CN112504430A - 一种基于振动敏感型光纤传感技术的杆塔结构健康监测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于振动敏感型光纤传感技术的风力发电机杆塔结构健康监测的方法，本方案将对振动敏感的紧套光纤布置在风机杆塔的内壁上，通过S型布线与在杆塔连接处贴敷光纤环的方式，实现对风力发电机的结构健康状态监测，步骤依次包含区域清洁、胶带固定、涂覆环氧树脂胶、粘贴玻璃钢纤维胶带，可实现光纤长期粘附于所监测的区域；同时，将解调主机布置在风机的主控室中，通过无线的方式与地面终端进行通信；利用振动敏感型分布式光纤传感的技术优势，监测各区域的固有频率高次谐波的能量，并将其与过去时刻做对比，判断风机杆塔结构健康状态。

Description

一种基于振动敏感型光纤传感技术的杆塔结构健康监测的 方法

技术领域

本发明专利属于分布式光纤传感技术领域，尤其涉及一种利用振动敏感型光纤传感技术的杆塔结构进行健康监测的方法。

背景技术

风力发电机往往地处气候多变的地区，风速、风向不断发生变化，因此会给整个风电机组造成复杂多变的负担，在长期的运行过程中各部件容易出现材料结构疲劳与损伤。风机杆塔作为风机的主体部分，一旦因为结构损伤严重，造成故障，不仅需要高昂的设备维修费用，还会因设备停止发电造成二次经济损失。例如风机在长时间的运行中，由于不同的高度受到的风力作用大小不同，导致杆塔每层的连接处长时间受到横向的作用力，造成结构损伤。当杆塔在早期出现疲劳裂纹损伤时，运维人员很难直观地观察到这种变化，这就造成了采用传统的巡检方法去检查这种结构损伤时，很难在故障早期发现问题，给杆塔维护带来很大的麻烦。所以，选用有效的传感技术，监测杆塔内壁的结构损坏状况，在故障初期发出预警，即可方便工作人员迅速采取手段进行维护，防止出现进一步损坏。

传统的风机健康监测方案，例如使用无线振动传感器与声发射传感器等，都是有源传感器，布置在杆塔内壁上时，都需要独立供电，尤其采用传感器阵列时，为了保证测量面积足够大，传感器被布置得极为紧密，数量极多，又因为处于内壁，无法采用太阳能供电，所以电池更换需要人工进行，极为繁琐。

当杆塔内壁的某个区域出现结构损伤时，则其附近的固有频率会发生改变，分布式光纤传感技术可以利用光纤作为传感器，将无源的光纤贴敷在杆塔的内壁上，通过监杆塔振动的固有频率高次谐波的能量来判断它们的健康状态。

发明目的

针对以上问题，本发明公开一种基于振动敏感型光纤传感技术的风力发电机杆塔结构健康监测的方法。本方案将对振动敏感的紧套光纤布置在风机杆塔的管壁上，通过S型布设光纤的方式实现大面积的结构健康状态检测，步骤依次包含区域清洁、胶带固定、涂敷环氧树脂胶、粘贴玻璃钢纤维胶带，可实现光纤与所监测区域的长期固定；同时，将解调主机布置风机主控室中；利用振动敏感型分布式光纤传感的技术优势，监测各区域固有频率高次谐波的平均功率，并将其与过去时刻做对比，判断风机杆塔的结构健康状态。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明利用风杆塔内壁在出现材料结构疲劳与损伤时，固有频率会发生变化的特点，选用对振动敏感的紧套光纤贴敷待监测区域，通过终端的振动敏感型光纤传感设备对固有频率进行实时监测并记录，比对历史信息，当某一个区域的固有频率高次谐波的平均功率在一定时间内呈现单向性增加时，则认为该区域出现了结构疲劳或结构损伤。本发明提出一种基于振动敏感型光纤传感技术的杆塔结构损伤监测的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、在杆塔内壁区域布置光纤，该光纤布设呈S型；

步骤2、在光纤上涂敷耐潮湿耐高温材料，并将光纤固定在杆塔内壁上；

步骤3、风力发电机整根杆塔是由多节杆塔连接而成，对于杆塔内壁上的连接处，将布设的光纤盘绕成环，贴敷在连接处上；

步骤4、将光纤环上涂敷耐潮湿耐高温材料，光纤环与整个杆塔内壁上的光纤同属一根光纤；

步骤5、将分布式光纤传感终端设备安装在风机的主控室里，将布置在杆塔内壁上的光纤与传感设备连接；

步骤6、分布式光纤传感设备对布设光纤的区域实现固有频率实时监测，并记录数据，比对历史信息，当某一个区域的固有频率高次谐波的功率变化符合材料结构疲劳或损伤的特点时，则判断该区域出现了结构疲劳或结构损伤。

进一步的，步骤6中，使用振动敏感型分布式光纤传感技术监测光纤上所有采样点的振动频率，这个振动频率即是采样点附近材料的固有频率，当某个区域的固有频率的高频部分在一段时间内，平均功率单向增加时，则判定为结构疲劳或结构损伤。

进一步的，所述耐潮湿耐高温材料为环氧树脂胶。

进一步的，通过粘贴玻璃钢纤维胶带将光纤固定在杆塔内壁上。

进一步的，步骤6的具体方法如下：设风力发电机整根杆塔是由4节杆塔连接而成，光纤布设在4节杆塔内壁上，连接光纤为整条光纤从光纤传感终端设备到第一个光纤环的部分，长度为Q，探测光纤为光纤中第一个光纤环到最后一个光纤环之间的部分，长度为L，将贴敷的探测光纤根据所属的杆塔内壁区域，分为等长的4个部分；终端设备的采样率为S(MS/s)，总长为Q+L的光纤上共计有采样点M个，M个采样点等间距分布，分别为A₁，A₂…A_M，其中：

M＝(Q+L)*S/100

只对分布在长度为L的探测光纤上的M-N个采样点，即A_N+1，A_N+2…A_M进行计算即可，其中：

N＝Q*S/100

振动敏感型分布式式光纤传感终端设备启动依次采集并解调，可以得到某个时刻各个采样点的振动的幅频图，平方后得到功率谱，对于这M-N个采样点，启动一次采集每个采样点都会获得其对应的功率谱，各个采样点大于50Hz的平均功率分别为W_N+1，W_N+2…W_N+M，该平均功率就是固有频率的高次谐波的平均功率，每天在不同时刻，总计进行N1次测量，对于第i个点A_i，通过N1次测量值求和取平均值后得到每天的平均功率值，通过连续N2天测量，如果N2天内该平均功率呈现单调性变化，则认为这个采样点附近出现了材料疲劳与损伤，该采样点所在的位置距离光纤传感终端的距离为L′：

L′＝i*100/S

整条长为Q+L的光纤中长为L的探测部分被分为等长的4个部分，如果L′≤1/4L+Q,那么损伤位置在第一个部分，如果1/4L+Q＜L′≤2/4L+Q,则在第二个部分，如果2/4L+Q＜L′≤3/4L+Q，则在第三个部分，如果3/4L+Q＜L′≤L+Q，则在第四个部分。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：

(1)传感器为无源的光纤，无需额外取电，监测系统整体功耗较小；光纤作为传感器抗电磁干扰性能优异，监测系统在恶劣的气候环境下可以正常工作不受影响；

(2)光纤在固定过程中，全程使用胶水与胶带，且光纤与胶水胶带的重量较小，对杆塔的工作不产生任何重量负担；

(3)分布式光纤传感终端设备放在风机的主控室中，可以直接对数据进行处理，实现杆塔内壁与叶片各部分的固有频率监测与损伤定位，维护人员可以根据这些信息快速找到损伤位置，并进行相应的维护，避免损伤加重。

附图说明

图1待监测区域的清洁范围示意图；

图2杆塔内壁的光纤布设横向示意图；

图3光纤弯曲部分的胶带固定方式示意图；

图4光纤直线部分的胶带固定方式示意图；

图5光纤涂覆环氧树脂胶示意图；

图6布置在杆塔内壁连接处的光纤环示意图；

图7涂覆环氧树脂胶示意图；

图8光纤在杆塔内壁上布设的总示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

本发明提出的一种基于振动敏感型光纤传感技术对风力发电机杆塔结构进行健康监测的方法，将对振动敏感的紧套光纤布置在风机杆塔的内壁上，并在连接处布置光纤环进行重点监测，步骤依次包含清洁、胶带固定、涂覆环氧树脂胶、粘贴玻璃钢纤维胶带，可实现光纤对振动的强耦合与长期贴敷监测区域不松动的效果；同时，将解调主机放置在风机的主控室中；利用振动敏感型分布式光纤传感的技术优势，监测各区域的固有频率，并将其与过去时刻做对比，当某一个区域的固有频率的高频部分，在一定时间内平均功率呈现单向性增加时，则认为该区域出现了结构疲劳或结构损伤。本方法具体包括以下步骤：

步骤一、如图1所示，在杆塔内壁的待监测区域上进行清洁，清洁范围为距离光纤2cm以内的全部区域,这样能保证后续胶带、环氧树脂胶的粘附性，使光纤在较长时间内紧密贴附待监测区域不脱落。

如图2所示，光纤呈S型布设，弯曲部分的直径为25cm，较大的曲率半径可以保证光纤在弯曲时不衰减，直线部分长度为50cm。在光纤布设的时候，为保证布设时光纤不松动，需要同时粘贴胶带，如图3所示，为弯曲部分的胶带固定方式，图4所示直线部分的胶带固定方式；

步骤二、如图5所示，在光纤上涂覆环氧树脂胶水，如图6所示，在树脂胶外侧贴敷玻璃钢纤维胶带，这样可以保证光纤与杆塔内壁紧密贴敷且长时间不松动；

步骤三、对于重点监测部位——杆塔内壁上的连接处，布置图7所示的光纤环，光纤环的直径为20cm，缠绕10圈。与步骤二相同，在光纤环上涂覆环氧树脂胶水与贴敷玻璃钢纤维胶带，胶水与胶带质量较轻，布置完成后不会对杆塔造成任何重量负担，光线环与整个杆塔上的光纤同属一根光纤；

步骤四、在风机的主控室中安装分布式光纤传感终端设备，从主控室中取电供给终端设备，将设备连接上光纤；

步骤五、如图8所示，连接光纤为整条光纤中从光纤传感终端设备到第一个光纤环的部分，本身不承担任何探测功能，长度为Q(米)，探测光纤为光纤中第一个光纤环到最后一个光纤环之间的部分，总长为L(米)，根据图8中光纤的布设特点，光纤是布设在4节杆塔内壁上，所以贴敷的光纤可以根据所属的杆塔内壁区域，分为等长的4个部分。终端设备的采样率为S(MS/s)，则总长为Q+L的光纤上共计有采样点M个，M个采样点等间距分布，分别为A₁，A₂…A_M，其中：

M＝(Q+L)*S/100

由于长度为Q的连接光纤这一部分不承担任何探测功能，所以不需要对在这一部分上的N个采样点进行分析计算，只对分布在长度为L的探测光纤上的M-N个采样点，即A_N+1，A_N+2…A_M进行计算即可，其中：

N＝Q*S/100

振动敏感型分布式式光纤传感终端设备启动依次采集并解调，可以得到某个时刻各个采样点的振动的幅频图，平方后得到功率谱，对于这M-N个采样点，启动一次采集每个采样点都会获得其对应的功率谱，各个采样点大于50Hz的平均功率分别为W_N+1，W_N+2…W_M，由于光纤与内壁紧密粘贴，这个平均功率就是固有频率的高次谐波的平均功率。

每天在不同时刻，总计进行十次测量，将所得到的结果进行相加后平均，对于第i个点Ai，这样第一天所测到的平均功率为W_i1，第二天为W_i2…第七天为W_i7，如果七天之内这个平均功率呈现单调性变化，则认为这个采样点附近出现了材料疲劳与损伤的隐患。这个采样点所在的位置距离光纤传感终端的距离为L′(米)：

L′＝i*100/S

如图8所示，由于整条长为L的光纤被分为等长的4个部分，如果L′≤1/4L+Q,那么损伤位置在图8中的第一个部分，如果1/4L+Q＜L′≤2/4L+Q,则在第二个部分，如果2/4L+Q＜L′≤3/4L+Q，则在第三个部分，如果3/4L+Q＜L′≤L+Q，则在第四个部分，通过这种办法可以辅助定位损伤位置以方便检修。

Claims (5)

1.一种基于振动敏感型光纤传感技术的杆塔结构损伤监测的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1、在杆塔内壁区域布置光纤，该光纤布设呈S型；

步骤2、在光纤上涂敷耐潮湿耐高温材料，并将光纤固定在杆塔内壁上；

步骤3、风力发电机整根杆塔是由多节杆塔连接而成，对于杆塔内壁上的连接处，将布设的光纤盘绕成环，贴敷在连接处上；

步骤4、将光纤环上涂敷耐潮湿耐高温材料，光纤环与整个杆塔内壁上的光纤同属一根光纤；

步骤5、将分布式光纤传感终端设备安装在风机的主控室里，将布置在杆塔内壁上的光纤与传感设备连接；

步骤6、分布式光纤传感设备对布设光纤的区域实现固有频率实时监测，并记录数据，比对历史信息，当某一个区域的固有频率高次谐波的功率变化符合材料结构疲劳或损伤的特点时，则判断该区域出现了结构疲劳或结构损伤。

2.根据权利要求1所述的一种基于振动敏感型光纤传感技术的风力发电机杆塔结构健康监测的方法，其特征在于，步骤6中，使用振动敏感型分布式光纤传感技术监测光纤上所有采样点的振动频率，这个振动频率即是采样点附近材料的固有频率，当某个区域的固有频率的高频部分在一段时间内，平均功率单向增加时，则判定为结构疲劳或结构损伤。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于振动敏感型光纤传感技术的风力发电机杆塔结构健康监测的方法，其特征在于，所述耐潮湿耐高温材料为环氧树脂胶。

4.根据权利要求1或2所述的种基于振动敏感型光纤传感技术的风力发电机杆塔结构健康监测的方法，其特征在于，通过粘贴玻璃钢纤维胶带将光纤固定在杆塔内壁上。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于振动敏感型光纤传感技术的风力发电机杆塔结构健康监测的方法，其特征在于，步骤6的具体方法如下：

设风力发电机整根杆塔是由4节杆塔连接而成，光纤布设在4节杆塔内壁上，连接光纤为整条光纤从光纤传感终端设备到第一个光纤环的部分，长度为Q，探测光纤为光纤中第一个光纤环到最后一个光纤环之间的部分，长度为L，将贴敷的探测光纤根据所属的杆塔内壁区域，分为等长的4个部分；终端设备的采样率为S(MS/s)，总长为Q+L的光纤上共计有采样点M个，M个采样点等间距分布，分别为A₁，A₂…A_M，其中：

M＝(Q+L)*S/100

只对分布在长度为L的探测光纤上的M-N个采样点，即A_N+1，A_N+2…A_M进行计算即可，其中：

N＝Q*S/100

振动敏感型分布式式光纤传感终端设备启动依次采集并解调，可以得到某个时刻各个采样点的振动的幅频图，平方后得到功率谱，对于这M-N个采样点，启动一次采集每个采样点都会获得其对应的功率谱，各个采样点大于50Hz的平均功率分别为W_N+1，W_N+2…W_N+M，该平均功率就是固有频率的高次谐波的平均功率，每天在不同时刻，总计进行N1次测量，对于第i个点A_i，通过N1次测量值求和取平均值后得到每天的平均功率值，通过连续N2天测量，如果N2天内该平均功率呈现单调性变化，则认为这个采样点附近出现了材料疲劳与损伤，该采样点所在的位置距离光纤传感终端的距离为L′：

L′＝i*100/S

整条长为Q+L的光纤中长为L的探测部分被分为等长的4个部分，如果L′≤1/4L+Q，那么损伤位置在第一个部分，如果1/4L+Q＜L′≤2/4L+Q，则在第二个部分，如果2/4L+Q＜L′≤3/4L+Q，则在第三个部分，如果3/4L+Q＜L′≤L+Q，则在第四个部分。

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