申请/专利权人：石家庄铁道大学;无锡地铁集团有限公司;中铁四局集团第二工程有限公司

申请日：2017-12-30

公开（公告）日：2024-04-12

公开（公告）号：CN107966181B

主分类号：G01D21/02

分类号：G01D21/02;G01P5/04;G01P13/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.12#授权;2018.05.22#实质审查的生效;2018.04.27#公开

摘要：本发明提供了一种风速风向传感器，属于传感器技术领域，包括固定在第一转轴中部的万向摆杆和转动架，第一转轴两端贯穿转向架套装第一凸轮，第一凸轮外圆通过推杆与第一等强度梁端部相接触，第一等强度梁另一端固定在转向架上；转向架两端设有固定在底盘上的第二转轴，第二转轴上设有与第二等强度梁的下端接触的第二凸轮，第二等强度梁上端与固定在底盘上的固定板相连，第一等强度梁和第二等强度梁上均设有与光纤光栅解调仪相连的应变光栅。万向摆杆迎风摆动，利用第一等强度梁和第二等强度梁上的应变光栅来感知推杆的位移及第二凸轮的转动角度，实现对万向摆杆的摆动方向即为风的方向，由测量风向时万向摆杆沿风向摆过角度的大小反映风速的大小。

主权项：1.风速风向传感器，其特征在于：包括万向摆杆和转动架，所述万向摆杆的下端设有空心球，所述万向摆杆的上端固定在第一转轴中部，所述第一转轴的两端贯穿转向架，所述第一转轴的端部设有第一凸轮，所述第一凸轮的外圆通过推杆与转向架相连，所述推杆的端部与第一等强度梁的一端相接触，所述第一凸轮为偏心轮，所述推杆包括矩形限位框和导向轴，所述限位框套装在所述第一凸轮的外圆上，所述转向架外壁设有约束钮，所述约束钮设有与导向轴配合的导向孔，所述导向轴的一端与所述限位框相连，所述导向轴的另一端穿过约束钮的导向孔与第一等强度梁相接触，所述第一等强度梁的另一端固定在转向架上；所述转向架的两端设有垂直于第一转轴的第二转轴，所述第二转轴设置在底盘上，所述第二转轴上设有第二凸轮，所述第二凸轮的外圆与第二等强度梁的下端接触，所述第二等强度梁的上端与固定在底盘上的固定板相连，所述第一等强度梁和第二等强度梁上均设有与光纤光栅解调仪相连的应变光栅；所述第一等强度梁和第二等强度梁都具有一定的初应变；所述转向架为中部镂空的矩形框，所述第一转轴的两端通过第一轴承与转向架转动配合，所述第一轴承设置在所述万向摆杆的两侧，所述第一凸轮设置在第一轴承的外部；所述第一等强度梁、所述导向轴和所述导向孔均为两个，两个导向轴对称设置在限位框的两侧，两个第一等强度梁的端部均与导向轴的端部相连；所述转向架的顶部设有用于固定第二转轴的卡环，所述卡环为两个、且对称设置在转向架的两侧；所述底盘为下端开口的中空壳体，所述固定板设置在底盘顶部，所述第二凸轮为偏心轮，所述第二凸轮及第二等强度梁均为两个、且均设置在底盘外部，所述第二等强度梁交错对称设置在所述固定板的两端；所述第一等强度梁上及第二等强度梁上的应变光栅通过用于传输信号的光纤串联起来并与光纤光栅解调仪相连；所述固定板中部设有凸台，所述底盘顶部及凸台中部对应设有安装孔，所述光纤通过安装孔与光纤光栅解调仪相连；所述底盘外部设有下方开口的外壳，所述底盘的底部边缘与外壳相连，所述外壳的顶部设有与安装孔对应的过孔，所述光纤通过过孔与光纤光栅解调仪相连；粘贴在所述第一等强度梁和所述第二等强度梁上的所述应变光栅通过光纤串联，所述应变光栅通过光纤与设置在外壳内温度补偿光栅串联。

全文数据：风速风向传感器技术领域[0001]本发明属于传感器技术领域，更具体地说，是涉及一种风速风向传感器。背景技术[0002]由于工程结构在长期使用过程中，始终不断遭受风的冲击、雨雪冲刷等因素的影响，从而出现工程结构基础动力软化、材料侵蚀老化现象，导致工程结构构件及整体抗力的衰减，影响结构的安全度和耐久度。因此，长期监测结构物风荷载情况，对掌握工程结构物的性能演变，评价结构的工作状态，针对性进行合理的养修，避免各种安全事故发生，确保结构物的安全和提高使用年限具有重要意义，而风速风向是影响工程结构安全的主要因素之一，对风速风向的监测将为结构物的正常使用提供安全保障。[0003]风速风向测量是天气监测的重要内容，涉及防洪安全与管理、海上渔业资源开发与利用等多个方面。传统流速流向测量仪器存在着信号易受干扰、测量误差大、电路复杂且故障率高以及寿命短的缺点。发明内容[0004]本发明的目的在于提供一种风速风向传感器，以解决现有技术中存在的传统流速流向测量仪器存在着信号易受干扰、测量误差大、电路复杂且故障率高以及寿命短的技术问题。[0005]为实现上述目的，本发明采用的技术方案是:提供一种风速风向传感器，包括万向摆杆和转动架，所述万向摆杆的下端设有空心球，所述万向摆杆的上端固定在第一转轴中部，所述第一转轴的两端贯穿转向架，所述第一转轴的端部设有第一凸轮，所述第一凸轮的外圆通过推杆与转向架相连，所述推杆的端部与第一等强度梁的一端相接触，所述第一等强度梁的另一端固定在转向架上;所述转向架的两端设有垂直于第一转轴的第二转轴，所述第二转轴设置在底盘上，所述第二转轴上设有第二凸轮，所述第二凸轮的外圆与第二等强度梁的下端接触，所述第二等强度梁的上端与固定在底盘上的固定板相连，所述第一等强度梁和第二等强度梁上均设有与光纤光栅解调仪相连的应变光栅;所述第一等强度梁和第二等强度梁都具有一定的初应变。[0006]进一步地，所述转向架为中部镂空的矩形框，所述第一转轴的两端通过第一轴承与转向架转动配合，所述第一轴承设置在所述万向摆杆的两侧，所述第一凸轮设置在第一轴承的外部。[0007]进一步地，所述第一凸轮为偏心轮，所述推杆包括矩形限位框和导向轴，所述限位框套装在所述第一凸轮的外圆上，所述转向架外壁设有约束钮，所述约束钮设有与导向轴配合的导向孔，所述导向轴的一端与所述限位框相连，所述导向轴的另一端穿过约束钮的导向孔与第一等强度梁相接触。[0008]进一步地，所述第一等强度梁、所述导向轴和所述约束钮均为两个，两个导向轴对称设置在限位框的两侧，两个第一等强度梁的端部均与导向轴端部相连。[0009]进一步地，所述底盘为下端开口的中空壳体，所述固定板设置在底盘顶部，所述第二凸轮为偏心轮，所述第二凸轮及第二等强度梁均为两个、且均设置在底盘外部，所述第二等强度梁交错对称设置在固定板的两端。[0010]进一步地，所述第二转轴设置在第一转轴的上方，所述第二转轴的两端依次穿过转向架及底盘的侧壁与第二凸轮配合。[0011]进一步地，所述第二转轴通过第二轴承与底盘转动配合。[0012]进一步地，所述转向架的顶部设有用于固定第二转轴的卡环，所述卡环为两个、且对称设置在转向架的两侧。[0013]进一步地，所述第一等强度梁上及第二等强度梁上的应变光栅通过用于传输信号的光纤串联起来并与光纤光栅解调仪相连;所述固定板中部设有凸台，所述底盘顶部及凸台中部对应设有安装孔，所述光纤通过安装孔与光纤光栅解调仪相连。[0014]进一步地，所述底盘外部设有下方开口的外壳，所述底盘的底部边缘与外壳相连，所述外壳的顶部设有与安装孔对应的过孔，所述光纤通过过孔与光纤光栅解调仪相连;粘贴在所述第一等强度梁和所述第二等强度梁上的所述应变光栅通过光纤串联，所述应变光栅通过光纤与设置在外壳内温度补偿光栅串联。[0015]本发明提供的风速风向传感器的有益效果在于:与现有技术相比，本发明风速风向传感器中的万向摆杆迎风摆动，万向摆杆带动第一转轴及其两端的第一凸轮转动，从而引起推杆移动，转向架带动第二转轴及其两端的第二凸轮转动，利用第一等强度梁和第二等强度梁上的应变光栅来感知推杆的位移及第二凸轮的转动角度，实现对万向摆杆在xoz平面转动角度与在y〇z平面转动角度监测，万向摆杆的摆动方向即为风的方向；测量风速时，由测量风向时万向摆杆沿风向摆过角度的大小反映风速的大小。附图说明[0016]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。[0017]图1为本发明实施例提供的风速风向传感器的外形图；[0018]图2为图1的B-B剖视图；[0019]图3为图2的C-C剖视图；[0020]图4为图3中D处的局部放大图；[0021]图5为图1的内部结构图；[0022]图6为图5中A处的局部放大图[0023]图7为图2中第一等强度梁及第二等强度梁的安装示意图；[0024]其中，图中各附图标记：[0025]1-底盘，2_第一转轴，3-转向架，4-第一凸轮，5-安装孔，6-推杆，7-约束钮，S-第二凸轮，9-第二转轴，10-卡环，11-万向摆杆，12-第一轴承，13-第二轴承，14-外壳，15_固定板，16-凸台，17-第一等强度梁，18-第二等强度梁，19-过孔;20-应变光栅，21-光纤，22-光纤光栅解调仪;60-限位框，ei-导向轴。具体实施方式[0026]为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。[0027]需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。[0028]需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。f〇〇29]此外，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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。[0030]请一并参阅图1-图7,现对本发明提供的风速风向传感器进行说明。所述风速风向传感器，包括万向摆杆11和转动架3,所述万向摆杆的下端设有空心球，所述万向摆杆11的上端固定在第一转轴2中部，万向摆杆通过紧定螺钉固定安装在第二转轴上;所述第一转轴2的两端贯穿转向架3,所述第一转轴2的端部设有第一凸轮4,所述第一凸轮4的外圆通过推杆6与转向架3相连，所述推杆6的端部与第一等强度梁17的一端相接触，所述第一等强度梁17的另一端固定在转向架3上;所述转向架3的两端设有垂直于第一转轴2的第二转轴9，所述第二转轴9设置在底盘1上，所述第二转轴19上设有第二凸轮8,所述第二凸轮8的外圆与第二等强度梁18的下端接触，所述第二等强度梁18的上端与固定在底盘1上的固定板15相连，所述第一等强度梁17和第二等强度梁18上均设有与光纤光栅解调仪22相连的应变光栅20;所述第一等强度梁和第二等强度梁都具有一定的初应变。万向摆杆下端的空心球能够增大受风面积，用以提高检测的灵敏度。[0031]本发明提供的风速风向传感器，与现有技术相比，本发明具有结构简单、成本低、抗恶劣天气强等优点，能够同时实现对风速风向的实时监测，测量范围广、灵敏度高，可广泛应用于各种复杂的环境中。通过万向摆杆迎风摆动，万向摆杆带动第一转轴及其两端的第一凸轮转动，从而引起推杆移动，第一等强度梁上的应变光栅即可感知推杆的位移，实现对风速方向在XOZ平面万向摆杆的角度监测;转向架带动第二转轴及其两端的第二凸轮转动，利用第二等强度梁上的应变光栅来感知第二凸轮的转动角度，实现对万向摆杆在yoz平面转动角度监测，以上万向摆杆的摆动方向即为风的方向；测量风速时，由测量风向时万向摆杆沿风向摆过角度的大小反映风速的大小。[0032]进一步地，请一并参阅图4至图6,作为本发明提供的风速风向传感器的一种具体实施方式，所述转向架3为中部镂空的矩形框，所述第一转轴2的两端通过第一轴承12与转向架3转动配合，所述第一轴承12设置在所述万向摆杆11的两侧，所述第一凸轮4设置在第一轴承12的外部。借助第一轴承保证第一转轴相对转向架转动灵活，提高检测精度。[0033]进一步地，请参阅图6、7,作为本发明提供的风速风向传感器的一种具体实施方式，所述第一凸轮4为偏心轮，所述推杆6包括矩形限位框60和导向轴61，所述限位框60套装在所述第一凸轮4的外圆上，所述转向架3外壁设有约束钮7,所述约束钮7设有与导向轴61配合的导向孔，所述导向轴61的一端与所述限位框6〇相连，所述导向轴61的另一端穿过约束钮7的导向孔与第一等强度梁17相接触。通过偏心轮的转动，带动推杆沿着约束钮的导向孔水平移动，与导向轴端部相接触的第一等强度梁上的应变光栅能够感知导向轴的位移量。[0034]进一步地，请参阅图6、7,作为本发明提供的风速风向传感器的一种具体实施方式，所述第一等强度梁17、所述导向轴61和所述约束钮7均为两个，两个导向轴61对称设置在限位框60的两侧，两个第一等强度梁17的端部均与导向轴61端部相接触。转动架转动带动固定在第一转轴上的两个偏心轮转动，从而引起前后两个推杆移动，前推杆的右端接与固定在转动架上的一个第一等强度梁接触，第一等强度梁上贴有应变光栅来感知前推杆的位移，后推杆的左端与固定在转动架上的另一个第一等强度梁接触，能够对照消除转动带来的误差。粘贴在第一等强度梁上的应变光栅2〇将感知第一等强度梁并通过光纤21传递到光纤光栅解调仪22上，前后推杆产生的位移差可以得到万向摆杆在xoz平面转过的角度。[0035]进一步地，请参阅图7,作为本发明提供的风速风向传感器的一种具体实施方式，所述第二转轴9通过第二轴承13与底盘1转动配合。借助第二轴承保证第二转轴相对底盘转动灵活，提闻检测精度。[0036]进一步地，请参阅图2、3及图7，作为本发明提供的风速风向传感器的一种具体实施方式，所述转向架3的顶部设有用于固定第二转轴9的卡环10,所述卡环10为两个、且对称设置在转向架3的两侧。利用卡环将第二转轴固定在转向架上，避免第二转轴相对转向架发生振动。[0037]进一步地，请参阅图1、2及图5、7,作为本发明提供的风速风向传感器的一种具体实施方式，所述底盘1为下端开口的中空壳体，所述固定板15设置在底盘1顶部，所述第二凸轮8为偏心轮，所述第二凸轮8及第二等强度梁18均为两个、且均设置在底盘1外部，所述第二等强度梁18交错对称设置在固定板15的两端。通过两个偏心轮的转动引起固定在固定板上的第二等强度梁形变量的改变，固定在固定板左端的一个第二等强度梁上贴有应变光栅20感知偏心轮的偏心角度，固定板右端的另一个第二等强度梁起对照消除转动带来的误差，应变光栅20通过光纤21传递到光纤光栅解调仪22上，从而能够实现对风速方向在yoz平面万向摆杆角度的监测，从而得到万向摆杆在yoz平面转过的角度。[G038]进一步地，请参阅图2、3,作为本发明提供的风速风向传感器的一种具体实施方式，所述第二转轴9设置在第一转轴2的上方，所述第二转轴9的两端依次穿过转向架3及底盘1的侧壁与第二凸轮8配合。第二转轴为一根贯穿转向架的长轴，能够保证两端偏心轮转动角度的一致性，提高检测精度的同时也方便加工制作。[0039]进一步地，请参阅图2、3及图5、7,作为本发明提供的风速风向传感器的一种具体实施方式，所述第二等强度梁17上及第二等强度梁18上的应变光栅20通过用于传输信号的光纤21串联起来，并与光纤光栅解调仪22相连，所述固定板15中部设有凸台16,所述底盘顶部及凸台16中部对应设有安装孔5,所述光纤通过安装孔5与光纤光栅解调仪相连。与应变光栅相连的光纤通过安装孔与光纤光栅解调仪相连，方便安装。[0040]进一步地，请参阅图1至图3，作为本发明提供的风速风向传感器的一种具体实施方式，所述底盘1外部设有下方开口的外壳14,所述底盘1的底部边缘与外壳14相连，所述外壳14的顶部设有与安装孔5对应的过孔19,所述光纤通过过孔19与光纤光栅解调仪相连。利用外壳对其内部工作空间与外部环境进行隔离，使工作空间形成一个相对封闭的空间•，同时对其内部各部件进行保护，保证测量的准确度。另外，粘贴在第一等强度梁及第二等强度梁上的应变光栅通过光纤串联起来，并且再串联温度补偿光栅，该温度补偿光栅松散放置在外壳内进行温度补偿，提高检测精度。[0041]本发明的应用过程如下:万向摆杆固定在第一转轴上，可随第一转轴转动，第一转轴固定在转动架上，转动架又固定在第二转轴上，转动架可绕第二转轴转动，形成互相垂直的两个转动副。待风吹向万向摆杆时，互相垂直的两个转动副转动量合成后，可使万向摆杆在空间内任意方向摆动。在风速的冲击下，万向摆杆沿风速方向产生一定的转角，其摆角方向便可反映风速方向，摆角大小反映风速大小。[0042]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.风速风向传感器，其特征在于:包括万向摆杆和转动架，所述万向摆杆的下端设有空心球，所述万向摆杆的上端固定在第一转轴中部，所述第一转轴的两端贯穿转向架，所述第一转轴的端部设有第一凸轮，所述第一凸轮的外圆通过推杆与转向架相连，所述推杆的端部与第一等强度梁的一端相接触，所述第一等强度梁的另一端固定在转向架上;所述转向架的两端设有垂直于第一转轴的第二转轴，所述第二转轴设置在底盘上，所述第二转轴上设有第二凸轮，所述第二凸轮的外圆与第二等强度梁的下端接触，所述第二等强度梁的上端与固定在底盘上的固定板相连，所述第一等强度梁和第二等强度梁上均设有与光纤光栅解调仪相连的应变光栅;所述第一等强度梁和第二等强度梁都具有一定的初应变。2.如权利要求1所述的风速风向传感器，其特征在于：所述转向架为中部镂空的矩形框，所述第一转轴的两端通过第一轴承与转向架转动配合，所述第一轴承设置在所述万向摆杆的两侧，所述第一凸轮设置在第一轴承的外部。3.如权利要求1所述的风速风向传感器，其特征在于:所述第一凸轮为偏心轮，所述推杆包括矩形限位框和导向轴，所述限位框套装在所述第一凸轮的外圆上，所述转向架外壁设有约束钮，所述约束钮设有与导向轴配合的导向孔，所述导向轴的一端与所述限位框相连，所述导向轴的另一端穿过约束钮的导向孔与第一等强度梁相接触。4.如权利要求3所述的风速风向传感器，其特征在于:所述第一等强度梁、所述导向轴和所述导向孔均为两个，两个导向轴对称设置在限位框的两侧，两个第一等强度梁的端部均与导向轴的端部相连。5.如权利要求1所述的风速风向传感器，其特征在于:所述第二转轴通过第二轴承与底盘转动配合。6.如权利要求1所述的风速风向传感器，其特征在于:所述转向架的顶部设有用于固定第二转轴的卡环，所述卡环为两个、且对称设置在转向架的两侧。7.如权利要求1-6任一项所述的风速风向传感器，其特征在于:所述底盘为下端开口的中空壳体，所述固定板设置在底盘顶部，所述第二凸轮为偏心轮，所述第二凸轮及第二等强度梁均为两个、且均设置在底盘外部，所述第二等强度梁交错对称设置在所述固定板的两端。8.如权利要求7所述的风速风向传感器，其特征在于:所述第二转轴设置在第一转轴的上方，所述第二转轴的两端依次穿过转向架及底盘的侧壁与第二凸轮配合。9.如权利要求7所述的风速风向传感器，其特征在于:所述第一等强度梁上及第二等强度梁上的应变光栅通过用于传输信号的光纤串联起来并与光纤光栅解调仪相连;所述固定板中部设有凸台，所述底盘顶部及凸台中部对应设有安装孔，所述光纤通过安装孔与光纤光栅解调仪相连。10.如权利要求9所述的风速风向传感器，其特征在于:所述底盘外部设有下方开口的外壳，所述底盘的底部边缘与外壳相连，所述外壳的顶部设有与安装孔对应的过孔，所述光纤通过过孔与光纤光栅解调仪相连;粘贴在所述第一等强度梁和所述第二等强度梁上的所述应变光栅通过光纤串联，所述应变光栅通过光纤与设置在外壳内温度补偿光栅串联。

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