基于双球-单模光纤应变传感器的风速监测装置

1.本实用新型涉及风速检测技术领域，具体是基于双球-单模光纤应变传感器的风速监测装置。


背景技术：

2.风速检测技术在风力发电、气象监测、航海航天等领域有着广泛的运用。现有的风速检测装置主要分为两大类：一类是依托于有源供电的电子风囊式、热线式、超声波式等有源测量装置；另一类是基于光纤光栅传感器的无源测量装置。目前常用的是有源测量装置，而在有源测量装置中，因为有源测量装置主要运用电子信息处理技术处理信号，容易受到电磁干扰或信号远程传输不稳定、数据传输容量受限等因素的制约，导致有源测量装置应用环境受到极大的局限性，尤其是在一些强磁、强电环境下电子式风速测量设备的安全性和可靠性具有极大的误差性针对以上有源风速测量装置存在的问题，近几年提出了利用光纤、光栅传感原理设计出无源风速测量装置。如中国专利申请号为“202020756517.4”的“一种光纤式风速检测装置”专利提供了一种利用悬臂梁和文丘里管光纤式风速检测装置，该装置实现了检测现场无电子器件，可在强电磁干扰及易燃易爆环境下工作的效果；该装置测量风速时由于其装置检测时受风向影响太大，不利于风速的准确测量；其次该装置当风速过快时，悬臂梁急速变化会致使光纤中光源的传播不稳定。又如中国专利申请号为201610867925.5的“一种光纤无源式风速测量装置”专利提供了用于解决现有光纤光栅风速测量装置存在的磨损、老化问题以及温度的变化降低风速测量的精确度和可靠性的问题，该装置同样存在着当风速过快时，悬臂梁急速变化会致使光纤中光源的传播不稳定问题。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的是针对现有技术的不足，而提供一种基于双球-单模光纤应变传感器的风速监测装置。这种装置能在强电磁干扰及易燃易爆环境下工作且不受风向影响、还能够在强风速状态下稳定传播信号，可实现户外多点实时监测风速的功能。
4.实现本实用新型目的的技术方案是：
5.一种基于双球-单模光纤应变传感器的风速监测装置，包括三叶风囊单元、侧面传动单元、底部传动单元和双球-单模光纤应变传感器，其中，
6.所述三叶风囊单元设有三叶风囊转轴和在转轴的朝上的一端呈对称分布的三个结构一致的风囊，三叶风囊转轴的下端固定在三叶风囊底座滑块上，三叶风囊转轴的中部设有转轴齿轮；
7.所述侧面传动单元设有第一滑轨，在第一滑轨上与第一滑轨滑动方向一致的中心线长度四分之三处位于第一滑轨的两侧分别设有垂直该中心线的第一挡板和第二挡板，第一挡板和第二挡板之间的间距为0.5cm-1cm，第一滑轨距离第一挡板和第二挡板的近端端头中心点处设有第一定滑轮，在第一滑轨距离第一挡板和第二挡板的远端端头方向的一侧
滑轨上设有第一齿条滑块，第一齿条滑块可在远离第一定滑轮方向的端头朝第一定滑轮方向十分之一处至第一挡板和第二挡板之间的第一滑轨上滑动，第一齿条滑块与转轴齿轮相互啮合，第一齿条滑块上设有静力拉绳；
8.所述底部传动单元设有第二滑轨，三叶风囊底座滑块垂直可滑动固定在第二滑轨靠近第二滑轨一端端头的位置处，第二滑轨的另一端即远离三叶风囊底座滑块的一端端头中心点处设有第二定滑轮，第二滑轨上位于与第二滑轨滑动方向一致的中心线的中心点处的两侧分别设有第三挡板和第四挡板，第三挡板和第四挡板间距不小于2cm，第三挡板在第二滑轨上位于靠近三叶风囊底座滑块的一侧、第四挡板在第二滑轨上位于靠近第二定滑轮的一侧，第二滑轨上设有可在三叶风囊底座滑块与第三挡板之间的滑动的第二滑块，第二滑轨上设有可在第四挡板与第二定滑轮之间的滑动的第三滑块，三叶风囊底座滑块与第二滑块之间设有连接用的约束轻杆，三叶风囊底座滑块与第二滑块在约束轻杆的作用下同步滑动的，第二滑块与第三滑块上分别设有第一紧固件和第二紧固件，双球-单模光纤应变传感器通过第一紧固件和第二紧固件固定在第二滑块与第三滑块上，静力拉绳穿过第一挡板和第二挡板之间的缝隙绕过第一定滑轮、然后再绕过第二定滑轮固定在第三滑块上。
9.所述双球单模光纤应变传感器的结构为将两段光纤的一端放电融成呈外形大小相近的球状体，再将融好后的两个球状体用1cm长的单模光纤熔接成一整条光纤。
10.所述风囊采用三叶半圆式风囊，三叶半圆式风囊可以增大受风面积和受风力度，受风力度经过传动装置传感到光纤应变传感器中可实现实时传播信号。
11.所述双球-单模光纤应变传感器的结构为将两段光纤的一端放电融成呈外形大小相近的球状体，再将融好后的两个球状体用1cm长的单模光纤熔接成一整条光纤，通过应变测试可测出所述双球-单模结构光纤应变传感器的应变-光功率线性关系。
12.本技术方案中当风向使三叶风囊单元中的三个风囊顺时针转动时，转轴齿轮也会顺时针转动，而第一齿条滑块在第一挡板和第二挡板的共同作用下固定不动，转轴齿轮因顺时针转动且与第一齿条滑块啮合的作用会带动三叶风囊底座滑块向近第二滑轨一端的端头具有运动趋势，由于约束轻杆将三叶风囊底座滑块和第二滑块相连，故第二滑块会受到向三叶风囊底座滑块方向上的拉力，又因为双球-单模结构光纤应变传感器通过第一紧固件和第二紧固件固定在第二滑块与第三滑块上，而第三滑块受到第四挡板的约束作用无法移动，所以双球-单模结构光纤应变传感器会受到第二滑块向三叶风囊底座滑块方向上的拉力，并且发生一定微小移动，使双球-单模结构光纤应变传感器产生对应的应变；
13.当风向使三叶风囊单元中的三个风囊逆时针转动时，转轴齿轮也会逆时针转动并且带动三叶风囊底座滑块具有向第二定滑轮的运动趋势，由于约束轻杆将三叶风囊底座滑块和第二滑块相连，而光纤第二滑块受到第三挡板的约束作用无法移动，所以此时三叶风囊底座滑块固定不动，而齿条滑块会具有远离第一定滑轮的运动趋势，又因为双球-单模结构光纤应变传感器通过第一紧固件和第二紧固件固定在第二滑块与第三滑块上，而第三滑块的一端通过静力拉绳绕过第二定滑轮和第一定滑轮与齿条滑块的一端相连，由于齿条滑块会具有远离第一定滑轮的运动趋势和静力拉绳的存在，此时第三滑块会受到向第二定滑轮的拉力并且发生一定微小移动，所以此时双球-单模结构光纤应变传感器因紧固件和第三滑块的固定作用会接收到第三滑块向第二定滑轮的拉力，使双球-单模结构光纤应变传感器产生对应的应变。
14.上述双球-单模光纤应变传感器的风速监测装置工作过程如下：
15.1）将基于双球-单模光纤应变传感器的风速监测装置与光源发射设备和信号解调设备连接， 光源发射设备将光信号传播给基于双球-单模光纤应变传感器的风速监测装置，其中，光源发射设备持续稳定输出光功率为7.5dbm的光信号，解调设备接收所述风速监测装置光信号，并解调出波长为1458nm处对应的光功率，根据光功率大小可知所述双球-单模结构光纤应变传感器对应的应变大小，进而根据所述风速监测装置的传动原理可知此时风速大小；
16.2）基于双球-单模光纤应变传感器的风速监测装置通过三叶风囊单元中的风囊感受风速，感受风速之后，三叶风囊转轴和转轴齿轮会同步转动，根据三叶风囊转轴转向的不同，其转动产生的扭矩可通过侧面传动单元或底部传动单元将感受到的风速传给双球-单模光纤应变传感器，最后可将风速转换成光信号输送给信号解调设备，感受到风速之后将风速转换成光信号输送给信号解调设备；
17.3）信号解调设备解调出此时风速大小。
18.光源发射部分可以持续稳定向光纤传输光功率为7.5dbm的光源，光源经过光纤后通过风速监测装置的input口进入风速监测装置中双球-单模光纤应变传感器。
19.此时风速监测装置的三叶风囊单元中的风囊感受风速，当风速开始变化时风速监测装置的风囊单位面积受到的力会随风速变化，对应三叶风囊转轴顺时针或逆时针转动角度会发生改变，通过上述风速监测装置两种不同转向的传动原理，最终会将风囊受到的力传输给双球-单模光纤应变传感器，此时双球-单模光纤应变传感器产生对应的应变随风囊受到的力变化，双球-单模光纤应变传感器产生应变后会对传输光信号的功率有特定的影响，最终从风速监测装置的output口将光信号通过光纤传输给信号解调部分，再由信号解调部分接收风速监测装置光信号，并解调出波长为1458nm处对应的光功率，根据光功率大小可知所述双球-单模光纤应变传感器对应的应变大小，由双球-单模光纤应变传感器对应的应变大小再根据所述风速监测装置的传动原理可知此时风速大小。
20.与现有技术相比，本技术方案具有如下有益效果：
21.1.采用三叶半圆式风囊，可以增大受风面积和受风力度，受风力度经过传动装置传感到光纤应变传感器中可实现实时传播信号；
22.2.不论三叶风囊正转亦或者反转都能及时将受风力度传感到光纤应变传感器，不受风向影响，使得本装置不仅能在在强电磁干扰及易燃易爆环境下工作，还能够在强风速状态下稳定传播信号，可实现户外多点实时监测风速的功能。
23.这种装置能在强电磁干扰及易燃易爆环境下工作且不受风向影响、还能够在强风速状态下稳定传播信号，可实现户外多点实时监测风速的功能。
附图说明
24.图1为实施例中监测系统的连接示意图；
25.图2为实施例中风速检测装置结构示意图；
26.图3为实施例中光纤应变传感器中光纤结构放大示意图，其中，3-1、3-2为球状体光纤段。
27.图中，1.三叶风囊单元 2.侧面传动单元 3.底部传动单元 4.双球-单模光纤应变
传感器 5.三叶风囊转轴 6.风囊 7.三叶风囊底座滑块 8.转轴齿轮 9.第一滑轨 10.第一挡板 11.第二挡板 12.第一定滑轮 13.第一齿条滑块 14.静力拉绳 15.第二滑轨 16.第二定滑轮 17.第三挡板 18.第四挡板 19.第二滑块 20.第三滑块 21.第一紧固件 22.第二紧固件 23.input光信号输入口 24.output光信号输出口，3-1.第一球状体3-2.第二球状体。
具体实施方式
28.下面结合附图和实施例对本实用新型的内容做进一步的阐述，但不是对本实用新型的限定。
29.实施例：参照图2，一种基于双球-单模光纤应变传感器的风速监测装置， 包括三叶风囊单元1、侧面传动单元2、底部传动单元3和双球-单模光纤应变传感器4，其中，
30.所述三叶风囊单元1设有三叶风囊转轴5和在转轴5的朝上的一端呈对称分布的三个结构一致的风囊6，三叶风囊转轴5的下端固定在三叶风囊底座滑块7上，三叶风囊转轴5的中部设有转轴齿轮8；
31.本例侧面传动单元2设有第一滑轨9，在第一滑轨9上与第一滑轨9滑动方向一致的中心线长度四分之三处位于第一滑轨9的两侧分别设有垂直该中心线的第一挡板10和第二挡板11，第一挡板10和第二挡板11之间的间距为0.5cm-1cm，第一滑轨9距离第一挡板10和第二挡板11的近端端头中心点处设有第一定滑轮12，在第一滑轨9距离第一挡板10和第二挡板11的远端端头方向的一侧滑轨上设有第一齿条滑块13，第一齿条滑块13可在远离第一定滑轮12方向的端头朝第一定滑轮12方向十分之一处至第一挡板10和第二挡板11之间的第一滑轨9上滑动，第一齿条滑块13与转轴齿轮8相互啮合，第一齿条滑块13上设有静力拉绳14；
32.本例底部传动单元3设有第二滑轨15，三叶风囊底座滑块7垂直可滑动固定在第二滑轨15靠近第二滑轨15一端端头的位置处，第二滑轨15的另一端即远离三叶风囊底座滑块7的一端端头中心点处设有第二定滑轮16，第二滑轨15上位于与第二滑轨15滑动方向一致的中心线的中心点处的两侧分别设有第三挡板17和第四挡板18，第三挡板17和第四挡板18间距不小于2cm，第三挡板17在第二滑轨15上位于靠近三叶风囊底座滑块7的一侧、第四挡板18在第二滑轨15上位于靠近第二定滑轮16的一侧，第二滑轨15上设有可在三叶风囊底座滑块7与第三挡板17之间的滑动的第二滑块19，第二滑轨15上设有可在第四挡板18与第二定滑轮16之间的滑动的第三滑块20，三叶风囊底座滑块7与第二滑块19之间设有连接用的约束轻杆，三叶风囊底座滑块7与第二滑块19在约束轻杆的作用下同步滑动的，第二滑块19与第三滑块20上分别设有第一紧固件21和第二紧固件22，双球-单模光纤应变传感器4通过第一紧固件21和第二紧固件22固定在第二滑块19与第三滑块20上，静力拉绳14穿过第一挡板10和第二挡板11之间的缝隙绕过第一定滑轮12、然后再绕过第二定滑轮16固定在第三滑块20上。
33.本例风囊6采用三叶半圆式风囊，三叶半圆式风囊可以增大受风面积和受风力度，受风力度经过传动装置传感到光纤应变传感器中可实现实时传播信号。
34.本例双球-单模光纤应变传感器4的结构为将两段光纤的一端放电融成呈外形大小相近的第一球状体3-1和第二球状体3-2，再将融好后的第一球状体3-1和第二球状体3-2
用1cm长的单模光纤熔接成一整条光纤，双球-单模光纤应变传感器4的结构制备完成后一端接入input光信号输入口23，output光信号输出口24通过应变测试可测出所述双球-单模结构光纤应变传感器的应变-光功率线性关系。
35.本例中当风向使三叶风囊单元1中的三个风囊6顺时针转动时，转轴齿轮8也会顺时针转动，而第一齿条滑块13在第一挡板10和第二挡板11的共同作用下固定不动，转轴齿轮8因顺时针转动且与第一齿条滑块13啮合的作用会带动三叶风囊底座滑块7向近第二滑轨15一端的端头具有运动趋势，由于约束轻杆将三叶风囊底座滑块7和第二滑块19相连，故第二滑块19会受到向三叶风囊底座滑块7方向上的拉力，又因为双球-单模结构光纤应变传感器4通过第一紧固件21和第二紧固件22固定在第二滑块19与第三滑块20上，而第三滑块20受到第四挡板18的约束作用无法移动，所以双球-单模结构光纤应变传感器4会受到第二滑块19向三叶风囊底座滑块7方向上的拉力，并且发生一定微小移动，使双球-单模结构光纤应变传感器4产生对应的应变。
36.本例中当风向使使三叶风囊单元1中的三个风囊6逆时针转动时，转轴齿轮8也会逆时针转动并且带动三叶风囊底座滑块7具有向第二定滑轮16的运动趋势，由于约束轻杆将三叶风囊底座滑块7和第二滑块19相连，而光纤第二滑块19受到第三挡板17的约束作用无法移动，所以此时三叶风囊底座滑块7固定不动，而齿条滑块13会具有远离第一定滑轮13的运动趋势，又因为双球-单模结构光纤应变传感器4通过第一紧固件21和第二紧固件22固定在第二滑块19与第三滑块20上，而第三滑块20的一端通过静力拉绳14绕过第二定滑轮16和第一定滑轮12与齿条滑块13的一端相连，由于齿条滑块13会具有远离第一定滑轮13的运动趋势和静力拉绳14的存在，此时第三滑块20会受到向第二定滑轮16的拉力并且发生一定微小移动，所以此时双球-单模结构光纤应变传感器4因紧固件22和第三滑块20的固定作用会接收到第三滑块20向第二定滑轮16的拉力，使双球-单模结构光纤应变传感器4产生对应的应变。
37.如图1所示，上述双球-单模光纤应变传感器的风速监测装置工作过程如下：
38.1）将基于双球-单模光纤应变传感器的风速监测装置与光源发射设备和信号解调设备连接， 光源发射设备将光信号传播给基于双球-单模光纤应变传感器的风速监测装置input光信号输入口23，其中，光源发射设备持续稳定输出光功率为7.5dbm的光信号，解调设备接收所述风速监测装置光信号，并解调出波长为1458nm处对应的光功率，根据光功率大小可知所述双球-单模结构光纤应变传感器对应的应变大小，进而根据所述风速监测装置的传动原理可知此时风速大小；
39.2）基于双球-单模光纤应变传感器的风速监测装置通过三叶风囊单元1中的风囊6感受风速，感受风速之后，三叶风囊转轴5和转轴齿轮8会同步转动，根据三叶风囊转轴5转向的不同，其转动产生的扭矩可通过侧面传动单元2或底部传动单元3将感受到的风速传给双球-单模光纤应变传感器，最后可将风速转换成光信号通过output光信号输出口24输送给信号解调设备，感受到风速之后将风速转换成光信号输送给信号解调设备；
40.3）信号解调设备解调出此时风速大小。
41.本例中光源发射部分可以持续稳定向光纤传输光功率为7.5dbm的光源，光源经过光纤后通过风速监测装置的input光信号输入口23进入风速监测装置中双球-单模光纤应变传感器。
42.此时风速监测装置的三叶风囊单元1中的风囊6感受风速，当风速开始变化时风速监测装置的风囊6单位面积受到的力会随风速变化，对应三叶风囊转轴5顺时针或逆时针转动角度会发生改变，通过上述风速监测装置两种不同转向的传动原理，最终会将风囊6受到的力传输给双球-单模光纤应变传感器4，此时双球-单模光纤应变传感器4产生对应的应变随风囊6受到的力变化，双球-单模光纤应变传感器4产生应变后会对传输光信号的功率有特定的影响，最终从风速监测装置的output光信号输出口24将光信号通过光纤传输给信号解调部分，再由信号解调部分，接收所述风速监测装置光信号，并解调出波长为1458nm处对应的光功率，根据光功率大小可知双球-单模光纤应变传感器4对应的应变大小，由双球-单模光纤应变传感器4对应的应变大小再根据所述风速监测装置的传动原理可知此时风速大小。
43.本例中光纤应变传感器具有可实现无源化操作、可抗强电和强磁干扰、体积小、质量轻、抗腐蚀和耐高温等特点，不仅能在在强电磁干扰及易燃易爆环境下工作，还能够在强风速状态下稳定传播信号，可实现户外多点实时监测风速的功能。