CN105865360A - 风电电机叶片形变监测的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风电电机叶片形变监测的方法及系统，发射光脉冲并注入被测光纤，然后检测被测光纤沿线若干点传回的后向Rayleigh散射光；根据测量得到的后向Rayleigh散射功率，求得被测光纤沿线各点的弯曲半径，从而获得风电电机叶片形变；该方法及系统，采用测量光纤的Rayleigh散射即瑞利散射随光纤弯曲而发生的变化，从而测出风机叶片各点的弯曲半径，获得风电电机叶片形变。能够对风机叶片的应变进行动态实时监测，从而提前发现叶片中的潜在损伤，并在风叶遭受实际损失之前，采取相应的技术手段避免灾难性的后果发生。

Description

风电电机叶片形变监测的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种风电电机叶片形变监测的方法及系统。

背景技术

风机是风力发电厂的核心设备。风场气象条件的复杂多变，风机叶片长期经受应力和形变，有可能因疲劳损伤而致损毁，造成巨大的经济损失。因此风机叶片在运行中的健康状况受到密切关注。

如果可以找到一种合适的方法，对于风机叶片的应变进行动态实时监测，就有可能提前发现叶片中的潜在损伤，并且在风叶遭受实际损失之前，采取相应的技术手段避免灾难性的后果发生。

发明内容

本发明的目的是提供一种风电电机叶片形变监测的方法及系统，利用最新的技术手段监测风机叶片上各处的应变数据，并且将数据汇集到监测中心的数据库中。利用这些数据，可以开展进一步的分析、统计工作，并且在必要情况下给出预警，解决现有技术中存在的上述问题。

本发明的技术解决方案是：

一种风电电机叶片形变监测的方法，包括：

发射具有重复周期和宽度的光脉冲并注入被测光纤，然后检测被测光纤沿线若干点传回的后向Rayleigh散射光；

根据所测的后向光信号功率沿时间轴的幅度曲线即得到被测光纤的物理特性，包括长度、损耗；

当光纤的结构材料确定后，其损耗只与光纤的弯曲相关；当光纤发生弯曲时，光损耗增加，后向Rayleigh散射光功率下降；

根据测量得到的后向Rayleigh散射功率和光纤的弯曲损耗公式，求得被测光纤沿线各点的弯曲半径，从而获得风电电机叶片形变。

进一步地，获得风电电机叶片形变，具体为：

测量设备安装时叶片初始状态下的Rayleigh反射曲线，将测量得到的曲线记录在分析处理终端中；

设备工作后，测量得到叶片发生变形时的曲线，前端信号检测设备将测量的数据发送到分析处理终端；

根据初始状态下的Rayleigh反射曲线与叶片发生变形时的曲线两条曲线的差，计算出叶片上各点的弯曲。

进一步地，求得被测光纤沿线各点的弯曲半径具体为：对于单模光纤减少的后向Rayleigh散射功率，由光纤的弯曲损耗公式计算：

${\mathrm{\α}}_c=A_c{R}^{-\frac{1}{2}}\exp (-UR)---\left(1\right)$

其中：

$U=\frac{4{\mathrm{\ΔnW}}^3}{3{\mathrm{aV}}^2{n}_2}$

式中，a和Δn分别是纤芯半径和纤芯-包层的折射率差，μ、W和V分别是径向归一化相位常数、径向归一化衰减常数、归一化频率，n₂为包层折射率，k₁为0阶贝塞尔函数；

根据测量得到的后向Rayleigh散射功率和公式(1)，求得被测光纤沿线各点的弯曲半径。

进一步地，Rayleigh反射曲线的测量过程为：

利用设备中的控制器产生一个脉冲信号，调制激光器，产生一个光脉冲；

光脉冲通过方向耦合器进入光纤，发生Rayleigh反射；

反射光通过方向耦合器进入信号检测器；

根据检测到信号时间与强度，得到Rayleigh反射曲线。

一种实现上述任一项方法的风电电机叶片形变监测的系统，包括前端信号检测设备和分析处理终端，前端信号检测设备包括信号处理模块、脉冲信号控制器、激光器、方向耦合器、信号检测器；

信号处理模块：用以控制装置产生脉冲信号，来控制激光器工作以产生测量需要的光脉冲，并对信号检测器获得的信号，进行封装，通过无线传输装置将信号传输给分析处理终端；

方向耦合器：激光器产生测量需要的光脉冲，光脉冲通过方向耦合器进入光纤，发生Rayleigh反射；

信号检测器：采用PIN光电二级管获得Rayleigh反射信号，经放大器、A/D转换器后，发送Rayleigh反射信号给信号处理模块；

分析处理终端：用于接收无线传输装置传输的Rayleigh反射信号，并对后向Rayleigh反射信号进行分析处理后，得到风电电机叶片形变。

进一步地，分析处理终端中，获得风电电机叶片形变，具体为：

测量设备安装时叶片初始状态下的Rayleigh反射曲线，将测量得到的曲线记录在分析处理终端中；

设备工作后，测量得到叶片发生变形时的曲线，前端信号检测设备将测量的数据发送到分析处理终端；

根据初始状态下的Rayleigh反射曲线与叶片发生变形时的曲线两条曲线的差，计算出叶片上各点的弯曲。

进一步地，分析处理终端中，求得被测光纤沿线各点的弯曲半径具体为：

对于单模光纤减少的后向Rayleigh散射功率，由光纤的弯曲损耗公式计算：

${\mathrm{\α}}_c=A_c{R}^{-\frac{1}{2}}\exp (-UR)---\left(1\right)$

其中：

$U=\frac{4{\mathrm{\ΔnW}}^3}{3{\mathrm{aV}}^2{n}_2}$

式中，a和Δn分别是纤芯半径和纤芯-包层的折射率差，μ、W和V分别是径向归一化相位常数、径向归一化衰减常数、归一化频率，n₂为包层折射率，k₁为0阶贝塞尔函数；

根据测量得到的后向Rayleigh散射功率和公式(1)，求得被测光纤沿线各点的弯曲半径。

进一步地，前端信号检测设备中Rayleigh反射曲线的测量过程：

利用设备中的控制器产生一个脉冲信号，调制激光器，产生一个光脉冲；

光脉冲通过方向耦合器进入光纤，发生Rayleigh反射；

反射光通过方向耦合器进入信号检测器；

根据检测到信号时间与强度，得到Rayleigh反射曲线。

本发明的有益效果是：该种风电电机叶片形变监测的方法及系统，采用测量光纤的Rayleigh散射即瑞利散射随光纤弯曲而发生的变化，从而测出风机叶片各点的弯曲半径，获得风电电机叶片形变。能够对风机叶片的应变进行动态实时监测，从而提前发现叶片中的潜在损伤，并在风叶遭受实际损失之前，采取相应的技术手段避免灾难性的后果发生，避免风机叶片长期经受应力和形变、疲劳损伤而致损毁造成巨大的经济损失的问题。

附图说明

图1是本发明实施例风电电机叶片形变监测的方法的流程示意图。

图2是本发明实施例风电电机叶片形变监测的系统的说明框图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例

实施例采用测量光纤的Rayleigh散射即瑞利散射随光纤弯曲而发生的变化，从而测出风机叶片各点的弯曲半径。

光纤的损耗取决于线性散射损耗。引起线性散射损耗的主要原因是光纤密度随机变化，其变化空间大小同波长相比是较小的，因而散射几乎是全方向的，这种散射称为Rayleigh散射。Rayleigh散射是固有的，不能消除的。它决定了光纤散射损耗的下限，因而通过检测光纤中的背向Rayleigh散射信号并加以分析，可以获得光纤的损耗特性。

一种风电电机叶片形变监测的方法，如图1，包括：

发射具有重复周期和宽度优选周期1-10s、脉冲宽度10-100ns的光脉冲并注入被测光纤，然后检测光纤沿线各点传回的后向Rayleigh散射光，根据所测的后向光信号功率沿时间轴的幅度曲线即得到被测光纤的长度及损耗等物理特性。当光纤的结构材料确定后，其损耗只与光纤的弯曲相关。

当光纤发生弯曲时，光损耗增加，后向Rayleigh散射光功率下降。

对于单模光纤减少的后向Rayleigh散射功率，可以由光纤的弯曲损耗公式计算：

${\mathrm{\α}}_c=A_c{R}^{-\frac{1}{2}}\exp (-UR)---\left(1\right)$

其中：

$U=\frac{4{\mathrm{\ΔnW}}^3}{3{\mathrm{aV}}^2{n}_2}$

式中，a和Δn分别是纤芯半径和纤芯-包层的折射率差，μ、W和V分别是径向归一化相位常数、径向归一化衰减常数、归一化频率，n₂为包层折射率，k₁为0阶贝塞尔函数，这些参数在光纤弯曲过程中保持不变。只有弯曲曲率R未知。

根据测量得到的后向Rayleigh散射功率，和公式(1)，就可以求得各点的弯曲半径，从而获得风电电机叶片形变。

获得风电电机叶片形变，具体为：

测量设备安装时叶片初始状态下的Rayleigh反射曲线，将测量得到的曲线记录在分析处理终端中；

设备工作后，测量得到叶片发生变形时的曲线，前端信号检测设备将测量的数据发送到分析处理终端；

根据初始状态下的Rayleigh反射曲线与叶片发生变形时的曲线两条曲线的差，计算出叶片上各点的弯曲。

Rayleigh反射曲线的测量过程为：

利用设备中的控制器产生一个脉冲信号，调制激光器，产生一个光脉冲；

光脉冲通过方向耦合器进入光纤，发生Rayleigh反射；

反射光通过方向耦合器进入信号检测器；

根据检测到信号时间与强度，得到Rayleigh反射曲线。

一种风电电机叶片形变监测的系统，如图2，包括前端信号检测设备和分析处理终端，前端信号检测设备包括信号处理模块、脉冲信号控制器、激光器、方向耦合器、信号检测器；

信号处理模块：用以控制装置产生脉冲信号，来控制激光器工作以产生测量需要的光脉冲，并对信号检测器获得的信号，进行封装，通过无线传输装置将信号传输给分析处理终端；

激光器：采用半导体激光器，产生1310nm的激光。

方向耦合器：采用Y型分路器，激光器产生测量需要的光脉冲，光脉冲通过方向耦合器进入光纤，发生Rayleigh反射；

信号检测器：采用带InAsGa探测器的PIN光电二级管获得Rayleigh反射信号，经放大器、A/D转换器后，发送Rayleigh反射信号给信号处理模块；其中，InAsGa即铟镓砷，是指探头采用的一种光电材料。

分析处理终端：用于接收无线传输装置传输的Rayleigh反射信号，并对后向Rayleigh反射信号进行分析处理后，得到风电电机叶片形变。

分析处理终端中，获得风电电机叶片形变，具体为：

测量设备安装时叶片初始状态下的Rayleigh反射曲线，将测量得到的曲线记录在分析处理终端中；

设备工作后，测量得到叶片发生变形时的曲线，前端信号检测设备将测量的数据发送到分析处理终端；

根据初始状态下的Rayleigh反射曲线与叶片发生变形时的曲线两条曲线的差，计算出叶片上各点的弯曲。根据需要对数据进行存储，图像化显示等工作。

分析处理终端中，求得被测光纤沿线各点的弯曲半径具体为：

对于单模光纤减少的后向Rayleigh散射功率，由光纤的弯曲损耗公式计算：

${\mathrm{\α}}_c=A_c{R}^{-\frac{1}{2}}\exp (-UR)---\left(1\right)$

其中：

$U=\frac{4{\mathrm{\ΔnW}}^3}{3{\mathrm{aV}}^2{n}_2}$

式中，a和Δn分别是纤芯半径和纤芯-包层的折射率差，μ、W和V分别是径向归一化相位常数、径向归一化衰减常数、归一化频率，n₂为包层折射率，k₁为0阶贝塞尔函数；

根据测量得到的后向Rayleigh散射功率和公式(1)，求得被测光纤沿线各点的弯曲半径。

前端信号检测设备中Rayleigh反射曲线的测量过程：

利用设备中的控制器产生一个脉冲信号，调制激光器，产生一个光脉冲；

光脉冲通过方向耦合器进入光纤，发生Rayleigh反射；

反射光通过方向耦合器进入信号检测器；

根据检测到信号时间与强度，得到Rayleigh反射曲线。

Claims (8)

1.一种风电电机叶片形变监测的方法，其特征在于，包括：

发射具有重复周期和宽度的光脉冲并注入被测光纤，然后检测被测光纤沿线若干点传回的后向Rayleigh散射光；

根据所测的后向光信号功率沿时间轴的幅度曲线即得到被测光纤的物理特性，包括损耗；

当光纤的结构材料确定后，其损耗只与光纤的弯曲相关；当光纤发生弯曲时，光损耗增加，后向Rayleigh散射光功率下降；

根据测量得到的后向Rayleigh散射功率和光纤的弯曲损耗公式，求得被测光纤沿线各点的弯曲半径，从而获得风电电机叶片形变。

2.如权利要求1所述的风电电机叶片形变监测的方法，其特征在于，获得风电电机叶片形变，具体为：

测量设备安装时叶片初始状态下的Rayleigh反射曲线，将测量得到的曲线记录在分析处理终端中；

设备工作后，测量得到叶片发生变形时的曲线，前端信号检测设备将测量的数据发送到分析处理终端；

根据初始状态下的Rayleigh反射曲线与叶片发生变形时的曲线两条曲线的差，计算出叶片上各点的弯曲。

3.如权利要求1或2所述的风电电机叶片形变监测的方法，其特征在于，求得被测光纤沿线各点的弯曲半径具体为：对于单模光纤减少的后向Rayleigh散射功率，由光纤的弯曲损耗公式计算：

${\mathrm{\α}}_c=A_c{R}^{-\frac{1}{2}}\exp (-UR)---\left(1\right)$

其中：

$U=\frac{4{\mathrm{\ΔnW}}^3}{3{\mathrm{aV}}^2{n}_2}$

式中，a和Δn分别是纤芯半径和纤芯-包层的折射率差，μ、W和V分别是径向归一化相位常数、径向归一化衰减常数、归一化频率，n₂为包层折射率，k₁为0阶贝塞尔函数；

根据测量得到的后向Rayleigh散射功率和公式(1)，求得被测光纤沿线各点的弯曲半径。

4.如权利要求1或2所述的风电电机叶片形变监测的方法，其特征在于，Rayleigh反射曲线的测量过程为：

利用设备中的控制器产生一个脉冲信号，调制激光器，产生一个光脉冲；

光脉冲通过方向耦合器进入光纤，发生Rayleigh反射；

反射光通过方向耦合器进入信号检测器；

根据检测到信号时间与强度，得到Rayleigh反射曲线。

5.一种实现权利要求1-4任一项方法的风电电机叶片形变监测的系统，其特征在于，包括前端信号检测设备和分析处理终端，前端信号检测设备包括信号处理模块、脉冲信号控制器、激光器、方向耦合器、信号检测器；

信号处理模块：用以控制装置产生脉冲信号，来控制激光器工作以产生测量需要的光脉冲，并对信号检测器获得的信号，进行封装，通过无线传输装置将信号传输给分析处理终端；

方向耦合器：激光器产生测量需要的光脉冲，光脉冲通过方向耦合器进入光纤，发生Rayleigh反射；

信号检测器：采用PIN光电二级管获得Rayleigh反射信号，经放大器、A/D转换器后，发送Rayleigh反射信号给信号处理模块；

分析处理终端：用于接收无线传输装置传输的Rayleigh反射信号，并对后向Rayleigh反射信号进行分析处理后，得到风电电机叶片形变。

6.如权利要求5所述的风电电机叶片形变监测的系统，其特征在于：分析处理终端中，获得风电电机叶片形变，具体为：

测量设备安装时叶片初始状态下的Rayleigh反射曲线，将测量得到的曲线记录在分析处理终端中；

设备工作后，测量得到叶片发生变形时的曲线，前端信号检测设备将测量的数据发送到分析处理终端；

根据初始状态下的Rayleigh反射曲线与叶片发生变形时的曲线两条曲线的差，计算出叶片上各点的弯曲。

7.如权利要求5或6所述的风电电机叶片形变监测的系统，其特征在于：分析处理终端中，求得被测光纤沿线各点的弯曲半径具体为：

对于单模光纤减少的后向Rayleigh散射功率，由光纤的弯曲损耗公式计算：

${\mathrm{\α}}_c=A_c{R}^{-\frac{1}{2}}\exp (-UR)---\left(1\right)$

其中：

$U=\frac{4{\mathrm{\ΔnW}}^3}{3{\mathrm{aV}}^2{n}_2}$

式中，a和Δn分别是纤芯半径和纤芯-包层的折射率差，μ、W和V分别是径向归一化相位常数、径向归一化衰减常数、归一化频率，n₂为包层折射率，k₁为0阶贝塞尔函数；

根据测量得到的后向Rayleigh散射功率和公式(1)，求得被测光纤沿线各点的弯曲半径。

8.如权利要求5或6所述的风电电机叶片形变监测的系统，其特征在于：前端信号检测设备中Rayleigh反射曲线的测量过程：

利用设备中的控制器产生一个脉冲信号，调制激光器，产生一个光脉冲；

光脉冲通过方向耦合器进入光纤，发生Rayleigh反射；

反射光通过方向耦合器进入信号检测器；

根据检测到信号时间与强度，得到Rayleigh反射曲线。