CN102084130B - 用于风轮机组件的嵌入式光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤传感器，该光纤传感器嵌入在通过模制或挤出形成的一体式容纳块内。容纳块具有用于使用粘结剂或者机械连接装置附装到风轮机组件上的安装表面。在将传感器与组件上的应变隔离的构型中，容纳块可以通过较小的安装部分安装在组件上，其中在颈部区域与安装部分接合。
Description
技术领域
本发明涉及用于附装到风轮机组件上的光纤传感器，特别是涉及具有有助于附装光纤传感器并将光纤传感器与应变隔离的安装部分的光纤传感器。
背景技术
风轮机组件承受多种原因引起的变形或应变，例如污垢或冰颗粒的积聚、自身重量和风本身施加的力。因此，监测组件上的应变对确保组件在其预定工作寿命期间保持正常操作很重要。
测量风轮机组件上应变的一种方法是使用光纤布喇格光栅(FBG)传感器，例如专利申请GB4640953、GB4640954和GB4046955中描述的FBG传感器。
FBG传感器是其内形成有光栅的光学纤维。光栅本身的光学纤维折射率通常周期性变化，从而折射特定波长的光。光学纤维具有光栅的部分与风轮机组件测量应变的区域连接。以如下方式进行连接，即，组件承受的变形或者应变被传递至光学纤维和光栅。变形和应变使得光栅的间隔改变，并使得光栅折射或传递的光的波长发生可检测的变化。已知各种不同的装置用于向FBG传感器射入光并提取和分析输出。
制造FBG传感器包括展开一定长度的光学纤维并选择形成光栅的位置。在已知为脱模(stripping)的工序中，在光学纤维涂层——该涂层可以是例如丙烯酸脂或聚酰亚胺——中形成一开口。使用光刻技术例如图案紫外曝光技术形成光栅。一旦形成光栅，使其稳定，然后通过重新覆盖和重新固化丙烯酸脂或聚酰亚胺来封闭涂层中的所述开口。最后，在光学纤维上标记FBG的参考位置。该工艺很昂贵。
还已知干涉测量技术用于使用光学纤维测量应变，例如由AlfredoGuemes和Jose M Menendez在ISBN 0-8194-2165-0/96 ThirdICIM/ECSSM′96，Lyon上发表的名为“具有嵌入式光学纤维的玻璃加强聚酯层的疲劳强度(Fatigue strength of glass reinforced polyester(GRP)laminates with embedded optical fibres)”的文章中所描述的。这种技术并不使用光学纤维布喇格光栅，而是使用沿传感器光学纤维的不同光路传播的光的干涉。
已知将光纤传感器安装在风轮机组件上的多种技术，例如使用支架或中空的壳体连接光学纤维电缆，或者将传感器定位在可嵌入在复合材料内的毛细管或管子等内。当连接光纤传感器时，使传感器在安装电缆时或者在以后的工作期间不被安装装置损坏很重要。但是，对于应变传感器，传感器对组件上的应变足够灵敏也很重要。
光学纤维也可用于补偿可能影响主传感器测量的环境条件，例如温度。例如在应变传感器中，与风轮机组件的应变相隔离的第二光学纤维的光学特性的温度敏感变化可用于校正应变感测光学纤维的相似的温度敏感变化。这种第二光学纤维应当固定地安装在风轮机组件上，并与组件上的应变充分隔离。
我们已经注意到需要一种更加可靠的方法来制造光纤传感器并将光纤传感器安装在风轮机组件上，以及确保光学纤维应变传感器的安装可对风轮机组件上的应变进行有用的测量。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种用于风轮机组件的光纤传感器，其包括：光学纤维；向光学纤维提供光的光源；和用于检测沿光学纤维传播的光的光检测器；用于将所述光纤传感器与所述风轮机组件上的应变隔离的容纳块，所述容纳块包括：容纳部分，光学纤维嵌入在所述容纳部分中并且穿过所述容纳部分；和单一安装部分，所述单一安装部分具有将所述传感器安装在所述风轮机组件上的安装表面；其中，所述容纳部分和所述安装部分在颈部连接，所述安装部分的厚度将所述容纳部分与所述风轮机组件隔开。
通过颈部将安装部分和容纳部分隔开意味着，当使用机械固定装置(紧固装置)或者粘结剂将安装部分连接在风轮机上时，作用在安装部分上的应变不易传递至容纳部分。容纳部分又使得嵌在内部的光纤传感器免受环境条件、震动或其它因素可能导致的损害。还使传感器容易地、牢固地连接于风轮机组件。
通过单一安装部分和颈部将容纳部分与组件隔离，容纳部分至少部分地与组件的变形或者应变隔离，并且可以用作非应变传感器。另外，容纳部分与组件间隔使得容纳部分固定并且防止其相对于组件运动。这种运动将导致震动和产生不真实的应变测量值。
在一个实施方式中，颈部是容纳部分和安装部分之间的重叠区域，该区域的面积小于容纳部分的表面面积。这使得应变从安装部分传递至容纳部分的区域减小。
在另一个实施方式中，颈部在容纳部分和安装部分之间延伸。这使容纳部分与风轮机组件进一步间隔，并增加了颈部的刚性从而将容纳部分与应变进一步隔离。在这种情况下，颈部的横截面可以比颈部在其间延伸的容纳部分和安装部分小很多，例如可以具有加强的管状形状。
优选颈部被加强，使得安装部分的任何变形进一步与容纳部分隔离。
有利地，容纳部分被加强，使得当容纳部分安置在旋转的风轮机组件上时，容纳部分基本上不受重力或者旋转动能导致的应变的影响。这改进了传感器的隔离并由此提高了精确性。
在另一个实施方式中，容纳部分基本上比安装部分硬从而减少了容纳部分和安装部分之间应变的传递。这意味着风轮机组件的任何变形或者应变很大程度上都被更具柔韧性的安装部分弱化。
有利地，光学纤维以弯曲的构型嵌入在光学纤维容纳部分，从而光学纤维基本上不会在一个方向比在另一个方向对应变更加灵敏。这使得传感器更加不容易被容纳部分承受的任何应变影响，由此增加了传感器的精确性。
光学纤维例如基本上沿着弧度大于1/2π的圆弧延伸。这确保不会在任何方向优先地感受到应变。
优选容纳部分大于安装部分。这意味着容纳部分的光学纤维通过较小的安装部分和较小的肩部更好地与组件上的应变隔离，并使得光学纤维容易地容纳。
在一方面，安装部分完全位于容纳部分下方，从而保留了安装空间。
在一方面，安装部分被设置为接纳机械固定装置，安装部分能通过该机械固定装置附装到风轮机组件的表面上。通过将连接固定装置的位置与其内安装有光学纤维的容纳部分隔开，也可以减小安装应力对容纳部分的影响。
附图说明
下面参照附图对本发明的例子进行示例性的说明，其中：
图1示出已知的风轮机；
图2示出安装传感器的第一个例子；
图3示出安装传感器的第二个例子；
图4示出本发明的示例性实施方式的侧视图；
图5示出本发明的示例性实施方式的俯视图。
具体实施方式
图1示出风轮机1，其包括风轮机塔2，风轮机机舱3安装在风轮机塔上。具有至少一个风轮机叶片5的风轮机转子4安装在轮毂6上。轮毂6通过从机舱前延伸的低速轴(未示出)与机舱3连接。图1示出的风轮机可以是用于家庭或照明设备的小型风轮机，或者是例如用于风力发电场大规模发电的大型风轮机。对于后者，叶片的直径可以是100英尺或更大。应当理解，下述传感器可以连接在任何所述组件的内部或者外部。
图2示出传感器的第一实施方式。具有涂层11的光学纤维电缆10穿过一体成型的固体容纳块15。容纳块具有形状适于安装在风轮机组件上的表面16。基于其希望的连接位置，所述表面可以是平面或者曲面。如果使用粘结剂连接于组件，所述表面还可以包括小的特征，例如点或者槽以增加粘结剂的作用表面积。应当理解，容纳块与光学纤维相比，横截面尺寸或者至少一个侧面尺寸较大。图2未示出光源、光检测器和控制电路，但是这些是任何可操作的传感器的一部分。使用粘结剂是有利的，因为其避免了在传感器中引入通过螺栓进行连接时导致的安装应力。
容纳块可以由聚合材料制成，例如聚酯、乙烯基酯、尼龙、环氧树脂或树脂。容纳块还可以包含并且可以附加加强光学纤维，例如玻璃加强光学纤维或者碳加强光学纤维。容纳块可以由与容纳快安装在其上的风轮机组件相似的材料制成。如果使用粘结剂以外的其它方式将容纳块连接在组件上，可以在容纳块内形成容纳螺栓或者螺钉的部分。
光学纤维包括光学纤维布喇格光栅(FBG)12，定位该光栅使之完全包封在一体成型的容纳块15内。由于聚合体或者树脂材料包围并接触其内形成有FBG的光学纤维区域，因此在制造过程中形成光栅后无需重新涂覆光学纤维。由此，光学纤维的涂层11在FBG处保持暴露以在涂层中形成窗口13。
由此，图2所示的传感器的制造方法可以省略为保护光学纤维并确保其正常操作通常所需的涂覆步骤。因此，制造传感器的方法包括：从光学纤维上去除涂层；使用合适的技术例如光刻技术在光学纤维内制造布喇格光栅；将光学纤维电缆的至少一部分嵌入在容纳块内，使得光学纤维布喇格光栅被容纳块包封；将容纳块直接安装在风轮机组件上。
或者，传感器可以省略光栅，在操作中使用替代技术，例如干涉技术。
可以使用任何合适的技术制造一体成型的容纳块和嵌入光学纤维，例如模制或者挤出工艺。合适的模具可以由例如玻璃纤维或者铝材料制成，该模具包括两个匹配的半模，其限定容纳块材料的形状，且具有一出口，该出口在制造容纳块的过程中用于玻璃纤维电缆从模具延伸。模制工艺还可以使用真空感应或者真空导入工艺将聚合体或者树脂引至模具内。
或者，模制工艺可以使用真空袋系统，其中模具的一侧为柔性，通过真空作用将树脂或者聚合体引至模具内。模具的一侧为柔性件使得光学纤维更加容易操作并且在模制过程中不会损坏光学纤维，并允许模具的坚硬部分很好地限定容纳块的表面形状。
在挤出技术中，可以使用压模在树脂和光学纤维穿过压模时使模制部分形成期望的横截面形状。
容纳块与与之连接的组件具有相似的热膨胀特性很重要，从而当温度变化时，容纳块不会变形或者鼓胀。
图2的例子是有用的，因为容纳块将安装表面承受的组件上的应变传递至FBG传感器。但是，在操作中，传感器仍对与光栅自身直接相邻的组件区域更加敏感，即，在长度为20到30毫米的区域上。
图3示出用于在更大部分的表面上——例如在长度为100到200毫米或以上的面积上——检测应变的容纳块和传感器构型。
这种构型与图2的构型相似，不同的是在容纳块15的中心部分的任一端具有两个端部或者终端部分17。终端部分具有将容纳块15连接至风轮机组件的表面18的安装表面16，风轮机组件的表面18的应变被测量，终端部分比容纳块15的中心部分稍大，并且终端部分使容纳块15和风轮机表面之间形成间隙或间隔。
由此，间隔的安装表面16——而不是如以前定位在部分15内的FBG下方的表面——接收表面18的应变，并将该应变传递至光学纤维电缆的整个长度和FBG。
由于安装传感器时容纳块的中间部分不与风轮机组件直接接触，因此当两个测量部分17之间的距离变化时容纳块均匀延伸。这使得测量比已知传感器的传统点状测量更加可靠。
两个端部的间隔优选为30毫米或更多，甚至更加有利地在100毫米到200毫米的范围内。根据具体实施，也可以使用间隔大于该范围的传感器，例如1米或更大。优选将具有薄的中心部分15和较大的终端部分17的传感器制造为一个整体组件，但是也可以由几部分形成并用合适的粘结剂彼此连接。
应当理解，端部可以是任何合适的形状，只要其在包含有FBG的容纳块和风轮机表面之间形成间隙。由于单个的光学纤维电缆传感器也可以具有多个光栅，因此设置多个连接部分17是合适的，这些连接部分呈类似于一个或者多个腿部的间隔构型中，而并不只是在容纳块的端部形成连接部分，从而将容纳有各自的FBGs的各个部分与表面18隔开。
需要在风轮机组件上连接FBG传感器，使之与该组件上的应变隔离。这种传感器可以用作基准传感器，从而当使用关联的应变测量传感器时可以将环境因素例如温度考虑进去。这种传感器还可以补偿运动和重力影响。
图4和图5示出本发明中在风轮机组件上安装这种FBG传感器的示例性实施方式。优选靠近应变测量传感器安装FBG传感器从而两传感器承受相同的环境条件。FBG传感器以与上述图2相同的方式形成在容纳块15内。在该例子中，容纳传感器内的光学纤维可以在容纳块中弯曲从而光学纤维不会在一个方向上比在另一个方向上延伸更多，由此不会在任何一个特别的方向承受应变。光学纤维的合适的弯曲路径基本上遵循弧度为1/2π或更多的圆弧，因为这确保光学纤维不会在任何一个首选的方向承受应变，而光学纤维为直的情况下即是这种情况。弧度也可以是1/2π的倍数，使得光学纤维的弯曲路径沿着弧度接近于2π的大致为圆形的路径延伸。也可以使用圆形路径以外的其它合适的路径。
通过独立的安装部分19将容纳部分或者光学纤维部分15连接至组件18。优选安装部分19和容纳部分15仅由薄的肩部或者颈部20连接，从而容纳块15与容纳块连接在其上的风轮机组件之间形成间隙或者空隙。应当理解，优选只有一个单一安装部分19，因为两个安装部分会将表面上的应变引入到容纳块内。
例如通过螺栓21将安装部分安装在表面18上导致的或者表面本身产生的任何应变，通过窄的肩部或者颈部20被进一步与容纳块15隔离。如图所示，肩部或者颈部可以设置在容纳光学纤维的部分和安装部分的边缘，从而两个部分仅在面积较小的区域重叠。或者，将安装部分设置在容纳部分下方，并使安装部分足够小，以使组件上的应力与较大的容纳部分相脱离。颈部可以沿着安装部分和容纳部分的长度延伸或者是较窄的瓶颈形状。
颈部也可以是在安装部分和容纳部分之间延伸的独立组件。优选颈部为刚性的从而安装部分的任何变形基本上都与容纳部分隔离。
安装部分19和容纳部分15可以设置为单一的整体件，或者可以设置为两个独立的组件并用粘结剂固定。优选容纳部分为刚性，从而容纳部分可以更好地抵抗应变并且更好地隔离内部的光学纤维电缆。例如，如果传感器安装在旋转的风轮机组件上，优选容纳部分为刚性，从而容纳部分基本上不受重力或者旋转动能导致的应变的影响。还可以使安装部分的刚性小于容纳部分15，甚至小于风轮机组件，从而(与容纳块相比)安装块更具柔韧性并且包含传感器的容纳块15被更好地隔离。
但是，无论何时，分隔部分都应当具有足够的硬度，从而使容纳块不能相对于容纳块安装在其上的风轮机组件运动。这种运动必然会导致容纳块上产生应变并且降低传感器的精确度。
在图2的示例性实施方式中可以使用颈部或者较窄的肩部，使用螺栓将端部连接件固定至风轮机组件，从而使传感器与安装应力进一步隔离。另外，安装部分的尺寸可以小于光学纤维容纳块的尺寸，从而减小连接至组件的面积并使容纳光学纤维的部分与应力和应变进一步隔离。
已经参照示例性实施方式对本发明进行了说明，这些说明仅仅出于例证的目的。本发明并不限于这些实施方式，本领域的技术人员可以对本发明进行多种修改和变型。通过后附的权利要求可以理解本发明。
Claims (13)
1.一种用于风轮机组件的光纤传感器，包括：
光学纤维；
向光学纤维提供光的光源；和
用于检测沿光学纤维传播的光的光检测器；
用于将所述光纤传感器与所述风轮机组件上的应变隔离的容纳块，所述容纳块包括：
容纳部分，光学纤维嵌入在所述容纳部分中并且穿过所述容纳部分；和
单一安装部分，所述单一安装部分具有将所述传感器安装在所述风轮机组件上的安装表面；
其中，所述容纳部分和所述安装部分仅由薄的肩部或颈部连接，所述安装部分的厚度将所述容纳部分与所述风轮机组件隔开。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述颈部是所述容纳部分和所述安装部分之间的重叠区域，所述重叠区域的面积小于所述容纳部分的表面面积。
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述颈部在所述容纳部分和所述安装部分之间延伸。
4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述颈部被加强，使得所述安装部分的任何变形基本上都与所述容纳部分隔离。
5.根据上述权利要求中任一项所述的传感器，其特征在于，所述容纳部分被加强，使得当被安装在旋转的风轮机组件上时，所述容纳部分基本不受由于重力或者旋转的动能效果所导致的应变的影响。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的传感器，其特征在于，所述容纳部分比所述安装部分硬，使得所述容纳部分和所述安装部分之间的应变传递减少。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的传感器，其特征在于，所述光学纤维以弯曲的构型嵌入在所述容纳部分中，使得光学纤维基本上不会在一个方向上比在另一个方向上对应变更加敏感。
8.根据权利要求7所述的传感器，其特征在于，光学纤维基本上沿着弧度大于1/2π的圆弧弯曲。
9.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述容纳部分比所述安装部分大。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的传感器，其特征在于，所述安装部分完全位于所述容纳部分下方。
11.根据权利要求1-4中任一项所述的传感器，其特征在于，所述安装部分被设置成接纳机械固定装置，所述安装部分能通过所述机械固定装置附装到所述风轮机组件的表面上。
12.一种具有上述权利要求中任一项所述的传感器的风轮机组件。
13.一种具有权利要求12所述的风轮机组件的风轮机。
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