本實(shí)用新型涉及基于光纖光柵傳感技術(shù)的風(fēng)速檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光纖無源式風(fēng)速測量裝置。

背景技術(shù)：

目前測量空氣流速的儀器廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，如電力、鋼鐵、石化、節(jié)能等行業(yè)，日常生活中，很多行業(yè)都需要用到風(fēng)速監(jiān)測裝置，如風(fēng)扇制造業(yè)、出海捕撈業(yè)、抽風(fēng)排風(fēng)供暖系統(tǒng)等等，都需要利用風(fēng)速測量裝置進(jìn)行風(fēng)速、風(fēng)溫、風(fēng)量的測量?，F(xiàn)有的風(fēng)速測量裝置分為兩大類：有源測量裝置和無源測量裝置，如電子風(fēng)杯式、熱線式、超聲波式、多普勒頻移式以及皮托管式均屬于有源測量；而光纖光柵接觸式測量風(fēng)速。在有源測量裝置中較為常用的是電子式風(fēng)速測量技術(shù)，其以電子信息處理技術(shù)為基礎(chǔ)的特點(diǎn)注定其將受到有源供電、易受電磁干擾、信號遠(yuǎn)程傳輸不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸容量受限等因素的制約，限制了其應(yīng)用環(huán)境的局限性，尤其是在一些強(qiáng)磁、強(qiáng)電環(huán)境下電子式風(fēng)速測量設(shè)備的安全性和可靠性收到了極大的挑戰(zhàn)。

而光纖光柵傳感技術(shù)的出現(xiàn)，除突破了有源供電和強(qiáng)電、強(qiáng)磁等干擾因素的限制外，還具有靈敏度高、體積小、質(zhì)量輕、成本低的優(yōu)點(diǎn)，并且具有本征自相干能力強(qiáng)和在一根光纖上利用復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)復(fù)用、多參量分布式區(qū)分測量的獨(dú)特優(yōu)勢。雖然現(xiàn)有的光纖光柵傳感技術(shù)的無源在線風(fēng)速監(jiān)測方法，能夠彌補(bǔ)現(xiàn)有電子式風(fēng)速測量裝置傾角測量方法的不足，有利于計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測和多元化分析，但是現(xiàn)有的光纖光柵傳感技術(shù)的無源在線風(fēng)速監(jiān)測裝置采用接觸式，長時(shí)間的接觸摩擦?xí)斐娠L(fēng)速監(jiān)測裝置的磨損與老化，影響裝置的正常工作；并且，現(xiàn)有的光纖光柵傳感技術(shù)的無源在線風(fēng)速監(jiān)測裝置是通過獲取波長數(shù)據(jù)來測量風(fēng)速的，而在風(fēng)速的監(jiān)測過程中，光纖光柵應(yīng)變傳感器周圍的溫度會產(chǎn)生變化，溫度的變化會影響光纖光柵應(yīng)變傳感器，即對中心波長產(chǎn)生影響，從而不能保證風(fēng)速測量的精確度和可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本實(shí)用新型提供一種光纖無源式風(fēng)速測量裝置，用于解決現(xiàn)有光纖光柵風(fēng)速測量裝置存在的磨損、老化的問題以及溫度的變化降低風(fēng)速測量的精確度和可靠性的問題。

(二)技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供一種光纖無源式風(fēng)速測量裝置，包括固定底盤、風(fēng)杯結(jié)構(gòu)以及光纖光柵應(yīng)變傳感器；所述固定底盤上設(shè)有能夠相對所述固定底盤轉(zhuǎn)動的中心轉(zhuǎn)軸，所述中心轉(zhuǎn)軸上連接有所述風(fēng)杯結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)動圓盤，所述轉(zhuǎn)動圓盤上設(shè)有磁鐵；所述光纖光柵應(yīng)變傳感器設(shè)置在懸臂梁的懸臂上，所述懸臂梁的自由端設(shè)有能夠與所述轉(zhuǎn)動圓盤的磁鐵在軸向方向上相對的磁鐵。

其中，所述中心轉(zhuǎn)軸通過軸承固定裝置設(shè)置在所述固定底盤上。

其中，所述中心轉(zhuǎn)軸貫穿所述固定底盤和所述軸承固定裝置，所述中心轉(zhuǎn)軸的一端與所述風(fēng)杯結(jié)構(gòu)連接，所述中心轉(zhuǎn)軸的另一端固定在所述轉(zhuǎn)動圓盤的中心區(qū)域。

其中，所述懸臂梁設(shè)置在所述固定底盤上。

其中，所述光纖光柵應(yīng)變傳感器焊接在所述懸臂梁上。

其中，所述風(fēng)杯結(jié)構(gòu)為三杯式風(fēng)杯結(jié)構(gòu)。

其中，所述風(fēng)杯結(jié)構(gòu)的風(fēng)杯為半圓式。

其中，所述風(fēng)杯結(jié)構(gòu)的材料為鋁。

其中，所述轉(zhuǎn)動圓盤的材料為鋁。

(三)有益效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型所提供的光纖無源式風(fēng)速測量裝置具有如下有益效果：

1、本實(shí)用新型的光纖無源式風(fēng)速測量裝置，采用在轉(zhuǎn)動圓盤和懸臂梁結(jié)構(gòu)對應(yīng)位置設(shè)置磁鐵的方法，利用非接觸的磁力作用將風(fēng)速量化為一個周期性變化的應(yīng)力。該設(shè)計(jì)一方面可以減少硬性連接裝置長期工作對裝置帶來的磨損，另一方面通過對應(yīng)變頻率的檢測能夠消除溫度變化對測量結(jié)果的影響，極大的提高了風(fēng)速測量的精確度和可靠性；

2、本實(shí)用新型的光纖無源式風(fēng)速測量裝置，采用半圓式的風(fēng)杯，該結(jié)構(gòu)可以增大受風(fēng)面積，增大受風(fēng)力度，有效提高啟動風(fēng)速；采用無磁的鋁材料制的轉(zhuǎn)動圓盤，避免磁性的干擾給裝置帶來的性能劣變；采用軸承固定中心轉(zhuǎn)軸的方式，可以消除中心轉(zhuǎn)軸與固定結(jié)構(gòu)的摩擦，降低裝置的啟動風(fēng)速，消除因摩擦給裝置零部件帶來的損害，從而改善裝置的性能，保證裝置的靈活性和實(shí)用性。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的光纖無源式風(fēng)速測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中，1：風(fēng)杯結(jié)構(gòu)；2：軸承固定結(jié)構(gòu)；3：中心轉(zhuǎn)軸；4：底盤；5：轉(zhuǎn)動圓盤；6：磁鐵；7：懸臂梁；8：光纖光柵應(yīng)變傳感器。

具體實(shí)施方式

為了便于理解本實(shí)用新型，下面將參照相關(guān)附圖對本實(shí)用新型進(jìn)行更全面的描述。附圖中給出了本實(shí)用新型的較佳實(shí)施方式。以上僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例，并非因此限制本實(shí)用新型的專利范圍，凡是利用本實(shí)用新型說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本實(shí)用新型的專利保護(hù)范圍內(nèi)。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與屬于本實(shí)用新型的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本實(shí)用新型的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具體的實(shí)施方式的目的，不是旨在于限制本實(shí)用新型。本文所使用的術(shù)語“及/或”包括一個或多個相關(guān)的所列項(xiàng)目的任意的和所有的組合。

本實(shí)用新型提供一種光纖無源式風(fēng)速測量裝置，用于解決現(xiàn)有光纖光柵風(fēng)速測量裝置存在的磨損、老化的問題，避免溫度的變化對降低風(fēng)速測量的精確度和可靠性的影響。

如圖1所示，本實(shí)用新型實(shí)施例中提供一種光纖無源式風(fēng)速測量裝置，包括固定底盤4、風(fēng)杯結(jié)構(gòu)1以及光纖光柵應(yīng)變傳感器8；固定底盤4上設(shè)有能夠相對固定底盤4轉(zhuǎn)動的中心轉(zhuǎn)軸3，中心轉(zhuǎn)軸3上連接有風(fēng)杯結(jié)構(gòu)1和轉(zhuǎn)動圓盤5，轉(zhuǎn)動圓盤5上設(shè)有磁鐵；光纖光柵應(yīng)變傳感器8設(shè)置在懸臂梁7的懸臂上，懸臂梁7的自由端設(shè)有能夠與轉(zhuǎn)動圓盤5的磁鐵在軸向方向上相對的磁鐵。在風(fēng)吹動風(fēng)杯結(jié)構(gòu)1帶動中心轉(zhuǎn)軸3轉(zhuǎn)動時(shí)，與中心轉(zhuǎn)軸3固定連接的轉(zhuǎn)動圓盤5也隨之轉(zhuǎn)動，設(shè)置在轉(zhuǎn)動圓盤5上的磁鐵與懸臂梁7自由端的磁鐵能夠在某一時(shí)刻在軸向方向相互對應(yīng)從而相互作用，產(chǎn)生非接觸的磁力作用，懸臂梁7上的光纖光柵應(yīng)變傳感器8受到力的作用，從而改變光纖光柵的中心波長，在風(fēng)帶動轉(zhuǎn)動圓盤5轉(zhuǎn)動過程中，通過檢測單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)變波形的峰值的數(shù)量即可得到應(yīng)變頻率，再根據(jù)應(yīng)變和風(fēng)速之間的關(guān)系推導(dǎo)出實(shí)時(shí)風(fēng)速。

本實(shí)用新型采用在轉(zhuǎn)動圓盤5和懸臂梁7上的對應(yīng)位置設(shè)置磁鐵，能夠利用非接觸的磁力作用巧妙的將風(fēng)速量化為一個周期性變化的應(yīng)力。通過檢測應(yīng)力變化的頻率(單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)變波形的峰值的數(shù)量)測得最終實(shí)時(shí)風(fēng)速，該設(shè)計(jì)一方面能夠減少硬性連接裝置長時(shí)間工作對裝置帶來的磨損，另一方面通過對應(yīng)變頻率的檢測消除了溫度變化對測量結(jié)果的影響，能夠提高風(fēng)速測量的精確度和可靠性。

可以理解的是，本實(shí)施例中的光纖光柵應(yīng)變傳感器8為光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating簡稱FBG)應(yīng)變傳感器。本實(shí)用新型利用的光纖光柵應(yīng)變傳感器具有可實(shí)現(xiàn)無源化操作、可抗強(qiáng)電和強(qiáng)磁干擾、體積小、質(zhì)量輕、抗腐蝕和耐高溫等特點(diǎn)。

本實(shí)施例中，中心轉(zhuǎn)軸3通過軸承固定裝置2設(shè)置在固定底盤4上。中心轉(zhuǎn)軸3貫穿固定底盤4和軸承固定裝置2，軸承固定裝置2連接在固定底盤4的底部，由此中心轉(zhuǎn)軸3可通過軸承固定裝置2設(shè)置在固定底盤4上。該采用軸承固定中心轉(zhuǎn)軸3的方式，能夠消除中心轉(zhuǎn)軸3與固定結(jié)構(gòu)的摩擦，極大的降低裝置的啟動風(fēng)速，而且能夠消除因摩擦給裝置零部件帶來的損害，從而改善裝置的性能，保證裝置的靈活性和實(shí)用性。

本實(shí)施例中，中心轉(zhuǎn)軸3的底端與風(fēng)杯結(jié)構(gòu)1連接，中心轉(zhuǎn)軸3的頂端固定在轉(zhuǎn)動圓盤5的中心區(qū)域。轉(zhuǎn)動圓盤的底部設(shè)置磁鐵，懸臂梁7設(shè)置在固定底盤4的靠近邊緣處，懸臂梁7自由端的上方設(shè)置磁鐵，并使得兩處的磁鐵能夠與在軸向方向上相對應(yīng)。

本實(shí)施例中，懸臂梁7的懸臂的上表面焊接有光纖光柵應(yīng)變傳感器8，轉(zhuǎn)動過程中，懸臂梁7自由端的磁鐵與轉(zhuǎn)動圓盤5底部的磁鐵能夠?qū)R，從而使得兩處的磁鐵相互作用，為了產(chǎn)生較明顯的磁力作用，兩處磁鐵對齊時(shí)應(yīng)保持一定的距離，即轉(zhuǎn)動圓盤與固定底盤在軸向方向上需要保持一定的距離，以保證足夠的磁力作用，懸臂梁7上的磁鐵受到轉(zhuǎn)盤上磁鐵磁力的作用，帶動懸臂梁自由端的形變，懸臂梁自由端的變化會帶動光纖光柵中心波長的漂移，轉(zhuǎn)動圓盤每轉(zhuǎn)動一次，光纖光柵的中心波長就會產(chǎn)生一個周期的漂移。

可以理解的是，風(fēng)杯結(jié)構(gòu)1為多杯式風(fēng)杯結(jié)構(gòu)，本實(shí)施例中，風(fēng)杯結(jié)構(gòu)1采用三杯式風(fēng)杯結(jié)構(gòu)。

本實(shí)施例中，風(fēng)杯結(jié)構(gòu)1的風(fēng)杯為半圓式，此結(jié)構(gòu)可以增大受風(fēng)面積，增加受風(fēng)力度，有效的提高啟動風(fēng)速。

本實(shí)施例中，風(fēng)杯結(jié)構(gòu)1的材料為鋁，由于鋁材料輕質(zhì)、不生銹，則采用鋁制的風(fēng)杯結(jié)構(gòu)既可以避免風(fēng)杯長期暴漏在外面生銹的問題，還可以增加風(fēng)杯轉(zhuǎn)動的靈活性。

本實(shí)施例中，轉(zhuǎn)動圓盤5的材料為鋁，鋁質(zhì)輕，且沒有磁性，在轉(zhuǎn)動的過程中會更加靈活且不受下方固定在懸臂梁末端的磁鐵的影響，避免了磁性的干擾給裝置帶來的性能劣變。

本實(shí)用新型提供的光纖無源式風(fēng)速測量裝置的具體實(shí)施原理及工作方式如下所述：

當(dāng)該光纖無源式風(fēng)速測量裝置所處環(huán)境有風(fēng)時(shí)，在風(fēng)的作用下，使得風(fēng)杯轉(zhuǎn)動，風(fēng)杯通過中心轉(zhuǎn)軸3帶動轉(zhuǎn)動圓盤5以風(fēng)杯的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。懸臂梁7自由端和轉(zhuǎn)動圓盤5的底面鑲有固定的磁鐵，當(dāng)轉(zhuǎn)動圓盤5底面的磁鐵和懸臂梁7自由端的磁鐵轉(zhuǎn)到剛好在軸向方向相對時(shí)，兩磁鐵相互作用，使得懸臂梁7的懸臂發(fā)生形變，在懸臂梁7上的光纖光柵受到力的作用，中心波長產(chǎn)生漂移，經(jīng)解調(diào)儀采集信息，將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，以備程序處理。風(fēng)杯每轉(zhuǎn)動一圈就會發(fā)生一次應(yīng)變過程。風(fēng)速越大，風(fēng)杯轉(zhuǎn)動的速率就越大，即轉(zhuǎn)速就越高，單位時(shí)間內(nèi)光纖光柵應(yīng)變的次數(shù)就會越多，也即光纖光柵受拉伸或壓縮應(yīng)變的頻率就越高，通過監(jiān)測單位時(shí)間內(nèi)光纖光柵應(yīng)變頻率，就可計(jì)算出實(shí)時(shí)風(fēng)速大小。

兩磁鐵之間在軸向方向相對時(shí)，所產(chǎn)生的相互作用力可以是排斥力，也可以是吸引力，這兩種作用力均可以使得中心波長產(chǎn)生偏移，能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)變頻率的檢測。

當(dāng)懸臂梁7與轉(zhuǎn)動圓盤5軸向距離使得兩磁鐵產(chǎn)生排斥作用時(shí)，懸臂梁上表面向下發(fā)生變形，產(chǎn)生拉伸的形變，安裝在懸臂梁7上表面的光纖光柵受到拉伸的力作用，光纖光柵的中心波長往大偏移，經(jīng)解調(diào)儀采集信息，將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，以備程序處理。

當(dāng)懸臂梁7與轉(zhuǎn)動圓盤5軸向距離使得兩磁鐵產(chǎn)生吸引作用時(shí)，懸臂梁上表面向上發(fā)生變形，產(chǎn)生壓縮的形變，安裝在懸臂梁7上表面的光纖光柵受到壓縮的力作用，光纖光柵的中心波長往小偏移，經(jīng)解調(diào)儀采集信息，將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，以備程序處理。

本實(shí)用新型基于光纖光柵傳感器的無源在線風(fēng)速監(jiān)測裝置，巧妙的將風(fēng)杯所受的來自風(fēng)的力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變懸臂梁末端受到的非接觸的磁力作用，引起裝有光纖光柵應(yīng)變傳感器的懸臂梁應(yīng)變，從而獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。這種設(shè)計(jì)即減小了裝置之間由于摩擦帶來的裝置損壞，又克服了溫度的變化對中心波長的影響，使結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。