[发明专利]风力涡轮机部件中的长纤维光学传感器系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于风力涡轮机部件的纤维光学传感器系统，尤其涉及一种用于检测部件的操作参数沿延伸路径的变化的系统。

背景技术

已知使用光纤传感器测量风力涡轮机部件的操作特性。通常，这样的传感器测量风力涡轮机部件的应变或变形，或例如工作温度、压力和磁通量。

尽管这样的传感器能够使用基于干涉测量的检测技术工作，但很多光纤传感器依赖于光纤布拉格光栅（FBG）。FBG是光纤折射率的周期性变化，根据周期，其反射特定波长的光并允许其他波长的光通过。

传统上，通过向激光暴露光纤区形成FBG，激光将光栅直接写入光纤材料中。通过两条这样的光束的干涉或利用单光束和光掩模制作光栅。因此，典型的制造技术将光栅长度限制在蚀刻激光束的直径内或限制在对应的光掩模的长度内。在许多情况下，所得的FBG长度被限制在15cm左右。

在传感器系统中，定位FBG以使得正被监测的系统中的温度、应变或压力的变化引起光栅周期的变化和通过FBG反射的光的波长中的可检测变化。通过检测反射光或透射光，然后传感器系统可以推导出所检测参数的变化幅度。

单根光纤可以包含均定位于系统中不同位置的多个FBG。然后可以使用时分复用的TDM光信号或通过构造FBG以具有不同的光栅周期并使用不同波长的光各自寻址FBG。这被称为波分复用（WDM）。

不过，TDM系统，例如可能在FBG之间需要2米或更大的间距以与提供可接受的信号分辨率，与单根光纤中实际可用的相比，减少了FBG的数量。对于WDM而言，通常，由于光谱分析的局限性，可被安装到单根光纤的具有不同周期的FBG数量往往也被限于10至20个。

基于如上所述的FBG的传感器系统是有用的，但可能难以在更复杂的系统中实现。首先，由于FBG是离散的，所以必须将FBG定位于每一感兴趣的位置。这意味着传感器安装工程师通常必须提前猜测感兴趣的位置，例如发电机中的温度热点并确保适当安装传感器FBG。由于将FBG定位于各处往往不切实际，因此这会导致缺少居于FBG传感器位置之间的位置的数据，并可能意味着不能简单地获得重要数据。

此外，由于每一个FBG都有默认光栅周期，因此基于光栅周期和期望光栅周期在本地测量参数变化的影响下变化的量，FBG具有最佳检测范围。因此，可能难以利用FBG准确地检测例如温度的大变化。

例如风力涡轮机的机舱包含仔细校正过的发电和感测设备。这种设备在其运行期间产生热量且必须被仔细监测并控制以保持在定义的操作参数内运行。由于诸如有限空间的物理约束，并且在许多情况下由于部件的结构复杂性和整个部件结构内工作温度的可能的大变化，目前难以充分监测这种设备。

例如，希望监测机舱内发电机的工作温度，但由于转子和定子设计和相关绕组的复杂性，其并不容易实现。

已认识到需要提供更灵活的传感器系统，其可以在温度或其他操作参数的宽范围之上提供信息并在更大的区域上工作，而无需过度复杂的安装。已认识到长光纤布拉格光栅可以用于解决此问题。

发明内容

在现在要参考的独立权利要求中定义了本发明。在从属权利要求中阐述了有利的特征。

根据本发明的范例实施例，提供了一种具有用于测量风力涡轮机部件操作参数的纤维光学传感器系统的风力涡轮机，所述纤维光学传感器系统包括：用于输出预定范围波长内的光的光源；包括长纤维布拉格光栅的光纤，所述长纤维布拉格光栅具有在光纤的长度上连续延伸的预定光栅周期的光栅，以在所述光纤中提供连续测量区域，其中所述光纤耦合到风力涡轮机部件，使得连续测量区域位于要感测的风力涡轮机部件的区域，并使得所述连续测量区域中每个位置的光栅周期取决于那个位置处的操作参数值；光探测器，用于从所述光纤接收光并向控制器提供输出信号，所述输出信号表示所接收光的强度和波长；耦合到所述光探测器的控制器，基于探测的光确定所述操作参数的值。

具有长FBG的光纤提供了延长的连续测量区域。此外，可以感测整个区域上的操作参数而不必在每个感兴趣位置提供多个离散的短FBG。具体而言，这意味着例如在温度感测系统中，不必事先预测部件的热点将在哪里，因为可以探测沿FBG整个长度的温度。对于其他被测量的操作参数，适用同样的优点。

相反，就需要额外的信号分离而言，基于多个短FBG的系统实施起来会更复杂，无论使用时分复用或波分复用，并且并不是那么有用，因为需要事先预测短FBG传感器应该位于哪里。长的FBG还使得能够以最低限度的信息来提取关于最大和最小参数值的信息作为FBG自身的特征。