[发明专利]一种基于光纤Bragg光栅的应力式风速风向传感器

说明书

技术领域

    本发明属于光电技术监测领域和气象环境监测领域，涉及一种采用光纤Bragg光栅对环境风速和风向进行监测的新型传感器。

背景技术

    传统的电学传感器，在复杂的电磁环境下易受到干扰，且测量和通讯离不开电源。而光纤Bragg光栅传感器使用光栅自身特性进行测量，不受电磁干扰，且不需要电源，能够实现无源测量。目前采用光纤Bragg光栅对环境风速和风向进行测量的装置，通常采用的是机械旋转结构，传感器寿命较短，可靠性较差。

发明内容

    本发明的目的在于提供一种基于光纤Bragg光栅的应力式风速风向传感器，以提高目前基于光纤传感技术的风速风向传感器的可靠性。

    本发明的目的是这样实现的。

    一种基于光纤Bragg光栅的应力式风速风向传感器，本发明特征是：传感器包括圆柱形金属外壳和上下顶盖，上下顶盖之间采用四个连接杆进行固定，且上下顶盖内部刻有凹槽，确保圆柱形金属外壳在凹槽限定的范围水平移动；传感器内部中央有一圆柱，上方固定Bragg光栅应力传感器，四根交叉成十字的金属连接杆将金属外壳和Bragg光栅应力传感器连接固定。

其中，所述的Bragg光栅应力传感器，特点是内部采用四组互相垂直放置的结构材料一致的等悬臂梁，每组等悬臂梁表面粘贴有用于测量应力变化的Bragg光栅A，同时另设有一组Bragg光栅B粘贴于与等悬臂梁外形和金属材料一致的金属件表面上，用于测量材料温度，补偿应力算法。

在风力的作用下，传感器的圆柱形金属外壳产生位移，通过四根交叉成十字的金属连接杆将位移的应力传递给Bragg光栅应力传感器，Bragg光栅应力传感器内部的四组等悬臂梁受到应力后产生形变，使粘贴于等悬臂梁表面的Bragg光栅发生形变，Bragg光栅反射的光学信号特征也随之改变。同时，利用不受应力影响的Bragg光栅消除温度对Bragg光栅反射的光学信号特征的影响。由于每组Bragg光栅的光学信号与风速大小是有相关关系的，通过对光学信号进行解调，能够计算得出风速数值；由于互相垂直的两组等悬臂梁测量到的两组风速，方向互相垂直，能够进行矢量分解得出风向角度；由于互相平行的两组等悬臂梁测量到的两组风速，数值一样方向相反，能够形成互相校验机制，进一步提高传感器准确性。

本发明的有益效果是：

1、传感器性能可靠：本发明通过测量风压应力获取环境风速值，无机械旋转结构，不需要电源，不受电磁干扰影响，传感器性能可靠性；

2、传感器准确性高：Bragg光栅应力传感器中，互相平行的两组等悬臂梁能够校正测量的风速，确保传感器的高准确性；

3、传感器整合性好：Bragg光栅应力传感器中，互相垂直的两组等悬臂梁能够分解风向，将风速和风向测量合二为一，结构简单，易于维护。

附图说明

图1为本发明的一种基于光纤Bragg光栅的应力式风速风向传感器的俯视剖面结构示意图；

图2为本发明的一种基于光纤Bragg光栅的应力式风速风向传感器的侧视剖面结构示意图；

图3为本发明的一种基于光纤Bragg光栅的应力式风速风向传感器中Bragg光栅应力传感器的俯视结构示意图。

具体实施方式

参考附图1和附图2所示，本发明的一种基于光纤Bragg光栅的应力式风速风向传感器，包括圆柱形金属外壳101和上下顶盖102，上下顶盖102之间采用四个连接杆103进行固定，且上下顶盖内部刻有凹槽104，确保圆柱形金属外壳在凹槽限定的范围水平移动；传感器内部中央设有一圆柱105，上方固定Bragg光栅应力传感器106，四根交叉成十字的连接杆107将金属外壳101和Bragg光栅应力传感器106连接固定。

参考附图3所示，所述的Bragg光栅应力传感器106，特点是内部采用四组互相垂直放置的结构材料一致的等悬臂梁201，每组等悬臂梁表面粘贴有用于测量应力变化的Bragg光栅A 202，同时另设有一组Bragg光栅B 203粘贴于与等悬臂梁外形和材料一致的金属件204上，用于测量材料温度，补偿应力算法。

在风力的作用下，传感器的圆柱形金属外壳101产生位移，通过四根交叉成十字的金属连接杆107将位移的应力传递给Bragg光栅应力传感器106，Bragg光栅应力传感器内部的四组等悬臂梁201受到应力后产生形变，使粘贴于等悬臂梁表面的Bragg光栅A 202发生形变，Bragg光栅A 202反射的光学信号特征也随之改变。同时，利用不受应力影响的Bragg光栅B 203消除温度对Bragg光栅A 202反射的光学信号特征的影响。由于每组Bragg光栅A 202的光学信号与风速大小是有相关关系的，通过对光学信号进行解调，能够计算得出风速数值；由于互相垂直的两组等悬臂梁测量到的两组风速，方向互相垂直，能够进行矢量分解得出风向角度；由于互相平行的两组等悬臂梁测量到的两组风速，数值一样方向相反，能够形成互相校验机制，得到高准确性的风速和风向测量值。