CN111982002A - 一种基于分布式光纤传感的垂直潮流能叶片裂纹监测装置及监测方法 - Google Patents

一种基于分布式光纤传感的垂直潮流能叶片裂纹监测装置及监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及垂直潮流能叶片智能运维领域，具体是一种基于分布式光纤传感的垂直潮流能叶片裂纹监测装置及监测方法，其包括设置在叶片后缘区域内的分布式光纤传感器，分布式光纤传感器连接分布式光纤解调仪，分布式光纤解调仪与监测站通讯连接。本发明在叶片后缘区域内设置分布式光纤传感器，外界的应变的变化导致光纤中心波长发生偏移，通过解调仪收集以及解调出光纤中心波长的偏移量，可推算出应变的变化量，从而实现对监测区域的应变实时采集和分析，该监测方式高效成本低，对发电效率没有影响。

Description

一种基于分布式光纤传感的垂直潮流能叶片裂纹监测装置及 监测方法
技术领域
本发明涉及垂直潮流能叶片智能运维领域，具体是一种基于分布式光纤传感的垂直潮流能叶片裂纹监测装置及监测方法。
背景技术
潮流能作为一种绿色可再生海洋能源，是近年来国内外可再生能源领域研究的重点。叶片作为潮流能发电机组的核心捕能部件，将潮流的动能转化为叶轮机构的旋转机械能。高速的潮流能量密度大，意味着叶片负载大，且载荷随湍流而持续变化。叶片在长期的海洋环境运行中，遭受包括砂石冲击、台风、波浪、潮流剪切等作用影响。垂直潮流能叶片整体采用复合材料铺层，主要结构分为内部铺层和外部铺层。内部铺层为叶片提供大部分刚度，外部铺层保证叶片翼形。为了维持高效的气动外形，叶片后缘铺层设计逐渐递减且铺层数较少。在长期的海洋环境工作中，叶片后缘难以避免的出现裂开和内部铺层产生损坏的现象，导致叶片结构的损坏影响潮流能发电机组的工作效率。目前对叶片内外结构的监测主要通过监测人员在水下对叶片定期监测和维护，这种方式效率低下、成本高以及降低发电效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是无法高效监测潮流能叶片后缘是否损坏，为了解决该问题，本发明提供一种基于分布式光纤传感的垂直潮流能叶片裂纹监测装置及监测方法，其对叶片后缘的监测高效成本低，且对发电效率没有影响。
本发明的内容为一种基于分布式光纤传感的垂直潮流能叶片裂纹监测装置，包括设置在叶片后缘区域内的分布式光纤传感器，分布式光纤传感器连接分布式光纤解调仪，分布式光纤解调仪与监测站通讯连接。
进一步地，所述的叶片后缘区域内设置安装片，分布式光纤传感器设置在安装片上。
进一步地，所述的安装片预埋在叶片后缘区域内。
进一步地，所述的安装片与叶片本体的材料一致。
进一步地，所述的分布式光纤传感器封装在安装片内。
进一步地，所述的分布式光纤传感器为数个。
进一步地，所述的数个分布式光纤传感器沿叶片的长度方向分布。
进一步地，所述的安装片和分布式光纤传感器均为数个。
进一步地，所述的分布式光纤传感器为蛇形线。
一种基于分布式光纤传感的垂直潮流能叶片裂纹监测方法，使用一种基于分布式光纤传感的垂直潮流能叶片裂纹监测装置，所述的方法包括以下步骤：
①、根据垂直潮流能叶片的尺寸确定监测所需要的空间分布率；
②、根据步骤①确定的空间分布率，确定分布式光纤传感器平行方向的光纤铺设长度L；
③、根据所需要的精度确定分布式光纤传感器相邻平行光纤之间的距离L；
④、在叶片后缘区域内按蛇形敷设分布式光纤传感器；
⑤、将分布式光纤传感器的平行光纤方向与叶片的宽度方向呈角度a布置并进行位置的标定；
⑥、将分布式光纤传感器的一端连接至分布式光纤解调仪，分布式光纤解调仪与监测站通讯连接，通过解调仪采集的应变数据，根据异常的应变值及位置识别叶片后缘区域是否开裂以及开裂程度。
本发明的有益效果是，本发明在叶片后缘区域内设置分布式光纤传感器，外界的应变的变化导致光纤中心波长发生偏移，通过解调仪收集以及解调出光纤中心波长的偏移量，可推算出应变的变化量，从而实现对监测区域的应变实时采集和分析，该监测方式高效成本低，对发电效率没有影响。
附图说明
附图1为垂直轴潮流能水轮机叶片的结构示意图；
附图2为垂直潮流能叶片横截面示意图；
附图3为分布式光纤传感器在叶片后缘位置封装以及连接示意图；
附图4为分布式光纤传感器光纤分布图。
在图中，1、主轴 2、支臂 3、叶片 4、叶片外部铺层 5、叶片内部铺层 6、叶片后缘区域 7、安装片 8、分布式光纤传感器。
具体实施方式
如附图1-4所示，一种基于分布式光纤传感的垂直潮流能叶片裂纹监测装置，包括设置在叶片后缘区域6内的分布式光纤传感器8，分布式光纤传感器8连接分布式光纤解调仪，分布式光纤解调仪与监测站通讯连接。所述监测站包括显示器，经分布式光纤解调仪采集的应变数据传输至所述显示器实时显示。当光纤受到应变影响时，其布拉格波长发生偏移，从而可以通过波长的相对偏移量推算所受应变大小。光纤中心波长偏移量与应变的关系式为：
Figure RE-GDA0002727746600000021
式中：ΔλB为光纤中心的波长偏移量；λB为FBG的中心波长；ΔεZ为应变变化量；Kε为应变灵敏度系数。外界的应变的变化导致光纤中心波长发生偏移，通过解调仪收集以及解调出光纤中心波长的偏移量，可推算出应变的变化量，从而实现对监测区域的应变实时采集和分析。另外，光纤传感器具有体积小、质量轻、耐腐蚀、海洋环境适应性强等优点，适用于长期运行的垂直潮流能叶片。分布式光纤传感器8的尺寸可长可短，能够满足不同部位的要求。
叶片3通过支臂2安装在主轴1上。
所述的叶片后缘区域6内设置安装片7，分布式光纤传感器8设置在安装片7上。这种结构能够通过移动安装片7来调整分布式光纤传感器8的位置和角度，以便于对叶片后缘区域6的不同位置进行监测。
所述的安装片7预埋在叶片后缘区域6内，能够使得安装片7固定牢固。
所述的安装片7与叶片本体的材料一致。
所述的分布式光纤传感器8封装在安装片7内。封装后的分布式光纤传感器8韧性和柔性较好，便于预埋在叶片后缘铺层中。
所述的分布式光纤传感器8为数个。可以根据叶片的长度确定分布式光纤传感器8的数量，以便于扩大监测范围，提升监测精度。
所述的数个分布式光纤传感器8沿叶片的长度方向分布。可以根据叶片的长度确定分布式光纤传感器8的数量。
所述的安装片7和分布式光纤传感器8均为数个。可以根据叶片的长度确定安装片7和分布式光纤传感器8的数量。
所述的分布式光纤传感器8为蛇形线。其中相互平行的光纤敷设长度大于分布式光纤解调仪的空间分布率，相邻两平行光纤间的连接光纤弯曲半径大于光纤最小曲率半径，保证光纤传感光路的散射光的强度比值，足够满足传感解调需要。
实施例1，一种基于分布式光纤传感的垂直潮流能叶片裂纹监测方法，使用一种基于分布式光纤传感的垂直潮流能叶片裂纹监测装置，所述的方法包括以下步骤：
①、根据垂直潮流能叶片的尺寸确定监测所需要的空间分布率；
②、根据步骤①确定的空间分布率，确定分布式光纤传感器8平行方向的光纤铺设长度 L3；
③、根据所需要的精度确定分布式光纤传感器8相邻平行光纤之间的距离L2；
④、在叶片后缘区域6内按蛇形敷设分布式光纤传感器8；
⑤、将分布式光纤传感器8的平行光纤方向与叶片的宽度方向呈角度a布置并进行位置的标定；
⑥、将分布式光纤传感器8的一端连接至分布式光纤解调仪，分布式光纤解调仪与监测站通讯连接，通过解调仪采集的应变数据，根据异常的应变值及位置识别叶片后缘区域6是否开裂以及开裂程度。
实施例2，一种基于分布式光纤传感的垂直潮流能叶片裂纹监测方法，使用一种基于分布式光纤传感的垂直潮流能叶片裂纹监测装置，所述的方法包括以下步骤：
步骤一、根据垂直潮流能叶片尺寸确定监测所需要的空间分布率；
步骤二、根据步骤一确定的空间分布率来确定分布式光纤传感器8平行方向的光纤铺设长度L3，L4与L3和L5的关系为：L4＝L3+2*L5，其中L5为自由弯曲段光纤的半径；
步骤三、根据叶片的尺寸长度和安装片7的数量确定单个安装片7的长度L1；
步骤四、按蛇形敷设分布式光纤传感器8于对应的安装片7中，其中相互平行的光纤敷设长度大于分布式光纤解调仪的空间分布率，相邻两平行光纤间的连接光纤弯曲半径大于光纤最小曲率半径，保证光纤传感光路的散射光的强度比值，足够满足传感解调需要；
步骤五、根据所需要的测量精度确定分布式光纤传感器8相邻平行光纤之间的距离L2；
步骤六、将蛇形的分布式光纤传感器8的平行光纤方向与叶片的宽度方向成一定的角度 a布置并进行位置的标定；调节该角度a的大小，能够调整分布式光纤传感器8在对应的安装片7上的朝向，从而调整对应方向的叶片监测范围。
步骤七、对封装在安装片7中的分布式光纤传感器8进行热压定型；
步骤八、将封装完的分布式光纤传感器8预埋在叶片3内部铺层5与外部铺层4之间的叶片后缘区域6，进一步将分布式光纤传感器8的一端连接至分布式光纤解调仪，分布式光纤解调仪与监测站通讯连接。通过解调仪采集的应变数据，根据异常的应变值及位置识别叶片后缘是否开裂以及开裂程度。
空间分布率是传感器对沿光纤长度分布的应力场进行测量时所能分辨的最小空间单元。

Claims (10)

1.一种基于分布式光纤传感的垂直潮流能叶片裂纹监测装置，其特征在于：包括设置在叶片后缘区域(6)内的分布式光纤传感器(8)，分布式光纤传感器(8)连接分布式光纤解调仪，分布式光纤解调仪与监测站通讯连接。
2.如权利要求1所述的一种基于分布式光纤传感的垂直潮流能叶片裂纹监测装置，其特征在于：所述的叶片后缘区域(6)内设置安装片(7)，分布式光纤传感器(8)设置在安装片(7)上。
3.如权利要求2所述的一种基于分布式光纤传感的垂直潮流能叶片裂纹监测装置，其特征在于：所述的安装片(7)预埋在叶片后缘区域(6)内。
4.如权利要求2所述的一种基于分布式光纤传感的垂直潮流能叶片裂纹监测装置，其特征在于：所述的安装片(7)与叶片本体的材料一致。
5.如权利要求2所述的一种基于分布式光纤传感的垂直潮流能叶片裂纹监测装置，其特征在于：所述的分布式光纤传感器(8)封装在安装片(7)内。
6.如权利要求1所述的一种基于分布式光纤传感的垂直潮流能叶片裂纹监测装置，其特征在于：所述的分布式光纤传感器(8)为数个。
7.如权利要求6所述的一种基于分布式光纤传感的垂直潮流能叶片裂纹监测装置，其特征在于：所述的数个分布式光纤传感器(8)沿叶片的长度方向分布。
8.如权利要求1所述的一种基于分布式光纤传感的垂直潮流能叶片裂纹监测装置，其特征在于：所述的安装片(7)和分布式光纤传感器(8)均为数个。
9.如权利要求1-8任意一项所述的一种基于分布式光纤传感的垂直潮流能叶片裂纹监测装置，其特征在于：所述的分布式光纤传感器(8)为蛇形线。
10.一种基于分布式光纤传感的垂直潮流能叶片裂纹监测方法，其特征在于：使用权利要求9所述的一种基于分布式光纤传感的垂直潮流能叶片裂纹监测装置，所述的方法包括以下步骤：
①、根据垂直潮流能叶片的尺寸确定监测所需要的空间分布率；
②、根据步骤①确定的空间分布率，确定分布式光纤传感器(8)平行方向的光纤铺设长度L3；
③、根据所需要的精度确定分布式光纤传感器(8)相邻平行光纤之间的距离L2；
④、在叶片后缘区域(6)内按蛇形敷设分布式光纤传感器(8)；
⑤、将分布式光纤传感器(8)的平行光纤方向与叶片的宽度方向呈角度a布置并进行位置的标定；
⑥、将分布式光纤传感器(8)的一端连接至分布式光纤解调仪，分布式光纤解调仪与监测站通讯连接，通过解调仪采集的应变数据，根据异常的应变值及位置识别叶片后缘区域(6)是否开裂以及开裂程度。
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