计数式光纤Bragg 光栅风速仪设计*

景 霞，刘爱莲，赵振刚，谢 涛，李英娜，肖 范，李 川

(昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明650500)

0 引 言

目前，测量风速的方法很多［1～3］，常用的风速测量仪有:风杯风速仪［4］、毕托管风速仪［5］、热线热膜风速仪［6］、超声波风速仪［7］等。热线热膜风速计具有响应快速，有极高的空间分辨率等优点，适合于微风和大气湍流探测。超声波风速计线性好、灵敏度高、响应快，适合于大气湍流探测［8］。国内外也有很多研究是关于使用光纤Bragg 光栅(FBG)对风速进行检测的，如2012 年，王昌、倪家升等人提出了一种风力发电中全光纤风速传感器及其制作工艺研究［9，10］。FBG 的主要优势是检测信息为波长编码，其具有线性响应的绝对测量和良好的重复性［11～13］。因此，计数式FBG 风速仪具有抗干扰能力强，不受温度波动影响的特点，能够有效抑制温度变化对测量带来的影响。本文采用风杯式结构制作了计数式FBG 风速传感器，并利用风洞试验记录FBG 中心波长变化的情况，得出传感器的起动风速和线性度、灵敏度。

1 FBG 风速仪的结构与测量原理

外界的应力和应变是最能直接导致FBG 中心波长移位［14，15］，当FBG 受拉伸或挤压作用时，光栅周期会发生变化，其反射的中心波长值会发生相应的改变。本文基于风杯的结构特点和FBG 的传感特性，设计了FBG 风速仪，其结构示意图和实物图分别如图1、图2 所示。

图1 FBG 风速传感器结构示意图Fig 1 Structure of FBG wind speed sensor

图2 FBG 风速传感器实物图Fig 2 Physical map of FBG wind speed sensor

FBG 风速风向传感器测量风速的原理为:风场内的风对风杯产生扭力矩，带动转轮转动，风速越大转轮的转速越快。转轮和转速凸轮固定在一起，转轮转动带动转速凸轮旋转，转速凸轮每旋转一周，转速凸轮突出部分就会撞击等强度悬臂梁使其产生挠度变化进而导致粘贴在等强度悬臂梁的表面FBG 中心波长发生移位，波长变化由光纤传出，根据FBG 中心波长变化次数进行计数［16］，在单位时间内FBG 中心波长变化次数就是风杯的转速，从而可以计算出风杯的转速，根据风杯的转速与风速呈正比关系，便可得到风场内的风速。

2 FBG 风速传感器的测试实验与分析

本实验采用FBG 风速传感器测试出风速值，测试系统由风洞和调速系统、FBG 风速传感器、数据采集装置(宽带光源、光谱分析仪)组成，本实验测试系统的实验原理图，参见图3。

图3 风速传感器测试实验原理图Fig 3 Testing experimental principle of wind speed sensor

当风洞开启时，风洞出风口的风速能够保持均匀稳定，风洞出风口对风杯产生扭力矩，带动转轮转动，转轮和转速凸轮固定在一起，转轮转动带动转速凸轮旋转，转速凸轮旋转会压迫等强度悬臂梁，从而实现对等强度悬臂梁中心轴线上FBG 的波长调制。光栅的中心波长移位信号传送至光谱分析仪，将光谱分析和计算机相连接，进过计算机的数据处理，通过软件显示出光栅的中心波长值。

当风速为2，4，6，8，10，12 m/s 时，通过光纤光栅传感网络分析仪解调FBG 中心波长值，分别取对应时间内FBG 中心波长值变化情况建立二维坐标，如图4 所示。

图4 不同风速情况下的波长值变化Fig 4 Wave length change with different wind speed

根据2，4，6，8，10，12 m/s 六个风速的测试实验数据，可得到FBG 中心波长移位频率，即风杯的转速与风速之间的关系，参见表1。

表1 风速与风杯转速的关系Tab 1 Relationship between wind speed and revolving speed of wind cup

经过测试得出FBG 风速传感器的起动风速为0.9 m/s。采用最小二乘法拟合风速值和转速的曲线。拟合得出拟合曲线方程为y=0.603x+0.100 7，拟合度为R2=0.99，线性度为6%，灵敏度为0.65 r/m。

3 结 论

本文设计一种计数式FBG 风速传感器，其测量方式是基于FBG 中心波长变化的频率。由于该传感器的主体结构是风杯式，所以，该传感器有起动风速。风洞试验表明:计数式FBG 风速传感器的起动风速为0.9 m/s，拟合度为R2=0.99，线性度为6%，灵敏度为0.65 r/m。

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