計數(shù)式光纖Bragg 光柵風速儀設(shè)計*

景 霞，劉愛蓮，趙振剛，謝 濤，李英娜，肖 范，李 川

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明650500)

0 引 言

目前，測量風速的方法很多［1～3］，常用的風速測量儀有:風杯風速儀［4］、畢托管風速儀［5］、熱線熱膜風速儀［6］、超聲波風速儀［7］等。熱線熱膜風速計具有響應(yīng)快速，有極高的空間分辨率等優(yōu)點，適合于微風和大氣湍流探測。超聲波風速計線性好、靈敏度高、響應(yīng)快，適合于大氣湍流探測［8］。國內(nèi)外也有很多研究是關(guān)于使用光纖Bragg 光柵(FBG)對風速進行檢測的，如2012 年，王昌、倪家升等人提出了一種風力發(fā)電中全光纖風速傳感器及其制作工藝研究［9，10］。FBG 的主要優(yōu)勢是檢測信息為波長編碼，其具有線性響應(yīng)的絕對測量和良好的重復(fù)性［11～13］。因此，計數(shù)式FBG 風速儀具有抗干擾能力強，不受溫度波動影響的特點，能夠有效抑制溫度變化對測量帶來的影響。本文采用風杯式結(jié)構(gòu)制作了計數(shù)式FBG 風速傳感器，并利用風洞試驗記錄FBG 中心波長變化的情況，得出傳感器的起動風速和線性度、靈敏度。

1 FBG 風速儀的結(jié)構(gòu)與測量原理

外界的應(yīng)力和應(yīng)變是最能直接導(dǎo)致FBG 中心波長移位［14，15］，當FBG 受拉伸或擠壓作用時，光柵周期會發(fā)生變化，其反射的中心波長值會發(fā)生相應(yīng)的改變。本文基于風杯的結(jié)構(gòu)特點和FBG 的傳感特性，設(shè)計了FBG 風速儀，其結(jié)構(gòu)示意圖和實物圖分別如圖1、圖2 所示。

圖1 FBG 風速傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Structure of FBG wind speed sensor

圖2 FBG 風速傳感器實物圖Fig 2 Physical map of FBG wind speed sensor

FBG 風速風向傳感器測量風速的原理為:風場內(nèi)的風對風杯產(chǎn)生扭力矩，帶動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動，風速越大轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速越快。轉(zhuǎn)輪和轉(zhuǎn)速凸輪固定在一起，轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動帶動轉(zhuǎn)速凸輪旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速凸輪每旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)速凸輪突出部分就會撞擊等強度懸臂梁使其產(chǎn)生撓度變化進而導(dǎo)致粘貼在等強度懸臂梁的表面FBG 中心波長發(fā)生移位，波長變化由光纖傳出，根據(jù)FBG 中心波長變化次數(shù)進行計數(shù)［16］，在單位時間內(nèi)FBG 中心波長變化次數(shù)就是風杯的轉(zhuǎn)速，從而可以計算出風杯的轉(zhuǎn)速，根據(jù)風杯的轉(zhuǎn)速與風速呈正比關(guān)系，便可得到風場內(nèi)的風速。

2 FBG 風速傳感器的測試實驗與分析

本實驗采用FBG 風速傳感器測試出風速值，測試系統(tǒng)由風洞和調(diào)速系統(tǒng)、FBG 風速傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置(寬帶光源、光譜分析儀)組成，本實驗測試系統(tǒng)的實驗原理圖，參見圖3。

圖3 風速傳感器測試實驗原理圖Fig 3 Testing experimental principle of wind speed sensor

當風洞開啟時，風洞出風口的風速能夠保持均勻穩(wěn)定，風洞出風口對風杯產(chǎn)生扭力矩，帶動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)輪和轉(zhuǎn)速凸輪固定在一起，轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動帶動轉(zhuǎn)速凸輪旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速凸輪旋轉(zhuǎn)會壓迫等強度懸臂梁，從而實現(xiàn)對等強度懸臂梁中心軸線上FBG 的波長調(diào)制。光柵的中心波長移位信號傳送至光譜分析儀，將光譜分析和計算機相連接，進過計算機的數(shù)據(jù)處理，通過軟件顯示出光柵的中心波長值。

當風速為2，4，6，8，10，12 m/s 時，通過光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀解調(diào)FBG 中心波長值，分別取對應(yīng)時間內(nèi)FBG 中心波長值變化情況建立二維坐標，如圖4 所示。

圖4 不同風速情況下的波長值變化Fig 4 Wave length change with different wind speed

根據(jù)2，4，6，8，10，12 m/s 六個風速的測試實驗數(shù)據(jù)，可得到FBG 中心波長移位頻率，即風杯的轉(zhuǎn)速與風速之間的關(guān)系，參見表1。

表1 風速與風杯轉(zhuǎn)速的關(guān)系Tab 1 Relationship between wind speed and revolving speed of wind cup

經(jīng)過測試得出FBG 風速傳感器的起動風速為0.9 m/s。采用最小二乘法擬合風速值和轉(zhuǎn)速的曲線。擬合得出擬合曲線方程為y=0.603x+0.100 7，擬合度為R2=0.99，線性度為6%，靈敏度為0.65 r/m。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計一種計數(shù)式FBG 風速傳感器，其測量方式是基于FBG 中心波長變化的頻率。由于該傳感器的主體結(jié)構(gòu)是風杯式，所以，該傳感器有起動風速。風洞試驗表明:計數(shù)式FBG 風速傳感器的起動風速為0.9 m/s，擬合度為R2=0.99，線性度為6%，靈敏度為0.65 r/m。

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