[實用新型]一種光纖Bragg光柵動態(tài)風(fēng)速風(fēng)向儀

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201320819300.3
• 申請日: 2013-12-13
• 公開（公告）號: CN203688576U
• 公開（公告）日: 2014-07-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李川;王敏吉;熊新;趙成均;陳富云;閆思安;劉江;趙振剛;謝濤
• 申請（專利權(quán)）人: 昆明理工大學(xué)
• 主分類號: G01P5/06
• 分類號: G01P5/06;G01P13/02
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• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及一種光纖Bragg光柵動態(tài)風(fēng)速風(fēng)向儀，屬于光電子測量器件技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

風(fēng)速風(fēng)向測量技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛：如在氣象領(lǐng)域，為臺風(fēng)的監(jiān)測提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)；在民航領(lǐng)域，為飛機起降提供可靠的風(fēng)速風(fēng)向參考；公路橋梁建設(shè)，為其設(shè)計與施工提供依據(jù)；在新能源領(lǐng)域，尤其風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，測風(fēng)技術(shù)具有重要的作用。目前常用風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測方法有：機械式法、畢托管法、熱線熱膜法、超聲波法等。在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，應(yīng)用最為廣泛的測風(fēng)系統(tǒng)是機械式測風(fēng)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單、線性關(guān)系好、響應(yīng)快、精度好。

與本實用新型最接近的技術(shù)是王昌，倪家升，王紀(jì)強等人提出的風(fēng)力發(fā)電中全光纖風(fēng)速傳感器及制作工藝研究（參見文獻：王昌，倪家升，王紀(jì)強等，風(fēng)力發(fā)電中全光纖風(fēng)速傳感器及制作工藝研究，激光技術(shù)，2012年）。文獻中采用風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器結(jié)構(gòu)，只能對風(fēng)場風(fēng)速實行監(jiān)測，無法對風(fēng)場風(fēng)向進行監(jiān)測。

發(fā)明內(nèi)容

本實用新型要解決的問題是：提供了一種光纖Bragg光柵動態(tài)風(fēng)速風(fēng)向儀，采用葉輪-風(fēng)向標(biāo)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對風(fēng)速風(fēng)向的實時動態(tài)在線監(jiān)測。

本實用新型技術(shù)方案是：一種光纖Bragg光柵動態(tài)風(fēng)速風(fēng)向儀，包括葉輪1、葉輪轉(zhuǎn)軸2、轉(zhuǎn)速凸輪3、風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)軸4、尾翼5、軸承6、緊固螺絲7、方向凸輪8、光纖Bragg光柵9、等強度懸臂梁10、底座11、角度凸輪12；所述葉輪1與葉輪轉(zhuǎn)軸2連接，葉輪轉(zhuǎn)軸2上設(shè)置轉(zhuǎn)速凸輪3，葉輪轉(zhuǎn)軸2一側(cè)設(shè)置等強度懸臂梁10，等強度懸臂梁10通過緊固螺絲7與風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)軸4固定連接，風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)軸4通過軸承6與底座11連接，風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)軸4尾部設(shè)有尾翼5，風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)軸4上設(shè)置有方向凸輪8和角度凸輪12，風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)軸4兩側(cè)設(shè)置有等強度懸臂梁10，等強度懸臂梁10固定在底座11上，光纖Bragg光柵9粘貼在等強度懸臂梁10表面中心軸線上。

所述轉(zhuǎn)速凸輪3的一側(cè)設(shè)有一個凸出部分。

所述方向凸輪8圓弧圓周的一半設(shè)有凸出部分。

所述角度凸輪12沿圓周對稱設(shè)置凸出部分。

本實用新型使用過程為：

葉輪1被風(fēng)吹動旋轉(zhuǎn)，風(fēng)速越大轉(zhuǎn)速越快，葉輪轉(zhuǎn)軸2轉(zhuǎn)動帶動轉(zhuǎn)速凸輪3旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速凸輪3每旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)速凸輪3突出部分會撞擊等強度懸臂梁10使其產(chǎn)生撓度變化進而導(dǎo)致粘貼在等強度懸臂梁10的表面光纖Bragg光柵9中心波長發(fā)生移位，波長變化由光纖傳出，利用光纖光柵解調(diào)儀對波長變化次數(shù)進行計數(shù)，通過得到的計數(shù)就能得到轉(zhuǎn)速凸輪3旋轉(zhuǎn)的周數(shù)，從而獲得轉(zhuǎn)速凸輪的旋轉(zhuǎn)頻率f，利用公式，求得風(fēng)速值，可以實現(xiàn)對風(fēng)速進行實時監(jiān)測。

當(dāng)風(fēng)向改變時，風(fēng)向標(biāo)的尾翼5受風(fēng)力發(fā)生旋轉(zhuǎn)，風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)軸4的轉(zhuǎn)動帶動方向凸輪8和角度凸輪12旋轉(zhuǎn)一定角度，角度凸輪12突出部分撞擊等強度懸臂梁10使其產(chǎn)生撓度變化進而導(dǎo)致粘貼在等強度懸臂10梁上下表面中心軸線上的光纖Bragg光柵9中心波長發(fā)生移位，測出此波長移位量，在角度凸輪12對稱軸一側(cè)的180°范圍內(nèi)，根據(jù)公式：，可以得出風(fēng)向標(biāo)旋轉(zhuǎn)角度a與光纖Bragg光柵的Bragg中心波長移位量成線性關(guān)系，因此根據(jù)Bragg中心波長移位量可得到風(fēng)向標(biāo)旋轉(zhuǎn)的角度，配合緊貼方向凸輪8的等強度懸臂梁上的Bragg中心波長是否發(fā)生移位就可得知在360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)角度，風(fēng)向標(biāo)旋轉(zhuǎn)角度即風(fēng)向改變角度，從而計算出風(fēng)向，實現(xiàn)對風(fēng)向進行實時監(jiān)測；

本實用新型技術(shù)的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)如下：

通過光纖Bragg光柵計數(shù)裝置，轉(zhuǎn)速凸輪每旋轉(zhuǎn)一周，計數(shù)一次，從而獲得轉(zhuǎn)速凸輪的旋轉(zhuǎn)頻率f，根據(jù)旋轉(zhuǎn)頻率f就可計算出風(fēng)速v：

????????????????????????????????????????????（1）

可以實現(xiàn)對風(fēng)速進行實時監(jiān)測，式中，Z為葉輪葉片數(shù)，β為葉輪葉片的構(gòu)造角，r為葉輪葉片的平均半徑。

當(dāng)風(fēng)向改變角度時即風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度，角度凸輪也隨之旋轉(zhuǎn)角度,等強度懸臂梁所產(chǎn)生的擾度：

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式中，θ為角度凸輪凸出部分的頂角，r₃為角度凸輪圓弧部分的半徑。等強度懸臂梁所受的應(yīng)變量ε為：

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把（2）式代人（3）式得：

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