基于光纤光栅的风机桨叶监测系统设计.pdf

收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()第一作者简介:孙智鹏()男硕士研究生主要从事光纤传感技术的研究通信作者:张婷婷()女博士讲师主要从事光纤传感、图像处理的研究文章编号:():././.基于光纤光栅的风机桨叶监测系统设计孙智鹏陈 平田 勇钱 楷邱 达张婷婷(.湖北民族大学 智能科学与工程学院湖北 恩施.湖北能源集团齐岳山风电有限公司湖北 恩施)摘要:风力发电机桨叶作为捕获风能的重要部件其运行的安全性与稳定性将直接影响风电机组的效率与安全因此亟需采取一种准确、有效的方法对风机桨叶的应变进行监测 论文采用布拉格光栅传感器()与解调设备对桨叶应变信号进行实时监测 首先使用高速模拟数字转换器()对 传感器的信号进行采集通过现场可编程逻辑门阵列()将数据解调再利用串行外围设备接口()与微控制器芯片建立通信通过远距离无线电()配合第 代移动通信技术()将信号传递至上位机 其次采用小波变换对噪声进行滤波设置阈值去除异常波形提高了寻峰精度 最后对布拉格光栅中心波长进行分析验证了波长漂移量与应力呈正相关 结果表明:此系统能够实现对风力发电机桨叶应力变化的监测关键词:光纤光栅解调系统寻峰算法桨叶监测中图分类号:文献标志码:(.):.().().()()()().:年 月中国明确提出力争 年前做到“碳达峰”与 年前实现“碳中和”的目标 中国持续推进产业转型升级和能源结构调整大力发展可再生能源在戈壁、荒漠和沿海地区加快建设大型风电基地项目努力兼顾绿色转型与经济发展并驾齐驱 根据中国国家发展和改革委员会能源研究所发布的中国风电发展路线图 显示预计到 年风力发电将满足国内电力需求的 大部分风电机组设计寿命为 年 年后达到服役期限的风电机组数量将大幅提升需要更换的风电机组将会使桨叶的需求量维持在一个较高的水平 由于桨叶材料复杂且结构不对称在长期的运行过程中细微的缺陷将不断第 卷第 期 湖北民族大学学报(自然科学版).年 月 ().扩展为疲劳损伤面对恶劣环境和复杂的应力耦合作用时将会尤其明显 如何有效规避桨叶运行时的风险成为近年来研究的热点目前风机桨叶检测方法主要有无人机观察法、超声检测法、热成像检测法、声发射检测法等 其中无人机观察法一方面电池续航能力有限通常 次续航只能拍摄 台机组另一方面风机桨叶结构复杂不易观察到桨叶内部损伤导致误差较大难以形成有效的监测系统 超声检测技术能够对细微位置进行检测且结构简单可以对被测物的损伤程度和损伤位置进行判断但桨叶由于长时间运行纤维不同层次断裂会导致超声波的衰减增加对桨叶表面缺陷不敏感、易出现漏检 热成像技术具有操作安全、灵敏度高、穿透力强的优势但风机桨叶内部空间不足且结构复杂难以满足热成像仪器的使用要求限制其实现大范围地应用 声发射技术能够对桨叶整体进行探测且可评估整体结构中的状态但缺点则是对材料敏感且易受外部环境干扰信噪比差与传统电气传感器相比较光纤光栅传感器具有体积小、稳定性好、精度高、抗电磁干扰能力强、损耗低、耐腐蚀等优点采用光纤光栅传感技术能够有效地对桨叶进行实时监测 王炳楷等通过对桨叶进行建模获得应变分布规律同时探究桨叶与传感器间的应变传递关系但研究基于实验室环境下且在设计过程中伴随理想假设故所得数据与实际工况存在较大偏差 张照辉对.的大型风机桨叶进行实地监测通过应力变化对桨叶表面覆冰状态进行评估但光栅的布局只存在于桨叶根部光栅数量及覆盖区域较少不易实现更加精准地监测 综合上述文献分析风机桨叶的应力变化应保持在一定范围内当桨叶应变超出范围其可能出现的损伤需及时进行检修、维护 论文设计一种基于光纤光栅的风机桨叶监测系统在实际工况下对桨叶内表面多个部位进行应力监测能够记录不同风速下桨叶的应力变化范围当超过所设范围时监测系统将进行报警通知后台进行停机检查以保障桨叶的运行安全 光纤光栅应力理论与仿真使用紫外光对裸纤进行曝光刻写使得刻写区域内折射率沿光纤轴向具有规律性变化因此形成具有特殊光敏性的光纤光栅 当入射光进入光纤内部时满足谐振条件的光会发生反射其余部分光为透射光其传感原理如图 所示 ()光纤光栅结构()入射光()反射光()透射光图 光纤光栅传感原理.光栅波长漂移量可以作为待测量变化的判断依据波长漂移对应的是反射谱中心波长位置的改变故对光谱中心波长进行准确、快速地解调是实现光纤光栅监测系统测量的前提条件根据光纤耦合模理论可以得到光纤光栅布拉格波长的关系式:()式()中:为布拉格光栅的中心波长为纤芯的有效折射率 为光栅的周期 当布拉格光栅受到外界环境作用时将会导致 和 发生改变进而 位置出现漂移根据 的漂移量可反映外界环境作用量的大小当使用布拉格传感器对待测物的应变进行监测时(不计温度因素影响)轴向应力的作用使 及弹光效应发生相应地改变进而使布拉格光栅的反射谱所对应的中心波长出现漂移 通常工程应用中假定轴向且均匀的应变作用在光纤上 则布拉格波长变化量如式()所示:()式()中:为光纤纵向变化量为光纤直径变化量为弹光效应为波导效应第 期 孙智鹏等:基于光纤光栅的风机桨叶监测系统设计 令 并忽略波导效应则式()可表示为 ()引入材料弹光系数 则式()变为()()式()中:和 分别是纤芯与包层的弹光系数将有效弹光系数设为()则由应变导致的 波长漂移量可表示为式():()()令()则式()可表示为()式()中:为应变灵敏度系数可知 随布拉格光栅参数的确定而变成定值则布拉格光栅中心波长漂移量与其所受的应变具有良好的线性关系以掺锗石英光纤为例纤芯和包层弹光系数分别为.可得有效弹光系数.当 时进一步可得 的应变灵敏度为./当利用 建立模型时首先对布拉格光栅反射谱进行仿真当光纤光栅轴向应变力出现变化时仿真布拉格光栅波长的变化情况反射谱如图 所示 当光纤光栅在不受应变的情况下其反射谱为蓝色此时布拉格光栅中心波长为 当有轴向应力施加在布拉格光栅上时反射光谱发生漂移轴向应力正向逐渐增大时红色反射光谱会向右漂移即中心波长逐渐增大 轴向应力反向逐渐增大时黑色反射光谱会向左偏移即中心波长逐渐减小图 布拉格光栅反射谱.风机桨叶监测系统.系统方案在对风机桨叶进行监测的过程中需要对光栅反射谱信号进行采集与处理传统方案中多数使用数据采集卡和计算机去实现存在价格高、体积大、不易携带等缺点 基于嵌入式的光纤光栅解调系统具有体积小、速度快、便携等优点而被广泛应用 根据风机桨叶的实际需求以光纤光栅作为数据采集的传感器通过部署在风力发电机轮毂内部的解调系统将采集到的数据进行处理后通过基站发送至上位机监测平台 每个机组有 个桨叶分别在单只桨叶上铺设 个应力光栅传感器总计 个应变监测点同时每个桨叶配置 个温度光栅传感器温度光栅传感器自身不会受到风机应力影响用以消除光纤光栅存在的交叉敏感问题因此 个风力发电机组共设有 个传感器风机桨叶中光纤光栅布局如图 所示 为了提高监测的可靠性根据实际测试后将每个传感器采样间隔时间设置为.光纤光栅传感器的解调系统光纤光栅传感器的解调系统由光路、电路、通信 部分组成系统结构如图 所示 湖北民族大学学报(自然科学版)第 卷 ()光纤光栅布局 ()光纤光栅布局现场图 风机桨叶中光纤光栅布局.图 高速光纤光栅传感器的解调系统.光路部分包括扫描激光器、光纤分束器、光纤环形器以及光纤光栅传感阵列 此部分的核心为扫描激光器其扫描速率最高可达 具有波长精确、功率稳定、扫描速度快的特点广泛应用于光纤光栅解调系统和光无源器件测试系统中光纤分束器是光信号实现分路、合路和分配的无源器件将 根光纤内的波长、能量、偏振等特性进行重新分配光纤环形器可实现单根光纤上的双向光信号传输且传输方向不可逆单次只能在一个方向上将光信号从一个端口引导到另一个端口光纤光栅传感阵列对一定范围内的激光束进行反射 由半导体可调谐激光器产生的光信号通过环形器后进入光纤光栅传感器传感器能够把特定的波长进行反射再经环形器进入光电探测器电路部分包括光电探测器、信号放大电路、采样电路、现场可编程逻辑门阵列()和意法半导体 位系列微控制器芯片()其中光电探测器采用南智锐捷光电公司的 系列具备高灵敏度、低噪声、宽带宽的优势用于将激光束转换为电信号若光电探测器的输入光超过线性增益范围时将导致输出信号饱和此时可在半导体可调谐激光器的发射端口处连接光纤衰减器能够有效地降低光信号能量避免由于输入光功率过强而使信号产生失真现象信号放大电路用于减少对输入信号的衰减其中输入信号一般较为微弱采样电路使用 位精度、采样率的 作为模数转换芯片可快速地获取某一瞬间的电信号以实现高速地数据采集 具有并行处理的功能作为核心的数据采集模块 作为主控芯片可以对激光器的电路进行工作模式和参数的设置从而控制激光器发射激光束通信部分包括远距离无线电()、第 代移动通信技术()因在风机桨叶旋转时部分线路容易发生折断问题故在光纤光栅信号解调系统与基站之间先通过 将信号进行无线传输传入风机机舱处再通过 终端与 模块建立通信从而将信号向基站进行传递各个部分对整个系统的波长分辨率、精度、可复用规模以及对传感器取样速率均存在重要影响.数据采集与控制光纤光栅解调系统中采用连续扫描模式分别将传感器数据和触发信号数据进行传输从而达到实时解调的目的 信号采集和数据处理模块采用 和 协同工作的架构并利用串行外围设备接口()进行通信 其中 与高速模拟数字转换器()配合外围电路组成从机主要进行对光收发模块的控制、电信号的采集、预处理以及数据传输一方面能通过解调电路板向半导体可调谐激光器提供特定波长范围的时序另一方面也能在切换输出波长时接收来自激光器同步触发输出端口的脉冲信号从而实现数据采集 在每接收 个脉冲触发信号时就开始进行 次数据采集并且通过对采集的数据进行预处理来降低噪声引起的干扰 而 配合其外围电路组成主机主要负责从机传输数据的识别、解码并提取信息同时完成对从机控制、网络通信等功能在基于半导体可调谐激光器解调方案的基础上结合复用技术构建了多路解调传感方案即光纤分束器将光源均匀分成多路这些不同分路对后端串联的传感器阵列进行感知并将信号经各个分路的环形器返回至光电探测器对传感场中的光信号进行光电转换经 采集、解调后传输至上位机 在此过程第 期 孙智鹏等:基于光纤光栅的风机桨叶监测系统设计 中由于使用光分束器代替光开关进行了复用所以在原理上来说实现了对多路光栅的同时解调对系统性能有较好地提升使系统能够在复杂的工作环境下完成数据采集图 解调数据处理.数据处理以单只风机桨叶为例解调数据处理流程如图 所示从机对传感器中信号进行同步采集和数据处理将多路光谱的模拟信号转换为数字信号并传输至 在寻峰过程中为减小噪声对数据的影响首先对采集的信号进行小波去噪再将异常峰值去除对保留的反射谱进行微分后寻找峰值中心将 个周期内的信号进行扫描信号采集与处理结果如图 所示开始采集的信号含有大量的噪声严重干扰到数据的分析以及后期的寻峰 通过小波去噪即首先将含噪的信号进行尺度小波分解在各尺度下提取出信号的小波系数而去除噪声的小波系数用逆小波变换进行信号的重构达到去噪的目的 通过图()可以看出去噪后的信号明显优于图()但其中仍有较为突出的异常峰值通过对反射的波形设定 个阈值将数据由.至.倍峰值的信号拉低至.倍峰值的信号其余波形保留如式()能够有效地将突出的杂峰消除减少数据的干扰 一阶导数能够反映曲线斜率的变化而高斯型函数在峰值附近斜率变化较大降噪后的信号近似高斯曲线对此信号进行一阶求导 ()含噪声原始信号()去噪后的信号()滤除特殊波峰的信号()波峰微分后的信号图 信号采集与处理.()通过找出近似高斯曲线左右两侧峰腰处的斜率同一波峰的极大值与极小值的中心点即为光栅的中心波长每个峰值对应的微分都存在斜率正向最大值 和反向最大值 所对应的横坐标为 所对应的横坐标为 即中心波长 横坐标可由式()得出:()/()当有应力或者温度发生改变时中心波长会发生偏移采集峰值中心的漂移量作为变量的评估数据 测试结果实验机组为.双馈、异步、变桨风力发电机已进行并网发电以风电机组单只桨叶为例将布拉格光栅传感器铺设在桨叶内表面沿叶根处间隔 向前进行安装其中温度光栅为 号和 号分别串联在光栅首尾处形成光通路后连接至光栅解调系统光栅初始中心波长为 组(温度 时采集)安装在桨叶后的光栅中心波长为 组(温度 时采集)因光栅灵敏度高安装过程中会导致中心波长偏移后续数据矫正以波长 组为矫正基准值 通过变桨调节有功功率当切入风速小于/时机组处于停机状态桨叶受力较小变桨系统自动将桨叶位置调 湖北民族大学学报(自然科学版)第 卷表 光纤光栅中心波长.光栅编号组波长/组波长/组波长/组波长/.()停机状态 ()额定功率状态图 风机不同状态下光栅中心波长漂移量.整为 未进行并网发电但桨叶存在小幅度空转此时中心波长为 组 风速达到./时(与当地空气密度等因素有关)风力发电机发出额定功率桨叶受力较大此时桨叶中心波长为 组 当风速大于/时机组会进行刹车自动停机达到保护风机的目的光纤光栅中心波长 内均值如表 所示 由表 可知光纤光栅在安装过程与风机空转过程中其中心波长漂移量在.以内在风机的额定功率下光纤光栅中心波长漂移量大于.图()()分别为风电机组在停机状态与额定功率状态时的中心波长漂移量容易看出 号和 号为布拉格温度光栅 号为布拉格应力光栅中心波长随桨叶受力增大而产生漂移验证了布拉格光栅传感器在桨叶应力测试中的使用效果 良好的桨叶在特定风速下应变值将保持在一定范围内呈周期性变化当应变值超出系统所设阈值时系统将向后台发出预警信号 结论根据布拉格光栅的优势设计了一种基于光纤光栅的风机桨叶监测系统分析了光栅应变传感特性和监测系统的主要构成表明该系统能够对桨叶的应变信息进行实时采集 通过优化寻峰算法更加精确地定位布拉格光栅中心波长达到快速寻峰目的 根据现场测试布拉格光栅中心波长漂移量与应力呈正相关可以满足风电机组在运营时对桨叶的监测需求取得阶段性的成果为下一步研究桨叶应力变化与桨叶缺陷之间关系奠定基础参考文献:谭显东刘俊徐志成等.“双碳”目标下“十四五”电力供需形势.中国电力():.王文娟宋昊盛楠等.基于光纤光栅传感的风电叶片监测技术浅析.风能():.毛希玮徐莹莹.基于无人机的风机桨叶缺陷自动检测技术.复合材料科学与工程():.杨家欢宗哲英王祯等.风机桨叶检测的研究现状及进展.复合材料科学与工程():.韩超胡宾鑫朱峰等.光纤光栅高精度解调算法研究进展综述.激光与光电子学进展():.王炳楷孙文磊王宏伟等.风力机叶片表面应变的光纤光栅检测方法研究.机械科学与技术():.张照辉.基于光纤传感技术的风力发电机结构状态评估方法.哈尔滨:哈尔滨工业大学.苑立波.光纤光栅原理与应用():光纤光栅制作方法.光通信技术():.尚秋峰林炳花.光纤 光栅传感系统典型寻峰算法的比较分析.电测与仪表():.():.():.文丰张岩贾兴中.基于 可调谐滤波器的光纤光栅解调系统设计.电子测量技术():.陈一波杨玉华王红亮等.高速数据采集与光纤传输系统的设计与实现.电子技术应用():.李政颖刘牧野蒋熙馨等.大容量高速光纤光栅解调系统的数据压缩传输.光电子激光():.周慧栋.基于扫描激光器的光纤光栅解调仪研究.太原:太原理工大学.责任编辑:高 林第 期 孙智鹏等:基于光纤光栅的风机桨叶监测系统设计