专利名称：风杯式光纤风速检测仪及风速探头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种低成本高精度的风速仪，尤其涉及一种风杯式光纤风速检测仪。
背景技术：
风能是一种可再生、无污染的绿色能源，是取之不尽、用之不竭的，而且储量十分丰富。据估计，全球可利用的风能总量在53000TW*h/年。风能的大规模开发利用，将会有效减少石化能源的使用、减少温室气体排放、保护环境。大力发展风能已经成为各国政府的
重要选择。风电场选址往往在沙漠、沿海等偏远地区，电力、交通等设施都不健全，因此在风速检测装置安装时必须考虑到布线、远程检测问题，传感器安装受到最大的制约也是地理位置以及供电等问题。目前国内针对风速检测的电子产品研究比较多，但是这些产品依赖于供电、太阳能等，信号传输、抗干扰能力和长期稳定性也存在难以克服的问题。目前常用风速风向检测手段有毕托管测风速、热线热膜测风速风向、超声波测风速风向、机械式传感器测风速风向等。这些传感器均需要在当地进行供电，很难满足远距离传输，特别是几公里甚至几十公里远的在线检测。光栅式光纤风速仪(申请号201010135453. 7)能够满足远距离传输，是光纤传感技术在风速检测上的一次成功应用，但是实际使用中发现其检测精度不够高。传统风杯式风速仪采用线圈切割磁力线的方式，一般电信号每1. 5个脉冲信号代表lm/s的风速，同样光栅式光纤风速仪(申请号201010135453. 7)在风杯转动一圈时为一个方波脉冲光信号， 因此二者精度均不高。风速传感器有杯形和翼形两种。风杯风速计感应部分一般由三个半球形或抛物锥形空心杯壳组成，杯壳固定在互成120度的三叉型支架上。杯的凹面顺着一个方向排列，整个横臂架固定在一根垂直的旋转轴上。在风力作用下风杯受到扭力矩的作用而开始旋转， 它的转速和风速成一定的关系。当风杯转动时，通过多齿转盘下面的光敏三极管状态就能得到与风杯转速成正比的频率信号，经换算即可得出实际风速值。然而以上检测方式都有很大的弊端，毕托管式对狂风测不准，仪器本身对流场会产生扰动，全压孔需正对风向，不利于测量自然风，不能远程监测；热膜热偶式传感器在高风速时误差明显增大，用温度测量相应时间较长，三角函数法测量风向，受风速大小影响， 而且也不能远程监测；超声波法检测风速优点是无惯性测量，但是信号较弱，大风造成信号大幅度衰减，逆风信号捕捉困难，也不能远程检测；机械式检测，线性关系好，抗强风能力强，响应快、精度好，但是怕雷击和电磁干扰，远程检测时需要中继站和供电措施，不利于远程检测。
发明内容本专利采用光纤传感技术，大大增加了传感器的传输距离，当地无需供电，采用低成本器件极大地降低了传感器成本，采用码盘斩波结构，提高了检测精度。一种风杯式光纤风速检测仪，它包括激光器以及与之光连接的光纤耦合器和风速仪探头，光纤耦合器还与光电探测器光连接，光电探测器与信号处理电路电连接，其特征是所述风速仪探头包括转轴以及共同设置于转轴上的风杯和码盘，靠近码盘边缘设置至少一个通光孔，在码盘上下两侧正对通光孔设置光纤准直器和相应的反射镜。本方案的具体特点还有，激光器是F-P激光器、DFB激光器或者宽带光源。对波长以及带宽没有太大要求，激光能够满足在光纤中长距离传输的均可以采用。所述通光孔在码盘上均勻设置一圈，全部通光孔圆心位于以转轴轴心为圆心的同心圆上，准直器发出的光线与同心圆所在平面垂直并与同心圆圆周相交。所述码盘上的通光孔数目为100个。一种风速探头，它包括转轴，其特征是在靠近设置于转轴上的码盘边缘码盘边缘设置至少一个通光孔，在码盘上下两侧正对通光孔设置光纤准直器和相应的反射镜。本方案的具体特点还有，在转轴上设置有风杯。所述通光孔在码盘上均勻设置一圈，全部通光孔圆心位于以转轴轴心为圆心的同心圆上，准直器发出的光线与同心圆所在平面垂直并与同心圆圆周相交。所述码盘上的通光孔数目为100个。准直器发出的光线与同心圆所在平面垂直并与同心圆圆周相交。这样才能够使得码盘转动时形成对激光的斩波效果。码盘在转动时，会使得发射回的激光强度发生变化，经过光电转换后形成一些列方波，方波的个数或者方波的周期直接与风速相关，因此可以计算出风速值。本专利采用码盘一定范围内通光孔越多，则风速仪精度越高。例如当通光孔个数为100个时，较传统风杯式风速仪的每1米每秒的风速增加1. 5个脉冲，则本专利每1米每秒的风速增加150个脉冲，精度提高100倍；同样，光栅式光纤风速仪(申请号 201010135453. 7)风杯每转动1周产生1个脉冲，而本专利产生100个，精度可提高100倍。

图1为风杯式光纤风速远程检测仪系统原理图；图2为探头结构示意图；图3 码盘示意图；图4 码盘转动形成的光电转换后的方波信号图。图中1-风杯；2-固定轴承；3-码盘；4-准直器固定支架；5-反射镜；6_光纤准直器；7-转轴；8-光纤尾纤；9-轴孔；10-通光孔。
具体实施方式
实施例1如图2所示，一种风速探头，它包括转轴7，在靠近设置于转轴7上的码盘3边缘均勻设置一圈通光孔10，全部通光孔10圆心位于以转轴7轴心为圆心的同心圆上；在码盘 3上下两侧设置光纤准直器6和相应的反射镜5，光纤准直器6发出的光线与同心圆所在平面垂直并与同心圆圆周相交。在转轴7上设置有风杯1。所述码盘3上的通光孔10数目为 100个。在光纤准直器6上连接有光纤尾纤8。风场对风杯1施加压力造成风杯1旋转，风速越高旋转越快；风杯1与转轴7固定在一起，因此转轴7随风杯转动；转轴7由上下两个固定轴承2固定；转轴7上固定有一个码盘3，当风场带动风杯1旋转时，码盘3随之转动，风速越快，转动速度越快。实施例2本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于如图1所示，它是一种风杯式光纤风速检测仪，它包括激光器以及与之光连接的光纤耦合器和风速仪探头，光纤耦合器还与光电探测器光连接，光电探测器与信号处理电路电连接，激光器发出的光经过光纤耦合器，通过光缆传输到风速探头，风速探头返回的光信号原路经过光缆和光纤耦合器进入到光电探测器，光电探测器进行光电转换，将光信号转变为电信号，电信号经由信号处理单元，计算出风速值。激光器是F-P激光器、DFB激光器或者宽带光源。对波长以及带宽没有太大要求，激光能够满足在光纤中长距离传输的均可以采用。如图2所示，所述风速仪探头包括转轴7以及共同设置于转轴7上的风杯1和码盘3，靠近码盘3边缘均勻设置一圈通光孔10，全部通光孔10圆心位于以转轴7轴心为圆心的同心圆上；在码盘3上下两侧设置光纤准直器6和相应的反射镜5，光纤准直器6发出的光线与同心圆所在平面垂直并与同心圆圆周相交。在转轴7上设置有风杯1。所述码盘 3上的通光孔10数目为100个。在光纤准直器6上连接有光纤尾纤8。这样才能够使得码盘3转动时形成对激光的斩波效果。所述码盘3上的同心圆数目为100个。如图3所示，码盘3周围靠近边缘处一圈均勻分布有多个通光孔10，这些通光孔 10是用于斩波，能够对激光形成开-断-开-断的斩波调制作用。如图2所示，激光通过光缆到达探头后，经由光纤尾纤8连接到光纤准直器6 ；光纤准直器6将光耦合到空气中， 到达反射镜5后被原路返回到光纤中，并通过光缆返回到光电探测器；当码盘3上的通光孔 10转动到光纤准直器6与反射镜5之间时，此时激光从光纤准直器6中发出，被反射镜5反射，原路返回，中间无遮挡；当码盘3上的通光孔10不在光纤准直器6与反射镜5中间时， 激光被码盘3隔断，从而无反射光。信号处理时，分析获得的脉冲信号，通过脉冲周期大小以及码盘通光孔的个数来计算风杯转速，再根据风杯转速与风速的关系来计算出风速值。例如当码盘为100个通光孔时，如果检测到的方波信号为10个方波/秒，则说明此时的风杯转速为0. 1转/秒；如果每1米/秒的风速对应风杯1. 5转/秒，则此时转换为风速值为0. 15米/秒。
权利要求1.一种风杯式光纤风速检测仪，它包括激光器以及与之光连接的光纤耦合器和风速仪探头，光纤耦合器还与光电探测器光连接，光电探测器与信号处理电路电连接，其特征是所述风速仪探头包括转轴以及共同设置于转轴上的风杯和码盘，靠近码盘边缘设置至少一个通光孔，在码盘上下两侧正对通光孔设置光纤准直器和相应的反射镜。
2.根据权利要求1所述的风杯式光纤风速检测仪，其特征是激光器是F-P激光器、DFB 激光器或者宽带光源。
3.根据权利要求1所述的风杯式光纤风速检测仪，其特征是所述通光孔在码盘上均勻设置一圈，全部通光孔圆心位于以转轴轴心为圆心的同心圆上，准直器发出的光线与同心圆所在平面垂直并与同心圆圆周相交。
4.根据权利要求3所述的风杯式光纤风速检测仪，其特征是所述码盘上的通光孔数目为100个。
5.一种风速探头，它包括转轴，其特征是在靠近设置于转轴上的码盘边缘码盘边缘设置至少一个通光孔，在码盘上下两侧正对通光孔设置光纤准直器和相应的反射镜。
6.根据权利要求5所述的风速探头，其特征是在转轴上设置有风杯。
7.根据权利要求5所述的风速探头，其特征是所述通光孔在码盘上均勻设置一圈，全部通光孔圆心位于以转轴轴心为圆心的同心圆上，准直器发出的光线与同心圆所在平面垂直并与同心圆圆周相交。
8.根据权利要求7所述的风速探头，其特征是所述码盘上的通光孔数目为100个。
专利摘要一种风杯式光纤风速检测仪，它包括激光器以及与之光连接的光纤耦合器和风速仪探头，光纤耦合器还与光电探测器光连接，光电探测器与信号处理电路电连接，其特征是所述风速仪探头包括转轴以及共同设置于转轴上的风杯和码盘，靠近码盘边缘均匀设置一圈通光孔，全部通光孔圆心位于以转轴轴心为圆心的同心圆上，在码盘上下两侧设置光纤准直器和相应的反射镜，准直器发出的光线与同心圆所在平面垂直并与同心圆圆周相交。
文档编号G01P1/00GK202230099SQ20112029262
公开日2012年5月23日 申请日期2011年8月12日 优先权日2011年8月12日
发明者倪家升, 孙智慧, 宁雅农, 张晓磊, 王昌, 王纪强, 闵力, 雷涛 申请人:山东省科学院激光研究所