基于風向標的光纖Bragg 光柵風向儀設(shè)計

胡 威，李英娜，趙振剛，謝 濤，張長勝，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

在風力發(fā)電領(lǐng)域，無論是風電場的選址，還是風力機的功率特性研究和風力發(fā)電機組的功率控制，應用風向儀對風向進行測量均是其重要環(huán)節(jié)［1～3］。目前風向測量最常用的方法［4～6］主要有以下幾種:第一種就是應用機械式風向傳感器進行測量，其以單板風向標作為感應元件，信號轉(zhuǎn)換方式主要包括格雷碼盤和電位器。格雷碼盤轉(zhuǎn)換原理為風向標隨著氣流的運動而運動，風向軸帶動格雷碼盤與風向標同時轉(zhuǎn)動，從而輸出格雷碼信號，將機械位置信號轉(zhuǎn)換成電信號。之后出現(xiàn)了在機械式的基礎(chǔ)上加上旋轉(zhuǎn)臺，旋轉(zhuǎn)臺時鐘指向風向，通過計算齒輪的角度可以計算出風向［7，8］。第二種方法就是應用超聲波測風儀［9～11］測量風向方法，其采用超聲波探頭擺成三角形狀，利用超聲波各個接收探頭間的順風與逆風時間差進行計算得到風向。另外還有一些新的方法，例如:有人研究利用仿生學原理［12］的觸須傳感器來測量風向，這種傳感器靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉。

本文設(shè)計了一種基于風向標的光纖Bragg 光柵(FBG)風向儀，并對風向儀進行了風洞測試。

1 FBG 風向儀的結(jié)構(gòu)與測量原理

FBG 風向儀主要部件包括:風向標主體、方向凸輪、角度凸輪、等強度懸臂梁等。FBG 風向儀的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1所示。

圖1 FBG 風向儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Structure diagram of FBG dogvane

它的工作原理是當風向改變時，風向標受風力發(fā)生旋轉(zhuǎn)，風向標轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動帶動方向凸輪和角度凸輪旋轉(zhuǎn)一定角度，角度凸輪突出部分撞擊等強度懸臂梁使其產(chǎn)生撓度變化，進而導致粘貼在等強度懸臂梁表面中心軸線上的FBG 中心波長發(fā)生移位［13］。在角度凸輪對稱軸一側(cè)的180°范圍內(nèi)，經(jīng)過計算，可以得出風向標旋轉(zhuǎn)角度α 與FBG的中心波長移位量呈線性關(guān)系。因此，根據(jù)Bragg 光柵中心波長移位量可得到風向標旋轉(zhuǎn)的角度，配合緊貼方向凸輪的等強度懸臂梁上的Bragg 中心波長是否發(fā)生移位就可得知在360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)角度，風向標旋轉(zhuǎn)角度即風向改變角度，從而計算出風向，實現(xiàn)對風向進行實時監(jiān)測。

由FBG 風向傳感器的結(jié)構(gòu)可知，在角度凸輪對稱軸一側(cè)的180°范圍內(nèi)，當風向改變時，即風向標轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一定角度，角度凸輪也隨之旋轉(zhuǎn)相同的角度。角度凸輪的凸出部分的頂角為θ，凸出部分從頂角沿著兩半圓周線性增大。在角度凸輪旋轉(zhuǎn)的過程中，與角度凸輪緊貼的等強度懸臂梁就會因為角度凸輪凸出的部分而產(chǎn)生一定的擾度，從而導致粘貼在等強度懸臂梁外表面中心線處的FBG 產(chǎn)生波長移位［14］。當風向改變角度為α 時，即風向標旋轉(zhuǎn)角度為α，角度凸輪也隨之旋轉(zhuǎn)相同的角度α，等強度懸臂梁所產(chǎn)生的擾度h 為

式中 θ 為角度凸輪凸出部分的頂角，r3為角度凸輪圓弧部分的半徑。等強度懸臂梁所受的應變量ε 為

式中 hb為等強度懸臂梁的厚度，l 為等強度懸臂梁的長度。將式(1)代入式(2)得

而FBG 波長位移與等強度懸臂梁自由端應變關(guān)系公式可表示為

式中 Pe為光纖的有效彈—光系數(shù)，λB為FBG 的中心波長。將式(3)代人式(4)得

在角度凸輪對稱軸一側(cè)的180°范圍內(nèi)，根據(jù)式(5)可以得出風向標旋轉(zhuǎn)角度α 與FBG 的Bragg 中心波長移位量ΔλB呈線性關(guān)系。

由FBG 風向傳感器的數(shù)學模型，F(xiàn)BG 的Bragg 波長移位對風向標旋轉(zhuǎn)角度α 的響應靈敏度為

對FBG 風向傳感器整裝時，首先將方向凸輪和角度凸輪安裝于風向標主體的轉(zhuǎn)輪部分，再將等強度懸臂梁固定在底座上，將風向標主體安裝在底座上。風向傳感器的整裝實物圖與其主要元件實物圖分別見圖2 與圖3 所示。

圖2 風向傳感器的實物圖Fig 2 Physical map of wind direction sensor

圖3 風向傳感器的主要元件實物圖Fig 3 Physical map of main elements of wind direction sensor

2 FBG 風向儀的風洞測試

在整裝完FBG 風向傳感器之后，把測試平臺所需的其他器件組裝起來，進行風向測試實驗。測試系統(tǒng)由風洞、調(diào)速系統(tǒng)、FBG 風向傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置(寬帶光源、光譜分析儀)組成。風向傳感器測試實驗原理圖見圖4 所示。

圖4 風向傳感器測試實驗原理圖Fig 4 Testing experimental principle diagram of wind direction sensor

當風洞開啟時，風洞出風口能夠保持均勻穩(wěn)定的風速，其對風向標產(chǎn)生扭力矩，進而調(diào)節(jié)風向。實驗時將光柵的中心波長移位信號傳送至光譜分析儀，將光譜分析連至計算機，經(jīng)計算機進行數(shù)據(jù)處理，通過軟件顯示出光柵的中心波長值可得到風向標旋轉(zhuǎn)的角度。配合緊貼方向凸輪的等強度懸臂梁上的Bragg 中心波長是否發(fā)生移位就可得知風向標旋轉(zhuǎn)角度(在360°范圍內(nèi))，即風向改變角度，從而確定出風向。

在對風向傳感器測試實驗前，要對FBG 風向傳感器的靈敏閾即起動風速進行測定，經(jīng)過測定當風速小于1.2 m/s時，風向標無法旋轉(zhuǎn)完整一周，這是由于角度凸輪和方向凸輪與等強度懸臂梁之間存在一定摩擦力，在風速較低時，風向標所受壓力小于最大摩擦力，風向標無法旋轉(zhuǎn)完整一周，因此，F(xiàn)BG 風向傳感器的啟動風速為1.2 m/s。

在該測試實驗中，傳感器要測量各個方向，首先將FBG風向傳感器固定在一個位置，并記這個位置為起始位置(通常把起始位置記為0°)，風向標在沒有發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，記錄FBG 的初始中心波長。然后改變風洞的方位來調(diào)整風向標的旋轉(zhuǎn)角度為30°時，系統(tǒng)穩(wěn)定后記錄下FBG 的中心波長值。重復上述步驟，每次將風向標的旋轉(zhuǎn)角度調(diào)高30°，系統(tǒng)穩(wěn)定后記錄下FBG 的中心波長值。直到風向標旋轉(zhuǎn)一周，即旋轉(zhuǎn)角度為360°，記錄下最后FBG 的中心波長值。

為了更加方便直觀地展示實驗中系統(tǒng)得到的大量數(shù)據(jù)，在每次實驗時，建立二維坐標，其中以風向標旋轉(zhuǎn)的角度即風向改變的角度為x 軸，相應的，F(xiàn)BG 中心波長值為y 軸。記緊貼角度凸輪的等強度懸臂梁上的FBG 為FBG1，緊貼方向凸輪的等強度懸臂梁上的FBG 為FBG2。

5 次測試實驗FBG1 的中心波長移位量平均值與平均值曲線分別參見表1。5 次測試實驗FBG2 的中心波長移位量平均值與平均值曲線分別參見表2。

表1 5 次測試實驗FBG1 的中心波長移位量平均值Tab 1 Average value of FBG1 center wavelength shifting amount of five testing experiments

通過對FBG 風向傳感器5 次實驗數(shù)據(jù)表明:當風向標旋轉(zhuǎn)角度從0°～180°時(0°＜α ＜180°)，緊貼角度凸輪的等強度懸臂梁上的FBG1 的中心波長值逐漸變大，緊貼方向凸輪的等強度懸臂梁上的FBG2 的中心波長值發(fā)生移位。當風向標旋轉(zhuǎn)角度從180°～360°時(180°≤α ≤360°)，緊貼角度凸輪的等強度懸臂梁上的FBG1 的中心波長值逐漸變小，緊貼方向凸輪的等強度懸臂梁上的FBG2的中心波長值沒有發(fā)生移位。這與FBG 風向傳感器的測量原理相符合。根據(jù)中心波長移位量與角度關(guān)系，經(jīng)計算得到當度數(shù)在0°～180°時擬合曲線方程為:y=0.001 4 x－0.0017，當度數(shù)在180°～360°時，擬合曲線方程為方程y=－0.001 4 x+0.5236。擬合數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)最大偏差分別為:當旋轉(zhuǎn)角度為180°時為0.015 nm;當旋轉(zhuǎn)角度為270°時為0.021 nm，由此算得系統(tǒng)非線性度分別為5.66%FS和7.92% FS，因此，F(xiàn)BG 風向傳感器的非線性誤差為7.92%FS。對多次測量數(shù)據(jù)分析得到系統(tǒng)靈敏度為1.47 pm/(°)，重復性誤差為6.03%FS。

3 結(jié) 論

本文應用一種基于風向標的FBG 風向儀來對風向進行監(jiān)測，在FBG 傳感器的風洞實驗中，記錄光柵中心波長隨風向標旋轉(zhuǎn)角度變化的情況，根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)得到中心波長變化與風向的關(guān)系。風洞實驗表明:起動風速為1.2 m/s，非線性誤差為7.92%FS，靈敏度為1.47 pm/(°)，重復性誤差為6.03%FS。

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