基于光纖光柵風(fēng)電槳葉健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究

摘 要：風(fēng)電槳葉是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，運行環(huán)境十分惡劣，長時間受極端天氣的影響，隱患隨時都有可能演變成事故，因此對風(fēng)電槳葉進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測勢在必行。本論文根據(jù)風(fēng)電槳葉監(jiān)測的需求構(gòu)建了模擬監(jiān)測實驗系統(tǒng)，進(jìn)行了槳葉靜態(tài)受力和動平衡實驗測試，通過多通道高速光纖光柵解調(diào)儀和LabVIEW監(jiān)控軟件采集了大量原始測試數(shù)據(jù)，并對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了細(xì)致的分析，在此基礎(chǔ)上建立了槳葉健康監(jiān)測的數(shù)值分析方法，為槳葉超限狀態(tài)的判別和快速預(yù)警功能的實現(xiàn)打下良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電槳葉 光纖光柵傳感器 健康監(jiān)測 動平衡

中圖分類號：V212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（b）-00-02

在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，由于人們對發(fā)電設(shè)備的效率和負(fù)荷要求越來越高，安全監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)揮的作用越來越大。一旦風(fēng)力發(fā)電機(jī)組因傳動裝置和發(fā)動機(jī)失靈，以及轉(zhuǎn)動槳葉損壞出現(xiàn)停轉(zhuǎn)，都會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。風(fēng)電槳葉是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵部件之一，其性能直接影響到整個系統(tǒng)的性能。風(fēng)電槳葉體積巨大，結(jié)構(gòu)主要為復(fù)合材料，又安裝在比較偏遠(yuǎn)的地點，風(fēng)力發(fā)電場會受到各種類型天氣的干擾和破壞。風(fēng)電槳葉又工作在高空，運行環(huán)境十分惡劣，空氣中各種介質(zhì)幾乎每時每刻都在侵蝕著槳葉，春夏秋冬、酷暑嚴(yán)寒、雷電、冰雹、雨雪、沙塵隨時都有可能對槳葉產(chǎn)生危害，若出現(xiàn)斷裂和脫落就會造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故，因此開展此類監(jiān)控技術(shù)的研究極為重要。

1 傳感原理

1.1 光纖光柵振動傳感器

由于單個光纖Bragg光柵傳感器只能測量某一個點的溫度和應(yīng)變情況，對于細(xì)而長的風(fēng)電槳葉來講，用一個傳感器不能夠完全表征槳葉的振動狀況，因此，我們引入準(zhǔn)分布式光纖光柵振動應(yīng)變測量方法。即在槳葉的軸向上布設(shè)一串光纖Bragg光柵傳感器，等距離布設(shè)各個光柵，用以測量槳葉受外力作用時的振動情況。測量原理如圖1所示，圖中實線表示槳葉不受力的自由狀態(tài)，虛線表示槳葉受到振動后揮舞形變狀態(tài)，這樣就可以通過固化在槳葉上的應(yīng)變傳感器測量出槳葉的振動幅度、相位及頻率的變化

信息。

1.2 光纖光柵波長解調(diào)技術(shù)

對風(fēng)電槳葉的結(jié)構(gòu)健康進(jìn)行監(jiān)測，需要實時多點采集槳葉的應(yīng)變、溫度和振動信息。一般地，根據(jù)槳葉的實際長度需要布設(shè)多個光纖Bragg光柵傳感器，少則十幾個多則幾十個，而且分布較廣，因此，必須采用多通道集成的方法，將數(shù)量較多的待測傳感器串聯(lián)起來，用一臺解調(diào)裝置對多波長傳感器進(jìn)行同步解調(diào)。

本論文采用課題組自主設(shè)計的16通道的小型化掃描激光解調(diào)儀器實現(xiàn)多點應(yīng)變、溫度測量。系統(tǒng)中采用掃描激光作為光源，激光輸出功率比普通的寬帶光源強(qiáng)，具有很高的信噪比，不受因光纖傳感網(wǎng)絡(luò)測點多而引起光強(qiáng)下降的影響。當(dāng)波長掃描的可調(diào)諧激光輸出到光纖光柵傳感器陣列時，由不同中心波長的光纖光柵傳感器反射回的信號傳輸?shù)焦怆娞綔y器陣列上實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，由嵌入式微處理器進(jìn)行光電信號采集處理，經(jīng)過運算最后將測量的波長值顯示在液晶顯示屏上。

解調(diào)系統(tǒng)中采用了高靈敏度的光電探測器探測傳感器的中心波長信號，用大規(guī)模可編程器件與高速ADC芯片測量光電信號，用高速并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器件預(yù)處理測量信號，由DSP計算出的波長值由嵌入式芯片控制鍵盤和液晶顯示接口進(jìn)行顯示和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。波長解調(diào)系統(tǒng)的原理圖如1-2所示。系統(tǒng)具有16個獨立通道，激光波長掃描范圍可達(dá)80 nm，每個獨立通道可接入40個光纖光柵溫度傳感器，各通道完全獨立同步采集，無時間延遲，掃描頻率300Hz，總計可同時監(jiān)測640個光纖光柵傳感器，通過擴(kuò)展通道還可以增加傳感器的容量，非常有利于風(fēng)電槳葉結(jié)構(gòu)狀態(tài)的分布式監(jiān)測。

2 光纖光柵槳葉測試系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

風(fēng)電槳葉光纖光柵結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由固化好光纖光柵傳感器的智能槳葉、信號傳輸光纜、光纖光柵波長解調(diào)儀和數(shù)據(jù)采集分析軟件組成。

本實驗以小型化的風(fēng)力發(fā)電槳葉為實驗測試平臺，將光纖光柵傳感器對稱粘貼在復(fù)合材料制作的小型風(fēng)電槳葉的上下表面，構(gòu)成分布式應(yīng)變測試傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過信號傳輸光纖傳輸至波長解調(diào)儀，實現(xiàn)槳葉的靜態(tài)和動態(tài)受力情況的測量。實際應(yīng)用中，解調(diào)系統(tǒng)被安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輪轂機(jī)艙中，它的主要功能是將傳感器網(wǎng)絡(luò)感測到槳葉的應(yīng)變和振動信號進(jìn)行波長解調(diào)，并通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要由無線接收設(shè)備和監(jiān)測中心計算機(jī)組成，無線接收設(shè)備將接收到的波長信息傳輸給監(jiān)測中心計算機(jī)，計算機(jī)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)反映槳葉的運行現(xiàn)狀，在超限情況下迅速預(yù)警，進(jìn)而避免重大事故的發(fā)生，還可對風(fēng)電槳葉的維護(hù)提供必要的技術(shù)支持。

2.2 LabVIEW槳葉數(shù)據(jù)采集軟件

監(jiān)控軟件為基于LabVIEW平臺的數(shù)據(jù)采集和處理軟件，實現(xiàn)傳感器波長與應(yīng)變和振動物理量的對應(yīng)轉(zhuǎn)換和時頻分析等功能。監(jiān)控軟件的功能包括解調(diào)儀和PC機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)預(yù)處理、波長轉(zhuǎn)換、實時數(shù)據(jù)刷新、FFT變換、光纖光柵波形顯示等具體功能。

3 槳葉動態(tài)測試及數(shù)據(jù)分析

風(fēng)電槳葉是風(fēng)電設(shè)備中的大型旋轉(zhuǎn)部件，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運轉(zhuǎn)時，槳葉的動態(tài)數(shù)據(jù)較靜態(tài)時復(fù)雜，但正常的旋轉(zhuǎn)和槳葉損傷情況下的動態(tài)信息有明顯的區(qū)別。實驗中通過將槳葉掛裝在軸承上模擬動態(tài)運轉(zhuǎn)，實時測試槳葉的動態(tài)數(shù)據(jù)，即將標(biāo)定好應(yīng)變傳感器的槳葉固定在主軸上，外力旋轉(zhuǎn)槳葉，得到各個位置處光纖光柵傳感器波長值與時間的對應(yīng)關(guān)系，以槳葉的根部為起點。

在槳葉動態(tài)旋轉(zhuǎn)的過程中，槳葉會發(fā)生振動，傳感器能夠?qū)崟r提取出振動信號，通過快速傅立葉變換可以識別振動的信息。當(dāng)槳葉出現(xiàn)裂縫和脫落等異常情況時，會直接反映在槳葉的振動頻率上，由此可以實現(xiàn)槳葉的異常狀態(tài)監(jiān)測。

在動態(tài)實驗過程中，開展了如下沖擊實驗，即當(dāng)槳葉旋轉(zhuǎn)時，人為對槳葉進(jìn)行沖擊，得到的沖擊曲線如圖3所示。在這個實驗過程中可以觀察到，沖擊信號是疊加在均勻的振動信號之上的，通過信號的數(shù)值處理完全可以監(jiān)測到槳葉受外力沖擊的情況，當(dāng)異物撞擊槳葉時出現(xiàn)異常信息后可通過分析槳葉的應(yīng)變和振動信息了解槳葉的損傷情況，如差異非常大可根據(jù)情況停機(jī)檢查。

圖4為FFT選取第22 s開始時的計算顯示結(jié)果，此圖中顯示較高頻率集中在6Hz和13Hz處。在實際監(jiān)測中，可以通過在頻譜中尋找最大值并設(shè)置閾值的方法，來判斷槳葉是否受到異物的沖擊或結(jié)構(gòu)的損傷，達(dá)到實時監(jiān)測預(yù)警的目的。

4 結(jié)語

該文給出了適于風(fēng)電槳葉監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)方案，分析了數(shù)據(jù)采集軟件功能需求，應(yīng)用LabVIEW軟件平臺編寫了光纖光柵數(shù)據(jù)采集處理軟件，并利用小型的風(fēng)電槳葉進(jìn)行了系列驗證實驗，對關(guān)鍵的振動和動平衡監(jiān)測進(jìn)行了實驗驗證，取得了良好的測試結(jié)果，實驗證明該系統(tǒng)完全滿足風(fēng)電槳葉結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的實際需求。通過動平衡測試驗證了槳葉在缺損和掛冰等異常情況的頻率響應(yīng)特性，通過時頻分析可快速判別槳葉的損傷狀態(tài)。

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