风力涡轮机光学风力传感器

摘要

本发明包括具有光学风力传感器10的风力涡轮机。光学风力传感器产生一个或更多个多个光束42，每个多个光束都形成沿着传感器轴线指向的传感器光束。在使用超过一个传感器光束时，光束被设置使得不同传感器轴线至少部分地彼此正交设置，允许对于任意风向都能探测到风向40。每个多个传感器光束包括至少两个单个传感器光束，所述单个光束具有不同的相应光波长。当风中的物质穿过光束并且将光反射回光收集装置时，单个光束的不同颜色允许传感器系统探测到哪个光束被首先触发。

权利要求

1.一种风力涡轮机光学风力传感器装置，所述光学风力传感器装置包括：

第一光源，其中，所述第一光源被设置成发出多个光束作为第一传感器光束，所述第一传感器光束包括两个或更多个单个光束，其中，每个单个光束与第一传感器光束中的至少一个其它单个光束相比具有不同的频率特性；

至少第二光源，其设置成发出多个光束作为至少第二传感器光束，所述至少第二传感器光束中的所述多个光束包括两个或更多个单个光束，以及其中每个单个光束与所述至少第二传感器光束中的至少一个其它单个光束相比具有不同的频率特性；

其中，所述第一传感器光束和所述至少第二传感器光束被设置成使得它们至少部分地相互正交；

连接到光学传感器用于探测光闪现的第一光接收装置，所述光闪现是由于风中携带物质经过多个光束所导致的；

第一聚焦装置，用于将所述第一传感器光束中的单个光束聚焦到所述第一光接收装置附近的相应焦点，从而使得单个光束的焦点彼此相邻；

至少第二聚焦装置，用于将所述至少第二传感器光束中的单个光束聚焦到所述第一或者至少第二光接收装置附近的相应焦点，从而使得单个光束的焦点彼此邻近；以及连接到所述光学传感器的控制器，用于处理当风中携带物质经过所述第一传感器光束和所述至少第二传感器光束时由光学传感器探测到的光闪现，以及基于所述第一传感器光束和所述至少第二传感器光束的闪现确定所述物质以及风在两维探测平面上的运动的速度和方向。

2.如权利要求1所述的风力涡轮机光学风力传感器装置，其特征在于，所述光学风力传感器装置包括3个光源，所述光源发射出相应的传感器光束，以限定相对彼此成相等角度间隔定向的3个相应传感器轴线。

3.如权利要求1所述的风力涡轮机光学风力传感器装置，其特征在于，所述光学风力传感器装置包括5个光源，所述光源发射出相应的传感器光束，以限定相对彼此成相等角度间隔定向的5个相应传感器轴线。

4.如权利要求1-3任一所述的风力涡轮机光学风力传感器装置，其特征在于，所述传感器光束被设置成交叉的，并且包括位于光束的交叉点的单个光探测装置。

5.如权利要求1-3任一所述的风力涡轮机光学风力传感器装置，其特征在于，每个光源包括连接到光电光源的光纤，其中，所述光电光源被容纳在所述风力涡轮机的电力屏蔽部件内。

6.如权利要求1-3任一所述的风力涡轮机光学风力传感器装置，其特征在于，所述光学传感器是容纳在所述风力涡轮机的电力屏蔽部件内的光电探测器，并且所述光接收装置以及所述光接收装置与光电探测器的联接是非电力敏感的。

7.如权利要求1-3任一所述的风力涡轮机光学风力传感器装置，其特征在于，所述光学风力传感器装置包括容纳在所述风力涡轮机的电力屏蔽部件内的一个或多个电力敏感部件，以及机舱外部的所述风力涡轮机的元件是非电力敏感的。

8.如权利要求5所述的风力涡轮机光学风力传感器装置，其特征在于，每个光电光源的光纤连接到同一光电发射器。

9.如权利要求1-3任一所述的风力涡轮机光学风力传感器装置，其特征在于，每个传感器光束中单个光束的频率特性与其它传感器光束中单个光束的频率特性相比是不同的。

10.如权利要求1-3任一所述的风力涡轮机光学风力传感器装置，其特征在于，所述频率特性是单个光束中光的光学波长。

11.如权利要求1-3任一所述的风力涡轮机光学风力传感器装置，其特征在于，单个光束被设置成闪烁、并且所述频率特性是闪烁频率。

12.如权利要求1-3任一所述的风力涡轮机光学风力传感器装置，其特征在于，所述控制器可被操作以致动所述光源中的一个光源，从而每次产生一个传感器光束。

13.如权利要求1-3任一所述的风力涡轮机光学风力传感器装置，其特征在于，每个多个光束仅包括两个具有不同相应波长的单个光束。

14.如权利要求1-3任一所述的风力涡轮机光学风力传感器装置，其特征在于，每个多个光束包括3个或更多个具有不同相应波长的单个光束。

15.如权利要求1-3任一所述的风力涡轮机光学风力传感器装置，其特征在于，单个光束是波长可光学区分的可见光。

16.一种操作风力涡轮机光学风力传感器装置的方法，包括：

发射多个光束作为第一传感器光束，所述多个光束包括两个或更多个单个光束，其中，每个单个光束与第一传感器光束中至少一个其它单个光束相比具有不同的频率特性；

发射多个光束作为至少第二传感器光束，所述至少第二传感器光束中的所述多个光束包括两个或更多个单个光束，以及其中每个单个光束与所述至少第二传感器光束中的至少一个其它单个光束相比具有不同的频率特性；

其中，所述第一传感器光束和所述至少第二传感器光束被设置成使得它们至少部分地相互正交；

将第一传感器光束中的单个光束聚焦到位于连接到光学传感器的第一光接收装置附近的相应焦点，从而使得单个光束的焦点彼此邻近；

将所述至少第二传感器光束中的单个光束聚焦到所述第一或者至少第二光接收装置附近的相应焦点，从而使得单个光束的焦点彼此邻近；以及在所述第一光接收装置处接收光闪现，所述光闪现是由风中携带的物质穿过单个光束所导致的；

通过连接到所述光学传感器的控制器处理当风中携带物质经过所述第一传感器光束和所述至少第二传感器光束时由光学传感器探测到的光闪现，以及基于所述第一传感器光束和所述至少第二传感器光束的闪现确定物质以及风在两维探测平面上的运动的速度和方向。

说明书

风力涡轮机光学风力传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种风能动力装置，并且尤其涉及一种风力涡轮机光学风力传感器。

背景技术

[0002] 图1显示了一种风能动力装置，例如风力涡轮机1。风力涡轮机1包括风力涡轮机塔架2，风力涡轮机机舱3被安装在该塔架2上。包括至少一个风力涡轮机叶片5的风力涡轮机转子4被安装在机毂6上。机毂6通过从机舱前方伸出的低速轴（未示出）而连接到机舱3。图1中所示的风力涡轮机可以是用于家用或者轻型用途的小型风力涡轮机；或者可以是大型风力涡轮机、例如适合于在风电厂上的大规模发电装置中使用的风力涡轮机。在后一种情形下，转子的直径可以达到100米或者更大。

[0003] 为了安全及有效地从风中获取能量，许多风力涡轮机都包括提供有关入射风速及风向信息的风力计或者风力传感器。这种信息能够用于监测现场可用于能量产生用途的风力大小。知晓风向允许风力涡轮机机舱的偏航进行调节，从而使得转子叶片在能量产生期间完全地面向着入射风。此外，知晓风速允许转子叶片的桨距进行调节，从而使得从入射风中获取的能量大小能够被仔细地控制，从而达到要求以及满足其它运行参数。通常需要使风力涡轮机转子叶片的平面角度转到风之外、或者调节转子叶片的桨距从而使风漏过，从而避免由于风速过高而带来的结构问题或者电力过载。

[0004] 关于风速和风向的准确信息在风力涡轮机控制及监测系统（例如SCADA系统）中是至关重要的输入。

[0005] 风力涡轮机风力传感器进行配置的操作环境是严酷的并且通常是许多传感器操作难题的主要成因。机械式风力计的移动部件上灰尘和冰的堆积使其容易损坏。尽管基于电子或者激光的风力传感器（例如基于LIDAR激光雷达的传感器）装置更加能够抵抗灰尘和冰，但是它们更容易在频繁困扰风力涡轮机的雷击中受到损坏，原因是它们在暴雨地点的高度和位置。

[0006] 避雷针的应用提供了一种将雷击能量转移离开敏感设备的方法。然而，避雷针无法总是充分地保护传感器设备，这是由于所包含的金属部件（例如布线和电路）同样会受到放电以及感应电流的损坏。

[0007] 由此期望提供一种具有传感器的风能动力装置，该传感器能够准确地提供有关入射风的信息，以用于控制和监测目的，并且尽管遇到上面所述的挑战仍然能够可靠地运行。

发明内容

[0008] 本发明在下面介绍的独立权利要求中进行限定。有利的特征在从属权利要求中提出。

[0009] 在第一方面，提供一种风力涡轮机光学风力传感器装置。该风力涡轮机光学风力传感器装置包括：第一光源，其中第一光源被设置成发射出多个光束作为第一传感器光束，该第一传感器光束包括两个或更多个单个光束，以及其中每个单个光束与传感器光束中的至少一个其它单个光束相比具有不同的频率特性；连接到光学传感器用于探测光闪现的第一光接收装置，所述光闪现是由于风中携带物质经过单个光束并且将光向着光接收装置反射所导致的；聚焦装置，用于将多个光束中的单个光束聚焦到第一光接收装置附近的相应焦点，使得单个光束的焦点彼此相邻；以及连接到光学传感器的控制器，用于处理由光学传感器探测到的光闪现，从而确定出所述物质以及携带物质的风的运动的速度和/或方向。

[0010] 多个光束包括具有不同频率特性的单个光束。这允许控制器从反射光的频率特性确定出光束触发的次序，以及由此确定出风吹动的方向。

[0011] 优选地，风力涡轮机光学风力传感器装置包括：至少第二光源，其设置成发出多个光束作为至少第二传感器光束，该多个光束包括两个或更多个单个光束，以及其中每个单个光束与至少第二传感器光束中的至少一个其它单个光束相比具有不同的频率特性；聚焦装置，用于将至少第二多个光束中的单个光束聚焦到第一或者至少第二光接收装置附近的相应焦点，使得单个光束的焦点彼此邻近；以及其中第一光源和至少第二光源被设置使得每个多个光束都提供传感器光束，该传感器光束在与其它传感器光束至少部分正交的方向上定向。

[0012] 通过设置至少部分彼此正交的多个传感器光束，任意风向上的风吹动方向都能够被计算出来。

[0013] 在一个实施例中，所述风力传感器包括3个光源，所述光源发射出相应的传感器光束，以限定相对彼此成相等角度间隔定向的3个相应传感器轴线。在替换性实施例中，所述风力传感器包括5个光源，所述光源发射出相应的传感器光束，以限定相对彼此成相等角度间隔定向的5个相应传感器轴线。5个传感器轴线允许风向的精确测量而不论其角度如何，沿着两个传感器轴线的测量被用于检验测量结果。仅仅具有3个传感器轴线的实施例获得了类似的测量结果，但是不能够进行交叉检验以及设备成本更低。

[0014] 在一个实施例中，传感器光束被设置成交叉的，以及风力涡轮机光学风力传感器装置包括在光束交叉点的单个光探测装置。

[0015] 如果每个光源都包括连接到连接到光电光源的光纤、以及光电光源被容纳在风力涡轮机的电力屏蔽部件中，那么这是有利的。这允许传感器系统中容易受到雷击的那些部件得到保护，以及使得暴露于所述元件的部分整体地由非金属、非导电材料制成。

[0016] 由此在一个实施例中，光学传感器是容纳在风力涡轮机的电力屏蔽部件中的光电探测器，以及光接收装置以及它与光电探测器的联接是非电力敏感的，以及在另一个实施例中，风力传感器包括容纳在风力涡轮机的电力屏蔽部件中的一个或多个电力敏感部件，以及其中机舱外部的风力涡轮机元件是非电力敏感的。

[0017] 有利地，每个光源的光纤都连接到相同的光电光发射器。这提高了传感器系统的成本效率以及设计简洁性，原因是每个单一光源纤维都能够携带具有不同频率特性的多个单个光束。

[0018] 在一个实施例中，各个传感器光束中单个光束的频率特性与其它传感器光束中单个光束的频率特性相比是不同的。这允许控制器能够单独地通过反射光确定出哪个传感器光束和单个光束被触发以及由此确定出哪个传感器轴线定向与该光束相对应。

[0019] 在一个实施例中，频率特性是单个光束中光的光学波长。附加地，单个光束可被设置成闪烁以及频率特性是闪烁频率。

[0020] 在一个实施例中，风力传感器控制器可被操作以致动一个光源从而每次产生一个多个光束。这允许风力传感器以简单直接的方式探测出颗粒经过哪个光束。

[0021] 在一个实施例中，每个多个光束都包括仅仅两个具有不同相应波长的单个光束。这个实施例受益于能够直接简单地实施，而且仍然给出了通过光束颜色来指示风向的优点。

[0022] 在替换性实施例中，每个多个光束都包括3个或多个具有不同相应波长的单个光束。这个实施例能够用于提供更强的信号，这正是所需要的。

[0023] 单个光束可以是波长可光学区分的可见光，从而易于探测以及查错。

[0024] 同时提供了一种操作光学风力涡轮机风力传感器的对应方法，以及一种用于操作上面提到的光学风力涡轮机风力传感器的计算机程序产品。

附图说明

[0025] 下面通过示例以及参考附图进一步详细描述本发明的优选实施例，其中：

[0026] 图1是风力涡轮机的示意性外形视图；

[0027] 图2是根据本发明示例的风力涡轮机风力传感器的示意性正视图；

[0028] 图3是根据图2中所示本发明示例的风力涡轮机风力传感器的示意性侧正视图；

[0029] 图4是图2中所示的风力传感器外壳的更详细图示；

[0030] 图5是与风力传感器共同使用的另一个装置的示意性图示；

[0031] 图6是第一示例中如图4中所示的光源装置的第一示例的简化示图；

[0032] 图7是显示了探测原理的第一示图；

[0033] 图8是显示了探测原理的第二示图；

[0034] 图9是第二示例中如图4中所示的光源装置的简化示图；

[0035] 图10是共同操作以探测风速和风向的多个光源装置的操作的简化示图；

[0036] 图11显示了本发明示例实施例中传感器轴线的设置；

[0037] 图12显示了对于两个传感器光束进行计算的基础；

[0038] 图13显示了进行计算的三角函数基础。

具体实施方式

[0039] 一般地，本发明的示例性实施例包括具有光学风力传感器10的风力涡轮机。光学风力传感器产生一个或多个多个光束，每个光束形成沿着传感器轴线指向的传感器光束。在使用超过一个传感器光束时，光束被设置使得不同传感器轴线位于至少部分地彼此正交，允许对于任意风向探测风向。每个多传感器光束都包括至少两个具有不同各自光波长的传感器单个光束。当风中的物质穿过光束以及将光线反射回光收集装置时，单个光束的不同颜色允许传感器系统探测出哪个光束被首先触发。参考显示本发明第一示例性实施例的图2和3。图2显示了从下面观察的风力传感器10，而图3显示了从侧面观察的风力传感器10。

[0040] 风力传感器10包括外壳11，多个光源12和光探测装置13被设置在该外壳11中。在附图中，显示了3个光源11，但是实际当中可以是任意数目。如随后所述，更期望奇数个数目，原因是这样能提供传感器光束的最优配置，尽管本发明并没有局限于这种应用。例如，3个光源允许至少两个方向上的风速和风向被精确地计算出来。外壳可由如具有玻璃纤维和碳纤维的纤维加强件的塑料构造而成；替换性地材料可以是可变形材料，例如诸如橡胶的聚合物、天然橡胶、聚丙烯、聚乙烯、尼龙、弹性体、Kevlar，或者类似物。

[0041] 图3显示了将外壳11紧固到风力涡轮机机舱3的优选安装结构。在这个实施例中，光环状或环形屏蔽元件15通过杆或柱16而被连接到风力涡轮机机舱3的顶部。传感器外壳11通过连接部17而被悬挂在环形屏蔽元件15的内部。环形屏蔽元件15能够由金属或其它导电材料制成，从而使得在雷击的情况下，雷电被吸引到屏蔽元件15以及远离传感器外壳11中的任意潜在敏感设备。雷电导体由此能够被结合到环形屏蔽元件中，从而将雷击的能量从屏蔽元件15安全地转移到风力涡轮机机舱3中的适当回路中以及从回路导入地面。连接部17优选地由与传感器外壳11、或者风力涡轮机机舱3所类似的材料制成，例如具有玻璃纤维和碳纤维的纤维加强件的塑料、可变形材料例如诸如橡胶的聚合物、天然橡胶、聚丙烯、聚乙烯、尼龙、弹性体、Kevlar，或者类似物。连接部17由碳纤维或者酌情由其它适当材料进行加强，从而使得传感器外壳11被紧固地支承在适当位置。柱16优选地由与风力涡轮机机舱3外部相同或类似的材料制成。

[0042] 如参考图4进一步详细所述，优选示例中传感器外壳11没有包括任何金属或导电材料，由此显著地降低了雷击风险。

[0043] 在替换性实施例中，外壳可简单地通过支承件或者腿结构（未示出）而连接到风力涡轮机，而不是通过环形屏蔽元件15。然而，图3中所示的配置是有利的，原因是它允许传感器外壳11更容易地定位在机舱3上方的一个对于进行风速测量的优选位置上、也就是说定位在一个转子5或者风力涡轮机机舱3对于风力流动所产生的干扰作用最小、同时传感器装置10自身对风力的任意空气动力学扰动也降到最低的位置。

[0044] 如图3中所示，来自于光源12的光被聚焦到光探测装置13前方很短距离的焦点35。通过在焦点35正下方将暗板或暗表面连接到风力涡轮机机舱3，光探测装置13捕捉光信息的能力能够在某些情况下得以提高。

[0045] 参考图4，更详细地描述传感器外壳11的组成。光探测装置13优选地包括聚光透镜16以及相关的光纤17。聚光透镜16具有大孔隙用于捕捉光，以及在这里描述的示例中尺寸范围为5到10cm。在其它实施方式中，透镜尺寸可以适当地按比例确定。

[0046] 光纤17通过固定件18而被固定到外壳11的内部，该固定件18定位光纤使得光纤能够接收透镜16所收集的光。如果期望增加光纤17所捕捉的光的比例，可以在聚光透镜16与光纤17末端之间设置附加光学透镜19。

[0047] 光纤17是光纤束20的一部分，该光纤束20包括其它光纤21和22。光纤束20从外壳11经由连接部17的内部、环形屏蔽元件15、以及支承柱16而穿过进入到机舱3的内部中，从而连接到光电设备组件25，如图5中所示。

[0048] 光电设备组件25包括一个或多个光电光源26、一个或多个光探测器（例如光传感器27）、以及控制器28。光电光源可包括连接到光纤21和22的一个或多个LED、激光、卤素光源或者金属卤素光源。此外，光纤17的末端连接到光探测器。控制器28包括存储器和处理器，控制软件存储在存储器上，用于控制光风力传感器以及对结果进行分析。

[0049] 再次参考图4，光源12包括连接到光电光源26的至少一个光纤，例如光纤21和22。光纤21和22通过各自的固定件30和31而被保持在适当位置。光源12还包括设置在光纤端部前方用于接收输出光的一个或多个光学元件32和33。光学元件32和33可包括一个或多个光学棱镜和透镜，如结合下面示例进一步详细所述。

[0050] 下面参考图6到13进一步详细描述风力传感器的操作。

[0051] 在图6中所示的示例中，每个光源12输出两个不同波长的光。这通过两个光纤21a和21b所表示，所述光纤基本上彼此对齐并且均发射出基本上相同方向的光束。光束由此基本平行。当然，由单独的光纤产生各个光束不是必须的，以及随后描述仅仅使用每个光源12具有一个光纤的示例（如图4中所示）。

[0052] 具有各自波长λ1和λ2的两个光束被导引到光学元件32上，在透镜32a的情况下，这会将每个光束都聚焦到透镜32a前方一定距离的焦点区域35。焦点区域35被设置位于光探测装置13中的透镜16的前方，如图4中所示。该设置同样在图3中所示。光束的焦点区域35的直径在这个示例中可以在5mm到20mm的范围内。

[0053] 在焦点区域35内，每个光束都具有单独的焦点36和37。焦点36和37被设置成沿着传感器轴线38，每个焦点之间具有预定间隔。例如，相邻焦点的间隔可以在0.1mm到10mm范围内。

[0054] 当风中携带的物质颗粒穿过焦点区域35以及将光从各个光束向着透镜16反射时，通过探测来自于各个传感器光束的光闪现，风力传感器进行操作。一般质量的空气通常包括足够数量的物质，使得颗粒的经过能够被探测到，假定选择出适当的光波长，水蒸汽、灰尘或者花粉的颗粒能够以此方式被容易地探测到。

[0055] 图7更详细地显示了原理。图7的左手侧显示了各个光焦点36和37的光闪现（由X表示），这是当空气中的颗粒沿着传感器轴线38行进时发生，在这种情况下是向上的方向。假定两个光焦点36和37之间的间隔是很少几个毫米，那么焦点37的闪现将会发生在焦点36闪现的稍稍之前。假定风速是每秒钟几十米，那么闪现之间的时间将会小于毫秒。如果颗粒速度以及携带颗粒的风速要被知晓的话，那么这个经过时间最终需要被测量出来。

[0056] 如果每个光束的光具有相同频率特性例如波长，那么实际当中从光闪现获得的信息只有经过时间。这能够尝试探测出哪个光束被首先触发，以及随后推导出颗粒移动的方向，但是需要高分辨率设备以及处理方法，导致最终更加昂贵。

[0057] 通过使用不同波长的光束，这些困难在发明的当前实施例中减轻。不同波长允许处理设备确定出哪个光束被首先触发，不是通过发生闪现空间位置的视觉分析，而是基于闪现的颜色以及闪现发生的次序。对于如图7示例中而从顶部移动到底部的颗粒，传感器将由此看到两个颜色闪现λ1和λ2并且可通过次序λ2、λ1推导出行进方向。

[0058] 该示例的略微改动在图8中显示，其中第三和第四光束同样被用于探测。在这个示例中，附加的光束具有与第一和第二光束相同的波长，并且可由此通过结合到光学元件32中的一个或多个分光计而产生，所述光学元件连接到各个光纤21a和21b中的每一个。

[0059] 使用四个光束的优点在于颗粒的经过是通过在时间上以相等空间间隔发生的四种不同颜色的闪现而被指示。这使得粒子经过的信号强于只有两个闪现的情况，并且由此容易与背景噪音区分。例如，如果四个光束中的一个反射光闪现没有如其它闪现那样强，那么之前或者之后的闪现（假定这些闪现在恰当的时刻发生）能够允许颗粒经过被确定地探测到，而不管丢失的或者弱化的个别闪现。如果恰好有两个闪现，那么对于起码一个闪现的强信号的缺失将会导致探测的更大不确定性。

[0060] 此外，四个光束的使用增加了颗粒运行的距离，增加了经过时间，以及由此提高了颗粒速度的测量精确性。假如光束设置并非对称并且能够用于确定出方向，那么光束设置的次序并非重要的。尽管如此，将光束通过波长共同地分组是优选的，例如λ1、λ1、λ2、λ2，如图中所示，这使得所得到的信号的方向部分更加强大。当然，可以根据期望而在传感器中使用任意数目的光束。

[0061] 图9显示了光源装置的第二个实施例，这在传感器中使用多个具有不同波长的光束时是有利的。光源包括连接到光电光源26的单个光纤21，如前所述。多个不同的光束（每个都具有不同波长）被输入到光纤中以及沿着光纤长度作为复合光束传播。在从光纤21出来之后，复合光束被光学元件32中所包含的光学棱镜32b导向，该棱镜将光束分成单独的光束，每个光束具有各自的组成波长。光学棱镜32b将单个光束导向到光学透镜32a上，如前所述。使用这种配置，任意数目的不同波长光束都可以容易地在传感器中使用。

[0062] 在前面讨论中，假定颗粒沿着传感器轴线38以直线传播，那么传感器测量出来经过时间并且用于确定出风速。如图7和8的右侧所述，如果颗粒以及实际风力沿着稍稍偏离传感器轴线的路径传播，那么对于单个传感器而言它们将会传播得更加缓慢。路径方向相比传感器轴线大约45°的偏移角度，导致速度与真实数值相比明显降低大约40％。

[0063] 在某些方面，通过使光束聚焦到传感器轴线38上，这个错误来源会被减轻。也就是说，颗粒沿着传感器轴线行进将会在焦点36和37处切入光束。这些点的光束被严格地限定，以及当颗粒通过时从颗粒的反射将由此同样被严格地限定和区分。当颗粒移动远离传感器轴线38时，那么它们移动到光束不再聚焦的区域内。由此，闪现将会更大，但是不再明显。由探测器27探测到的闪现尺寸和性质的改变能够被用于探测出颗粒何时不再以足够邻近传感器轴线38的方式行进，结果可靠地显示出风速和方向。当然，随着颗粒进一步移动远离传感器轴线38，它们将逐渐地淡出视野。由此，颗粒的模糊表现能够被简单地忽略，直到能够在接下来的处理步骤中使用的清晰闪现被探测到。

[0064] 在部分实施例中，通过使传感器在使用前相对于风进行正确地定向、对从颗粒经过时间所获得的结果进行平均、以及去掉最大或者最边缘的数值，上述困难能够被减轻。然而在实际当中，如果使用多个光源12则是优选的，其中每个传感器面向不同方向，例如在图2中显示，从而使得一个传感器上的影响被删除或者被其它传感器弥补。多个传感器的使用将进一步详细描述。

[0065] 图10显示了图2中光源及光探测装置的另一个配置，由箭头40显示出风向。在这个传感器系统中，配置了5个传感器光束42a、42b、42c、42d和42e，限定出交叉的传感器轴线A、B、C、D和E。5个交叉的光束被用于完全地确定出两个方向平面内的风速和风力，以及确保光探测器总是接收到至少两个强信号。每个传感器光束都给出了穿过光束的空气中颗粒的经过时间作为输出，以及基于该时间输出，控制器28计算出光束方向以及提供输出。

[0066] 下面参考图11进一步详细描述传感器的操作。

[0067] 为了说明目的，图11省略了传感器系统并且仅仅显示了5个传感器轴线，A、B、C、D和E。根据所述，在任意给定时间，实际上仅仅需要5个光束中的3个传感器光束，尽管剩余两个光束提供了交叉检验功能。

[0068] 传感器光束被设置成限定出5个传感器轴线A到E，所述轴线彼此分开相等的角度位移。在这个情况下，由于设有5个光束，角度位移是72度，以及相对轴线（例如B和E）之间角度的差值为144度或者表示为锐角的话是36度。这里假定所有的传感器光束都具有相同的宽度。

[0069] 对于几乎全部风向，颗粒穿过传感器光束的经过时间对于每个传感器光束都是不同的。然而，当风向基本上平行于传感器轴线时，由设置在两个相邻传感器轴线上的传感器光束所表示的经过时间将会基本上相同。如图中所示，如果风向几乎平行于传感器轴线A，那么风中颗粒穿过沿着轴线B和E设置的传感器光束的角度将会相等的，即相对于垂线为（90-72）18度。由此，由光束B和E所表示的经过时间将会基本上相同。

[0070] 在这个情况下，基本上平行于颗粒行进方向的传感器轴线A将不会给出任何有用信号，这是由于入射风中任何颗粒都在光束的焦点区域35内经过太短时间而不能作为单一颗粒被探测。相反地，当不同颗粒穿过焦点区域以及被照亮时，将会探测到光的漫闪现。

[0071] 还可以理解的是，在这个情况下，穿过沿着传感器轴线C和D设置的光束的风中颗粒的经过时间将同样基本上相同，原因是颗粒与光束方向形成的角度将会同样相同。然而，在传感器光束沿着轴线C和D设置的情况下，经过角度会更邻近平行于传感器轴线的方向，这意味着颗粒很可能从光束的焦点区域更快速地经过而进入到非焦点区域。这会导致对于经过角度更邻近垂直且经过时间更短的光束传感器而言，信号更加不可靠。

[0072] 在这种特殊情况下，直接地确定出入射风的方向为沿着传感器轴线A的方向。沿着传感器轴线A的风向是通过颗粒穿过传感器轴线B和E时探测到的颗粒方向所给出的。

[0073] 可以理解的是，具有最低经过时间的两个传感器轴线的经过角度合计为36度，这是由于光束的设置以及观察到当风向主要沿着中间传感器轴线设置时对于相隔传感器光束的经过时间是相同的。在上面所述的示例中，这种观察对应于中心位于传感器轴线A的36度锥体。尽管风向相对于传感器轴线A处于0度角（平行）与18度角之间，但是风向可以通过从沿着传感器轴线B和E设置的光束所获得的经过时间来表示。如果风向与显示偏离传感器轴线A18度的直线相交，那么它会处于相对的传感器轴线C的18度角之内，以及将会通过沿着相对传感器轴线B和D的光束经过时间所给出。

[0074] 相同的操作模式同样适用于入射风方向没有基本上平行于传感器轴线而是偏离轴线的情况。在这种情况下，考虑给出两个最低时间信号的两个传感器轴线。对于上面所述的情况，这会是传感器轴线B和E，原因是这些传感器轴线最垂直于风向，经过时间将会是最短。

[0075] 对于传感器轴线B和E，经过时间将不会是相同的，但是将会反映出入射风向与入射风中颗粒对于各个传感器轴线的角度之间的关系。当经过时间是相同时，每个传感器的各自经过角度都是18度，以及角度总和是36度。在时间不相同的情况下，经过的角度总和仍然是36度，原因是风离开一个传感器轴线（例如传感器轴线B）但是风向着另一个轴线（例如传感器轴线E）移动。

[0076] 在这个更普遍的情况下，入射风的确切入射角度能够通过三角函数而被计算出来。颗粒穿过光束的路径是直角三角形的斜边，而光束宽度作为邻边。经过角度可以通过邻边与斜边之间的角度给出。

[0077] 如图7和8中可以理解到，穿过传感器光束的入射风中颗粒的最短经过时间将会在相对于光束宽度的经过角度为零度时发生，也就是当风垂直于光束时。在这个情况下，风速是通过表达式“经过时间除以光束宽度”给出的。由于光束宽度是已知的，因此这就是非常直接简单的。然而在实际当中，通过传感器光束获得的数据仅仅是时间信息，这是模糊不清的，原因是单个时间数值可能指的是较短经过时间或者指的是较大经过角度。由此必须联立地解答针对两个传感器轴线的等式。

[0078] 在这个情况下，对于每个轴线而言有两个数值是相同的：光束宽度以及风速。图13显示了如何构造联立等式，假定经过颗粒的路径以及光束宽度被看作是两个具有共同侧边的直角三角形。简单地将斜边称之为B和E，以及它们的相对角度为b和e，那么正弦定理给出：

[0079]

[0080] 其中C是相对侧边的长度，以及c是相对角度。我们能够从前面介绍中得到c=36度，以及

[0081] c=β+ε

[0082] 其中β+ε是对于分别地沿着轴线B和E设置的传感器光束来说的未知经过角度。从图13的观察中可以得到：

[0083] β+e=90=180

[0084] 以及

[0085] ε+b+90=180 （ 2）

[0086] 侧边C的长度通常由下面表达式给出：

[0087]

[0088] 由于斜边长度与颗粒经过时间之间有严格的关系，因此经过时间之间的关系等于斜边之间的关系。

[0089] 时间B/时间E=斜边B/斜边E

[0090] 由此在等式1中，由于角度c是已知的，以及B和E的数值是已知的（关于经过时间），那么长度C的数值（也关于经过时间）能够被计算出来。

[0091] 通过这个数值C，角度b+e的数值能够通过等式（1）得到，以及一旦b+e是已知的，那么数值β+ε也能够从等式2推导出来。

[0092] 一旦光束B的经过角度β是已知的，那么斜边长度以及风速能够被推导出来。

[0093] 通常来讲：

[0094] Cosβ=Adj(B)/Hyp(B)

[0095] 在这个表达式中，表示时间单位的Hyp（B）是已知的。通过已知的Cosβ和Hyp(B)数值得到Adj(B)，等式被重新整理，从而得到颗粒垂直穿过光束所花费的时间。由于光束宽度是已知的，因此实际风速能够被确定出来。

[0096] 可替换地，光束宽度的实际距离数值能够与角度相结合，从而给出沿着斜边的实际经过距离，由于经过时间是已知的，则得到了速度。

[0097] 在设有5个或更多传感器光束的实施例中，基于两个传感器光束所得到的计算结果与其它光束进行对比从而检查精确性。对于3个传感器光束，能够以同样方式完成计算，但是不具有检查结果的功能。

[0098] 处理方法能够被用于提高传感器的操作，并且识别出在传感器轴线上探测到两种不同颗粒的事件，所述两种颗粒似乎作为沿着轴线以一定速度行进的单个颗粒。如果没有正确地识别和处理，那么这种事件将会指示出与真实数值所不同的风向和风速。

[0099] 当传感器10操作时，数据点的历史将会被累积并且能够被存储在存储器中用于与瞬时数据读数进行对比。这允许每个瞬时或当前数据读数能够因为异常而被掩蔽或者过滤。一种实现这种方法的简单示例是将当前数据读数与风向的传感器当前确定值进行对比。如果数据读数没有与当前确定出的风向一致，也就是说表示出风向突然地改变，那么数据会标记为错误的并且被忽略。类似的处理方法可以通过计算出的风速来完成。

[0100] 这种处理方法本质上允许结果随着时间进行平均以及由此提高精确性。

[0101] 任意数目的传感器光束可根据期望而被用于本发明的实施例中。在期望精确性的情况下，更多个光束是有利的。在成本是重要因素的情况下，仅仅具有3个传感器光束的实施例更加高效。对于具有任意数目的传感器光束，各个传感器光束被设置使得没有两个光束彼此平行，原因是这会导致一个光束是冗余的。传感器没有限制为奇数个传感器光束，但是在使用偶数个的情况下，每当光束被设置成彼此平行时，在方向上存在必然的重叠。

[0102] 实际当中，每个光源装置12都被控制器28依次地致动（或者共同地致动），从而使得每个不同的传感器光束都被单独地致动。以此方式，控制器确定出每个传感器光束的时间数值，而不会与其它光束发生干涉。尽管这意味着实际中每个光束都探测出不同的颗粒，但是只要传感器光束的操作能够快过风速的改变以及由此快过风中颗粒物质方向的改变，那么对于计算结果的影响就是可以忽略的。

[0103] 尽管在所述实施例中，各个传感器光束中的每一个都通过它们各自的时序而单独地照亮以及区分，但是在替换性实施例中，传感器光束可以通过它们各自的波长而被彼此区分。也就是说，除了具有彼此相比不同波长的单独组成光束之外，单独组成光束相比其它传感器光束中的单独组成光束也具有不同的波长。这允许所有光束被连续地照亮。在这种配置中，光收集装置13能够被定位在光束穿过的每个光发射装置之间的单独收集装置所代替。

[0104] 在另一个实施例中，不同传感器光束能够被连续地照亮，而不管每个单独光束是否具有不同波长。这是通过使光探测装置13和光源12的位置进行颠倒而实现的，这样使得多光探测装置13围绕着传感器外壳基座11的边缘设置，以及外壳11中心的单光源或多光源12被设置成向着边缘的探测装置发射出各自的传感器光束。以此方式，对于每个传感器轴线都设置有不同的探测装置13。

[0105] 上面所述的光学传感器10给出了两维平面内的读数。由此通过设置一个与上面所述相类似的、但使探测平面垂直定向的传感器装置，能够获得风速的三维数据。两个不同传感器定向的数据输出能够进行组合，从而给出单个三维结果。

[0106] 在上述本发明的示例中，光的光学波长或者频率被用于使一个单个传感器光束与其它光束相区分、以及随后提供有关风经过方向的信息。在另一个替换性实施例中，单个光束的波长能够是恒定的，但是光束能够间断地闪烁以及随后通过它们的闪烁频率而彼此区分。

[0107] 为了确保风中的颗粒能够被探测到，也就是说颗粒不会在光束关闭时穿过光束，闪烁频率应当被设置得足够高。由于关注的风速是每秒几十米的量级，以及光束宽度是毫米的量级，因此风中颗粒在光束中耗费的时间小于50微秒。光的闪烁频率由此需要是1MHz或者更大的量级，从而确保反映颗粒经过。实际中，高于100MHz的频率可以是有益的。

[0108] 根据颗粒与哪个光束交叉以及何时交叉，从各个单个光束接收的光将会在探测器（这里情况下例如是单个PIN二极管）相加。然而，来自于各个单个光束的传感器信号将会根据它们各自的闪烁频率具有它们自己的标号，允许通过过滤使来自于特定光束的信号与其它光束相隔离。这种过滤可使用传统的带通滤波器或者更复杂的数字光学电子器件而实现。当选择单个光束的频率时，应当注意避免干扰探测的谐振，例如当一个光束的频率是另一个光束频率多倍时。通过示例，在高于100MHz范围的适当频率可以是110、120、130、140、150、160、170、180、190、210、230、250、270、290MHz等等。这允许所有光束都能连续地操作，而仍然允许探测到单个光束。

[0109] 上面所述的光学风力传感器能够用于控制风力涡轮机操作的系统中、例如桨距及偏航控制系统，以及用于提供在计算风力涡轮机动力曲线中使用的数据。

[0110] 出于说明目的，本发明参考多个示例进行描述。本发明没有局限于这些示例，以及在权利要求提供的定义之内的变化对本领域技术人员而言是明显的。