CN110530277B - 一种用于测量风机气隙的大量程防沙尘光纤传感探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量风机气隙的大量程防沙尘光纤传感探头，包括由内而外依次设置的发射光纤、第一组接收光纤、第二组接收光纤及一圈送气细管；第一组接收光纤包括多根多模光纤；第二组接收光纤包括第一接收光纤和第二接收光纤，第一接收光纤和第二接收光纤均包括多根多模光纤；第一接收光纤环绕在第一组接收光纤外周，第二接收光纤环绕在第一接收光纤外周，送气细管与送气组件连接用于在光纤传感探头前端形成气流柱。送气细管可以传输气流并在探头的前段形成气流柱，防止沙尘干扰激光光强；主要用于风机气隙的测量，能够有效地扩大光纤传感探头量程，增大光纤传感探头的使用范围，并可在沙尘环境下使用。

Description

一种用于测量风机气隙的大量程防沙尘光纤传感探头

技术领域

本发明涉及光纤传感器领域，尤其涉及一种用于测量风机气隙的大量程防沙尘光纤传感探头。

背景技术

直驱式风力发电机没有传统风力发电机的行星齿轮箱部件，因此其结构简单，传动损耗小，并且能够有效避免由于行星齿轮箱故障而造成的发电机组故障，从而能够降低维修成本，提高发电机组的可靠性。直驱式风力发电机还具有发电效率高，可靠性稳定，系统运行成本低，电网接入性能优异等优良特性，因此成为风力发电机的重要发展方向。最近几年，我国直驱式风力发电机的安装量得到了快速的增长。对于直驱式风力发电机来说，定子与转子之间的气隙是保障其正常运行最关键的因素之一。在制造、安装、运行等环节均可产生气隙分布不均，当气隙分布不均超过10％时，即认为发电机存在气隙偏心故障，偏心故障将会对转子产生不平衡的磁拉力，这将使发电机的轴承工作情况发生恶化，同时加剧机组定转子振动，造成定子铁心变形，绕组磨损和绝缘破坏等，因此实时监测气隙对直驱式风力发电机有着重要意义。传统的气隙动态测量方法是利用电容、电感、电涡流原理测量，但这些都不适用于在强电磁场环境精确测量。光纤位移传感器是利用被测表面与传感器表面距离变化引起接收光线强度变化的原理测量位移，因此具有抗电磁干扰的优点。Chowdhury等人利用光纤位移传感器测量了薄膜变形量。张平等人设计了一种双圈同轴式光纤位移传感器，将这种传感器用于润滑膜厚度的监测。光纤位移传感器在微小位移检测方面已得到广泛的研究和应用，但是位移量较大的光纤传感器并不多见。由于直驱式风力发电机气隙较大，最大可达10mm，因此利用现有技术难以在大位移下准确实时测量。另外，风力发电机一般处于沙漠，草原等空旷地带，所处空气中经常携带者大量的沙尘，而沙尘对光纤传感器的传光有着不可忽略的影响。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种用于测量直驱式风力发电机气隙的可防沙尘的大量程光纤传感探头，消除现有的光纤传感器量程较低的问题，扩大光纤传感器的使用范围，并且能在沙尘等能见度低的恶劣条件下使用。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种用于测量风机气隙的大量程防沙尘光纤传感探头，以解决光纤传感器量程小，并且不能在空气中含有沙尘的条件下使用的问题。

本发明的技术方案如下：

一种用于测量风机气隙的大量程防沙尘光纤传感探头，包括由内而外依次设置的发射光纤、第一组接收光纤、第二组接收光纤及一圈送气细管；

所述的第一组接收光纤包括多根多模光纤，第一组接收光纤环绕在发射光纤外周；

所述的第二组接收光纤包括第一接收光纤和第二接收光纤，第一接收光纤和第二接收光纤均包括多根多模光纤；第一接收光纤环绕在第一组接收光纤外周，第二接收光纤环绕在第一接收光纤外周；

所述的送气细管与送气组件连接用于在探头前端形成气流柱。

作为本发明的进一步改进，所述的第一组接收光纤、第一接收光纤和第二接收光纤在探头前端均以发射光纤为中心组成紧密排列的正六边形；所述的第一组接收光纤、第一接收光纤和第二接收光纤在探头后端均各自组成紧密排列的圆筒。

作为本发明的进一步改进，所述一圈送气细管由多根直径相同的塑料圆筒组成，所述的一圈送气细管在探头前端以发射光纤为中心组成紧密排列的圆形，在探头后端组成紧密排列的圆筒。

作为本发明的进一步改进，所述的发射光纤、第一组接收光纤及第二组接收光纤在端头部分都去涂覆。

作为本发明的进一步改进，所述的送气细管外面填充有光纤套筒。

作为本发明的进一步改进，所述发射光纤由一根数值孔径为0.12、直径为600μm的石英光纤组成；所述的第一组接收光纤是由6根数值孔径为0.22、直径为600μm的石英光纤组成。

作为本发明的进一步改进，所述第一接收光纤由12根数值孔径为0.22、直径为600μm的石英光纤组成；所述第二接收光纤由18根数值孔径为0.22、直径为600μm的石英光纤组成。

作为本发明的进一步改进，还包括接口组件，所述的接口组件包括三个分别与第一组接收光纤、第二组接收光纤和发射光纤连接的接口；其中第一接口用于连接第一组接收光纤和第一光电转换器，第二接口用于连接发射光纤和光源，第三接口用于连接第二组接收光纤和第二光电转换器。

作为本发明的进一步改进，所述的气流柱组件包括空心圆台、电机套筒和电机；

所述送气细管端部集合成一个圆柱形，送气细管端部与空心圆台的细端密封连接，所述空心圆台的粗端与电机套筒密封连接，所述电机套筒内设置所述电机，电机的轴上设置有扇叶。

所述电机套筒的B端安装有过滤网，防止沙尘进入到电机套筒内。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明用于测量风机气隙的大量程防沙尘光纤传感探头，包括发射光纤，第一组接收光纤，第二组接收光纤，一圈送气细管其特点是接收光纤有两组，每组都是以发射光纤为中心形紧密排布，探头的最外面有一圈送气细管，可以传输气流并在探头的前段形成气流柱，防止沙尘干扰激光光强；主要用于风机气隙的测量，能够有效地扩大光纤传感探头量程，增大光纤传感探头的使用范围，并可在沙尘环境下使用。

进一步，通过设置送气组件可以通过电机转动带动旋转进而产生气流，送入到空心圆台中，进而送到所述探头处，形成一个气流柱，进而可以防止沙尘进入到激光光线的范围内；所述电机套筒的B端安装有过滤网，防止沙尘进入到电机套筒内。

进一步，为了尽可能使探头尺寸变小，所有光纤在端头部分都去涂覆。

进一步，为了使探头更加坚硬以防止探头在使用过程中折断，在探头外面填充有金属套筒。

附图说明

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

图1是本发明的一种用于测量风机气隙的大量程防沙尘光纤传感探头立体简图；

图2是本发明的一种用于测量风机气隙的大量程防沙尘光纤传感探头主视图；

图3是本发明的一种用于测量风机气隙的大量程防沙尘光纤传感探头整体图；

图4是本发明的一种用于测量风机气隙的大量程防沙尘光纤传感探头实验测得输出特性曲线图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图通过具体的实施例来具体说明本发明的技术方案。

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1至图4所示，本发明一种用于测量风机气隙的大量程防沙尘光纤传感探头，包括发射光纤5，第一组接收光纤4，第二组接收光纤，和一圈送气细管1以及电机11。

所述的第一组接收光纤4包括多根多模光纤，第一组接收光纤4环绕在发射光纤5外周；

所述的第二组接收光纤包括第一接收光纤3和第二接收光纤2，第一接收光纤3和第二接收光纤2均包括多根多模光纤；第一接收光纤3环绕在第一组接收光纤4外周，第二接收光纤2环绕在第一接收光纤3外周；

所述的送气细管1与送气组件连接用于在光纤传感探头前端18形成气流柱。

其中，所述发射光纤由一根数值孔径为0.12，直径为600μm的石英光纤组成，所述发射光纤去掉涂覆层。第一组接收光纤是由6根数值孔径为0.22、直径为600μm的石英光纤组成，所述6根石英光纤去掉涂覆层，所述第一组接收光纤的A端以所述发射光纤为中心成正六边形紧密排布。A端是指探头前端18，B端是指探头后端20。

第二组接收光纤由第一接收光纤和第二接收光纤组成；所述接收光纤a由12根数值孔径为0.22、直径为600μm的石英光纤组成，所述12根石英光纤去掉涂覆层，所述接收光纤的A端以所述第一组接收光纤的A端为中心成紧密排列的正六边形；所述第二接收光纤由18根数值孔径为0.22、直径为600μm的石英光纤组成，所述18根石英光纤去掉涂覆层，所述第二接收光纤的A端以所述第一接收光纤为中心组成紧密排列的正六边形；所述第一接收光纤的B端和所述第二接收光纤的B端共同组成紧密排列的圆面。

所述发射光纤5的A端、所述第一组接收光纤4的A端，所述第一接收光纤4的A端和所述第二接收光纤的A端共面。

作为优选地实施例，所述发射光纤5的B端用F/C接口与光源连接；所述第一组接收光纤的B端用SMA905接头与光电传感器连接；所述第二组接收光纤的B端用特定的接口与光电传感器连接。所述第一组接收光纤和第二组接收光纤中的光线经过所述光电传感器后，通过采集卡传输到上位机中，再进行比除运算，得到输出调制曲线。

作为优选地实施例，所述一圈送气细管1由24根直径为600μm厚度为50μm的塑料圆筒组成，所述一圈送气细管的A端成紧密排列的圆面，B端集合成一个紧密排列的圆面。

作为优选地实施例，所述电机11前段有三个扇叶8，所述扇叶8与所述电机11的转轴固定。所述电机11与扇叶8置于圆套筒中，所述电机套筒9轴线与电机11轴线重合，所述电机套筒9与电机固定。所述电机圆筒9的A端与空心圆台的细端密封连接，所述空心圆台的粗端与送气细管的B端通过圆台面连接。

实施例

如图1所示，本发明一种用于测量风机气隙的大量程防沙尘光纤传感探头，包括发射光纤5，第一组接收光纤4，第二组接收光纤中的第一接收光纤3，第二组接收光纤中的第二接收光纤2和一圈送气细管1，以及金属套筒；所述发射光纤5的A端在传感探头的正中心，所述第一组接收光纤4的A端成正六边形紧密排列在所述发射光纤5外围，所述第二组接收光纤中的第一接收光纤3的A端成正六边形紧密排列在所述第一组接收光纤4的A端外围，所述第二组接收光纤中的第二接收光纤2的A端成正六边形紧密排列在所述第二组接收光纤中的第一接收光纤的A端外围；所述一圈送气细管1的A端成圆形分布在所述第二组接受光纤中的第二接收光纤的A端外围。

为了尽可能使探头尺寸变小，所有光纤在端头部分都去涂覆，为了使探头更加坚硬以防止探头在使用过程中折断，在探头外面填充有金属套筒。

如图2所示，所述发射光纤5是一根数值孔径为0.12的多模光纤，所述第一组接收光纤4是由6根数值孔径为0.22的多模光纤组成，所述第二组接收光纤中的第一接收光纤3由12根数值孔径为0.22的多模光纤组成，所述第二组接收光纤中的第二接收光纤2由18根数值孔径为0.22的多模光纤组成；所有光纤的直径为600微米。

如图3所示，激光光源14产生波长为650nm的激光，激光经过F/C接口16进入到所述发射光纤5中，然后从探头前端18射出，经被测物体面19反射后，部分光源进入到所述第一组接收光纤4中，由sma905接口12，照射在第一光电转换器13上，部分光源进入到所述第二组接收光纤中的第一接收光纤3和所述第二组接收光纤中的第二接收光纤2中，由特定接口17照射在第二光电转换器15中；所述第二光电转换器15产生的电压与所述第一光电转换器13产生的电压经数据采集卡进入到上位机中，然后比除得到最终的输出特性曲线。

所述一圈送气细管的B端集合成一个圆柱形，与空心圆台7的细端密封连接，所述空心圆台7的粗端与电机套筒9的A端密封连接，所述电机套筒9里固定有电机11，所述电机11的轴上有三个扇叶8，所述电机11可以带动扇叶8旋转进而产生气流，送入到空心圆台7中，进而送到所述探头18处，形成一个气流柱，进而可以防止沙尘进入到激光光线的范围内；所述电机套筒9的B端安装有过滤网10，防止沙尘进入到电机套筒9内。

如图4所示，实验测得的输出特性曲线的横坐标是被测物表面19与探头18端面之间的距离，所述输出特性曲线的纵坐标是所述第一光电转换器13产生的电压值与所述第二光电转换器15产生的电压值之间的比值，可以从曲线上明显的看出，传感器的可测量范围明显增大，有效范围为3.5mm-8.5mm。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方案进行修改或者等同替换，而这些并未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于测量风机气隙的大量程防沙尘光纤传感探头，其特征在于，包括由内而外依次设置的发射光纤（5）、第一组接收光纤（4）、第二组接收光纤及一圈送气细管（1）；

所述的第一组接收光纤（4）包括多根多模光纤，第一组接收光纤（4）环绕在发射光纤（5）外周；

所述的第二组接收光纤包括第一接收光纤（3）和第二接收光纤（2），第一接收光纤（3）和第二接收光纤（2）均包括多根多模光纤；第一接收光纤（3）环绕在第一组接收光纤（4）外周，第二接收光纤（2）环绕在第一接收光纤（3）外周；

所述一圈送气细管（1）由多根直径相同的塑料圆筒组成，所述的一圈送气细管（1）在探头前端（18）以发射光纤（5）为中心组成紧密排列的圆形，在探头后端（20）组成紧密排列的圆筒；

所述的送气细管（1）外面填充有光纤套筒；

所述的送气细管（1）与送气组件连接用于在探头前端（18）形成气流柱。

2.如权利要求1所述的用于测量风机气隙的大量程防沙尘光纤传感探头，其特征在于，所述的第一组接收光纤（4）、第一接收光纤（3）和第二接收光纤（2）在探头前端（18）均以发射光纤（5）为中心组成紧密排列的正六边形；所述的第一组接收光纤（4）、第一接收光纤（3）和第二接收光纤（2）在探头后端（20）均各自组成紧密排列的圆筒。

3.如权利要求1所述的用于测量风机气隙的大量程防沙尘光纤传感探头，其特征在于，所述的发射光纤（5）、第一组接收光纤（4）及第二组接收光纤在端头部分都去涂覆。

4.如权利要求1所述的用于测量风机气隙的大量程防沙尘光纤传感探头，其特征在于，所述发射光纤（5）由一根数值孔径为0.12、直径为600μm的石英光纤组成；所述的第一组接收光纤（4）是由6根数值孔径为0.22、直径为600μm的石英光纤组成。

5.如权利要求1所述的用于测量风机气隙的大量程防沙尘光纤传感探头，其特征在于，所述第一接收光纤（3）由12根数值孔径为0.22、直径为600μm的石英光纤组成；所述第二接收光纤（2）由18根数值孔径为0.22、直径为600μm的石英光纤组成。

6.如权利要求1所述的用于测量风机气隙的大量程防沙尘光纤传感探头，其特征在于，还包括接口组件，所述的接口组件包括三个分别与第一组接收光纤（4）、第二组接收光纤和发射光纤（5）连接的接口；其中第一接口（12）用于连接第一组接收光纤（4）和第一光电转换器（13），第二接口（16）用于连接发射光纤（5）和光源（14），第三接口（17）用于连接第二组接收光纤和第二光电转换器（15）。

7.如权利要求1所述的用于测量风机气隙的大量程防沙尘光纤传感探头，其特征在于，还包括送气组件，所述的送气组件包括空心圆台（7）、电机套筒（9）和电机（11）；

所述送气细管（1）端部集合成一个圆柱形，送气细管（1）端部与空心圆台（7）的细端密封连接，所述空心圆台（7）的粗端与电机套筒（9）密封连接，所述电机套筒（9）内设置所述电机（11），电机（11）的轴上设置有扇叶（8）。

8.如权利要求7所述的用于测量风机气隙的大量程防沙尘光纤传感探头，其特征在于，所述电机套筒（9）的端部安装有防止沙尘进入到电机套筒（9）内过滤网（10）。

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