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光纤光栅 风向 传感器及光纤光栅风速风向传感器

阅读：794发布：2020-05-12

专利汇可以提供光纤光栅风向传感器及光纤光栅风速风向传感器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种光纤光栅风向传感器及光纤光栅风速风向传感器，属于传感技术领域。光纤光栅风向传感器包括壳体、转动设置在壳体上的转轴、风向标、第一磁体，以及至少三个风向检测装置；转轴的底部穿过壳体的顶板延伸至壳体内；各个风向检测装置分别包括一端与壳体内壁固定连接的第一悬臂梁、设置在第一悬臂梁自由端上的第二磁体，以及贴设于第一悬臂梁上的第一光纤光栅，第二磁体与第一磁体磁力相斥。光纤光栅风速风向传感器包括所述的光纤光栅风向传感器，以及设置在所述壳体上的风速检测装置。本发明提供的光纤光栅风向传感器及光纤光栅风速风向传感器，抗外界干扰能力强，可应用于各种需要测风向的情况。，下面是光纤光栅风向传感器及光纤光栅风速风向传感器专利的具体信息内容。

权利要求

1.光纤光栅风向传感器，其特征在于，包括：
壳体；
转轴，转动设置在所述壳体上；所述转轴的底部穿过所述壳体的顶板延伸至所述壳体内；
风向标，位于所述壳体的上方，与所述转轴的上部固定连接；
第一磁体，设置在所述转轴的下部；以及
至少三个风向检测装置，设置在所述壳体内，并环绕所述转轴设置；各个所述风向检测装置分别包括一端与所述壳体内壁固定连接的第一悬臂梁、设置在所述第一悬臂梁自由端上的第二磁体，以及贴设于所述第一悬臂梁上的第一光纤光栅，所述第一光纤光栅用于监测所述第一悬臂梁的应变量，所述第二磁体与所述第一磁体磁力相斥。
2.如权利要求1所述的光纤光栅风向传感器，其特征在于：各个所述风向检测装置内设有两个所述第一光纤光栅，位于同一个所述风向检测装置内的两个所述第一光纤光栅分设于相应所述第一悬臂梁的两侧。
3.如权利要求2所述的光纤光栅风向传感器，其特征在于：所述第一悬臂梁为板体，所述板体的板面与所述转轴的轴向平行，两个所述光纤光栅分设于所述板体的两个板面上。
4.如权利要求1所述的光纤光栅风向传感器，其特征在于：所述光纤光栅风向传感器还包括设置在所述转轴下部的支撑杆，所述支撑杆一端与所述转轴垂直连接，另一端为自由端，所述第一磁体设置在所述支撑杆的自由端上。
5.如权利要求1-4任一项所述的光纤光栅风向传感器，其特征在于：所述风向检测装置设有四个，四个所述风向检测装置位于同一平面上，且四个所述风向检测装置中的所述第一悬臂梁两两垂直。
6.如权利要求1-4任一项所述的光纤光栅风向传感器，其特征在于：所述壳体内设置有温度调节装置。
7.如权利要求6所述的光纤光栅风向传感器，其特征在于：所述温度调节装置为与任一个所述第一光纤光栅串联的温度补偿光纤。
8.光纤光栅风速风向传感器，其特征在于：包括权利要求1-7任一项所述的光纤光栅风向传感器，以及设置在所述壳体上的风速检测装置。
9.如权利要求8所述的光纤光栅风速风向传感器，其特征在于：所述转轴为两端开放的管体；
所述风速检测装置包括插设于所述转轴内并与所述转轴转动连接的转杆、设置在所述转杆顶部的风杯、设置在所述转杆底部的第三磁体、设置在所述壳体内的第二悬臂梁、设置在所述第二悬臂梁自由端上的第四磁体，以及设置在所述第二悬臂梁上第二光纤光栅；所述第二光纤光栅设有两个且分设于所述第二悬臂梁的上表面和下表面；所述风杯位于所述转轴的上方，所述第三磁体位于所述转轴的下方；所述第三磁体随所述转杆转动，并在转动时对所述第四磁体施加一个周期性变化的斥力。
10.如权利要求9所述的光纤光栅风速风向传感器，其特征在于：所述壳体的侧壁上设置有用于供所述第一光纤光栅的引出线穿出的通孔；
所述壳体的内壁上还设置有用于将所述第二光纤光栅的引出线引导至所述通孔的引线槽。

说明书全文

光纤光栅风向 传感器及光纤光栅风速风向传感器

技术领域

[0001] 本发明属于传感技术领域，更具体地说，是涉及一种光纤光栅风向传感器及光纤光栅风速风向传感器。

背景技术

[0002] 传统的电子式风向测量技术由于以电子信息处理为基础的特点,注定了其将受到有源供电、电磁干扰、信号远程传输不稳定、数据传输容量受限等多种因素的制约,尤其是在一些强电、强磁环境下电子式设备的安全性和可靠性都受到了极大的挑战，且精确度低。

发明内容

[0003] 本发明实施例的目的在于提供一种光纤光栅风向传感器及光纤光栅风速风向传感器，旨在解决目前的风向测量技术抗干扰能力低、精确度低的技术问题。

[0004] 一方面，提供了一种光纤光栅风向传感器，包括：壳体；

[0005] 转轴，转动设置在所述壳体上；所述转轴的底部穿过所述壳体的顶板延伸至所述壳体内；

[0006] 风向标，位于所述壳体的上方，与所述转轴的上部固定连接；

[0007] 第一磁体，设置在所述转轴的下部；以及

[0008] 至少三个风向检测装置，设置在所述壳体内，并环绕所述转轴设置；各个所述风向检测装置分别包括一端与所述壳体内壁固定连接的第一悬臂梁、设置在所述第一悬臂梁自由端上的第二磁体，以及贴设于所述第一悬臂梁上的第一光纤光栅，所述第一光纤光栅用于监测所述第一悬臂梁的应变量，所述第二磁体与所述第一磁体磁力相斥。

[0009] 作为本申请另一实施例，各个所述风向检测装置内设有两个所述第一光纤光栅，位于同一个所述风向检测装置内的两个所述第一光纤光栅分设于相应所述第一悬臂梁的两侧。

[0010] 作为本申请另一实施例，所述第一悬臂梁为板体，所述板体的板面与所述转轴的轴向平行，两个所述光纤光栅分设于所述板体的两个板面上。

[0011] 作为本申请另一实施例，所述光纤光栅风向传感器还包括设置在所述转轴下部的支撑杆，所述支撑杆一端与所述转轴垂直连接，另一端为自由端，所述第一磁体设置在所述支撑杆的自由端上。

[0012] 作为本申请另一实施例，所述风向检测装置设有四个，四个所述风向检测装置位于同一平面上，且四个所述风向检测装置中的所述第一悬臂梁两两垂直。

[0013] 作为本申请另一实施例，所述壳体内设置有温度调节装置。

[0014] 作为本申请另一实施例，所述温度调节装置为与任一个所述第一光纤光栅串联的温度补偿光纤。

[0015] 上述技术方案中的一个技术方案具有如下有益效果：与现有技术相比，利用第一磁体和第二磁体之间的磁性斥力，实现了风向标、转轴和第一磁体的组合体对风向检测装置的非接触驱动，进而使得监测人员能够根据各个风向检测装置中第一光纤光栅的波长变化量，分析得出风向标的实时指向，即风向。与此同时，采用第一磁体和第二磁体，有效减少了测试过程中因传感器内部零部件的物理摩擦造成的测试偏差，解决了机械传感器固有的摩擦力过大的问题，大幅提高了传感器的灵敏度，还延长了寿命，经济效益高，从而能够有效的弥补现有风向测量方法的不足,解决了风向测量方面的优化与升级中所面临的挑战。

[0016] 另外，本实施例提供的光纤光栅风向传感器结构轻巧，操作便捷，抗外界干扰能力强，可应用于各种需要测风向的情况。

[0017] 另一方面，提供了一种光纤光栅风速风向传感器，包括：所述的光纤光栅风向传感器，以及设置在所述壳体上的风速检测装置。

[0018] 作为本申请另一实施例，所述转轴为两端开放的管体；

[0019] 所述风速检测装置包括插设于所述转轴内并与所述转轴转动连接的转杆、设置在所述转杆顶部的风杯、设置在所述转杆底部的第三磁体、设置在所述壳体内的第二悬臂梁、设置在所述第二悬臂梁自由端上的第四磁体，以及设置在所述第二悬臂梁上第二光纤光栅；所述第二光纤光栅设有两个且分设于所述第二悬臂梁的上表面和下表面；所述风杯位于所述转轴的上方，所述第三磁体位于所述转轴的下方；所述第三磁体随所述转杆转动，并在转动时对所述第四磁体施加一个周期性变化的斥力。

[0020] 作为本申请另一实施例，所述壳体的侧壁上设置有用于供所述第一光纤光栅的引出线穿出的通孔；

[0021] 所述壳体的内壁上还设置有用于将所述第二光纤光栅的引出线引导至所述通孔的引线槽。

[0022] 上述技术方案中的一个技术方案具有如下有益效果：与现有技术相比，采用了上述光纤光栅风向传感器，并设置了基于光纤光栅的风速检测装置，将转杆嵌套在转轴中，使得风杯和风向标结构紧凑而又互不影响，有效降低了传感器的体积。另外，本实施例中风速和风向测量均采用磁斥力的方式进行力的传导，有效降低了测量过程中传感器内部零部件之间的摩擦力，提高了测量的精确度。其中，风速检测装置中设置了两个第二光纤光栅6，实现了双光纤光栅测量，进一步提高了传感器测量结果的精确性。附图说明

[0023] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0024] 图1为本发明实施例提供的光纤光栅风向传感器的主视结构示意图；

[0025] 图2为本发明实施例提供的光纤光栅风向传感器的俯视结构示意图；

[0026] 图3为沿图2中B-B线的剖视结构图；

[0027] 图4为本发明实施例所采用的风向检测装置的立体结构示意图；

[0028] 图5为沿图1中A-A线的剖视结构图；

[0029] 图6为本发明实施例提供的光纤光栅风速风向传感器的立体结构示意图；

[0030] 图7为本发明实施例提供的光纤光栅风速风向传感器的俯视结构示意图；

[0031] 图8为沿图7中C-C线的剖视结构图。

[0032] 图中：100、壳体；110、转轴；120、风向标；130、第一磁体；140、支撑杆；150、温度调节装置；160、通孔；170、引线槽；200、风向检测装置；210、第一悬臂梁；220、第二磁体；230、第一光纤光栅；300、风速检测装置；310、转杆；320、风杯；330、第三磁体；340、第二悬臂梁；350、第四磁体；360、第二光纤光栅。

具体实施方式

[0033] 为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0034] 请一并参阅图1至图5，现对本发明实施例提供的光纤光栅风向传感器进行说明。所述光纤光栅风向传感器，包括壳体100、转动设置在壳体100上的转轴110、风向标120、第一磁体130，以及至少三个风向检测装置200。

[0035] 转轴110的底部穿过壳体100的顶板延伸至壳体100内。风向标120位于壳体100的上方，与转轴110的上部固定连接。第一磁体130设置在转轴110的下部。

[0036] 至少三个风向检测装置200设置在壳体100内，并环绕转轴110设置。各个风向检测装置200分别包括一端与壳体100内壁固定连接的第一悬臂梁210、设置在第一悬臂梁210自由端上的第二磁体220，以及贴设于第一悬臂梁210上的第一光纤光栅230，第一光纤光栅230用于监测第一悬臂梁210的应变量，第二磁体220与第一磁体130磁力相斥。

[0037] 使用时，将第一光纤光栅230与光纤调制解调器电连接。测试时，将光纤光栅风向传感器放置高处或空旷的地方，使得风向标120与风直接接触。随着风向的变化,风向标120带动转轴110相对壳体100转动，进而带动第一磁体130相对风向检测装置200运动，从而导致第一磁体130对各个第二磁体220磁力大小的变化，这种磁力大小的变化致使风向检测装置200中的第一悬臂梁210和第一光纤光栅230的应变量发生变化,第一光纤光栅230将这种变化通过光纤调制解调器反应出来，监测人员通过各个第一光纤光栅230波长的变化量分析得出风向的变化。

[0038] 具体地，当风向标120指向实际风向时，停止转动,第一磁体130随之停止转动，此时第一磁体130对靠近第一磁体130的一个或多个第二磁体220施加一个斥力，这个斥力会导致与上述第二磁体220连接的第一悬臂梁210产生相应应变，设置在该第一悬臂梁210上的第一光纤光栅230则会将该应变传递至光纤调制解调器，监测人员通过分析各个风向检测装置200中的第一光纤光栅230的应变量，分析得出实时的风向。

[0039] 本发明实施例提供的光纤光栅风向传感器，与现有技术相比，利用第一磁体130和第二磁体220之间的磁性斥力，实现了风向标120、转轴110和第一磁体130的组合体对风向检测装置200的非接触驱动，进而使得监测人员能够根据各个风向检测装置200中第一光纤光栅230的波长变化量，分析得出风向标120的实时指向，即风向。与此同时，采用第一磁体130和第二磁体220，有效减少了测试过程中因传感器内部零部件的物理摩擦造成的测试偏差，解决了机械传感器固有的摩擦力过大的问题，大幅提高了传感器的灵敏度，还延长了寿命，经济效益高，从而能够有效的弥补现有风向测量方法的不足,解决了风向测量方面的优化与升级中所面临的挑战。

[0040] 另外，本实施例提供的光纤光栅风向传感器结构轻巧，操作便捷，抗外界干扰能力强，可应用于各种需要测风向的情况。

[0041] 具体地，第一磁体130和第二磁体220可均采用永磁铁制成。

[0042] 请参阅图4，作为本发明提供的光纤光栅风向传感器的一种具体实施方式，各个风向检测装置200内设有两个第一光纤光栅230，位于同一个风向检测装置200内的两个第一光纤光栅230分设于相应第一悬臂梁210的两侧。

[0043] 位于同一个风向检测装置200内的两个第一光纤光栅230分设于相应第一悬臂梁210的两侧，当其中一个风向检测装置200受到第一磁体130的斥力时，位于该风向检测装置
200内的第一悬臂梁210发生应变，贴设于该第一悬臂梁210上的两个第一光纤光栅230同时发生应变，且应变大小相同,方向相反。此时两个第一光纤光栅230的波长变化量之差△λ＝△λ1-△λ2,又可表示为△λ＝(λ1+λ2)(1-p)△ε+(λ1-λ2)(af+ξ)△T，其中，λ1为其中一个第一光纤光栅230的中心波长，λ1为另一个第一光纤光栅230的中心波长，p为第一光纤光栅230的有效弹光系数，ε为轴向应变量，ξ为光纤热光系数，△T为温度变化量。使用时，可将第一光纤光栅230的波长差控制在0.lnm以内(即λ1≈λ2),△λ＝(λ1+λ2)(1-p)△ε。从公式可以看出，采用双光纤光棚的测量方法，不仅可以消除温度引起的测量误差,同时应变量增大为原来的2倍,提高了测量的准确性。

[0044] 请一并参阅图3至图5，作为本发明提供的光纤光栅风向传感器的一种具体实施方式，第一悬臂梁210为板体，板体的板面与转轴110的轴向平行，两个光纤光栅分设于板体的两个板面上。

[0045] 第一悬臂梁210采用竖直设置的板体，使得当位于第一悬臂梁210自由端上的第二磁体220受到来自第一磁体130的斥力时，第一悬臂梁210可以灵敏的向左或向右弯曲，进而保证了测试结果的准确性。

[0046] 请一并参阅图3及图5，作为本发明提供的光纤光栅风向传感器的一种具体实施方式，光纤光栅风向传感器还包括设置在转轴110下部的支撑杆140，支撑杆140一端与转轴110垂直连接，另一端为自由端，第一磁体130设置在支撑杆140的自由端上。

[0047] 组装时，将第一磁体130贴设于支撑杆140的自由端上即可，且无需调整第一磁体130与转轴110之间的相对位置，安装更为方便，且使得风向检测装置200中的第一悬臂梁
210无需太长，便可使得第一磁体130与第二磁体220之间能够发生磁力相斥现象，从而有效降低了光纤光栅风向传感器制造所需材料量及制造成本。

[0048] 进一步地，连接杆的轴向与风向标120的延伸方向平行。这使得风向标120停止转动后，第一磁体130的指向与风向标120一致，进而使得进行风向检测时，可直接根据推导得出的第一磁体130的指向得出风向标120的指向，进而得出风向，无需考虑第一磁体130指向与风向标120指向之间夹角对测试结果的影响。

[0049] 请参阅图5，作为本发明提供的光纤光栅风向传感器的一种具体实施方式，风向检测装置200设有四个，四个风向检测装置200位于同一平面上，且四个风向检测装置200中的第一悬臂梁210两两垂直。

[0050] 四个风向检测装置200两两垂直便于定位，且有助于精确判断风向。

[0051] 请参阅图3，作为本发明提供的光纤光栅风向传感器的一种具体实施方式，壳体100内设置有温度调节装置150。

[0052] 温度调节装置150的设置，便于监测人员根据使用需要对壳体100内温度进行调整，进而避免了温度变化对测试结果的不良影响，保证了测试结果的精确性。

[0053] 作为本发明提供的光纤光栅风向传感器的一种具体实施方式，温度调节装置150为与任一个第一光纤光栅230串联的温度补偿光纤。

[0054] 温度补偿光纤与任一个第一光纤光栅230串联，减少了壳体100内的线缆数量，便于光纤光栅风向传感器的组装及维护。

[0055] 请参阅图3，作为本发明提供的光纤光栅风向传感器的一种具体实施方式，壳体100的底部开放，使得传感器的整体重量较轻，且便于用户对壳体100内部件进行维修，提高了传感器维修的便捷性。

[0056] 本发明实施例还提供一种光纤光栅风速风向传感器。请参阅图6至图8，所述光纤光栅风速风向传感器包括光纤光栅风向传感器，以及设置在壳体100上的风速检测装置300。

[0057] 本发明实施例提供的光纤光栅风速风向传感器，采用了上述光纤光栅风向传感器，并设置了风速检测装置300，实现了风速和风向的同时测量。

[0058] 本实施例中的风速检测装置300可采用市场上现有的风速检测装置300。

[0059] 请一并参阅图6及图8，作为本发明提供的光纤光栅风速风向传感器的一种具体实施方式，转轴110为两端开放的管体。

[0060] 风速检测装置300包括插设于转轴110内并与转轴110转动连接的转杆310、设置在转杆310顶部的风杯320、设置在转杆310底部的第三磁体330、设置在壳体100内的第二悬臂梁340、设置在第二悬臂梁340自由端上的第四磁体350，以及设置在第二悬臂梁340上第二光纤光栅360。第二光纤光栅360设有两个且分设于第二悬臂梁340的上表面和下表面。风杯320位于转轴110的上方，第三磁体330位于转轴110的下方。第三磁体330随转杆310转动，并在转动时对第四磁体350施加一个周期性变化的斥力。

[0061] 风杯320的转动带动转杆310上第三磁体330转动,第三磁铁对第二悬臂梁340上的第四磁体350产生一个周期性变化的力，且力的变化周期与风杯320的转速具有较强的线性关系，监测人员可通过测量力的变化周期的大小进而得到风杯320的转速大小。

[0062] 其中，第二光纤光栅360设有两个，计算风速时，可提高测试的精确度，具体分析如下：

[0063] 位于第二悬臂梁340上表面的第二光纤光栅360受到拉应变的影响，中心波长λ1增大；相对的位于第二悬臂梁340下表面的第二光纤光栅360受到压应变的影响，中心波长λ2减小。第二悬臂梁340的上、下表面的应变大小相同,方向相反,因此两个第二光纤光栅360的波长变化量之差为△λ，△λ＝△λ3-△λ4,又可表示为△λ＝(λ3+λ4)(1-p)△ε+(λ3-λ4)(af+ξ)△T，其中，λ3为位于第二悬臂梁340上表面的第二光纤光栅360的中心波长，λ4为位于第二悬臂梁340下表面的第二光纤光栅360的中心波长，p为第二光纤光栅360的有效弹光系数，ε为轴向应变量，ξ为光纤热光系数，△T为温度变化量。在等强度悬臂梁上下表面焊接的光纤光栅的波长差控制在0.lnm以内(λ3≈λ4),△λ＝(λ3+λ4)(1-p)△ε。从公式可以看出采用双光纤光棚的测量方法，不仅可以消除温度引起的测量误差,同时应变量增大为原来的2倍,提高了测量的准确性。

[0064] 本发明实施例提供的光纤光栅风速风向传感器，采用了上述光纤光栅风向传感器，并设置了基于光纤光栅的风速检测装置300，将转杆310嵌套在转轴110中，使得风杯320和风向标120结构紧凑而又互不影响，有效降低了传感器的体积。另外，本实施例中风速和风向测量均采用磁斥力的方式进行力的传导，有效降低了测量过程中传感器内部零部件之间的摩擦力，提高了测量的精确度。其中，风速检测装置300中设置了两个第二光纤光栅360，实现了双光纤光栅测量，进一步提高了传感器测量结果的精确性。

[0065] 具体地，转杆310的外壁通过轴承与转轴110的内壁转动连接，转轴110的外壁通过轴承与壳体100转动连接。

[0066] 请一并参阅图5及图8，作为本发明提供的光纤光栅风速风向传感器的一种具体实施方式，壳体100的侧壁上设置有用于供第一光纤光栅230的引出线穿出的通孔160。壳体100的内壁上还设置有用于将第二光纤光栅360的引出线引导至通孔160的引线槽170。

[0067] 通孔160的设置使得组装传感器时，无需现场打孔，便可实现第一光纤光栅230引出线的穿出，提高了传感器的组装效率。

[0068] 引线槽170的设置则使得第二光纤光栅360可以第一光纤光栅230共用通孔160作为各自引出线的引出孔使用，从而有效降低了壳体100上孔洞数量，保证了壳体100机械性能的稳定性，同时保证了壳体100内线缆摆放的规整性。

[0069] 进一步地，通孔160的数量与风向检测装置200的数量一致，多个通孔160与多个风向检测装置200一一对应。

[0070] 进一步地，转杆310底部设置有金属板，第三磁体330设置在金属板的下端面上。第三磁铁330可采用粘接的方式贴设于金属板上，也可以直接与金属板磁力吸附，还可以通过其他形式与金属板固定连接。

[0071] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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光纤光栅风向传感器及光纤光栅风速风向传感器

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