CN110160682A - 一种载荷监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例所提供的载荷监测系统及方法，应用于基于分布式光纤光栅的风力发电机组塔架，载荷监测系统包括光纤光栅传感器组和电阻式应变片；光纤光栅传感器组用于获取光纤光栅信号；电阻式应变片用于获取电阻应变片信号，电阻应变片信号表征风力发电机组塔架的外界物理参数当前参考变化信息；光解调仪用于根据预定策略处理光纤光栅信号和电阻应变片信号确定风力发电机组塔架的实际载荷数值。将获取的电阻应变片信号作为外界物理参数的参考量，从而对比校正光纤光栅传感器所获取的外界物理参数，同时优化光纤光栅传感器的波长‑应变K系数，从而提高光纤光栅传感器的灵敏度，最终提高了风电机组塔架载荷监测系统监测数据的准确度。

Description

一种载荷监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电机组，具体而言，涉及一种载荷监测系统及方法。

背景技术

目前，在基于分布式光纤光栅的风力发电机组塔架载荷的监测系统中，仅仅依赖光纤光栅传感器获得相关的载荷数值，而没有基准数据与之校准，同时由于每个光纤光栅传感器出厂灵敏度不一致，从而导致光栅的风力发电机组塔架载荷监测系统存在数据不够精确的问题。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种载荷监测系统及方法，以解决风力发电机组塔架载荷监测系统监测数据不够精确的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提出一种载荷监测系统，应用基于分布式光纤光栅的风力发电机组塔架，所述载荷监测系统包括光纤光栅传感器组和电阻式应变片；其中，所述光纤光栅传感器组包含至少一个光纤光栅传感器，所述电阻式应变片设置于所述光纤光栅传感器的预定范围内，包括：光纤光栅传感器组、电阻式应变片以及光解调仪；其中，所述光纤光栅传感器组，用于获取光纤光栅信号；所述光纤光栅信号表征所述风力发电机组塔架的外界物理参数当前变化信息；所述电阻式应变片，用于获取电阻应变片信号，所述电阻应变片信号表征所述风力发电机组塔架的外界物理参数当前参考变化信息；光解调仪，用于根据预定策略处理所述光纤光栅信号和所述电阻应变片信号确定所述风力发电机组塔架的实际载荷数值。

第二方面，本发明实施例还提出一种载荷监测方法，应用于基于分布式光纤光栅的风力发电机组塔架，包括：获取光纤光栅信号；所述光纤光栅信号表征所述风力发电机组塔架的外界物理参数当前变化信息；获取电阻应变片信号；所述电阻应变片信号表征所述风力发电机组塔架的外界物理参数当前参考上的变化信息；根据预定策略处理所述光纤光栅信号和所述电阻应变片信号确定所述风力发电机组塔架的实际载荷数值。

本发明实施例所提供的载荷监测系统及方法，应用于基于分布式光纤光栅的风力发电机组塔架，载荷监测系统包括光纤光栅传感器组和电阻式应变片；其中，光纤光栅传感器组包含至少一个光纤光栅传感器，电阻式应变片设置于光纤光栅传感器的预定范围内；光纤光栅传感器组，用于获取光纤光栅信号；光纤光栅信号表征风力发电机组塔架的外界物理参数当前变化信息；电阻式应变片，用于获取电阻应变片信号，电阻应变片信号表征风力发电机组塔架的外界物理参数当前参考变化信息；光解调仪，用于根据预定策略处理光纤光栅信号和电阻应变片信号确定风力发电机组塔架的实际载荷数值。将获取的电阻应变片信号作为外界物理参数的参考量，从而对比校正光纤光栅传感器所获取的外界物理参数，同时优化光纤光栅传感器的波长-应变K系数，从而提高光纤光栅传感器的出厂灵敏度，最终提高了风力发电机组塔架载荷监测系统监测数据的准确度。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的风力发电机组塔架示意图。

图2示出了本发明实施例所提供的第一监测平台面示意图。

图3示出了本发明实施例所提供的第二监测平台面示意图。

图4示出了本发明实施例所提供的载荷监测系统结构框图。

图5示出了本发明实施例所提供的一种载荷监测方法的流程示意图。

图6示出了本发明实施例所提供的步骤301的子步骤流程示意图。

图标：风力发电机组塔架100；第一监测平台面110；第一监测平台面监测点112；第二监测平台面120；第二监测平台面监测点122；载荷监测系统200；光纤光栅传感器组220；电阻式应变片230；光解调仪240。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

请参照图1，为本发明实施例所提供的风力发电机组塔架示意图。该风力发电机组塔架100包括第一监测平台面110与第二监测平台面120，其中，第一监测平台面110位于风力发电机组塔架100的塔顶，第二监测平台面120位于风力发电机组塔架100的塔底。

请参照图2，为本发明实施例所提供的第一监测平台面示意图。第一监测平台面110设有四个第一监测平台面监测点112，四个第一监测平台面监测点112均匀设置于第一监测平台面110，第一监测平台面监测点112设置于风力发电机组塔架塔顶内壁。

请参照图3，为本发明实施例所提供的第二监测平台面示意图。第二监测平台面120设有四个第二监测平台面监测点122，四个第二监测平台面监测点122均匀设置于第二监测平台面120，第二监测平台面监测点122设置于风力发电机组塔架塔底内壁。

请参照图4，为本发明实施例所提供的载荷监测系统结构框图。载荷监测系统200包括光纤光栅传感器组220、多个电阻式应变片230和光解调仪240，光纤光栅传感器组220以及电阻式应变片230均与光解调仪240电连接。

光纤光栅传感器组220包含至少一个光纤光栅传感器。光纤光栅传感器组为如下任意一种或组合：光纤光栅应变传感器、光纤光栅弯矩传感器、光纤光栅扭矩传感器或光纤光栅温度传感器。光纤光栅传感器设置于风力发电机组塔架的第一监测平台面监测点以及第二监测平台面监测点；每个第一监测平台面监测点都包括至少一个光纤光栅应变传感器、光纤光栅弯矩传感器、光纤光栅扭矩传感器和光纤光栅温度传感器；每个第二监测平台面监测点都包括至少一个表面式光纤光栅应变传感器、光纤光栅弯矩传感器、光纤光栅扭矩传感器和光纤光栅温度传感器。

需要说明的是，风力发电机组塔架的底部为钢质材料，因此位于风力发电机组塔架底部的第二监测平台面设置为表面式光纤光栅应变传感器。

光纤光栅传感器组220用于实时获取光纤光栅信号；光纤光栅信号表征风力发电机组塔架的外界物理参数当前变化信息；该光纤光栅信号包括第一波长数值、第一应变数值、第一弯矩数值、第一扭矩数值以及第一温度数值。光纤光栅应变传感器，用于获取第一应变数值；光纤光栅弯矩传感器，用于获取第一弯矩数值；光纤光栅扭矩传感器，用于获取第一扭矩数值；光纤光栅温度传感器，用于获取第一温度数值；

电阻式应变片230设置于光纤光栅传感器的预定范围内，例如，设置于光纤光栅传感器的100mm范围内(此处的100mm仅为举例说明，还可以为其他值，视具体情况而定)。每个光纤光栅传感器的预定范围内都设置有一个电阻式应变片230。电阻式应变片230用于实时获取电阻应变片信号，电阻应变片信号表征风力发电机组塔架的外界物理参数当前参考变化信息，将电阻应变片信号作为校正的基准参数信号。电阻应变片信号包括第二波长数值、第二应变数值、第二弯矩数值、第二扭矩数值以及第二温度数值。

需要说明的是，电阻式应变片230易受电磁干扰，易老化，因此不能用于长期监测，只用于短期标定和校准。

光解调仪240根据预定策略处理光纤光栅信号和电阻应变片信号确定风力发电机组塔架的实际载荷数值。预定策略为根据光纤光栅信号生成实际数值直线图；根据电阻应变片信号生成参考数值直线图；实际数值直线图包括第一波长-应变直线图、第一波长-弯矩直线图、第一波长-扭矩直线图以及第一波长-温度直线图；参考数值直线图包括第二波长-应变直线图、第二波长-弯矩直线图、第二波长-扭矩直线图以及第二波长-温度直线图。比对实际数值直线图与参考数值直线图包括将第一波长-应变直线图与第二波长-应变直线图进行比对、将第一波长-弯矩直线图与第二波长-弯矩直线图进行比对、将第一波长-扭矩直线图与第二波长-扭矩直线图进行比对、将第一波长-温度直线图与第二波长-温度直线图进行比对，最终得到实际载荷数值。

请参照图5，为本发明实施例所提供的一种载荷监测方法的流程示意图。

步骤301，优化光纤光栅应变传感器的波长-应变K系数。

波长-应变K系数表征所述光纤光栅传感器的灵敏度。

步骤301包括子步骤301-1、子步骤301-2、子步骤301-3、子步骤301-4、子步骤301-5以及子步骤301-6，本步骤中未提及之处，在其子步骤中将进行详细阐述。

请参照图6，为本发明实施例所提供的步骤301的子步骤流程示意图。子步骤301-1，将风力发电机组塔架偏航预定角度。

将风力发电机组塔架偏航预定角度，例如1°(此处的仅为举例说明，还可以为其他值，视具体情况而定)。

子步骤301-2，获取光纤光栅应变传感器的第一应变数值，以及在光纤光栅应变传感器预定范围内的电阻式应变片的第二应变数值。

每个光纤光栅应变传感器的就近位置都设有一个对应的电阻式应变片，获取第一应变数值对应的第二应变数值。

子步骤301-3，计算第一应变数值与第二应变数值之间的偏差。

以第二应变数值为基准，计算第一应变数值的偏差。

子步骤301-4，判断偏差是否小于预定阈值，若是，则执行子步骤301-5；若否，则执行子步骤301-1。

当偏差大于等于预定阈值时，再将风力发电机组塔架偏航预定角度，重新获取光纤光栅应变传感器的第一应变数值，以及在光纤光栅应变传感器预定范围内的电阻式应变片的第二应变数值，计算第一应变数值与第二应变数值之间的偏差，直至偏差小于预定阈值，以提高光纤光栅应变传感器的灵敏度，减少测量偏差，提高测出的载荷数值的精度。

在一种可能的实施例中，该预定阈值可以为但不限于6％。

子步骤301-5，获取预定时间范围内光纤光栅应变传感器的波长变化数值,以及预定时间范围内第二应变数值的变化量。

获取预定时间范围内光纤光栅应变传感器的波长变化数值,以及预定时间范围内第二应变数值的变化量，该预定时间范围可以是20秒(此处的仅为举例说明，还可以为其他值，视具体情况而定)。

子步骤301-6，根据波长变化数值以及第二应变数值的变化量，得出光纤光栅应变传感器的波长-应变K系数。

用波长变化数值除以第二应变数值的变化量，得出结果即为每个光纤光栅传感器的波长-应变K系数。

步骤302，获取光纤光栅信号。

光纤光栅信号表征风力发电机组塔架的外界物理参数当前变化信息。光纤光栅信号表征风力发电机组塔架的外界物理参数当前变化信息；该光纤光栅信号包括第一波长数值、第一应变数值、第一弯矩数值、第一扭矩数值以及第一温度数值。

步骤303，获取电阻应变片信号。

电阻应变片信号表征风力发电机组塔架的外界物理参数当前参考变化信息，电阻应变片信号作为校正的基准参数信号。电阻应变片信号包括第二波长数值、第二应变数值、第二弯矩数值、第二扭矩数值以及第二温度数值。

步骤304，根据预定策略处理光纤光栅信号和电阻应变片信号确定风力发电机组塔架的实际载荷数值。

预定策略为根据光纤光栅信号生成实际数值直线图；根据电阻应变片信号生成参考数值直线图；实际数值直线图包括第一波长-应变直线图、第一波长-弯矩直线图、第一波长-扭矩直线图以及第一波长-温度直线图；参考数值直线图包括第二波长-应变直线图、第二波长-弯矩直线图、第二波长-扭矩直线图以及第二波长-温度直线图。比对实际数值直线图与参考数值直线图包括将第一波长-应变直线图与第二波长-应变直线图进行比对、将第一波长-弯矩直线图与第二波长-弯矩直线图进行比对、将第一波长-扭矩直线图与第二波长-扭矩直线图进行比对、将第一波长-温度直线图与第二波长-温度直线图进行比对，最终得到实际载荷数值。

综上所述，本发明实施例所提供的载荷监测系统及方法，应用于基于分布式光纤光栅的风力发电机组塔架，载荷监测系统包括光纤光栅传感器组和电阻式应变片；其中，光纤光栅传感器组包含至少一个光纤光栅传感器，电阻式应变片设置于光纤光栅传感器的预定范围内；光纤光栅传感器组，用于获取光纤光栅信号；光纤光栅信号表征风力发电机组塔架的外界物理参数当前变化信息；电阻式应变片，用于获取电阻应变片信号，电阻应变片信号表征风力发电机组塔架的外界物理参数当前参考变化信息；光解调仪，用于根据预定策略处理光纤光栅信号和电阻应变片信号确定风力发电机组塔架的实际载荷数值。将获取的电阻应变片信号作为外界物理参数的参考量，从而对比校正光纤光栅传感器所获取的外界物理参数，同时优化光纤光栅传感器的波长-应变K系数，从而提高光纤光栅传感器的出厂灵敏度，最终提高了风力发电机组塔架载荷监测系统监测数据的准确度。

本领域内的技术人员应明白，本发明实施例可提供为方法、装置、设备或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、装置、设备和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在本发明实施例所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置和方法实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的可选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

Claims (10)

1.一种载荷监测系统，应用于基于分布式光纤光栅的风力发电机组塔架，所述载荷监测系统包括光纤光栅传感器组和电阻式应变片；其中，所述光纤光栅传感器组包含至少一个光纤光栅传感器，所述电阻式应变片设置于所述光纤光栅传感器的预定范围内；其特征在于，包括：

所述光纤光栅传感器组，用于获取光纤光栅信号；所述光纤光栅信号表征所述风力发电机组塔架的外界物理参数当前变化信息；

所述电阻式应变片，用于获取电阻应变片信号，所述电阻应变片信号表征所述风力发电机组塔架的外界物理参数当前参考变化信息；

光解调仪，用于根据预定策略处理所述光纤光栅信号和所述电阻应变片信号确定所述风力发电机组塔架的实际载荷数值。

2.如权利要求1所述的载荷监测系统，其特征在于，

所述光纤光栅信号包括第一波长数值、第一应变数值、第一弯矩数值、第一扭矩数值以及第一温度数值；

所述电阻应变片信号包括第二波长数值、第二应变数值、第二弯矩数值、第二扭矩数值以及第二温度数值；

所述预定策略为根据所述光纤光栅信号生成实际数值直线图；根据所述电阻应变片信号生成参考数值直线图；比对所述实际数值直线图与所述参考数值直线图，得到实际载荷数值；

所述实际数值直线图包括第一波长－应变直线图、第一波长－弯矩直线图、第一波长－扭矩直线图以及第一波长－温度直线图；所述参考数值直线图包括第二波长－应变直线图、第二波长－弯矩直线图、第二波长－扭矩直线图以及第二波长－温度直线图。

3.如权利要求2所述的载荷监测系统，其特征在于，所述光纤光栅传感器组为如下任意一种或组合：光纤光栅应变传感器、光纤光栅弯矩传感器、光纤光栅扭矩传感器或光纤光栅温度传感器；

所述光纤光栅应变传感器，用于获取所述第一应变数值；

所述光纤光栅弯矩传感器，用于获取所述第一弯矩数值；

所述光纤光栅扭矩传感器，用于获取所述第一扭矩数值；

所述光纤光栅温度传感器，用于获取所述第一温度数值；

所述光纤光栅应变传感器、所述光纤光栅弯矩传感器、所述光纤光栅扭矩传感器、所述光纤光栅温度传感器位于所述风力发电机组塔架的第一监测平台面与第二监测平台面。

4.如权利要求3所述的载荷监测系统，其特征在于，

所述第一监测平台面位于所述风力发电机组塔架的塔顶，所述第二监测平台面位于所述风力发电机组塔架的塔底；所述第一监测平台面与所述第二监测平台面均有四个监测点。

5.如权利要求4所述的载荷监测系统，其特征在于，

所述第一监测平台面的每个监测点都包括至少一个，光纤光栅应变传感器、光纤光栅弯矩传感器、光纤光栅扭矩传感器和光纤光栅温度传感器；

所述第二监测平台面的每个监测点都包括至少一个表面式光纤光栅应变传感器、光纤光栅弯矩传感器、光纤光栅扭矩传感器和光纤光栅温度传感器。

6.如权利要求1所述的载荷监测系统，其特征在于，

每个所述光纤光栅传感器的预定范围内都设置有一个所述电阻式应变片。

7.一种载荷监测方法，应用于基于分布式光纤光栅的风力发电机组塔架，其特征在于，包括：

获取光纤光栅信号；所述光纤光栅信号表征所述风力发电机组塔架的外界物理参数当前变化信息；

获取电阻应变片信号；所述电阻应变片信号表征所述风力发电机组塔架的外界物理参数当前参考变化信息；

根据预定策略处理所述光纤光栅信号和所述电阻应变片信号确定所述风力发电机组塔架的实际载荷数值。

8.如权利要求7所述的载荷监测方法，其特征在于，所述获取光纤光栅信号的步骤之前还包括：

优化光纤光栅应变传感器的波长－应变K系数；所述波长－应变K系数表征所述光纤光栅传感器的灵敏度；

所述优化光纤光栅应变传感器的波长－应变K系数的步骤包括：

获取所述光纤光栅应变传感器的第一应变数值，以及在所述光纤光栅应变传感器预定范围内的电阻式应变片的第二应变数值；

计算所述第一应变数值与所述第二应变数值之间的偏差；若所述偏差小于预定阈值，则获取预定时间范围内所述光纤光栅应变传感器的波长变化数值，以及预定时间范围内所述第二应变数值的变化量；

根据所述波长变化数值以及所述第二应变数值的变化量，得出所述光纤光栅应变传感器的波长－应变K系数。

9.如权利要求8所述的载荷监测方法，其特征在于，包括：

若所述偏差大于等于预定阈值，则将所述风力发电机组塔架偏航预定角度，重新计算所述第一应变数值与所述第二应变数值之间的偏差。

10.如权利要求8所述的载荷监测方法，其特征在于，

所述获取所述光纤光栅应变传感器的第一应变数值，以及在所述光纤光栅应变传感器预定范围内的电阻式应变片的第二应变数值的步骤之前还包括：

将所述风力发电机组塔架偏航预定角度。