风对人类的影响涉及到人类活动的各个领域,如工农业的生产制造、天文气象观测、能源开发与利用以及交通运输行业等领域。当风在运动过程中遇到山体时,风会因为地形的变化改变风向,且产生明显的竖直风速分量。在这种情况下,不能将风速粗略地简化为水平方向,而应将风速视为一个三维矢量。现有的风速传感器大多只能检测二维平面内的风速和风向。在三维空间风速方向检测方面,国内外研究较少。对于在山地环境的公路、桥梁和输电线路的建设,不能只考虑水平方向的风速,也需要考虑竖直方向上的风速分量对工程设施的影响。针对山地环境中三维风速风向的检测问题,本文提出一种基于Bragg光栅的三维风速风向传感器。主要研究内容如下:对挡风板进行结构优化并分析其受力,对Bragg光栅传感原理和等强度梁应变理论进行研究,对Bragg光栅风速传感器进行结构设计、对风速检测原理进行建模,实现Bragg光栅风速传感器对一维度正、反双向的风速检测。研究Bragg光栅中心波长随风场风速变化的规律,研究Bragg光栅温度补偿原理和算法。通过封装在基座内的温度补偿光栅实现对风速检测光栅进行温度补偿。使用三维建模软件UG对风速传感器各组件进行结构设计。运用ANSYS对等强度梁进行力学仿真,优化风速检测光栅在等强度梁上的最佳粘接位置,研究等强度梁的使用寿命。运用FLUENT模块对不同形状的挡风板进行风场仿真,确定了横截面为菱形的圆环状挡风板结构。为了实现对三维风速风向的检测,将三支一维Bragg光栅风速传感器安装在基座上进行正交阵列。将三维风速分解成分别在x、y、z轴上的三个一维风速分量进行检测,并进行矢量合成,最终实现对三维风速风向的检测。该传感器可通过检测Bragg光栅波长正增长或负增长来识别风向的正向或反向,进而将风速传感器的风向检测范围由空间内1/8区域扩大至全方位角度的测量,极大地扩大了风速检测范围。为了验证传感器的性能,设计并完成了Bragg光栅风速传感器的温度特性实验,采用砝码模拟风力的方法对Bragg光栅风速传感器进行水平、侧放和竖直三个方向上的风速特性实验。最后通过风场实验加以验证。研究三维风速矢量合成模型,给出矢量合成计算方法并进行实验验证。对实验数据进行优化,实验表明本文设计的基于Bragg光栅的三维风速风向传感器,可准确检测出风场环境下的风速大小、三维风向和温度,符合预期要求。