一种光纤布喇格光栅风向传感器及风向计算方法
【技术领域】
[0001]本发明属于在线监测技术领域，尤其涉及一种光纤布喇格光栅风向传感器及风向计算方法。
【背景技术】
[0002]架空输电线路覆冰造成导线断线、杆塔倒塌、绝缘子闪络等事故，给社会造成了巨大的经济损失。对架空输电线路进行覆冰状态的在线监测可以实时获得输电线路覆冰状况，提前调度电网负荷，启动融冰设备，有效避免灾害的发生。现有覆冰在线监测方法主要有气象法、图像监控器法、导线温度倾角法和称重法。其中应用最广泛的是称重法，在这种方法中称重传感器测量结果是冰荷载和风荷载之和，风向对覆冰会起到很大的影响作用，因此为了更准确的获得输电线路覆冰情况需要对风荷载进行监测。
[0003]以前，人们利用纯机械的装置来测量，例如，众所周知的利用风向标来测量风向。虽然这种方法也能得到良好的结果，但这些机械装置因具有移动部件而易磨损，体积较大，价格昂贵，需要经常维护。有些风向传感器测量结果需要通过无线方式传递给监控中心，由于易覆冰区多位于山谷，无线通信信号不稳定，导致风向测量结果无法传输。有的方法解决了信号传输问题，但是系统中的光纤布喇格光栅风向传感器需要的光纤光栅过多，且风向识别精度较差，使用N个光纤光栅的情况下，风向分辨率仅为1/(2N)，即风向分辨度数为180。/No
【发明内容】
[0004]为了解决上述问题，本发明提出了一种光纤布喇格光栅风向传感器，其特征在于，该传感器包括导风板1、重锤2、转轴3、齿轮5、三角弹片4、底座6、传感光纤布喇格光栅7和数据处理系统；
[0005]其中，转轴3垂直布置在底座6的中心，导风板I的中部通过螺丝固定在转轴3顶部，导风板I的头部通过螺丝与重锤2相连;齿轮4与转轴3下部垂直固定，且与底座6平面平行；三角弹片5的顶角与齿轮4弹性接触，三角弹片5的底边被固定在底座6上;光纤布喇格光栅7纵向固定在三角弹片5上表面的中心线上，通过光纤串联后与数据处理系统连接；
[0006]所述导风板I用于传感风向；所述重锤2用于导流空气，同时平衡导风板自重在导风板I与转轴3固定点产生的不平衡力矩;所述转轴3用于将导风板I的运动传递给齿轮4;所述齿轮4用于拨动三角弹片5，将齿轮4上一个轮齿标记为零号齿轮，安装传感器时，零号齿轮朝向初始方向；所述底座6提供接口，用于将传感器固定在安装位置上;所述数据处理系统用于获得三角弹片5上光纤布喇格光栅的中心波长，并将其转化为风向。
[0007]所述三角弹片5为等应变强度设计，利用三角弹片5弯曲产生的应变影响光纤布喇格光栅的中心波长。
[0008]所述齿轮4的轮齿数量为N，传感器风向分辨率为360/N度。
[0009]所述三角弹片5材料为铍青铜。
[0010]—种光纤布喇格光栅风向传感器的风向计算方法，其特征在于，具体过程为:
[0011 ]首先，初始化，将零号轮齿朝向初始方向；
[0012]然后，当风向转过一个轮齿所对应的角度时，齿轮4会挤压三角弹片5，使得三角弹片5发生一次弯曲，在此作用下，三角弹片5上光纤布喇格光栅波长将形成一个脉冲变化信号;对每个脉冲依次进行识别，如果脉冲为正脉冲，则表明风向顺时针旋转了 360/N度，如果脉冲为负脉冲，则表明风向顺时针旋转了 360/N度;齿轮4的轮齿数量为N;
[0013]最后，实时统计累加风向变化角度，就实现了风向的实时监测。
[0014]有益效果
[0015]本发明提出一种新的光纤布喇格光栅风向传感器及风向计算方法，解决了现有技术抗电磁干扰能力差，长期可靠性差，不能进行远距离无源监测等难题，特别适合于在输电线路所处的强电磁环境和恶劣温湿度环境中使用。本发明仅使用一个光纤布喇格光栅，就能实现1°的风向精度测量。
【附图说明】
[0016]图1是本发明中光纤布喇格光栅风向传感器的结构图；
[0017]图2是本发明中光纤布喇格光栅在三角弹片上的固定方式说明图；
[0018]图3是本发明中三角弹片与齿轮位置说明图。
[0019]1-导风板，2-重锤，3-转轴，4-三角弹片，5-齿轮，6-底座，7-光纤布喇格光栅。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图，对优选实施例作详细说明。
[0021]图1是光纤布喇格光栅风向传感器的结构图，所述导风板I用于传感风向。所述重锤2用于导流空气，同时平衡导风板自重在导风板与转轴固定点产生的不平衡力矩。所述转轴3用于将导风板的方向传递给齿轮5。所述齿轮5转动，拨动三角弹片4。所述三角弹片4固定在底座6上。所述底座6提供接口，用于将传感器固定在安装位置上。传感光纤布喇格光栅7固定在三角弹片4上。
[0022]图2是光纤布喇格光栅在弹片上的固定方式说明图，光纤布喇格光栅7纵向固定在三角弹片4上表面的中心线上。
[0023]图3是三角弹片与齿轮位置说明图，齿轮5转动与三角弹片4弹性接触，当齿轮顺时针旋转时，三角弹片4向下弯曲，其上表面所受应变为正，光纤布喇格光栅7反射光波长增大，形成正向脉冲；当齿轮逆时针旋转时，三角弹片4向上弯曲，其上表面所受应变为负，光纤布喇格光栅7反射光波长减小，形成负向脉冲。
[0024]根据风向变化引起的光纤布喇格光栅波长变化计算风向，风向判别算法如下:首先，初始化，在现场安装时，将零号轮齿朝向正北，将初始风向设定为北。其次，有风后，风向发生变化，波长出现多个脉冲波形，对每个脉冲依次进行识别，如果脉冲为正脉冲，则表明风向顺时针旋转了 360/N度，如果脉冲为负脉冲，则表明风向顺时针旋转了 360/N度(N为齿轮上的轮齿数量)。实时统计累加风向变化角度，就可以实现风向的实时监测。
[0025]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
【主权项】
1.一种光纤布喇格光栅风向传感器，其特征在于，该传感器包括导风板(I)、重锤(2)、转轴(3)、齿轮(5)、三角弹片(4)、底座(6)、传感光纤布喇格光栅(7)和数据处理系统； 其中，转轴(3)垂直布置在底座(6)的中心，导风板(I)的中部通过螺丝固定在转轴(3)顶部，导风板(I)的头部通过螺丝与重锤(2)相连;齿轮(4)与转轴(3)下部垂直固定，且与底座(6)平面平行;三角弹片(5)的顶角与齿轮(4)弹性接触，三角弹片(5)的底边被固定在底座(6)上;光纤布喇格光栅(7)纵向固定在三角弹片(5)上表面的中心线上，通过光纤串联后与数据处理系统连接； 所述导风板(I)用于传感风向；所述重锤(2)用于导流空气，同时平衡导风板自重在导风板(I)与转轴(3)固定点产生的不平衡力矩;所述转轴(3)用于将导风板(I)的运动传递给齿轮(4);所述齿轮(4)用于拨动三角弹片(5)，将齿轮(4)上一个轮齿标记为零号齿轮，安装传感器时，零号齿轮朝向初始方向；所述底座(6)提供接口，用于将传感器固定在安装位置上;所述数据处理系统用于获得三角弹片(5)上光纤布喇格光栅的中心波长，并将其转化为风向。2.根据权利要求1所述的一种光纤布喇格光栅风向传感器，其特征在于，所述三角弹片(5)为等应变强度设计，利用三角弹片(5)弯曲产生的应变影响光纤布喇格光栅的中心波长。3.根据权利要求1所述的一种光纤布喇格光栅风向传感器，其特征在于，所述齿轮(4)的轮齿数量为N，传感器风向分辨率为360/N度。4.根据权利要求1所述的一种光纤布喇格光栅风向传感器，其特征在于，所述三角弹片(5)材料为铍青铜。5.基于权利要求1所述传感器的一种光纤布喇格光栅风向传感器的风向计算方法，其特征在于，具体过程为: 首先，初始化，将零号轮齿朝向初始方向； 然后，当风向转过一个轮齿所对应的角度时，齿轮(4)会挤压三角弹片(5)，使得三角弹片(5)发生一次弯曲，在此作用下，三角弹片(5)上光纤布喇格光栅波长将形成一个脉冲变化信号;对每个脉冲依次进行识别，如果脉冲为正脉冲，则表明风向顺时针旋转了360/N度，如果脉冲为负脉冲，则表明风向顺时针旋转了360/N度;齿轮(4)的轮齿数量为N; 最后，实时统计累加风向变化角度，就实现了风向的实时监测。
【专利摘要】本发明属于在线监测技术领域，尤其涉及一种光纤布喇格光栅风向传感器及风向计算方法。其特征在于，该传感器的转轴垂直布置在底座的中心，导风板的中部通过螺丝固定在转轴顶部，导风板的头部通过螺丝与重锤相连；齿轮与转轴下部垂直固定，且与底座平面平行；三角弹片上端与齿轮弹性接触，三角弹片下端被固定在底座上；光纤布喇格光栅横着固定在三角弹片上表面的中心线上，通过光纤串联后与数据处理系统连接。本发明解决了现有技术抗电磁干扰能力差，长期可靠性差，不能进行远距离无源监测等难题，特别适合于在输电线路所处的强电磁环境和恶劣温湿度环境中使用，仅使用一个光纤布喇格光栅，就能实现1°的风向精度测量。
【IPC分类】G01P13/02
【公开号】CN105606843
【申请号】CN201510984830
【发明人】马国明, 李成榕, 周弘扬, 宋宏图, 毛乃强, 郑晴
【申请人】华北电力大学
【公开日】2016年5月25日
【申请日】2015年12月24日