光纤光栅风速监测装置的制作方法

1.本实用新型涉及风速监测技术领域，尤其涉及一种光纤光栅风速监测装置。


背景技术：

2.风速是一种重要的气象要素，风速的监测对于桥梁、铁塔、超高层建筑等土木结构都具有重要的意义。风速监测装置是监测风速的重要仪器，它的准确度直接关系到所测量数据的可靠性，特别在面向土木结构的风速监测中。
3.相关技术中，风速监测装置包括外壳、风速传感器和供电模块，风速传感器安装在外壳上方，风速传感器用于对风速进行测量，供电单元安装在外壳内，供电单元与风速传感器电连接，供电单元用于为风速传感器供电。
4.然而，风速监测装置应用到野外环境时，会出现供电困难的问题。


技术实现要素：

5.本实用提供一种光纤光栅风速监测装置，以解决风速监测装置应用到野外环境时，会出现供电困难的问题。
6.本实用新型提供一种光纤光栅风速监测装置，包括外壳、叶片组件、连杆、挤压件、光纤光栅和弹性梁；
7.所述连杆可旋转的安装在所述外壳上，所述连杆具有第一端和第二端，所述第一端位于所述外壳外，所述第二端位于所述外壳内，所述第一端与所述叶片组件固定连接，所述第二端与所述挤压件固定连接；
8.所述弹性梁固定在所述外壳内，所述光纤光栅固定在所述弹性梁上，所述叶片组件用于在风的作用下带动所述连杆和所述挤压件旋转，所述挤压件用于在旋转过程中挤压所述弹性梁以使所述光纤光栅的中心波长发生周期性变化。
9.可选地，所述外壳内部设置有容纳所述挤压件、所述光纤光栅和所述弹性梁的腔体，所述外壳的顶部设置有安装所述连杆的安装孔，所述连杆与所述外壳的安装孔之间设置有轴承，所述连杆与所述轴承的内圈过盈配合连接，所述安装孔与所述轴承的外圈过盈配合连接。
10.可选地，所述外壳的底部设置有多个支撑架，多个所述支撑架与所述外壳的底部垂直连接，多个所述支撑架间隔设置。
11.可选地，所述叶片组件包括旋转轴和多个叶片，多个所述叶片在所述旋转轴的圆周方向上均匀固定在所述旋转轴上，所述旋转轴插接在所述连杆的第一端上。
12.可选地，每个所述叶片与所述旋转轴之间设置一个固定轴，所述固定轴用于将所述叶片固定在所述旋转轴上。
13.可选地，所述叶片包括圆柱形段和半球形段，所述圆柱形段与所述半球形段的边沿固定连接，所述固定轴与所述圆柱形段的外壁固定连接，所述圆柱形段设置有开口，所述半球形段设置有空腔，所述开口与所述空腔连通。
14.可选地，所述挤压件为凸轮，所述凸轮设置有固定口，所述固定口与所述连杆的第二端过盈配合连接，所述凸轮的侧壁与所述弹性梁相抵接。
15.可选地，还包括固定杆，所述固定杆位于所述外壳内，所述固定杆的一端与所述外壳的侧壁固定连接，所述固定杆的另一端与所述弹性梁固定连接，所述弹性梁与所述连杆平行设置，所述光纤光栅靠近所述凸轮设置。
16.可选地，还包括过硅油，所述硅油设置在所述外壳内，所述凸轮位于所述硅油内，所述硅油用于降低所述凸轮与所述弹性梁之间的摩擦。
17.可选地，还包括光纤光栅解调仪和尾纤，所述尾纤穿设所述外壳，所述尾纤的一端与所述光纤光栅连接，所述尾纤的另一端与所述光纤光栅解调仪连接，所述光纤光栅解调仪用于获取所光纤光栅的波长信息。
18.本实用新型提供一种光纤光栅风速监测装置，通过在风的作用下带动叶片组件旋转，叶片组件通过连杆带动挤压件旋转，挤压件在旋转过程中挤压弹性梁，使得光纤光栅的中心波长发生周期性变化，从而可以实现对风速的监测，由于叶片组件和光纤光栅不需要用电，避免了出现供电困难的问题，进而可以应用于野外环境。
附图说明
19.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本实用新型实施例提供的一种光纤光栅风速监测装置的结构示意图；
21.图2为图1中的外壳的结构示意图；
22.图3为图2中的a处的放大结构示意图；
23.图4为本实用新型实施例提供的一种叶片的结构示意图；
24.图5为本实用新型实施例提供的一种挤压件的结构示意图；
25.图6为图1提供的一种光纤光栅风速监测装置测得的叶片组件的转速值与风速值的关系示意图；
26.图7为图1中的光纤光栅解调仪获取光纤光栅在预设时间内的中心波长变化图。
27.附图标记说明：
28.10-外壳；
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101-安装孔；
29.1011-第一圆柱孔；
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1012-第二圆柱孔；
30.102-通孔；
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11-轴承；
31.12-支撑架；
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20-叶片组件；
32.21-旋转轴；
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22-叶片；
33.221-圆柱形段；
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2211-开口；
34.222-半球形段；
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23-固定轴；
35.30-连杆；
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31-第一端；
36.32-第二端；
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40-挤压件；
37.401-固定口；
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41-大圆段；
38.42-小圆段；
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50-光纤光栅；
39.51-固定杆；
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60-弹性梁；
40.70-光纤光栅解调仪；
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71-尾纤。
具体实施方式
41.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
42.需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
43.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
44.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
45.在以上描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指接合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式接合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
46.相关技术中，风速监测装置的风速传感器需要供电模块进行供电。当风速监测装置应用到野外环境时，受限于电网输电距离限制，无法实现在野外偏远地区供电，从而造成对风速监测装置供电困难的问题。
47.为了解决上述问题，本实用新型提供一种光纤光栅风速监测装置，通过在风的作用下带动叶片组件旋转，叶片组件通过连杆带动挤压件旋转，挤压件在旋转过程中挤压弹性梁，使得光纤光栅的中心波长发生周期性变化，从而可以实现对风速的监测，由于叶片组件和光纤光栅不需要用电，避免了出现供电困难的问题，进而可以应用于野外环境。
48.下面结合具体实施例对本实用新型实施例提供的光纤光栅风速监测装置进行详
细说明。
49.图1为本实用新型实施例提供的一种光纤光栅风速监测装置的结构示意图。
50.如图1所示，本实用新型实施例提供一种光纤光栅风速监测装置，包括外壳10、叶片组件20、连杆30、挤压件40、光纤光栅50和弹性梁60。
51.其中，外壳10的形状可以为圆柱形，也可以为其他形状，在此不做具体设置。在本实施例中，外壳10的形状为圆柱形，外壳10内设置有容纳挤压件40、光纤光栅50和弹性梁60的腔体。
52.外壳10的材质可以为金属，也可以为塑料，在此不做具体设置。
53.连杆30可旋转的安装在外壳10上，连杆30具有第一端31和第二端32，第一端31位于外壳10外，第二端32位于外壳10内。
54.连杆30可以为圆柱杆，也可以为方杆，在此不做具体设置。在本实施中，连杆30可以为圆柱杆。
55.连杆30材质可以为金属，也可以为塑料，在此不做具体设置。
56.在一种可选的实施方式中，外壳10的形状为圆柱形，外壳10具有顶部和底部，连杆30可旋转的安装在外壳10的顶部上，连杆30的第一端31位于外壳10的顶部外，第二端32位于外壳10内。
57.需要说明的是，外壳10为可拆卸结构。具体地，外壳10的顶部可以拆卸或外壳10的底部可以拆卸。在其他方式中，外壳10的中部可以拆卸，在此不做具体设置。
58.叶片组件20与连杆30的第一端31固定连接。叶片组件20在风的作用下可旋转，叶片组件20在旋转过程中可带动连杆30旋转。
59.挤压件40位于外壳10内，挤压件40与连杆30的第二端32固定连接。当叶片组件20在风的作用下旋转时，叶片组件20带动连杆30旋转，连杆30带动挤压件40旋转，挤压件40在在旋转过程中挤压弹性梁60。
60.弹性梁60固定在外壳10内，弹性梁60位于挤压件40的一侧，弹性梁60受到外力作用时会弹性变形。
61.弹性梁60的形状可以为长方体，也可以为圆柱，在此不做具体设置。弹性梁60的材质可以为金属，也可以为塑料，在此不做具体设置。
62.光纤光栅50固定在弹性梁60上，当弹性梁60发生弹性变化时，光纤光栅50的中心波长会发生变化。
63.光纤光栅50具有抗电磁干扰和抗腐蚀的特性。
64.叶片组件20的旋转圈数可以转化为挤压件40的旋转圈数，挤压件40的旋转圈数可以转化为弹性梁60的周期性变形次数，弹性梁的变形次数可以转化为光纤光栅的中心波长变化次数，因此，叶片组件30的旋转圈数可以根据光纤光栅50的中心波长周期性变化次数得到。
65.根据在单位时间内的叶片组件20的旋转圈数，可以得到叶片组件20的转速。本实用新型实施例提供的光纤光栅风速监测装置通过实验得知叶片组件20的转速值与风速值呈一一对应函数关系，因此获得光纤光栅50的中心波长周期性变化次数就是叶片组件20的旋转圈数，从而可以算出叶片组件20的转速，进而算出外界风速大小。需要说明的是，单位时间可以是1分钟。
66.本实用新型实施例提供的光纤光栅风速监测装置，通过在风的作用下带动叶片组件20旋转，叶片组件20通过连杆30带动挤压件40旋转，挤压件40在旋转过程中挤压弹性梁60，使得光纤光栅50的中心波长发生周期性变化，从而可以实现对风速的监测，由于叶片组件20和光纤光栅50不需要用电，避免了出现供电困难的问题，进而可以应用于野外环境。此外，本实用新型实施例提供的光纤光栅光速监测装置还可以实现和其他光纤监测整体整合，且在整体应用后不需要维护。
67.图2为图1中的外壳的结构示意图；图3为图2中的a处的放大结构示意图。
68.可选地，如图1、图2和图3所示，外壳10的顶部设置有安装连杆30的安装孔101，连杆30与外壳10的安装孔101之间设置有轴承11，连杆30与轴承11的内圈过盈配合连接，安装孔101与轴承11的外圈过盈配合连接。如此设置，可以实现连杆30可旋转的安装在外壳10上。
69.其中，安装孔101可以是阶梯孔。
70.在一种可选的实施方式中，安装孔101包括第一圆柱孔1011和第二圆柱孔1012，第一圆柱孔1011与第二圆柱孔1012同轴设置，第一圆柱孔1011的直径大于第二圆柱孔1012的直径，第一圆柱孔1011位于第二圆柱孔1012的上方，第二圆柱孔1012与外壳10的腔体连通，轴承11设置在第一圆柱孔1011中，轴承11的外圈与第一圆柱孔1011过盈配合连接，轴承11的一个端面与第一圆柱孔11的底面相抵接，连杆30与轴承11的内圈过盈配合连接，连杆30贯穿第一圆柱孔1011和第二圆柱孔1012。如此设置，可以提高连杆30与轴承11安装的稳定性，避免光纤光栅风速监测装置在使用过程中出现连杆30脱落的问题。
71.可选地，如图1所示，外壳10的底部设置有多个支撑架12，多个支撑架12与外壳10的底部垂直连接，多个支撑架12间隔设置，支撑架12用于支撑外壳10。
72.支撑架12的形状可以为圆柱，也可以为方柱，在此不做具体设置。
73.在一种可选的实施方式中，外壳10的底部的形状为圆形，支撑架12的的形状为圆柱，支撑架12的数量为两个，两个支撑架12在圆周方向间隔设置，两个支撑架12与外壳10的底部可以通过焊接连接。
74.图4为本实用新型实施例提供的一种叶片的结构示意图。
75.可选地，如图1和图4所示，叶片组件20包括旋转轴21和多个叶片22，多个叶片22在旋转轴21的圆周方向上均匀固定在旋转轴21上，旋转轴21插接在连杆30的第一端31上。当多个叶片22在风的作用下旋转时，多个叶片22带动旋转轴21旋转，旋转轴21带动连杆30旋转。
76.其中，旋转轴21的形状可以为圆柱，也可以为方柱，在此不做具体设置。
77.在一种可选的实施方式中，旋转轴21的一端设置有插接口(图中未示出)，插接口的形状为圆形，连杆30的第一端31的形状与插接口的形状相匹配，连杆30的第一端31插接在插接口中，连杆30的第一端与插接口过盈配合连接。
78.叶片22的形状可以为类似杯子的形状，也可以为类似风扇的形状，在此不做具体设置。
79.进一步地，每个叶片22与旋转轴21之间一个固定轴23，固定轴23用于将叶片22固定在旋转轴21上。
80.固定轴23的形状可以为圆柱，也可以为方柱，在此不做具体设置。
81.在一种可选的实施方式中，如图4所示，叶片22包括圆柱形段221和半球形段222，圆柱形段221与半球形段222的边沿固定连接，固定轴23与圆柱形段221的外壁固定连接，圆柱形段221设置有开口2211，半球形段222设置有空腔，开口2211与空腔连通。
82.每个叶片22的开口2211在旋转轴21的圆周方向上朝向同一方向。如此设置，可以实现每个叶片22在风的作用下可以向同一方向旋转。
83.需要说明的是，半球形段222所在的部分也可以替换成其他形状，例如锥形。
84.图5为本实用新型实施例提供的一种挤压件的结构示意图；
85.可选地，如图5所示，挤压件40为凸轮，凸轮设置有固定口401，固定口401与连杆30的第二端32过盈配合连接。如此设置，可以实现凸轮与连杆30的第二端32固定连接。
86.需要说明的是，凸轮与连杆30的第二端32也可以通过焊接实现固定连接。
87.在一种可选的实施方式中，凸轮包括大圆段41和小圆段42，大圆段41与小圆段42固定连接，固定口401位于大圆段41上。
88.凸轮的侧壁与弹性梁60相抵接。凸轮挤压弹性梁60，使得光纤光栅50的中心波长发生变化。
89.进一步地，如图1所示，光纤光栅风速监测装置还包括固定杆51，固定杆51位于外壳10内，固定杆51的一端与外壳10的侧壁固定连接，固定杆51的另一端与弹性梁60固定连接，弹性梁60与连杆30平行设置，光纤光栅50靠近凸轮设置。
90.固定杆51的形状可以为圆柱，也可以为方柱，在此不做具体设置。
91.弹性梁60的形状可以为圆柱。具体地，弹性梁60包括固定端和自由端，固定端与固定杆51固定连接，自由端与凸轮的外壁相抵接。
92.弹性梁60在外壳10内未受到外力时处于竖直状态，且与固定杆51垂直。
93.光纤光栅50靠近凸轮设置。如此设置，可以使得光纤光栅50的中心波长变化明显。
94.进一步地，光纤光栅风速监测装置还包括过硅油，硅油设置在外壳10内，凸轮位于硅油内，硅油用于降低凸轮与弹性梁60之间的摩擦。如此设置，可以避免凸轮与弹性梁60之间出现卡顿现象。
95.可选地，如图1所示，光纤光栅风速监测装置还包括光纤光栅解调仪70和尾纤71，尾纤71穿设外壳10，尾纤71的一端与光纤光栅50连接，尾纤71的另一端与光纤光栅解调仪70连接，光纤光栅解调仪70用于获取光纤光栅50在预设时间内的中心波长变化。通过尾纤71可以实现远距离将光纤光栅50的信号传输给光纤光栅解调仪70。
96.需要说明的是，在一些示例中，通过尾纤71可以实现距离为10km内的信号传输。
97.其中，尾纤71可以穿设外壳10的侧壁，也可以穿设外壳10的底壁。在本实施例中，如图2所示，外壳10的底壁上设置有使尾纤71穿设的通孔102。
98.通过光纤光栅解调仪70可以获取光纤光栅50在预设时间内的中心波长变化，从而可以计算出风速。
99.下面介绍一种对风速的算法。首先，通过实验获得叶片组件20的转速值与风速值的关系，然后在单位时间内，统计光纤光栅50的中心波长变化次数。由于叶片组件20的转速值和风速值呈一一对应函数关系，因此获得单位时间内的光纤光栅50的中心波长变化次数就是叶片组件20的旋转圈数，从而计算出叶片组件20的转速大小，进而算出外界风速大小。需要说明的是，单位时间可以是1秒钟。
100.图6为图1提供的一种光纤光栅风速监测装置测得的叶片组件的转速值与风速值的关系示意图。需要说明的是，在本实施例中，叶片组件20的转速值是为转速单位为r/s时的转速值，风速值为在风速单位为m/s时的风速值。
101.还需要指出的是，叶片组件的转速值与风速值之间的关系可以采用如下方式获得。首先，设置多个不同风速的风况，然后通过现有的风速监测装置得不同风速的风速值，并通过本技术的光纤光栅风速监测装置得到不同风速下的叶片组件的转速值，最后绘制出如图6所示的示意图。
102.图7为图1中的光纤光栅解调仪获取光纤光栅在预设时间内的中心波长变化图。图7中的横坐标为时间，单位为s；图7中的纵坐标为波长，单位为nm。
103.在一种可选的实施方式中，如图6所示，风速值是叶片组件20的转速值的3倍，也即是说，叶片组件20的转速值乘以3就是风速值。如图7所示，在1分钟内，可得到光纤光栅50有60次中心波长周期性变化，代表叶片组件20旋转60次，从而算出叶片组件20的转速为1r/s，进而算出风速为3m/s。
104.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。