CN101874194B - 用于测量风力发电设备形变的光纤传感器 - Google Patents

用于测量风力发电设备形变的光纤传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有测量路径和参考路径的光纤传感器。这两个路径分别由两根光纤构成，并且被馈给经过调制的光。参考路径的光纤有预定的长度差，而测量路径的光纤长度相同。所有的光纤近似有相同的温度。分析电路分别求出测量路径光纤间和参考路径光纤间的相位差。然后输出由相位差计算出的测量值。

Description

用于测量风力发电设备形变的光纤传感器
技术领域
本发明涉及用于测量工艺构件和结构、尤其是风力发电设备旋翼板的物理参数的光学传感器。
背景技术
DE1020050016524示出一种风力发电设备，其中借助于膨胀测量条来获取旋翼板的工作状态或其异常。诸如这种膨胀测量条的电传感器的主要问题在于其对于电干扰或电磁干扰的敏感性。它们可能由于旋翼板上的静电放电或由于雷击而被干扰或损毁。
US4773753公开了一种光纤传感器，用它可测量温度或膨胀。此传感器基于获得极化的光纤。通过光纤传输的光的极化由于诸如温度或膨胀的外部影响而改变。在光纤末端对光的极化进行分析，以得出关于要测量的量的结论。
这里通过采用光学传感器可实现与电场和电波的不相关性。采用这种基于光纤的传感器的缺点在于其昂贵的维护费用和高的机械敏感性。此外基于对极化变化的分析的传感器通常只有较小的分辨率或精度。
这种可以同时测量诸如温度和膨胀等多个测量量的传感器的问题还在于判断测量信号是由哪个测量量所产生的。例如如果识别出极化改变，则不能明确判定它是由光纤长度的变化还是由温度的变化引起的。
如US7027672B2所公开的，基于布拉格光栅的传感器提供了较高的分辨率。但其缺点是分析单元典型的低带宽，因而只能进行在数赫兹范围内的慢测量。此外分析单元还很复杂和昂贵。
发明内容
本发明的目的在于给出一种用于测量机械构件、尤其是风力发电设备旋翼板的形变的光学传感器，它避免了现有技术的缺点，特别是能以更好的精度和分辨率进行膨胀测量，同时温度影响得到尽可能的补偿。此传感器应具有在千赫兹范围内的相对高的带宽，结构牢靠，并且能简单且廉价地生产。此外这种传感器能够用可见光工作。
根据本发明，上述任务的解决方案在独立权利要求中给出。本发明的改进方案是从属权利要求的主题。
本发明所述光纤传感器用于对机械构件中的机械形变进行温度补偿的测量。这样的机械构件特别是风力发电设备1的旋翼板5。旋翼板按照风力载荷而变形。通过测量旋翼板形变可以得出关于旋翼板的载荷状况或其它状态，例如结冰的结论。为了测量机械构件、例如旋翼板的形变，在所述构件上安装有第一测量光纤10和第二测量光纤11。这里尤其是第一测量光纤10在至少两个点处与机械构件相连接，从而使机械构件5的机械变形导致第一测量光纤10的长度变化。第二测量光纤10如此与机械构件5相连接，使得该机械构件的变形除在测量光纤10中引起长度变化外不导致其它的长度变化。因此第二测量光纤11也可以松动地设置在机械构件5上，使得构件5的变形不会导致第二测量光纤的长度变化。这两根测量光纤10，11由第一光发射机14馈送通过来自信号发生器33的调制频率所调制的测量信号。为了将发射机的信号分配给这两根测量光纤，在第一光发射机14与这两根测量光纤10，11之间设置有第一Y耦合器21。第一测量光纤10输出的光测量信号被送到第一光接收机19，而第二测量光纤11的光测量信号被送到第二光接收机20。除了这里所描述的测量信号路径外，还有一条参考信号路径。这样，向第一参考光纤12和第二参考光纤13馈送光参考信号。这个光参考信号按照实施方式由用于产生光参考信号的装置15，17，18，23产生，并以来自信号发生器33的调制频率调制。第一参考光纤12和第二参考光纤13最好具有不同的长度。由这两根光纤输出的信号被馈送到第一光接收机19或第二光接收机20，并且像测量路径的信号一样在一个最好包括相位比较器30、模/数转换器31及微控制器32的分析单元中被分析。按照本发明，最好用塑料光纤(POF)作为测量光纤和参考光纤。但原则上也可采用其它光导纤维。为了使机械的影响最小化，第一Y耦合器21尽可能靠近测量光纤10，11安装，并且尽可能在机械上固定地、从而无振动地与机械构件5相连接。
为了对信号进行分析，求出来自第一测量光纤10和第二测量光纤11的这两个信号之间的第一相位差。这个相位差是对光纤变形所引起的长度差的一个度量，从而也是对机械构件形变的一个度量。具有优点的是，第一测量光纤10和第二测量光纤11相互热耦合，使得温度变化不会引起光的附加相位变化。通过比较来自测量光纤和来自参考光纤的测量结果，可以补偿参与测量的部件，如发射机14、接收机19，20以及分析单元30，31，32的容差。也可以补偿光纤折射指数与温度的相关性，进而补偿作为光纤长度变化的函数的相位变化。由于参考光纤不同的已知长度，存在一个与温度有关的相位差。如果现在测量光纤和参考光纤近似具有相同的温度，则对于长度变化的测量值可以由这两个相位差的求商而计算出来。最终得出的测量值还要根据测量装置的比例因子和零点而加以处理。通过这种补偿，可以用标准部件简单而又廉价地实现构造。
特别适合的是采用一个后面接有模/数转换器的模拟相位比较器。当然也可以采用数字式相位比较器。
具有优点的是，测量光纤10，11如此与机械构件5相连接，使得在机械构件5变形时这些测量光纤的长度变化在相反的方向上进行。这意味着例如当机械构件5在第一个方向上变形时第一测量光纤10在其长度方向上缩短，而第二测量光纤11在其长度方向上伸长。
在本发明的另一实施方式中，对于第一参考光纤12和第二参考光纤13的信号设置了单独的光参考接收机。此外，具有优点的是：设置了一个用于分析参考信号的独立的相位比较器。
在本发明的另一实施方式中，也可以设置一个电参考路径，用来代替光参考路径。在这种情况下，信号发生器33的电信号通过两个不同长度的导线转发到相位比较器30。由此至少可以实现相位比较器的校准。但发射机灵敏度的温度相关性可能不再被校准。
在本发明另一个具有优点的实施方式中，设置了两个光发射机，用来代替后面接有Y耦合器21的第一光发射机14，这两个光发射机最好被馈送相同的电信号。
在本发明的另一实施方式中，光参考信号具有与光测量信号不同的调制频率。在这种情况下，信号发生器33具有至少两个不同调制信号的输出，其中第一个输出控制第一光发射机14，第二个输出控制第二光发射机15。
调制信号可以有不同的曲线形状。在采用模拟相位比较器时特别具有优点的是正弦形的曲线形状。在采用数字式相位比较器的情况下推荐采用矩形的曲线形状。
在另一个具有优点的实施方式中，对参考光纤的测量使用不同的、最好是比用于测量光纤的测量更高的频率。例如对于参考光纤的优选测量频率是2GHz，对于测量光纤的优选测量频率为0.5GHz。特别是对于测量光纤，光发射机的调制频率必须和光纤长度相匹配。光纤长度增加，调制频率必须减小。但是较高的调制频率可以获得更高的分辨率。因此用短参考光纤进行的测量最好在较高频率下进行。原则上采用更高的测量频率可以实现更高的分辨率或更高的精度。
为了特别简单地进行维护工作和系统的安装或校准，光参考信号或光测量信号具有可见光范围内的波长，最好是红色光。
本发明的另一主题是一种风力发电设备，它包括如前面任一要求保护的光纤传感器，该光纤传感器用来测量至少一个旋翼板的形变。
附图说明
下面借助附图所示实施例示例性地说明本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
图1示出一个根据本发明的光纤传感器。
图2示出本发明的另一实施例，它在参考路径中有一个光开关。
图3示出本发明的另一实施例，它具有用于产生参考信号的第二光发射机。
图4示出一个风力发电设备。
图5示出风力发电设备A-A截面顶视图。
图6示出一个带有光纤传感器的旋翼板的侧视图。
图7示出带有光纤传感器的旋翼板剖面图。
图8示出普通形状的传感器结构。
图9示出具有地点分辨率的传感器。
图10示出具有更高分辨率的传感器。
图11示出具有地点分辨率的横向力传感器。
图12示出用于横向检测的传感器。
图13示出用于扭转测量的传感器。
具体实施方式
在图1中示出了一个根据本发明的光纤传感器。信号发生器33产生两个用于调制第一光发射机14的信号。第二光发射机14的输出信号通过一个光切换开关18可选择地馈送给测量路径中的第一Y耦合器21或参考路径中的第二Y耦合器22。第一Y耦合器21将信号分为两部分，用于第一测量光纤10及第二测量光纤11。这两根测量光纤最好如此与机械构件连接，使得它们的形变相反并且有近似相等的温度。第一测量光纤10的输出信号被馈送到第一光接收机19，第二测量光纤11的输出信号被馈送到第二光接收机20。这两个光接收机的输出信号借助于相位比较器30进行比较。相位差借助于模/数转换器31转换为数字的测量值，并借助于微控制器32被进一步处理。为了产生参考信号，在第一光发射机14与第一Y耦合器21之间的光切换开关18将测量路径的信号切换到参考路径中。这个光切换开关18最好由微控制器32控制。用于参考路径的切换开关18的输出信号通过第二Y耦合器22给到第一参考光纤12和第二参考光纤13。这两根参考光纤12，13具有已知的、最好不同的长度。基于这个已知的长度差得到一个已知的信号相位差。由这些参考光纤输出的光同样传输给第一光接收机19或第二光接收机20，以便由相位比较器进行分析。微控制器32可由测量光纤的信号相位差与参考光纤的信号相位差的比值求出对测量光纤长度变化的相对精确的测量值。
作为替代，为了测量光纤10，11的测量以及为了参考光纤12，13的测量，可由信号发生器33预先给定不同的调制频率。此外，相位比较器30在其内部可具有两个有选频特性的相位比较器，用于在不同的调制频率下测量相位差。
在图2中示出了本发明的另一实施例，其中在参考路径中有一个光开关。第一光发射机14的输出信号通过第三Y耦合器23分解为用于测量路径的第一信号和用于参考路径的第二信号，第一信号通过第一Y耦合器21馈送给第一测量光纤10和第二测量光纤11。用于参考路径的信号借助于光开关17被接通或切断，并通过第二Y耦合器22馈送给第一参考光纤12和第二参考光纤13。在开关17接通的情况下，该实施例用接收机19，20同时接收来自参考路径的信号和来自测量路径的信号。典型地，参考光纤明显比测量光纤短，从而其衰减更小，并且宽带更宽。参考光纤与测量光纤间的典型长度比在1∶10至1∶10000的范围内。由于测量光纤有大的信号衰减，在开关17接通时可良好地分析参考信号。这里也可选择不同的调制频率。因为测量光纤由于其长度明显带宽更窄，在开关17接通时可以由发射机14给出一个具有更高调制频率的信号。该信号可以通过短的参考光纤传输，但是不再通过长的测量光纤传输。用于测量光纤的测量的频率与用于参考光纤的测量的频率间的典型比值在1∶10至1∶100的范围内。
在图3中示出本发明的另一实施例，其中具有一个用于产生光参考信号的第二光发射机15。这里可以取消切换开关18。具有优点的是，第一光发射机14的信号与第二光发射机15的信号在时间上错开地输出，从而使相位比较器30分别只收到来自测量光纤的信号或来自参考光纤的信号。作为替代，第一光发射机14和第二光发射机15也可用不同的频率调制。
图4示出按照本发明的风力发电设备。在塔架2上装有一个发动机短舱3。此短舱具有一个用于放置旋翼板5的旋翼套筒4。
图5示出短舱的剖面顶视图。这样从上面可以看到发动机短舱3和旋翼套筒4。图中所示旋翼板是其在标出的截面A-A上的剖面。通常可以调整旋翼板相对于风6的角度。
图6以侧视图示出根据本发明的带有光纤传感器的旋翼板。图中示出了第一测量光纤10，它以环状安置在旋翼板5的上侧面附近。这里例如第一侧40可以与第一Y耦合器21相连接，而第二侧41与第一光接收机19相连接。
图7示出根据本发明的带有光纤传感器的旋翼板剖面图。在旋翼板的一侧上示出的是图6中第一测量光纤10的部分40和41的剖面，与其相对设置的是第二测量光纤11的部分42和43的剖面。例如现在由于风力使旋翼板从该图的前方看去向左弯曲，则第一测量光纤10在点40与41之间的长度增加，而第二测量光纤11在点42与43之间的长度减小。
图8至13示出光导体10，11的不同传感器结构。这里光纤至少具有一个引导段50和一个传感器段51。引导段50松动地、即机械上无连结地固定在机械构件5上，因而它不因为机械构件5的变形而变形。传感器段50至少在两点、优选的是在其端点、尤其优选的是在其整个长度上与机械构件相连接，从而由于机械构件的变形使传感器段51发生长度变化。相应的结构例如可以通过如此安装光纤来实现：即在引导段50的区域内光纤松动地敷设，而在传感器段51的区域内光纤牢固地与机械构件5粘接。但是也可以是在相应段的不同光纤件相互连接。
图8示出普通形状的传感器结构。这里至少一个光导体10，11或两个光导体都按图所示设置。
图9中传感器包括多个相互分离的光导体，它们对应于多个光导体10，从而得到多个传感器回路。这些回路可以由多个分析装置进行分析或由切换开关切换到一个分析装置。这里可以在不同的地点进行测量。
图10所示传感器通过将多个传感器段51连接在一起来提高分辨率。
图11所示传感器类似于图9所示具有地点分辨率的传感器，可以在不同地点测量横向方向上的力。
图12所示传感器通过多个传感器段53的并联而对横向力有高分辨率。
图13示出用于扭转测量的传感器，它可特别有利地应用在风力发电设备中。这里例如第一测量光纤10具有第一引导段50和第一传感器段51，第二测量光纤11具有第二引导段52和第二传感器段53。通过测量段的如此排列，可以测量机械构件5的扭转。
附图标记列表
1风力发电设备
2塔架
3发动机短舱
4旋翼套筒
5旋翼板
6风
10第一测量光纤
11第二测量光纤
12第一参考光纤
13第二参考光纤
14第一光发射机
15第二光发射机
17光开关
18光切换开关
19第一光接收机
20第二光接收机
21第一Y耦合器
22第二Y耦合器
23第三Y耦合器
30相位比较器
31模/数转换器
32微控制器
33信号发生器
34显示装置
40/41第一光波导体
42/43第二光波导体
50引导段
51测量段
52第二信号支路中的引导段
53第二信号支路中的测量段

Claims (14)

1.一种用于对机械构件(5)中的形变进行具有温度补偿的测量的光纤传感器，包括：
第一测量光纤(10)，该第一测量光纤在至少两个点处与机械构件(5)相连接，并且与机械构件(5)一起至少部分地改变其长度，以及第二测量光纤(11)，该第二测量光纤松动地设置在机械构件(5)上，或者在至少两个点处与机械构件(5)相连接且与机械构件(5)一起至少部分地改变其长度，
第一光发射机(14)，它由信号发生器(33)馈给信号，信号发生器产生具有调制频率的调制信号，后面接有Y耦合器(21)，用于将光测量信号馈送到第一测量光纤(10)和第二测量光纤(11)，
第一光接收机(19)，用于接收通过第一测量光纤(10)引导的光测量信号，
第二光接收机(20)，用于接收通过第二测量光纤(11)引导的光测量信号，
用于产生光参考信号的装置(15，17，18，23)，该装置的后面接有用于将光参考信号馈送到第一参考光纤(12)和第二参考光纤(13)的Y耦合器(22)，其中第一参考光纤(12)和第二参考光纤(13)具有不同的长度，并且第一参考光纤(12)的输出信号被馈送到第一光接收机(19)，第二参考光纤(13)的输出信号被馈送到第二光接收机(20)，以及
分析单元(30，31，32)，它在馈入从测量光纤(10，11)输出的测量信号的情况下由第一光接收机(19)的信号和第二光接收机(20)的信号求出第一相位差，并在馈入从参考光纤(12，13)输出的参考信号的情况下求出第二相位差，并且输出由第一相位差和第二相位差所求出的测量值。
2.如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，测量光纤(10，11)和参考光纤(12，13)相互热耦合，和/或近似具有相同的温度。
3.如以上权利要求中任一项所述的光纤传感器，其特征在于，第一测量光纤(10)和第二测量光纤(11)近似具有相等的长度。
4.如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，第一参考光纤(12)和第二参考光纤(13)具有预定的长度差。
5.如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，测量光纤(10，11)与机械构件(5)连接为使得在机械构件(5)变形时测量光纤(10，11)的长度变化相反。
6.如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，第一参考光纤(12)的输出信号被馈送到第一光参考接收机，第二参考光纤(13)的输出信号被馈送到第二光参考接收机，并且分析单元对参考接收机的相应信号进行分析。
7.如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，光参考信号用一个频率不同于光测量信号的调制信号调制。
8.如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，光参考信号的调制信号和光测量信号的调制信号具有正弦形或矩形的曲线形状。
9.如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，光参考信号和/或光测量信号具有在可见光范围内的波长。
10.一种用于对机械构件(5)中的形变进行具有温度补偿的测量的光纤传感器，包括：
第一测量光纤(10)，该第一测量光纤在至少两个点处与机械构件(5)相连接，并且与机械构件(5)一起至少部分地改变其长度，以及第二测量光纤(11)，该第二测量光纤松动地设置在机械构件(5)上，或者在至少两个点处与机械构件(5)相连接且与机械构件(5)一起至少部分地改变其长度，
第一光发射机(14)，它由信号发生器(33)馈给信号，信号发生器产生具有调制频率的调制信号，后面接有第一Y耦合器(21)，用于将光测量信号馈送到第一测量光纤(10)和第二测量光纤(11)，
第二光发射机(15)，它由所述信号发生器(33)馈给信号，后面接有第二Y耦合器(22)，用于将光参考信号馈送到第一参考光纤(12)和第二参考光纤(13)，其中第一参考光纤(12)和第二参考光纤(13)具有不同的长度，
第一光接收机(19)，用于接收通过第一测量光纤(10)引导的光测量信号和第一参考光纤(12)的输出信号，
第二光接收机(20)，用于接收通过第二测量光纤(11)引导的光测量信号和第二参考光纤(13)的输出信号，以及
分析单元(30，31，32)，它在馈入从测量光纤(10，11)输出的测量信号的情况下由第一光接收机(19)的信号和第二光接收机(20)的信号求出第一相位差，并在馈入从参考光纤(12，13)输出的参考信号的情况下求出第二相位差，并且输出由第一相位差和第二相位差所求出的测量值。
11.如权利要求10所述的光纤传感器，其特征在于，所述第一光发射机和所述第二光发射机被馈送相同的电信号。
12.一种用于对机械构件(5)中的形变进行具有温度补偿的测量的光纤传感器，它包括：
第一测量光纤(10)，该第一测量光纤在至少两个点处与机械构件(5)相连接，并且与机械构件(5)-起至少部分地改变其长度，以及第二测量光纤(11)，该第二测量光纤松动地设置在机械构件(5)上，或者在至少两个点处与机械构件(5)相连接且与机械构件(5)一起至少部分地改变其长度，
第一光发射机(14)，它由信号发生器(33)馈给信号，信号发生器产生具有调制频率的调制信号，后面接有Y耦合器(21)，用于将光测量信号馈送到第一测量光纤(10)和第二测量光纤(11)，
第一光接收机(19)，用于接收通过第一测量光纤(10)引导的光测量信号，
第二光接收机(20)，用于接收通过第二测量光纤(11)引导的光测量信号，
分析单元(30，31，32)，它在馈入从测量光纤(10，11)输出的测量信号的情况下由第一光接收机(19)的信号和第二光接收机(20)的信号求出第一相位差，并由通过两个电导线从信号发生器(33)馈送到分析单元(30，31，32)的信号求出第二相位差；并且输出由第一相位差和第二相位差所求出的测量值。
13.如权利要求12所述的光纤传感器，其特征在于，这两个电导线是不等长的。
14.一种风力发电设备，它包括如上权利耍求中任一项所述的光纤传感器，用于测量至少一个旋翼板的形变。
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