[实用新型]一种光纤Bragg光栅动态风速风向仪

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种光纤Bragg光栅动态风速风向仪，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系统是机械式测风系统，其结构简单、线性关系好、响应快、精度好。

与本实用新型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

本实用新型要解决的问题是：提供了一种光纤Bragg光栅动态风速风向仪，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。

本实用新型技术方案是：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。

本实用新型使用过程为：

叶轮1被风吹动旋转，风速越大转速越快，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突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中心波长发生移位，波长变化由光纤传出，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；

本实用新型技术的数学模型推导如下：

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：

                                            （1）

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。

当风向改变角度时即风向标转轴旋转角度，角度凸轮也随之旋转角度,等强度悬臂梁所产生的扰度：

                     （2）

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：

                                                    （3）

把（2）式代人（3）式得：

                       （4）