专利摘要

本申请实施例公开一种风功率密度在线测量装置，包括采集器和接收器；采集器利用电池对垂直腔面发射激光器供电，垂直腔面发射激光器与发射光纤准直器连接，发射光纤准直器和接收光纤准直器相互对准，使得通光路径穿过光学斩波片，光学斩波片通过连杆和风速感应叶片联动，在风速感应叶片转动时，光学斩波片对路径上的光信号进行明暗调制，通过接收器的光电探测器和频率‑电压转换器检测该光信号频率的变化，采集计算出一段时间之内的平均风速值，从而表征风功率密度；除了风速感应叶片之外，其余部分均设置在测量装置内部，采集器的输出信号通过光纤传输，可避免采用电缆或天线导致测量装置遭受雷击的现象，可靠性高。

权利要求

1.一种风功率密度在线测量装置，其特征在于，所述装置包括：采集器(100)和接收器(200)；

所述采集器(100)包括：采集器箱体(101)、设置于所述采集器箱体(101)内部的垂直腔面发射激光器(1)、电池(2)、限流电阻器(3)、发射光纤准直器(4)、光学斩波片(7)、接收光纤准直器(10)、设置于所述采集器箱体(101)箱壁的第一光学法兰接头(9)、设置于所述采集器箱体(101)外部的风速感应叶片(5)以及连接于所述斩波片(7)与所述风速感应叶片(5)之间的连杆(6)；所述电池(2)与所述垂直腔面发射激光器(1)连接，所述发射光纤准直器(4)和所述接收光纤准直器(10)相对设置，所述发射光纤准直器(4)连接与所述垂直腔面发射激光器(1)连接，所述接收光纤准直器(10)与所述第一光学法兰接头(9)连接，所述风速感应叶片(5)的底部位于所述发射光纤准直器(4)和所述接收光纤准直器(10)之间；

所述接收器(200)包括：接收器箱体(207)、设置于所述接收器箱体(207)箱壁的第二光学法兰接头(201)、设置于所述接收器箱体(207)内部的光电探测器(202)、频率-电压转换器(203)、模数转换器(204)、定时器(205)以及单片机(206)；所述第二光学法兰接头(201)、光电探测器(202)、所述频率-电压转换器(203)、所述模数转换器(204)以及所述单片机(206)依次连接，所述定时器(205)与所述模数转换器(204)连接，所述第一光学法兰接头(9)与所述第二光学法兰接头(201)之间通过光纤(300)连接。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学斩波片(7)呈圆盘状，所述光学斩波片(7)上围绕所述圆盘的圆心设置有周期性的挡光板(701)，所述发射光纤准直器(4)的发射端与所述接收光纤准直器(10)的接收端之间的连线垂直于所述挡光板(701)表面；所述连杆(6)的一端固定于所述光学斩波片(7)的圆心，所述连杆(6)的另一端固定于所述风速感应叶片(5)的中心。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述采集器(100)还包括石英板(8)，所述发射光纤准直器(4)和所述接收光纤准直器(10)设置于所述石英板(8)上。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述石英板(8)表面设置有槽体(801)，所述光学斩波片(7)的底部伸入所述槽体(801)。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述限流电阻器(3)串接于所述电池(2)和所述垂直腔面发射激光器(1)之间。

说明书

技术领域

本申请涉及风功率密度测量技术领域，尤其涉及一种风功率密度在线测量装置。

背景技术

风功率密度通常是指与风向垂直的单位面积中，风所具有的功率。风功率密度是衡量风电场风能资源的综合指标，目前，通常利用风功率密度测量装置来测量风功率密度。

请参阅图1，现有的风功率密度测量装置通常主要包括：太阳能板11、箱体15、叶片17以及天线18。其中，箱体15内部设置有充电控制器12、与充电控制器12连接的蓄电池13、与蓄电池13连接的采集通信控制板14，以及与采集通信控制板14连接的传感器驱动器16。充电控制器12通过电缆19与太阳能板11连接，叶片17与传感器驱动器16连接，天线18设置于箱体15外部，天线18与采集通信控制板14连接。在测量风功率密度时，通过太阳能板11为蓄电池13充电，以对传感器驱动器16以及采集通信控制板14供电，通过天线18将信号转换为带有编码或者协议的无线电信号发出。

然而，由于风功率密度测量装置通常需要在户外风比较大的场合下工作，太阳能板11比较容易被大风损坏，并且，蓄电池13在反复充放电的情况下，使用寿命较短，通常不足2年就必须更换，严重影响风功率密度测量装置的可靠性。另外，电缆19和天线18均暴露于箱体15的外部，在户外开阔地带使用该装置时，如果遇到雷雨天气，电缆19和天线18容易遭受雷击，同样会影响上述风功率密度测量的可靠性。

实用新型内容

本申请提供了一种风功率密度在线测量装置，以解决现有的风功率密度测量装置的可靠性有限的问题。

本申请实施例提供一种风功率密度在线测量装置，所述装置包括：采集器和接收器；

所述采集器包括：采集器箱体、设置于所述采集器箱体内部的垂直腔面发射激光器、电池、限流电阻器、发射光纤准直器、光学斩波片、接收光纤准直器、设置于所述采集器箱体箱壁的第一光学法兰接头、设置于所述采集器箱体外部的风速感应叶片以及连接于所述斩波片与所述风速感应叶片之间的连杆；所述电池与所述垂直腔面发射激光器连接，所述发射光纤准直器和所述接收光纤准直器相对设置，所述发射光纤准直器连接与所述垂直腔面发射激光器连接，所述接收光纤准直器与所述第一光学法兰接头连接，所述风速感应叶片的底部位于所述发射光纤准直器和所述接收光纤准直器之间；

所述接收器包括：接收器箱体、设置于所述接收器箱体箱壁的第二光学法兰接头、设置于所述接收器箱体内部的光电探测器、频率-电压转换器、模数转换器、定时器以及单片机；所述第二光学法兰接头、光电探测器、所述频率-电压转换器、所述模数转换器以及所述单片机依次连接，所述定时器与所述模数转换器连接，所述第一光学法兰接头与所述第二光学法兰接头之间通过光纤连接。

结合本申请实施例，在本申请实施例的第一种可实施的方式中，所述光学斩波片呈圆盘状，所述光学斩波片上围绕所述圆盘的圆心设置有周期性的挡光板，所述发射光纤准直器的发射端与所述接收光纤准直器的接收端之间的连线垂直于所述挡光板表面；所述连杆的一端固定于所述光学斩波片的圆心，所述连杆的另一端固定于所述风速感应叶片的中心。

结合本申请实施例，在本申请实施例的第二种可实施的方式中，所述采集器还包括石英板，所述发射光纤准直器和所述接收光纤准直器设置于所述石英板上。

结合本申请实施例的第二种可实施的方式，在本申请实施例的第三种可实施的方式中，所述石英板表面设置有槽体，所述光学斩波片的底部伸入所述槽体。

结合本申请实施例的第一种可实施的方式，在本申请实施例的第四种可实施的方式中，所述采集器还包括限流电阻器，所述限流电阻器串接于所述电池和所述垂直腔面发射激光器之间。

由以上技术方案可知，本申请实施例提供的风功率密度在线测量装置，包括采集器和接收器；采集器利用电池对垂直腔面发射激光器供电，垂直腔面发射激光器与发射光纤准直器连接，发射光纤准直器和接收光纤准直器相互对准，使得通光路径穿过光学斩波片，而光学斩波片通过连杆和风速感应叶片联动，在风速感应叶片转动时，光学斩波片对路径上的光信号进行明暗调制，通过接收器的光电探测器和频率-电压转换器检测该光信号频率的变化，并通过定时采集计算出一段时间之内的平均风速值，从而表征风功率密度；整个测量装置只有用于风力感应的风速感应叶片设置在测量装置外部，其余部分均设置在测量装置内部，采集器的输出信号通过光纤传输，可避免采用电缆或天线，导致测量装置遭受雷击的现象，可靠性高。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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。

图1为一种现有的风功率密度测量装置的结构示意图。

图2为本申请实施例提供的风功率密度在线测量装置的示意图。

图3为图2中模数转换器与单片机连接的电路图。

图中，1-垂直腔面发射激光器，2-电池，3-限流电阻器，4-发射光纤准直器，5-风速感应叶片，6-连杆，7-光学斩波片，8-石英板，9-第一光学法兰接头，10-接收光纤准直器，11-太阳能板，12-充电控制器，13-蓄电池，14-采集通信控制板，15-箱体，16-传感器驱动器，17-叶片，18-天线，19-电缆，100-采集器，101-采集器箱体，200-接收器，201-第二光学法兰接头，202-光电探测器，203-频率-电压转换器，204-模数转换器，205-定时器，206-单片机，207-接收器箱体，701-挡光板，801-槽体。

具体实施方式

如图2所示，为本申请实施例提供的风功率密度在线测量装置的示意图，所述装置包括：采集器100和接收器200。

其中，所述采集器100包括：采集器箱体101、设置于所述采集器箱体101内部的垂直腔面发射激光器1、电池2、限流电阻器3、发射光纤准直器4、光学斩波片7、接收光纤准直器10、设置于所述采集器箱体101箱壁的第一光学法兰接头9、设置于所述采集器箱体101外部的风速感应叶片5以及连接于所述斩波片7与所述风速感应叶片5之间的连杆6。

所述电池2与所述垂直腔面发射激光器1连接，所述发射光纤准直器4和所述接收光纤准直器10相对设置。所述发射光纤准直器4和所述接收光纤准直器10安装时需保证其方向相互正对，使得输出光能量的90％以上都能耦合进入输出光纤300。

所述发射光纤准直器4连接与所述垂直腔面发射激光器1连接，所述接收光纤准直器10与所述第一光学法兰接头9连接，所述风速感应叶片5的底部位于所述发射光纤准直器4和所述接收光纤准直器10之间。

其中，所述垂直腔面发射激光器1的类型为垂直共振腔表面放射型，是光纤通讯所采用的光源之一。垂直腔面发射激光器1所需的驱动电压和电流很小，使得寿命有万小时以上，价格比通信常用的法布里-珀罗(英文：Fabry-perot，缩写：FP)激光器，或者分布式反馈(英文：Distributed Feedback，缩写：DFB)激光器要低，输出功率通常在300-700uW，发光效率极高。

本实施例中，所述垂直腔面发射激光器1所需的驱动电压不超过3V，驱动阈值电流不超过2mA，输出光功率不低于300uW，垂直腔面发射激光器1的输出方式为单模光纤耦合输出，垂直腔面发射激光器1和发射光纤准直器4连接，垂直腔面发射激光器1发出的光通过发射光纤准直器4耦合到空气中沿直线传播。

垂直腔面发射激光器1由电池2供电，电池2的电压为3-6V，电池2可使用干电池或者蓄电池。

所述采集器100还包括限流电阻器3，所述限流电阻器3串接于所述电池2和所述垂直腔面发射激光器1之间。所述的限流电阻器3是一种绕线式可调电阻器，其电阻值的大小可在0-500Ω之间调节，限流电阻器3串联在所述电池2和垂直腔面发射激光器1之间，通过调整限流电阻器3阻值大小，使所述垂直腔面发射激光器1的工作电流等于2mA。

本申请提供的风功率密度在线测量装置，使用阈值电流极低的垂直腔面发射激光器1作为发光器件，耗电不足2mW即可发出300uW的光信号，装置的整体功耗不足2mW，减少了对电池2的充电的需求，无需充电也可达到3年以上的使用时间，并且与现有的风功率密度测量装置相比，减少了太阳能电池板和风力发电装置，使得整个测量装置的成本和复杂程度都大幅度下降。

所述光学斩波片7呈圆盘状，所述光学斩波片7上围绕所述圆盘的圆心设置有周期性的挡光板701，所述发射光纤准直器4的发射端与所述接收光纤准直器10的接收端之间的连线垂直于所述挡光板701表面；所述连杆6的一端固定于所述光学斩波片7的圆心，所述连杆6的另一端固定于所述风速感应叶片5的中心。

所述采集器100还包括石英板8，所述发射光纤准直器4和所述接收光纤准直器10设置于所述石英板8上，石英板8的表面光滑，材质稳定，硬度高，抗腐蚀能力强，可保证所述发射光纤准直器4和所述接收光纤准直器10的位置精度。

所述石英板8表面设置有槽体801，所述光学斩波片7的底部伸入所述槽体801。所述发射光纤准直器4所发出的光线穿过光学斩波片7的周期性挡光板701所经过的区域，槽体801可使得发射光纤准直器4所发出的光线充分经过所述光学斩波片7。

当所述光学斩波片7旋转时，可通过挡光板701，使得垂直于所述光学斩波片7表面入射的光线，被周期性调制成明暗间隔的光，调制的频率和所述光学斩波片7的转速以及所述挡光板701的角度间隔相关。

其中，由于风速感应叶片5暴露在采集器箱体101内部，易遭受雷击，因此，风速感应叶片5采用非金属材料制成，可避免遭受雷击。

本申请实施例提供的风功率密度在线测量装置处于有风环境中时，风速感应叶片5旋转，同时带动连杆6和安装于连杆6另一端的光学斩波片7做同步旋转，因此，光学斩波片7上的挡光板701周期性地挡住垂直腔面发射激光器1发出的光线，获得周期性明暗调制的输出光。由接收光纤准直器10对输出光进行接收，将光信号耦合到输出光纤300中，通过第一光学法兰接头9对外输出。

从第一光学法兰接头9输出的光信号可在普通单模的光纤300中传输至几十千米外的接收器200。

所述接收器200包括：接收器箱体207、设置于所述接收器箱体207箱壁的第二光学法兰接头201、设置于所述接收器箱体207内部的光电探测器202、频率-电压转换器203、模数转换器204、定时器205以及单片机206。

所述第二光学法兰接头201、光电探测器202、所述频率-电压转换器203、所述模数转换器204以及所述单片机206依次连接，所述定时器205与所述模数转换器204连接，所述第一光学法兰接头9与所述第二光学法兰接头201之间通过光纤300连接。

接收器200通过光电探测器202将带有频率调制的光信号变为相同频率的电信号，然后通过频率-电压转换器203将该频率转换为电压信号，通过定时器205定时采集电压信号，获得一段时间之内的平均值，该平均值表征一段时间之内的风速平均值，也就是传感器部分测量到的风功率密度。

接收器200通过定时器205来控制模数转换器204的采集间隔，通常设置采集间隔为1秒钟。采集60次由频率-电压转换器输出的电压数据，这60次电压数据由单片机206进行累加和平均计算，可获得一分钟内的平均电压值，该电压值可表征一段时间之内的平均风速大小，也就是风功率密度。

所述频率-电压转换器203是一种F-V变换芯片，可将频率线性地变化为电压信号，典型的型号为AD公司生产的AD650。所述频率-电压转换器203的输入端与光电探测器202连接，所述频率-电压转换器203的输出端与模数转换器204连接。

如图3所示，为模数转换器204与单片机206连接的电路图。其中，模数转换器204使用AD公司的ADS8327，16位模数转换器，通过SPI总线和单片机206连接，单片机206选用型号为STM32F407VGT6，使用单片机STM32F407VGT6的GPIO接口PD8进行片选控制，使用单片机206的硬件SPI接口和模数转换器204的SCLK，SDI，SDO连接，实现数据通信，读取转换的数据结果。

由以上技术方案可知，本申请实施例提供的风功率密度在线测量装置，包括采集器和接收器；采集器利用电池对垂直腔面发射激光器供电，垂直腔面发射激光器与发射光纤准直器连接，发射光纤准直器和接收光纤准直器相互对准，使得通光路径穿过光学斩波片，而光学斩波片通过连杆和风速感应叶片联动，在风速感应叶片转动时，光学斩波片对路径上的光信号进行明暗调制，通过接收器的光电探测器和频率-电压转换器检测该光信号频率的变化，并通过定时采集计算出一段时间之内的平均风速值，从而表征风功率密度；整个测量装置只有用于风力感应的风速感应叶片设置在测量装置外部，其余部分均设置在测量装置内部，采集器的输出信号通过光纤传输，可避免采用电缆或天线，导致测量装置遭受雷击的现象，可靠性高；此外，通过设置超低功耗和高发光效率的垂直腔面发射激光器，使得测量装置整体功耗较低，可减少对电池的充电的需求，并且省去太阳能电池板和风力发电装置，从而使得整个测量装置的成本和复杂程度都大幅度下降；系统效率高，节能环保，并且可实现风力的完全连续的在线监测，对无线基站以及光照条件都没有要求，只需铺设一条光缆即可长期稳定工作，适应性强。

以上的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

风功率密度在线测量装置专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。