基于光纤传感技术的风电叶片运行状态监测系统

邢晓坡

(中科国风科技有限公司 天津300456)

1 对风力发电叶片进行运行状态监测的意义

1.1 获取实际承受载荷情况

在叶片设计阶段，叶片载荷状况可以由空气动力学模型计算得到，可通过叶片试验和载荷特性反映出叶片设计强度是否满足设计要求的理论值。在实际运行过程中，叶片受各种不确定性外界环境影响所承受的载荷值，与模型计算得出的理论值都会存在偏差，理论载荷是否准确会直接影响到对叶片运行安全性的评估。通过收集叶片运行载荷数据，可用于理论模型的评估和修正，提高叶片设计质量和可靠性；同时也可将叶片运行载荷数据作为风电机组控制策略的输入，实现风力发电机组控制水平的最优化。

1.2 及时发现叶片运行状态的异常

①风轮运行动平衡监测，可以实时显示三支叶片的动平衡数据，测量偏航角度的改变、风剪切和叶片局部质量的增加对风轮出力的影响，及时发现机组运行当中超过最大安全载荷的情况，防止风轮受到第二次损坏。②覆冰监测，能够发现覆冰并及时告知，避免覆冰后引起叶片局部较高的应力水平，防止冰层脱落对风轮造成破坏，覆冰消除后及时开机运转。③叶片结构破坏监测，实时显示出叶片结构的变化如叶片后缘开裂或叶片动力特性的变化，防止叶片损坏区域扩大化。

2 光纤传感技术的优点

在国内叶片监测系统的布置中常用的是电阻应变片测试技术，在实践中应变式传感器暴露出很多缺点，如:输出电压信号容易受到周围其他电磁设备的干扰，其信号线需要采取屏蔽措施；测量线路布置较为复杂，每一测量通道只能连接一个测量单元；使用寿命较短，在风场进行载荷监测的电阻应变片使用寿命一般不超过6个月。

目前快速发展的光纤传感监测技术与传统应变片方法相比，具有其无可比拟的优点:①抗电磁干扰能力强。由于光纤光栅对被测信息用波长编码，不受光源功率波动和光纤弯曲等因素引起的系统损耗的影响。②使用安全，传感器不会遭雷击破坏。其他以电磁测量作为基础的传感器无论布置在叶片内部还是外表面，都会增加叶片引雷风险，造成传感器和叶片的雷击损坏。光纤光栅传感器的布置在叶片上无需电磁感应器件，提高了监测系统和叶片的安全性。③体积小，重量轻。传感头结构简单、尺寸小。裸光栅的直径仅为 0.125mm，带涂敷层的光纤光栅直径为 0.25mm。单路光纤上制作多个光栅的能力可以对大型叶片结构实现分布式测量，其测量点多、测量范围大，每通道可以接数十个传感器。使用光纤传感器可以大幅减轻传输导线的重量，使附加到被测叶片上的重量更轻。④寿命长，可靠性高，耐腐蚀。光纤和叶片的主要材料——玻璃纤维的机械性能非常接近，故非常适合植入玻璃钢复合材料之中进行健康状态监测，试验表明，目前广泛采用的光纤布拉格光栅(简称 FBG)对应变表现出很好的线性和重复性，测试数据稳定可靠，具有优良的应变传感性能[1]。⑤传输距离可达上千米。光纤信号远距离传输衰减率极低，相对于应变片，不需要进行导线长度的补偿，灵敏度和准确度不受导线电阻影响。

3 光纤监测系统原理和功能

3.1 产品功能

光纤风机叶片运行状态监测系统主要由光纤传感器(应变和温度)、传输光纤、解调仪表、数据传输模块和监测软件组成，如图 1所示。将光纤传感器布置在叶片根部、主梁帽以及其他需要重点监测的部位，传感器将信号通过光纤传输至解调仪进行数据采集，采集到的信号通过专业软件进行分析判断，以便操作人员能够及时、准确地掌握叶片运行状态。

系统对风电叶片主要通过应变的监测来判断叶片的负载、结构失效等情况，对结构的健康状况加以判断，并进行预警。通过叶片在缺损和挂冰等异常情况的频率响应特性时域分析可快速判别叶片的损伤状态[2]。

图1 光纤传感叶片安全监测系统应用示意图Fig.1 Application of optical fiber sensor blade safety monitoring system

3.2 测量原理

光纤光栅是一种应变(应力)、温度传感器，目前广泛采用的光纤布拉格光栅(简称 FBG)结构如图 2所示。

图2 光纤布拉格光栅Fig.2 Fiber Bragg grating

光纤布拉格光栅(FBG)的测量原理:将被测量的变化转化为光纤光栅的应变或温度变化，从而引起光纤光栅中心波长的变化，光纤光栅中心波长的变化与被测量之间具有确定的数学关系，只要准确测定波长的偏移量，就可以计算出 FBG所受应变、温度以及它们的变化量。这种测量方法思路简单，操作方便，可靠性高。测量原理如图3所示。

图3 光纤布拉格光栅测量原理Fig.3 Measuring principle of fiber Bragg grating

系统中多个 FBG传感器采用波分复用(WDM)网络连接，所谓 WDM 是指数根不同中心波长的FBG串接成一根光纤，它们共用一个解调系统进行解调[3]。波分复用的 FBG传感器网络测量系统如图4所示。

图4 波分复用的FBG传感器网络测量系统Fig.4 FBG sensor network measurement system based on wavelength division multiplexing

FBG传感器网络测量系统由宽带光源、信号传输线(光纤或光缆)、FBG传感器网络、光纤耦合器及波长解调测量系统组成，宽带光源将有一定带宽的光通过光纤耦合器入射到光纤光栅中，由于光纤光栅的波长选择性作用，符合条件的光被反射回来，再经光纤耦合器送入解调装置测出光纤光栅的反射波长变化。当被测试件受振动作用或温度发生改变时，光纤光栅自身的折射率或栅距发生变化，从而引起反射波长的变化。因此，通过检测波长变化即可推导出被测试件温度、应变发生的变化。

4 系统布置方案

4.1 传感器粘贴

将光纤光栅应变传感器刻制在一根光纤上，最多可以刻制 20个，传感器个数可以根据叶片长度及实际测试需求确定，传感器的安装方式有 3种方案:①光缆方式。光纤采用光缆保护，光纤光栅传感器处采用环氧树脂胶粘贴于风电叶片的表面，此种方式主要适用于合模成型后的叶片，且在试验室内部进行的全尺寸叶片测试项目。②表埋方式。光纤的直径与叶片材料中的纤维直径相当，可以将光纤内埋于复合材料表层，使风电叶片成为智能结构。但此种方式需要占用较长的叶片生产周期，且在叶片层铺和灌注过程中需特别注意对光纤露出接头的防护。③表贴方式。为使光纤对复合材料的结构性能影响达到最小，可以采用表埋方案，传感器在叶片内腔粘贴完毕后，使用一到两层玻璃布手糊于叶片内表面。目前监测方案的实施一般采用这种固定方式。

4.2 系统硬件布置

光纤监测系统在机组中的布置如图5所示。叶根传感器、主梁帽传感器及其他位置传感器由光纤连接至光纤光栅解调仪，解调仪固定在轮毂中适当的位置，随轮毂一起旋转。解调仪要特别注意安装牢固且避免与机械旋转部件碰撞和摩擦。解调仪的电源供应通过轮毂中附带的专用滑环来实现。从解调仪输出应力应变数据到数据存贮传输单元目前采用两种形式:一种为构建无线局域网形式，在解调仪和数据存储传输单元分别安装无线传输和接收模块，组建成点对点的通信网络。到达数据存储和传输单元的数据可通过其附带的移动 SIM 物联网卡，借助移动通信网络实时传输到绑定的手机 APP上。此种方式受限于安装风场的移动基站信号的质量。另外一种方式通过滑环进行数据传输，数据跟随机组控制和反馈信号直接传输到风场监控系统，但此种方式的实现基于滑环及其他传输节点在初装时留有足够的传输带宽。

图5 系统硬件布置图Fig.5 System hardware layout

4.3 控制和分析软件

利用配套软件，管理员除了通过此系统配置传感器各类系数、系统标定参数以及报警阈值，还可以查看历史和实时监测数据了解风机健康状况，对整个系统进行功能调整、用户管理。

本监控系统可实现对多风场下多风机的多性能指标的实时数据测控，针对单个风机，可实时监测并存储3个叶片上多个传感器的波长信号，通过相应的计算公式换算成叶片应变及载荷信号用以显示。当监测信号发生异常时，本系统可以通过醒目的颜色以及警告框的形式提醒工作人员对问题风机的相应叶片进行进一步的检查诊断。

历史数据用以辅助工作人员对风机运行情况的故障分析、寿命预测等维护保修工作。历史数据可以通过报表打印的形式导出，服务器保存的数据可以定期进行备份导出，辅助调度工作人员制作流量等日常工作报表以及历史分析报表。

5 结 语

综上所述，光纤传感器相对于应变片来说，具有良好的电绝缘性、抗电磁干扰、高灵敏度、远距离监控、高集成度等优势，因此光纤传感器特别适用于高压大电流、强磁场噪声、强辐射等恶劣环境，能解决许多传统传感器无法解决的问题。国外对光纤传感监测技术的应用十分广泛，国内虽有一些科研机构进行过此方面的研究，但是监测系统分析模型的准确度和经济性尚存在较大提升空间。光纤传感监测系统可以满足风电运营安全对智能化叶片的要求，后续系统的深入开发具有很大的必要性和良好的市场应用前景。