計數式光纖Bragg 光柵風速儀設計*

景 霞，劉愛蓮，趙振剛，謝 濤，李英娜，肖 范，李 川

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，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快速，有極高的空間分辨率等優點，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、響應快，適合于大氣湍流探測［8］。國內外也有很多研究是關于使用光纖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 的主要優勢是檢測信息為波長編碼，其具有線性響應的絕對測量和良好的重復性［11～13］。因此，計數式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。本文采用風杯式結構制作了計數式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 風速儀的結構與測量原理

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

圖1 FBG 風速傳感器結構示意圖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:風場內的風對風杯產生扭力矩，帶動轉輪轉動，風速越大轉輪的轉速越快。轉輪和轉速凸輪固定在一起，轉輪轉動帶動轉速凸輪旋轉，轉速凸輪每旋轉一周，轉速凸輪突出部分就會撞擊等強度懸臂梁使其產生撓度變化進而導致粘貼在等強度懸臂梁的表面FBG 中心波長發生移位，波長變化由光纖傳出，根據FBG 中心波長變化次數進行計數［16］，在單位時間內FBG 中心波長變化次數就是風杯的轉速，從而可以計算出風杯的轉速，根據風杯的轉速與風速呈正比關系，便可得到風場內的風速。

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，測試系統由風洞和調速系統、FBG 風速傳感器、數據采集裝置(寬帶光源、光譜分析儀)組成，本實驗測試系統的實驗原理圖，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定，風洞出風口對風杯產生扭力矩，帶動轉輪轉動，轉輪和轉速凸輪固定在一起，轉輪轉動帶動轉速凸輪旋轉，轉速凸輪旋轉會壓迫等強度懸臂梁，從而實現對等強度懸臂梁中心軸線上FBG 的波長調制。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，進過計算機的數據處理，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絡分析儀解調FBG 中心波長值，分別取對應時間內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2，4，6，8，10，12 m/s 六個風速的測試實驗數據，可得到FBG 中心波長移位頻率，即風杯的轉速與風速之間的關系，參見表1。

表1 風速與風杯轉速的關系Tab 1 Relationship between wind speed and revolving speed of wind cup

經過測試得出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 論

本文設計一種計數式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構是風杯式，所以，該傳感器有起動風速。風洞試驗表明:計數式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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