[发明专利]一种热式光纤三维风速风向传感器及检测方法

说明书

本发明公开了一种热式光纤三维风速风向传感器及测量方法。传感器包括：底座、与底座配合连接的主支撑管21、与主支撑管21同向配合连接的支撑管22、与主支撑管21垂直配合连接的支撑管23、分别安装在支撑管22和23端部的平面热式光纤光栅风速风向传感器、垂直安装在支撑管22或23上的光纤光栅环境温度传感器；每个热式光纤风速风向传感器由一个加热电阻丝和四个光纤光栅温度传感器组成。检测方法为每个热式光纤风速风向传感器可以测量与之平行平面的风向和风速，再通过风向矢量合成和数据处理得到三维风速风向。本发明具有良好的耐腐蚀、抗电磁干扰、环境温度漂移影响弱、测量精度高和风速测量范围宽的特性，可适用于工况较恶劣的测量环境。

技术领域

本发明涉及传感器领域中的三维风速风向传感器，特别涉及一种热式光纤三维风速风向传感器及检测方法。

背景技术

风是一种非常普遍的自然现象，与人们的生活密切相关，并且对于风速风向的检测在工农业生产、交通运输、能源开发和气象预报等诸多领域都有着十分重要的意义；目前对风速风向传感器的研究多限于二维风速风向；在自然环境中，风是由于空气的运动产生的气流，风的速度是一个三维空间矢量；对三维风速风向的研究报道较少。

2010年上海第二工业大学陈进等人提出一种具有特定六面体结构和6个单向风速传感器组成的三维风速传感器，实现了对三维风速风向的检测，但是特定六面结构使得整个风速传感器结构过于复杂。

2018年哈尔滨理工大学姜宗泽提出一种三维光纤光栅风速风向传感器；当风吹到挡风板上，挡风板受力，支撑杆弯曲，通过检测由于支撑杆弯曲带来的光纤弯曲应变，分别检测X、Y、Z轴上的风速大小，矢量合成风速大小和三维风向；结构有3个支撑杆和3个挡风板，其结构仍可以进一步优化。

申请号CN201510883889.7公开了一种交流自加热式风速风向传感器及其测量方法，其主要组成部分通常是由一个发热元件和若4个正交排列在发热元件周围的感知温差的半导体热电偶构成；该热式风速传感器可以用于检测二维风的风速和风向，但是其测温元件通常使用热电偶，易受环境磁场影响。

运用热式测量原理制备的热式风速仪是用来测量气流速度的仪表，因其测量准确度高、使用方便、测量范围宽、灵敏度高而被广泛应用；热式风速仪多采用测温电阻或热电偶作为测温元件，存在着易受环境磁场干扰，使得传感器对风速和风向的测量精度降低。

与传统的测温原件相比，光纤光栅温度传感器具有可靠性高、抗腐蚀、抗电磁干扰、灵敏度高等特点，适合在恶劣环境中工作。

由公开资料检索可见，采用在加热电阻周围设置测温元件属于热式风速传感器的通用方法，但是采用光纤光栅温度传感器作为测温元件用来提高风速传感器的抗腐蚀性、抗电磁干扰并具有高灵敏度的风速风向传感器未见报道。

发明内容

本发明目的是提出一种热式光纤三维风速风向传感器及测量方法，利用两个相互垂直分布的热式风速风向传感器，把对三维风速风向的测量问题，转化为对两个相互垂直平面的风速风向的测量问题，通过矢量合成的方法得到待测环境的三维风速风向；同时利用光纤光栅温度传感器具有可靠性高、抗腐蚀、抗电磁干扰等特性解决现有热式风速传感器抗磁效果较差，在恶劣环境下寿命较短等问题，使热式风速风向传感器达到具有抗磁效果、提高检测精度和延长使用寿命的目的。

本发明采用的技术方案是：一种热式光纤三维风速风向传感器，包括：基座，支撑杆3个，热式光纤光栅风速传感器2个，1个环境温度传感器。

进一步的，所述3个支撑杆以其中一根基础支撑杆，另外两根支撑杆组成一种相互垂直的结构，其平面法线分别对应空间坐标系中X,Y,Z轴的任意两坐标轴(附图选择Y轴和Z轴)，且所述支撑杆的材料为玻璃、陶瓷、塑料、铁、铝、铜及其合金的一种或几种。

进一步的，所述热式光纤光栅风速传感器通过镶嵌或粘接的方式安装在两根非基础支撑杆的端面上。