风向标的尾翼5受风力发生旋转,风向标转轴4的转动带动方向凸轮8和角度凸轮12旋转一定角度,角度凸轮12突出部分撞击等强度悬臂梁10使其产生挠度变化进而导致粘贴在等强度悬臂10梁上下表面中心轴线上的光纤Bragg光栅9中心波长发生移位,测出此波长移位量,在角度凸轮12对称轴一侧的180°范围内,根据公式:,可以得出风向标旋转角度a与光纤Bragg光栅的Bragg中心波长移位量成线性关系,因此根据Bragg中心波长移位量可得到风向标旋转的角度,配合紧贴方向凸轮8的等强度悬臂梁上的Bragg中心波长是否发生移位就可得知在360°范围内旋转角度,风向标旋转角度即风向改变角度,从而计算出风向,实现对风向进行实时监测;
其中,Z为叶轮叶片数,β为叶轮叶片的构造角,r为叶轮叶片的平均半径,θ为角度凸轮凸出部分的顶角,r3为角度凸轮圆弧部分的半径,pe为光纤的有效弹-光系数,hb为等强度悬臂梁的厚度,l 为等强度悬臂梁的长度,a为风向改变角度,λB为光纤Bragg光栅的中心波长,为光纤Bragg光栅的中心波长移位量。
本发明技术的数学模型如下:
通过光纤Bragg光栅计数装置,转速凸轮每旋转一周,计数一次,从而获得转速凸轮的旋转频率f,根据旋转频率f就可计算出风速v:
可以实现对风速进行实时监测,式中,Z为叶轮叶片数,β为叶轮叶片的构造角,r为叶轮叶片的平均半径。
式中,θ为角度凸轮凸出部分的顶角,r3为角度凸轮圆弧部分的半径。等强度悬臂梁所受的应变量ε为:
把(2)式代人(3)式得:
而光纤Bragg光栅波长位移与等强度悬臂梁自由端应变关系公式,可表示为:
将(4)式代人(5)式得:
在角度凸轮对称轴一侧的180°范围内,根据(6)式可以得出风向标旋转角度a与光纤Bragg光栅的Bragg中心波长移位量成线性关系,光纤Bragg光栅的Bragg波长移位量对风向改变角度a的响应灵敏度为:
因此根据Bragg中心波长移位量可得到风向标旋转的角度,配合紧贴方向凸轮的等强度悬臂梁上的Bragg中心波长是否发生移位就可得知在360°范围内旋转角度,风向标旋转角度即风向改变角度,从而计算出风向,实现对风向进行实时监测;
本发明的有益效果是:
1. 实现了对风速的实时动态在线监测:本发明采用叶轮结构,粘贴有光纤Bragg光栅的等强度悬臂梁及叶轮转轴制作成计数装置,将等强度悬臂梁的挠度变化转换为光纤Bragg光栅中心波长的移位变化量,根据波长变化次数进行计数,从而计算出风速,实现了对风速实时动态在线监测。
2. 实现了对风向的实时动态在线监测:本发明采用风向标结构,风向标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风向标旋转的角度,从而计算出风向,实现了对风向实时动态在线监测。
附图说明
图1是本发明的结构示意图;
图2为转速凸轮的结构示意图;
图3为方向凸轮的结构示意图;
图4为角度凸轮的结构示意图。
图1中各标号:1-叶轮,2-叶轮转轴,3-转速凸轮,4-风向标转轴,5-尾翼,6-轴承,7-紧固螺丝,8-方向凸轮,9-光纤Bragg光栅,10-等强度悬臂梁,11-底座,12-角度凸轮。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,对本发明作进一步说明。
实施例1:如图1-4所示,一种光纤Bragg光栅动态风速风向仪,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。
所述转速凸轮3的一侧设有一个凸出部分。
所述方向凸轮8圆弧圆周的一半设有凸出部分。
所述角度凸轮12沿圆周对称设置凸出部分。
当叶轮1被风吹动旋转,叶轮转轴2转动带动转速凸轮3旋转,转速凸轮3每旋转一周,转速凸轮3凸出部分会撞击等强度悬臂梁10使其产生挠度变化进而导致粘贴在等强度悬臂梁10的表面光纤Bragg光栅9中心发生波长移位,由光纤把波长变化传出,利用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3旋转的周数,从而获得转速凸轮的旋转频率f,利用公式,求得风速值,可以实现对风速进行实时监测;
当风向改变时,风向标的尾翼5受风力发生旋转,风向标转轴4的转动带动方向凸轮8和角度凸轮12旋转一定角度,角度凸轮12突出部分撞击等强度悬臂梁10使其产生挠度变化进而导致粘贴在等强度悬臂10梁上下表面中心轴线上的光纤Bragg光栅9中心波长发生移位,测出此波长移位量,在角度凸轮12对称轴一侧的180°范围内,根据公式:,可以得出风向标旋转角度a与光纤Bragg光栅的Bragg中心波长移位量成线性关系,因此根据Bragg中心波长移位量可得到风向标旋转的角度,配合紧贴方向凸轮8的等强度悬臂梁上的Bragg中心波长是否发生移位就可得知在360°范围内旋转角度,风向标旋转角度即风向改变角度,从而计算出风向,实现对风向进行实时监测;
其中,Z为叶轮叶片数,β为叶轮叶片的构造角,r为叶轮叶片的平均半径,θ为角度凸轮凸出部分的顶角,r3为角度凸轮圆弧部分的半径,pe为光纤的有效弹-光系数,hb为等强度悬臂梁的厚度,l 为等强度悬臂梁的长度,a为风向改变角度,λB为光纤Bragg光栅的中心波长,为光纤Bragg光栅的中心波长移位量。
实施例2:如图1-4所示,一种光纤Bragg光栅动态风速风向仪,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。
所述转速凸轮3的一侧设有一个凸出部分。
所述方向凸轮8圆弧圆周的一半设有凸出部分。
所述角度凸轮12沿圆周对称设置凸出部分。
当叶轮1被风吹动旋转,叶轮转轴2转动带动转速凸轮3旋转,转速凸轮3每旋转一周,转速凸轮3凸出部分会撞击等强度悬臂梁10使其产生挠度变化进而导致粘贴在等强度悬臂梁10的表面光纤Bragg光栅9中心发生波长移位,由光纤把波长变化传出,利用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3旋转的周数,从而获得转速凸轮的旋转频率f,利用公式,求得风速值,可以实现对风速进行实时监测;
当风向改变时,风向标的尾翼5受风力发生旋转,风向标转轴4的转动带动方向凸轮8和角度凸轮12旋转一定角度,角度凸轮12突出部分撞击等强度悬臂梁10使其产生挠度变化进而导致粘贴在等强度悬臂10梁上下表面中心轴线上的光纤Bragg光栅9中心波长发生移位,测出此波长移位量,在角度凸轮12对称轴一侧的180°范围内,根据公式:,可以得出风向标旋转角度a与光纤Bragg光栅的Bragg中心波长移位量成线性关系,因此根据Bragg中心波长移位量可得到风向标旋转的角度,配合紧贴方向凸轮8的等强度悬臂梁上的Bragg中心波长是否发生移位就可得知在360°范围内旋转角度,风向标旋转角度即风向改变角度,从而计算出风向,实现对风向进行实时监测;
其中,Z为叶轮叶片数,β为叶轮叶片的构造角,r为叶轮叶片的平均半径,θ为角度凸轮凸出部分的顶角,r3为角度凸轮圆弧部分的半径,pe为光纤的有效弹-光系数,hb为等强度悬臂梁的厚度,l 为等强度悬臂梁的长度,a为风向改变角度,λB为光纤Bragg光栅的中心波长,为光纤Bragg光栅的中心波长移位量。
在具体实施中,叶轮叶片数Z=3,叶轮叶片的构造角β=30°,叶轮叶片的平均半径r=20 cm,转速凸轮的旋转频率f=10 Hz,将这些数据代入公式(1)中,求得风速v为:米/秒,从而测出风速v;用光纤光栅解调仪获取光纤Bragg光栅的初始中心波长为λB=1550 nm,有效弹-光系数为pe=0.22,角度凸轮凸出部分的顶角θ=3o,角度凸轮圆弧部分的半径r3=20 mm,等强度悬臂梁的长度l=65 mm,等强度悬臂梁的厚度hb=2 mm,等强度悬臂梁固定端的宽度B=10 mm,等强度悬臂梁自由端的宽度b=2mm,将这些数据代入公式(7)中,求得光纤Bragg光栅的Bragg波长移位量对风向改变角度a的响应灵敏度为:皮米/度。
计算结果表明,该风速风向仪的风向灵敏度为10皮米/度。因此,当光纤Bragg光栅解调仪的波长分辨率为1pm时,该传感器的分辨率为0.1o。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施例,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (5)
1.一种光纤Bragg光栅动态风速风向仪,其特征在于: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。
2.根据权利要求1所述的光纤Bragg光栅动态风速风向仪,其特征在于:所述转速凸轮(3)的一侧设有一个凸出部分。
3.根据权利要求1所述的光纤Bragg光栅动态风速风向仪,其特征在于:所述方向凸轮(8)圆弧圆周的一半设有凸出部分。
4.根据权利要求1所述的光纤Bragg光栅动态风速风向仪,其特征在于:所述角度凸轮(12)沿圆周对称设置凸出部分。
5.一种光纤Bragg光栅动态风速风向仪的使用方法,其特征在于:
当叶轮(1)被风吹动旋转,叶轮转轴(2)转动带动转速凸轮(3)旋转,转速凸轮(3)每旋转一周,转速凸轮(3)凸出部分会撞击等强度悬臂梁(10)使其产生挠度变化进而导致粘贴在等强度悬臂梁(10)的表面光纤Bragg光栅(9)中心发生波长移位,由光纤把波长变化传出,利用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(3)旋转的周数,从而获得转速凸轮的旋转频率f,利用公式 ,求得风速值,可以实现对风速进行实时监测;
当风向改变时,风向标的尾翼(5)受风力发生旋转,风向标转轴(4)的转动带动方向凸轮(8)和角度凸轮(12)旋转一定角度,角度凸轮(12)突出部分撞击等强度悬臂梁(10)使其产生挠度变化进而导致粘贴在等强度悬臂(10)梁上下表面中心轴线上的光纤Bragg光栅(9)中心波长发生移位,测出此波长移位量,在角度凸轮(12)对称轴一侧的180°范围内,根据公式:,可以得出风向标旋转角度a与光纤Bragg光栅的Bragg中心波长移位量成线性关系,因此根据Bragg中心波长移位量可得到风向标旋转的角度,配合紧贴方向凸轮(8)的等强度悬臂梁上的Bragg中心波长是否发生移位就可得知在360°范围内旋转角度,风向标旋转角度即风向改变角度,从而计算出风向,实现对风向进行实时监测;
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