DK178343B1 - System og fremgangsmåde til integreret måling under anvendelse af optiske sensorer - Google Patents

Description

Opfindelsen angår generelt målesystemer og nærmere bestemt integrerede målesystemer, der anvender optiske sensorer,

Mange systemer udsættes for påvirkninger, såsom belastning ogvarme, der kan være skadelige for et systems strukturelle integritet.Derudover udsættes systemer såsom vindmøller for lynnedslag, somkan være skadelige for vindmøllevingestrukturen. Især vindmøller ersædvanligvis under høj risiko for lynnedslag, da de fortrinsvist er place¬ret på højtliggende og vindblæste steder for at opnå høj produktivitet.For vindmøiievingeovervågning er de mekaniske belastninger lige såvigtige som lokaliseringen og klassificeringen af lynnedslag. Sådannesystemer fordrer på fordelagtig vis overvågning af strøm og magnetfeltsammen med belastning og temperatur.

Der anvendes for tiden individuelle målesystemer ti! at overvågeforskellige parametre, når forskellige parametre skal overvåges. Indivi¬duel overvågning medfører separate interrogations-, detektions- og da¬taopsamlingssystemer, hvilket kan give anledning til yderligere omkost¬ninger og rumlige begrænsninger for mange systemer.

Der er derfor et behov for målesystemer og fremgangsmåder tilmåling af flere parametre uden de ovennævnte ulemper.

Én udførelsesform af den foreliggende opfindelse er et integreretmålesystem til måling af flere parametre. Det integrerede system om¬fatter en Bragg-gitter-fibersensor (FBG-sensor), som er konfigureret tilat modulere en bølgelængde af et FBG-indgangssignal for at tilvejebrin¬ge et FBG-udgangssignal svarende til en FBG-parameter; et Faraday-rotator-fibersensormodul (FFR-sensormodul), som er konfigureret til atdreje en polarisation og modulere en styrke af et FFR-indgangssignai forat tilvejebringe et FFR-udgangssignal svarende til en FFR-parameter,hvor FBG-sensoren og FFR-sensormodulet er koblet for at tilvejebringeet integreret systemudgangssignal; og et detektionssystem, som erkonfigureret til at modtage det integrerede systemudgangssignal og tilat anvende det integrerede systemudgangssigna! til at opnå værdier,der er knyttet til mindst én FBG- eller FFR-parameter.

En anden udførelsesform af den foreliggende opfindelse er et sy¬stem omfattende et substrat og et integreret målesystem. Det Integre¬ rede målesystem omfatter mindst ét integreret sensormodul, der eroperativt koblet til substratet, for at måle flere parametre, hvor sensor¬modulet omfatter mindst én FBG-sensor og mindst ét FFR-sensormodul, hvor de flere parametre omfatter mindst én FBG-parameter, der regi¬streres af den mindst ene FBG-sensor, og mindst én parameter, der re¬gistreres af FFR-sensormodulet, og hvor det integrerede målesystemgenererer et integreret systemudgangssignal svarende til både mindstden ene FBG-parameter og den mindst ene FFR-parameter.

En anden udførelsesform af den foreliggende opfindelse er etvindmøllesystem, Vindmøllesystemet indbefatter en vindmølle, der om¬fatter én eller flere møllevinger, og et integreret målesystem, som om¬fatter ét eller flere integrerede sensormoduler, der er operativt koblet ti!den ene eller de flere møllevinger for at måle flere parametre, hvor detintegrerede sensormodul omfatter mindst én FBG-sensor og mindst étFFR-sensormodul, hvor de flere parametre omfatter mindst én FBG-parameter, der registreres af den mindst ene FBG-sensor, og mindst énFFR-parameter, der registreres af FFR-sensormodulet, og hvor det inte¬grerede målesystem genererer et integreret systemudgangssignal sva¬rende til mindst den ene FBG-parameter og den mindst ene FFR-parameter.

Endnu en anden udførelsesform af den foreliggende opfindelse eren fremgangsmåde til integreret måling af flere parametre. Frem¬gangsmåden omfatter interrogering af mindst ét integreret sensormoduiunder anvendelse af et interrogationssignai, hvor det integrerede sen¬sormodul omfatter mindst én FBG-sensor til at registrere mindst énFBG-parameter og mindst ét FFR-sensormodui til at registrere mindst énFFR-parameter, hvor FBG-sensoren interrogeres under anvendelse af etFBG-indgangssignai, og FFR-sensormodulet interrogeres under anven¬delse af et FFR-indgangssignal; generering af et integreret system ud¬gangssignal, der er knyttet til både FBG-parameteren og FFR-para-meteren; detektering af det integrerede systemudgangssignai for at ge¬nerere FBG-para meterdata og FFR-parameterdata; og bestemmelse afen værdi af FBG-parameteren og FFR-parameteren.

Disse og andre træk, aspekter og fordele ved den foreliggendeopfindelse vil forstås bedre efter læsning af den følgende detaljeredebeskrivelse under henvisning til den medfølgende tegning, hvor enshenvisningstai repræsenterer ens dele overalt på tegningen, og hvor: fig. 1 er en skematisk gengivelse af et integreret målesystem i énudførelsesform af den foreliggende opfindelse, fig. 2 er en skematisk gengivelse af et integreret målesystem i enanden udføreisesform af den foreliggende opfindelse, fig. 3 er en skematisk gengivelse af et integreret målesystem i enanden udførelsesform af den foreliggende opfindelse, fig, 4 er en skematisk gengivelse af et integreret målesystem i enanden udførelsesform af den foreliggende opfindelse, fig. 5 er en skematisk gengivelse af et integreret målesystem i enanden udførelsesform af den foreliggende opfindelse, fig. 6 er en skematisk gengivelse af et integreret målesystem i enanden udførelsesform af den foreliggende opfindelse, fig. 7 er en skematisk gengivelse af et integreret målesystem i enanden udførelsesform af den foreliggende opfindelse, fig. 8 er en skematisk gengivelse af et system omfattende et in¬tegreret målesystem i én udførelsesform af den foreliggende opfindelse,og fig. 9 er en skematisk gengivelse af et vindmøliesystem omfat¬tende et integreret målesystem i én udførelsesform af den foreliggendeopfindelse.

Udføreisesformer af den foreliggende opfindelse omfatter syste¬mer og fremgangsmåder til integreret måling af flere parametre underanvendelse af en koblet Bragg-gitter-fibersensor (FBG-sensor) (hvilket

betyder mindst én FBG-sensor) og et Faraday -rotator-fibersensormoduI

(FFR-sensormodul) (hvilket betyder mindst ét FFR-sensormodul).

I den følgende beskrivelse og de efterfølgende krav henvises dertil en række udtryk, der er defineret som havende de følgende betyd¬ninger. Entalsformerne "en", "et", "den" og "det" omfatter flertalsformermedmindre konteksten tydeligt dikterer noget andet.

Som anvendt heri henviser udtrykket "integreret måling af flereparametre" til en konfiguration, hvor et integreret systemudgangssignal,som har indkodet parameterinformaLion, der registreres af både enFBG-sensor og et FFR-sensormodul, genereres, detekteres og analyse¬res for at bestemme mindst én FBG- eller FFR-parameter, I én udførel¬sesform genereres, detekteres og analyseres det integrerede systemud¬gangssignal, som har indkodet parameterinformation, der registreres afbåde en FBG-sensor og et FFR-sensormodul, for at bestemme både enFBG-parameter og en FFR-parameter. Udtrykket "integreret systemud-gangssigna!" henviser til et signal, der har indkodet både parameter-værdierne registreret af en FBG-sensor og et FFR-sensormodul hver forsig.

En Bragg-gitter-fiber (FBG) dannes sædvanligvis ved periodiskmodulation af brydningsindekset af en optisk fibers kerne. En FBG eryderst reflekterende for lys med bølgelængder inden for en smal bånd¬bredde, som er centreret ved en bølgelængde, der omtales som Bragg-bølgelængden (λΒ), medens andre bølgelængder siippes igennem udenrefleksion. Bragg-bøigeiængden er afhængig af fysiske parametre, så¬som belastning og temperatur, der indvirker på brydningsindekset, hvil¬ket følgelig fører til en ændring i gitterperioden. I én udførelsesform kanen FBG-sensor bestå af flere følsomme gittereiementer, som kan værefordelt over fiberen.

Faraday-rotator-fiberen (FFR) fungerer efter princippet af Fara-day-effekten, hvor et polarisationsplan for et lineært polariseret lys,som udbreder sig i et materiale, der udviser magneto-optisk effekt, un¬dergår en drejning gennem en vinke! under påvirkning af et eksterntmagnetfelt. Drejningsvinklen er proportional med en komposant afmagnetfeltet, som er parallel med udbredelsesretningen for lyset.

Et induceret magnetfelt kan måles direkte ud fra drejningen afpolarisationsplanet for et FFR-indgangssignal, også omtalt som Faraday-rotation, og er givet ved ligning 1: ®{Aj) = V{XJ)^Hdl (1) hvor Θ betegner vinklen af Faraday-rotation, λ betegner lysbølgelæng-den, 7' er temperaturen, V er Verdet-konstanten for den fiberoptiskekrystal, og H er magnetfeltsstyrken langs en udbredelsesvej 1. Udtrykket"Verdet-konstant" for et materiale omtalt heri er defineret som en optiskkonstant, der er et mål for styrke af Faraday-effekten for et pågældendemateriale. Følsomheden af målinger stiger med stigning i Verdet-kon¬stanten.

Hvis der anvendes en fiberspole til at registrere et magnetfeltskabt af en leder, som spolen er viklet om, så gives Faraday-rota-tionsvinklen ved ligning 2: Θ - VNI (2) hvor Ver Verdet-konstanten, N er antallet af vindinger i den fiberoptiskespole, og i er strømmen i lederen, Én udføreisesform af den foreliggende opfindelse er et integreretmålesystem til måling af en FBG-parameter (hvilket betyder mindst énFBG-parameter), der registreres af FBG-sensoren, og en FFR-parameter(hvilket betyder mindst én FFR-parameter), der registreres af FFR-sen-sormoduiet. FFR-sensormodulet omfatter en FFR og en polarisator. FBG-bølgelængden modulerer et FBG-indgangssignal baseret på den regi¬strerede FBG-parameter, og FFR-sensormodulet drejer polarisationenunder anvendelse af FFR'en og styrke modulerer under anvendelse afpoiarisatoren et FFR-indgangssignal baseret på den registrerede FFR-parameter.

I én udføreisesform anvendes et moduleret signal genereret afden ene af FBG-sensoren eiier FFR-sensormodulet til at interrogere denanden. I ét eksempel danner et interrogationssignal, som er genereretaf en lyskilde, FBG-indgangssignaiet, og i det mindste en del af FBG-ud-gangssignalet danner FFR-indgangssignalet. FFR-udgangssignalet dan¬ner så det integrerede systemudgangssignal. Omvendt kan et interroga¬tionssignal, som er genereret af en lyskilde, i et alternativt eksempeldanne FFR-indgangssignalet, hvor i det mindste en del af FBG-udgangs-signalet danner FFR-indgangssignalet. FFR-udgangssignalet kan så dan¬ne det integrerede systemudgangssignal.

Ikke-begrænsende eksempler på en FBG-parameter omfattertemperatur og belastning, I én udførelsesform er FBG-sensoren koblettil eller i kontakt med et substrat eller en de! af et system, såsom envinge af et vindmøiiesystem, hvis temperatur eller belastning skal må¬les.

Ikke-begrænsende eksempler på en FFR-parameter omfatterstrøm og magnetfelt. Medens magnetfelt kan måles direkte ved at an¬bringe FFR-sensormoduiet i magnetfeltet, måles strøm indirekte ved atanbringe den strømførende leder, der genererer et magnetfelt, tilstø¬dende til FFR-sensormoduiet. En strømførende leder udvikler et magnet¬felt omkring sig, som registreres af FFR-sensormoduiet. I ét eksempelomfatter FFR'en en fiberoptisk krystal eller en optisk fiberspole. I et ik¬ke-begrænsende eksempel kan krystallen omfatte et optisk transparentferromagnetisk krystallinsk materiale med en høj Verdet-konstant, så¬som yttrium-jern-granat og gadolinium-jern-granat. I en fiberoptiskspole-konfiguration er en optisk fiberspole viklet omkring en strømfø¬rende leder for at registrere magnetfeltet forårsaget af strømmen i lede¬ren. Drejningen af polarisationsplanet er proportional med Verdet-konstanten, antallet af vindinger i den optiske fiberspoie og strømmengennem lederen som vist i ligning 2. For at opnå et ønsket signal¬støjforhold i et udgangssignal kan der være behov for en række vindin¬ger i spolen. I én udførelsesform anvendes FFR'en til at detektere ogmile en strøm, der skyldes et lynnedslag på et system, hvilken strømledes til målesystemet under anvendelse af en. leder, FFR'en placeres idet magnetfelt, der genereres af den strøm, som løber i lederen.

I én udførelsesform er FFR-parameteren en lynparameter, somikke blot omfatter en strøm, der genereres af et lynnedslag, men ogsåomfatter en positionsmåling af et lynnedslag. I én udførelsesform kander anvendes flere FFR-modufer, der er anbragt med afstand til hinan¬den på et substrat, som udsættes for et lynnedslag, for at stedbestem-me positionen af lynnedsiagef.

I én udførelsesform omfatter målesystemet endvidere et interro-gationsmodul indbefattende én eller flere lyskilder. I én udførelsesformer lyskilden multifrekvent. Som anvendt heri henviser udtrykket "rrsuifcl· frekvent lyskilde" til en kilde, der udsender lys ved flere bølgelængder, såsom, men ikke begrænset til, en optisk bredbåndskilde, en Fabry-Perot-laser, en laser med ekstern kavitet eller en optisk indretning om¬fattende flere lyskilder, som udsender ved flere bølgelængder.

I en yderligere udførelsesform omfatter målesystemet et spek-trometer eller en spektralanalysator til at uddrage bølgeiængdemoduia-tionsinformationen fra i det mindste en del af det integrerede system -udgangssignai.

I én udførelsesform anvendes en polariseringsanalysator, som eren polarisator, til at omdanne det polarisationsdrejede signal, der kom¬mer ud af FFR'en, til et styrkemoduleret signal, Polariseringsanalysato¬ren har en fast polarisationsvinkel i forhold til poiarisationsplanet af detinterrogationssignal, der kobles ind i FFR'en. Når poiarisationsplanet afdet polarisationsdrejede signal, som kommer ud af FFR'en, ændrer sigafhængigt af værdien af det registrerede magnetfelt, ændrer kompo-santstørrelsen af det polarisationsdrejede signal langs polarisationsvink-len af polariseringsanalysatoren sig, hvorved indkodningen omsættes fraen poiarisationsdrejningsvinkel til en styrkemodulation.

I én udførelsesform anvendes en styrkedetektor, såsom en foto-diode, til at måle styrken af i det mindste en del af det integrerede sy¬stemudgangssignal.

I én udførelsesform omfatter målesystemet en databehandlings-og styreenhed til behandling af den information, som genereres af spek-trometeret og/eiler detektoren, for at bestemme værdier af den regi¬strerede FFR-para meter. I en yderligere udførelsesform anvendes data¬behandlings- og styreenheden også til at styre lyskilden og spektrome-teret og detektoren.

Fig. 1 illustrerer et målesystem 10 i én udførelsesform af den fo¬religgende opfindelse. Systemet 10 omfatter en lyskilde 12, hvis lyskobles ind i en FBG-sensor 14, der omfatter en Bragg-gifter-fiber elleret Bragg-gitter-fiberarray, Lyset fra lyskilden 12 (FBG-indgangssignalet idenne udførelsesform) anvendes til at interrogere FBG-sensoren 14. I éteksempel er lyskilden en bredbåndslyskilde. I udførelsesformen vist i fig.1 opnås det bøigelængdemodulerede signal fra FBG-sensoren i den transmissive tiistand. Bøigelængdemodulationen indikerer en registreretFBG-parameter, såsom temperatur eiier deformationsbelastning, sommodificerer Bragg-bølgelængden af FBG'en.

Lyset fra kilden 12 depolariseres eventuelt under anvendelse afen depolarisator 16, inden lyset kobles ind i FBG-sensoren 14. Typiskafhænger spektralresponsen af en FBG og styrkeresponsen af FFR'en afpolarisationen af det indfaldende lys. Hvis det indfaldende lys er megetpolariseret, kan denne polarisationsafhængighed medføre fejl i beggeresponser. I mange systemer, som anvender singlemode-fibre (SMF), erpolarisationen af det indfaldende lys varierende og ukendt og fører tiluforudsigeligt varierende forskydninger i bølgelængden af spektral· ogstyrkeresponserne, En depolarisator kan anvendes til at dæmpe denneeffekt.

Et bølgelængdemoduleret signal (WM-signal) kommer ud af FBG-sensoren 14 og falder ind på en første polarisator 18, inden det koblesind i FFR-sensormodulet 19. Den første polarisator 18 polariserer detbølgelængdemodulerede signal (WM-signal) lineært for at tilvejebringeet FFR-indgangssignal. FFR-sensormodulet 19 omfatter en FFR 20 og enpoiariseringsanalysator 22. Afhængigt af den magnetfeltkomposant, derregistreres Sangs udbredelsesretningen af lys, drejes planet af det line¬ært polariserede bølgelængdemodulerede signal. Det polarisationsdreje¬de signal (PR-signal) falder desuden ind på polariseringsanalysatoren,som omsætter drejningsvinkelinformationen til variation i styrke for attilvejebringe et styrkemoduleret bølgelængdemoduleret signal (IMWM-signal), der danner det integrerede systemudgangssignal. Polariserings-analysatoren 22 har en fast polarisationsvinkel i forhold til den førstepolarisator 18. Dette integrerede systemudgangssignal føres langs enfiber 24 til et detektionssystem 25. I udførelsesformer ifølge den forelig¬gende opfindelse kan et detektionssystem omfatte ét eller flere spek-trometre eller én eller flere styrkedetektorer eller begge dele. I den illu¬strerede udførelsesform vist i fig.l kobles det integrerede systemud¬gangssignal delvist ind i et spektrometer 26 og delvist ind i en styrkede¬tektor 28. Spektrometeret karakteriserer bølgelængdeforskydnin-gen/ændringen på grund af FBG-parameteren, og styrkedetektoren ka¬ rakteriserer styrkeændringen på grund af FFR-parameteren. I denne ud¬førelsesform anvendes det integrerede systemudgangssignal til at be¬stemme både FBG-parameteren og FFR-parameteren. I én udførelses¬form reducerer anvendelsen af optiske fibre til at transmittere signaler¬ne mellem sensorer og anvendelsen af fibersensorer effekten af elek¬tromagnetisk interferens (EMI) på målingen.

I én udførelsesform er en interrogations- eller samplinghastighedaf sensorerne større end ca. 500 kHz, I en yderligere udførelsesform eren interrogations- eller samplinghastighed af sensorerne større end ca.1 MHz, I en yderligere udførelsesform er en interrogations- ellersamplinghastighed af sensorerne større end ca. 2 MHz.

I fig, 2 er der vist en alternativ udførelsesform til den i fig. 1 illu¬strerede udførelsesform. Selvom den har en opbygning, som ligner ud¬førelsesformen i fig. 1, omfatter denne udførelsesform også detektion afFBG-udgangssignalet i den reflektive tilstand. Systemet 11 omfatter enlyskilde 12, hvis lys kobles ind i en FBG-sensor 14, der omfatter enBragg-gitter-fiber eller et Bragg-gitter-fiberarray. Lyset fra lyskilden 12(FBG-indgangssignal i denne udførelsesform) anvendes ti! at interrogereFBG-sensoren 14. I denne udførelsesform anvendes både det bølge¬længdemodulerede reflekterede FBG-udgangssignal og det bølgelæng¬demodulerede transmitterede FBG-udgangssignal.

Medens det reflekterede FBG-signal detekteres af et spektrome-ter 15, falder det transmitterede FBG-udgangssignal ind på en depoiari-sator 17. En fordel ved denne udføreisesform er, at det reflekteredeFBG-signal, som sendes ti i spektrometeret uden at passere gennemFFR-sensoren, og føigelig uden at FFR'en påvirker styrken af FBG-signalet, kan anvendes ti i at bestemme en FBG-parameter. Det depola-riserede lys, der kommer ud af depolarisatoren 17, falder ind på denførste polarisator 18, som lineært polariserer det bølgelængdemodule¬rede signal (WM-signal) for at tilvejebringe et FFR-indgangssigna). FFR-sensormodulet 19 omfatter en FFR 20 og en polariseringsanalysator 22.FFR-parameteren indkodes som en styrkevariation/moduiation i ud¬gangssignalet fra FFR'en. Dette udgangssignal føres langs fiber 24, førdet detekteres af en styrkedetektor 28. I denne udføreisesform anven¬ des det integrerede systemudgangssigna! til at bestemme FFR-para-meteren, medens det reflekterede FBG-udgangssignal anvendes til atbestemme FBG-parameteren.

Fig. 3 illustrerer et målesystem 30 i én udførelsesform af den fo¬religgende opfindelse. Systemet 30 omfatter en lyskilde 32, hvis lys (in-terrogationssignal) kobles ind i en poiarisator 34 for at polarisere lysetlineært, inden det falder ind på et FFR-sensormodul 35 som FFR-indgangssignalet. FFR'en 36 drejer polarisationsplanet af FFR-indgangs-signalet svarende tii en registreret FFR-parameter for at tilvejebringe etpoiarisationsdrejet signal, der omdannes til et styrkemoduleret signal(IM-signa!) af poiarisator 38. IM-signalet falder ind på en FBG-sensor 40som FBG-indgangssignaiet. I modsætning til den i fig. i illustrerede ud¬førelsesform anvendes der i denne udførelsesform typisk ikke en depoia-risator inden FBG-sensoren 40. FBG-sensoren 40 bølgelængdemodulererdet indfaldende IM-signal svarende til en registreret FBG-parameter forat tilvejebringe et IMWM-signal (integreret systemudgangssignal), somføres langs en fiber 42, før det delvist kobles ind i et spektrometer 44 ogdelvist ind i en styrkedetektor 46.

Fig. 4 illustrerer et målesystem 48 i endnu en anden udførelses¬form af den foreliggende opfindelse. I denne udføreisesform anvendesFBG-sensoren i en reflektiv tilstand. Systemet 48 omfatter en bred¬båndslyskilde 50, Et interrogationssignal fra lyskilden kobles ind i en de-poiarisator 52 for at depolarisere lyset, inden det kobles ind i en kobler54. Kobleren deler det indfaldende depolariserede lys, og kobler det del¬vist gennem en fiber ind i en FBG-sensor 56 og delvist gennem en an¬den fiber, så det reflekteres af et spejl 58. FBG-sensoren 56 reflektereret bølgelængdemoduleret signal svarende til en registreret FBG-para¬meter, som er centreret omkring Bragg-bølgelængden, tilbage langs fi¬ber 57 mod kobleren 54, hvilket signal superponeres på det reflekteredesignal fra spejlet ved kobleren og kobles ud af kobleren og transmitterestil en første poiarisator 60, som polariserer signalet, der derefter falderind på FFR-sensormodulet 61. FFR-sensormodulet 61 omfatter en FFR62, som drejer polarisationsplanet af det indfaldende signal svarende tilet registreret magnetfelt, og omfatter endvidere en anden poiarisator 64, der styrkemodulerer signalet for at tilvejebringe et IMWM-signal, derføres igennem til spektrometeret 66 og detektoren 68 som det integre¬rede systemudgangssignal.

Alternativt kan der i stedet for spejlet 58 anvendes en absorber59. I denne konfiguration kobles kun WM-signaiet fra FBG-sensoren 56ind i FFR-sensormodulet 60.

Fig. 5 illustrerer et målesystem 70 i én udførelsesform af den fo¬religgende opfindelse. I denne udføreisesform anvendes FBG-sensoren iden reflektive tilstand. Systemet 70 omfatter en bredbåndslyskilde 72,som udsender et interrogationssignai, der kobles ind i en første polarisa-tor 74 for at poiarisere interrogationssignaiet lineært, inden det falderind på FFR-sensormodulet 75, som omfatter en FFR 76 og en anden po-farisator 78. Et polarisationsdrejet signal (PR-signal) kommer ud afFFR'en og falder ind på en anden polarisator 78. Det indfaldende PR-signa! kommer ud som et styrke moduleret signal (IM-signa!) fra denanden polarisator 78 og sonderer til sidst en FBG-sensor 82 gennem enkobler 80. IMWM-signalet reflekteret af FBG-sensoren 82 er karakteri¬stisk for både det af FFR-sensormodulet 76 registrerede magnetfelt ogden af FBG-sensoren 82 registrerede parameter, En del af IM~signaletkobles også mod et spejl 84, som reflekterer det tilbage mod kobleren80, og superponeres på IMWM-signalet ved kobleren 80 for at danne etintegreret systemudgangssignal, der sendes ti! spektrometeret 86 ogstyrkedetektoren 88.

Alternativt kan der i stedet for spejlet 84 anvendes en absorber85. I denne konfiguration sendes kun det reflekterede signal fra FBG-sensoren 82 til spektrometeret 86 og detektoren 88.

I den i fig. 6 viste illustrerede udføreisesform omfatter et interro-gationsmodul 91 mindst to lyskilder med forskellige centerbølgelængderλι og λ2. Målesystemet 90 omfatter en første lyskilde 92 og en andeniyskiide 94. Det fra begge lyskilder 92 og 94 udsendte lys kombineresfor at danne interrogationssignaiet. Interrogationssignaiet kobles til enførste polarisator 96 for at polarisere interrogationssignaiet lineært, in¬den det falder ind på et FFR-sensormodul 97, som omfatter en FFR 98og en anden polarisator 100. Et polarisationsdrejet signal (PR-signal) svarende til et registreret magnetfelt kommer ud af FFR-sensoren 98 ogfalder ind på den anden polarisator 100. Komposanten af PR~signaletlangs polarisationsvinklen af den anden polarisator 100 kommer ud somet IM~signal {ved begge bølgelængder) og kobles ind i en FBG-sensor102. IM-signaiet bølgelængdemoduleres af FBG-sensoren 102 svarendetil en registreret parameter, såsom temperatur eller belastning, sommodificerer Bragg-bølgelængden af FBG-sensoren 102, for at tilveje¬bringe et integreret systemudgangsslgnai, der til sidst detekteres af etspektrometer 104.

Spektrometeret kan anvendes til at bestemme parametrene regi¬streret af både FBG- og FFR-sensormoduierne. Spektrometeret milerbåde bølgeiængdeforskydmngerne og styrken ved de to bølgelængder aflyskilderne 92 og 94. Bølgeiængdeforskydningerne anvendes til at be¬stemme værdien af den parameter, der registreres af FBG-sensoren, ogstyrkerne anvendes tit at bestemme værdien af den parameter, der re¬gistreres af FFR-sensormodulet. Anvendelse af lyssignaler ved forskelli¬ge bølgelængder muliggør måling eiier bestemmelse af temperatureffek¬ten på Faraday-rotationen af sensoren 98 og som følge deraf tempera¬turen inden i Faraday-materialet i Faraday-sensoren. I nogle udførelses¬former er det nødvendigt med singlemode-fibre med lave tab over detanvendte område af bølgelængder for effektivt at transmittere signaler¬ne fra de to lyskilder. I ét eksempel er λ* ved ca. 1330 nm, og λ2 er vedca, 1500 nm.

Fig. 7 illustrerer en anden udførelsesform, hvor der anvendesmindst to lyskilder med forskellige centerbølgelængder λι og λ2, Målesy¬stemet 106 omfatter iyskilde-1 108 og lyskilde-2 110. Det fra begge lys¬kilder 108 og 110 udsendte lys kombineres for at danne interrogations-signalet. I denne udførelsesform anvendes der til den endelige detektionog analyse af parametrene kun den del af det integrerede systemud¬gangssignal, som er centreret ved λι, til bestemmelse af den parameter,der registreres af FFR-sensormodulet, og kun den del af det integreredesystemudgangssignal, der er centreret ved λ2, til at interrogere FBG-sensoren. Interrogafionssignafet kobles til en første polarisator 112 forat polarisere interrogationssignalet lineært, inden det falder ind på et FFR-sertsormodu! 113, som omfatter en FFR 114 og en anden polarrsa-tor 116. Et polarisationsdrejet signal (PR-signal) svarende til et registre¬ret magnetfelt kommer ud af FFR'en 114 og falder ind pi den anden po~larisator 116. Komposanten af PR-signalet langs polarisationsvinklen afden anden polarisator 116 kommer ud som et styrkemoduleret signal(IM-signai) (ved begge bølgelængder) og gennem en kobler 118 og kob¬les delvist ind i en FBG-sensor 120. Der kan eventuelt installeres en de-polarisator mellem den anden polarisator 116 og kobleren 118. Kun dendel af IM-signalet, der er centreret ved ca. λ2, moduieres og reflekteresaf FBG-sensoren 120 svarende til en registreret parameter, såsom tem¬peratur eller belastning, som modificerer Bragg-bølgelængden af senso¬ren 120. En anden del af IM-signalet reflekteres også bort fra et spejl124 efter filtrering af signalet, der er centreret ved ca. λ2, gennem et fil¬ter 122. Det vil sige, at komposanten af signalet ved λ2 frafiltreres, in¬den det falder ind på spejlet 124. Det reflekterede signal fra FBG-sensoren 120 (som er karakteristisk for den parameter, der måles afFBG'en) og det reflekterede signal fra spejlet 124 (som er karakteristiskfor den FFR-registrerede parameter) kombineres ved kobleren 118 in¬den transmission til et detektionssystem 126 gennem fiber 125 og de¬tektering af detektionssystemet 126. Detektionssystemet 126 omfatteren bøigelængdedelingsmultiplekser 127 til at adskille de to bølgelæng¬der, og detektorer 128 og 129 til separat at detektere signaler centreretved cirka de to bølgelængder. I én udførelsesform er detektionen hard¬ware-baseret uden nogen anvendelse af software-detektionssystemer.

Fig. 8 illustrerer et system 130, som omfatter et målesystem tilmåling af flere parametre, i én udførelsesform af den foreliggende op¬findelse. Målesystemet omfatter et interrogations- og analysemodul132, der omfatter mindst én lyskilde 134, en detektor 136 og en data¬behandlings- og styreenhed 138. Lyset fra lyskilden transmitteres gen¬nem fibrene 140, 142, 144, 146 til Integrerede sensormoduler 150, 152og 154, som er operativt koblet til et substrat eller en systemdel 148 forat måle de flere parametre. De integrerede sensormoduler kan væreanbragt på eller nær ved eller indlejret i substratet 148 af systemet, så¬som en vinge af et vindmøllesystem. I den illustrerede udføreisesform anvendes de flere Integrerede sensormoduler 150, 152 og 154 til at må¬le parametre, der har interesse ved forskellige punkter i systemet. 1 énudførelsesform omfatter hvert af de integrerede sensormoduler mindstén FBG-sensor og mindst ét FFR-sensormodul. Ved interrogatlon via etinterrogationssignal genererer sensormodulerne integrerede systemud¬gangssignaler, som indkoder parameterinformation fra både FBG-sensoren og FFR-sensormodulet, der transmitteres til en detektor 136via fibrene 156, 158 og 160. I én udførelsesform omfatter detektorenén eller flere styrkedetektorer og/eiier spektralanalysatorer. I ét eksem¬pel er styrkedetektorerne optisk til elektrisk-konvertere (O/E-konver-tere). Alternativt kan der også anvendes lyskilde- og detektionsudførel-sesformer, såsom dem beskrevet ovenfor i forbindelse med fig, 1-7.

En anden udføreisesform af den foreliggende opfindelse er etvindmøllesystem. Vindmøllesystemet indbefatter en vindmølle, der om¬fatter én eller flere møllevinger, og et Integreret målesystem, som om¬fatter ét eller flere integrerede sensormoduier, der er operativt kobiet ti!den ene eller de flere møllevinger for at måle flere parametre, hvor detintegrerede sensormodul omfatter mindst én FBG-sensor og mindst étFFR-sensormodul, hvor de flere parametre omfatter mindst én FBG-parameter, der registreres af den mindst ene FBG-sensor, og mindst énFFR-parameter, der registreres af FFR-sensormodulet, og hvor det inte¬grerede målesystem genererer et integreret systemudgangssignal sva¬rende til mindst den ene FBG-parameter og den mindst ene FFR-para meter. I én udførelsesform omfatter det integrerede målesystemflere integrerede sensormoduler.

Til vindmøilevingeovervågning er det nyttigt at opnå informationom de mekaniske belastninger. Ved anvendelse af et integreret målesy¬stem kan information om mekanisk belastning, der opleves af vindmøl¬levingen, og magnetfeltet, som genereres af en strøm i en leder, dergenereres på grund af et lynnedslag, let opnås. Derudover kan tempe¬raturen, om ønsket, overvåges, og der kan kompenseres for effekten aftemperatur på magnetfeltssensoren. Verdet-konstanten er temperatur¬afhængig. Ændringen i Verdet-konstanten kan estimeres ved at måleresponsen af FFR'en, når temperaturen varieres. Sådanne teknikker til at måle effekten af temperaturen på en FFR-sensor er beskrevet i man¬ge referencer, såsom "Leung et a!., IEE international conference on ad-vances in power system controi, operation and management, november1991, s. 637-643", Systemet giver den yderligere fordel, at antallet affibre og hardware-instrumentering reduceres.

Fig, 9 er en skematisk iliustration af et vindmøllesystem 162 om¬fattende et integreret målesystem ifølge én udførelsesform af den fore¬liggende opfindelse. Det integrerede målesystem anvendes ti! at mileparametre, herunder belastnings- og lynparametre. Det antages sæd¬vanligvis, at risikoen for lynnedslag på et objekt stiger med kvadratet påobjektets højde. I tilfælde af vindmøller, hvor højden typisk er ca.110 m, er der involveret en højere risiko for lynnedslag. Vindmøiiesy-stemet 162 som vist i fig. 8 omfatter en række integrerede sensormo¬duler 164, hvilke er anbragt på hver vindmølievinge 166. De integreredesensormoduler 164 er anbragt i en vis afstand fra hinanden for at målenedslagspunkter på vingen 166. Når et iyn 168 rammer vingen 166,passerer der en lynstrøm gennem en leder 170 i vingen 166, somtransmitterer lyninduceret strøm til de integrerede sensormodufer 164. Iét eksempel kan lederen 170 være en aluminiumtråd. I én udførelses¬form er et interrogationsmodul 172, som omfatter mindst én lyskilde,anbragt i en elektromagnetisk isoleret Inddækning i midten 174 af vind¬møllesystemet 162, hvilket modul generereret interrogationssignal til atinterrogere de integrerede sensormodufer 164.

De integrerede sensormoduler 164 er anbragt i en optima! af¬stand fra hinanden for at opnå en ønsket opløsning ti! bestemmelse afnedslagspunktet på vindmøllevingen 166. I et udførelseseksempe! kande integrerede sensormoduler 164 være anbragt omkring 10 meter frahinanden.

Det integrerede systemudgangssignai, der genereres af de inte¬grerede sensormoduler, kan yderligere behandles af en databehand¬lingsenhed (ikke vist) for ikke blot at bestemme lynparametrene, menogså belastningen og/eller temperaturen ved et punkt for måling i vin¬gen.

Det integrerede målesystem er især fordelagtigt i udføreisesfor-mer, hvor der fordres EMI-stabilitet, og der anvendes måiinger af be-iastning/temperatur og strøm/magnetfeit, såsom r transportsystemer ogi eksplosive miljøer. I ét eksempel er transportsystemet et skib. Andreikke-begrænsende eksempler på systemer, der med fordei ville kunneomfatte sådanne integrerede målesystemer, indbefatter elektrisketransmissionsledninger og -net, generatorer, fly, jernbanelokomotiverog motorer til tungt arbejde.

I én udførelsesform af den foreliggende opfindelse omfatter enfremgangsmåde til integreret måling af flere parametre interrogering afmindst ét integreret sensormodul under anvendelse af et interrogations-signal. Fremgangsmåden omfatter registrering af mindst én FBG-para-meter og mindst én FFR-parameterregistrering for at generere et inte¬greret systemudgangssignal. FBG-sensoren interrogeres under anven¬delse af et FBG-indgangssignal, og FFR-sensormodulefc interrogeres un¬der anvendelse af et FFR-indgangssignaL I ét eksempel kan et FBG-udgangssignai tilvejebringe et FFR-indgangssigna! eller omvendt. I énudførelsesform er det integrerede systemudgangssignal et styrkemodu¬leret bølgelængdemoduleret signal (IMWM-signal), der indkoder bådeFBG-parameterinformation og FFR-parameterinformation. I én udførel¬se sform er FBG-parameterinformationen kodet som en bølgelængdemo¬dulation, og FFR-parameterinformationssignalet er kodet som en styr¬kemodulation. IMWM-signalet detekteres og anvendes til at generereFBG-para meterdata og FFR-para meterdata.

Ϊ ét eksempel, såsom til lynlokaliseringsmiling, kan dataene fraFBG-sensoren og FFR-sensormoduierne slås sammen. I én udførelses¬form, hvor en FBG-sensor anvendes i en transmissionstilstand, vil spek¬tre I linjer blive frafiltreret fra bredbånds-FBG-indgangssignalet. De filtre¬rede spektra I linjer vil ændre styrken afhængig af deres position i spek¬tret. I udførelsesformer, hvor FBG-udgangssignaiet eller i det mindsteen del af FBG-udgangssignalet anvendes som FFR-indgangssignaiet, kaninformationen om de filtrerede spektrallinier af bredbåndsspektret, somregistreres af detektoren, anvendes til at estimere styrken ledt gennemFFR-sensoren.

Selvom det kun er nogle træk af opfindelsen, der er illustreret ogbeskrevet heri, vil mange modifikationer og ændringer være tydelige forfagmanden, Det skal derfor forstås, at de ledsagende krav skal dækkealle sådanne modifikationer og ændringer, som falder inden for ånden afopfindelsen.

HENVISNINGSTALSLISTE

10 Integreret målesystem 11 Integreret målesystem 12 Lyskilde 14 FBG-sensor 15 Spektrometer 16 Depolarisator 18 Første polarisafor 19 FFR-sensormodul 20 FFR-sensor 22 Anden poiarisator 24 Optisk fiber 25 Detektionssystem 26 Spektrometer28 Styrkedetektor 30 Integreret målesystem32 Lyskilde 34 Første poiarisator 35 FFR-sensormodul 36 FFR-sensor 38 Anden poiarisator40 FBG-sensor42 Optisk fiber44 Spektrometer46 Styrkedetektor48 Integreret målesystem50 Lyskilde52 FFR-sensor 54 Kobler 56 FBG-sensor 57 Optisk fiber 58 Spejl 59 Absorber 60 Første polarisator 61 FFR-sensormodul 62 FFR-sensor 64 Anden polarisator66 Spektrometer68 Styrkedetektor70 Integreret målesystem72 Lyskilde 74 Første polarisator 75 FFR-sensormodul 76 FFR-sensor 78 Anden polarisator80 Kobler 82 FBG-sensor 83 Optisk fiber 84 Spejl 85 Absorber 86 Spektrometer88 Styrkedetektor 90 Integreret målesystem 91 Interrogationsmodul 92 Lyskilde 194 Lyskilde 2 96 Første polarisator 97 FFR-sensormodul 98 FFR-sensor 100 Anden polarisator102 FBG-sensor104 Spektrometer 106 Integreret målesystem 107 Interrogationsmodul 108 Lyskilde 1110 Lyskilde 2.

112 Første polarisator 113 FFR-sensormodul 114 FFR-sensor 116 Anden polarisator118 Kobler120 FBG-sensor122 Filter 124 Spejl 125 Optisk fiber 126 Detektionssystem 127 Bølgelængdedellngsmultipiekser 128 Styrkedetektor 1 129 Styrkedetektor 2 130 System omfattende et integreret målesystem132 Interrogations- og analysemodul 134 Lyskilde136 Detektor 138 Databehandlings- og styreenbed 140 Optisk fiber 142 Optisk fiber 144 Optisk fiber 146 Optisk fiber 148 Substrat eller systemdel 150 Integreret sensormodul 152 Integreret sensormodul 154 Integreret sensormodul 156 Optisk fiber 158 Optisk fiber 160 Optisk fiber 162 Vindmølle 164 Integrerede sensormoduler166 Vinge168 Lyn170 Leder 172 Interrogatio.nsmodul174 Møllemidte

Claims (11)

1. Integreret målesystem (10) til måling af flere parametre,kendetegnet ved, at det omfatter: en Bragg-gitter-fibersensor (FBG-sensor) (14), som er konfigu¬reret til at modulere en bølgelængde af et FBG-indgangssignal for attilvejebringe et FBG-udgangssignal svarende til en FBG-parameter, et Faraday-rotator-fibersensormodul (FFR-sensormodul) (19),som er konfigureret til at dreje en polarisation og modulere en styrke afet FFR-indgangssignal for at tilvejebringe et FFR-udgangssignal svar¬ende til en FFR'parameter, hvor FBG-sensoren og FFR-sensormodulet erkoblet for at tilvejebringe et integreret systemudgangssignal, og et detektionssystem (25), som er konfigureret til at modtage detintegrerede systemudgangssignal og til at anvende det integrerede sy¬stemudgangssignal til at opnå værdier, der er knyttet til mindst én FBG-eller FFR-parameter.

2. Integreret målesystem ifølge krav 1, kendetegnet ved, at detektionssystemet (25) er konfigureret til at modtage det inte¬grerede systemudgangssignal og til at anvende det integrerede system¬udgangssignal til at opnå værdier, der er knyttet til både FBG- og FFR-parametrene.

3. Integreret målesystem ifølge krav 1, kendetegnet ved, at detektionssystemet (25) er konfigureret til yderligere at modta¬ge et reflekteret FBG-udgangssignal for at opnå værdier, der er knyttettil FBG-parameteren.

4. Integreret målesystem ifølge krav 1, kendetegnet ved, at FFR-sensormodulet omfatter en FFR (20) og en polarisator (22).

5. Integreret målesystem ifølge krav 1, kendetegnet ved, at FBG-parameteren er belastning eller temperatur.

6. Integreret målesystem ifølge krav 1, kendetegnet ved, at FFR-para meteren er magnetfelt eller elektrisk strøm.

7. Integreret målesystem ifølge krav 1, kendetegnet ved, at detektionssystemet omfatter et spektrometer (26) til at be¬stemme en moduleret bølgelængde af i det mindste en del af det inte¬grerede systemudgangssignal for at tilvejebringe FBG-parameterdata.

8. Integreret målesystem ifølge krav 1, kendetegnetved, at detektionssystemet (25) omfatter en styrkedetektor (28) til atmåle en styrke af i det mindste en del af det integrerede systemud¬gangssignal for at tilvejebringe FFR-parameterdata.

9. Integreret målesystem ifølge krav 1, kendetegnet vedyderligere at omfatte en databehandlings- og styreenhed (138), hvordatabehandlings- og styreenheden behandler FBG-parameterdatagenereret af et spektrometer for at bestemme en FBG-para meter, FFR-parameterdata genereret af en styrkedetektor for at bestemme en FFR-parameter, eller begge dele.

10. Vindmøllesystem (162) kendetegnet ved, at det om¬fatter: en vindmølle, der omfatter én eller flere møllevinger (66),et integreret målesystem, som omfatter ét eller flere integreredesensormoduler (164), der er operativt koblet til den ene eller de fleremøllevinger for at måle flere parametre, hvor det integrerede sensor¬modul omfatter mindst én FBG-sensor og mindst ét FFR-sensormodul,hvor de flere parametre omfatter mindst én FBG-parameter, der regi¬streres af den mindst ene FBG-sensor, og mindst én FFR-parameter, derregistreres af FFR-sensormodulet, og hvor den mindst ene FFR-parameter er en lynparameter, og en leder (170), som er konfigureret til at modtage et lynnedslagog transmittere en lyninduceret strøm til det integrerede målesystem, hvor det integrerede målesystem genererer et integreret system-udgangssignal svarende til mindst den éne FBG-parameter og denmindst ene FFR-parameter.

11. Fremgangsmåde til integreret måling af flere parametre,kendetegnet ved, at den omfatter: interrogering af mindst ét integreret sensormodul under anven¬delse af en interrogation, hvor det integrerede sensormodul omfattermindst én FBG-sensor til at registrere mindst én FBG-parameter ogmindst ét FFR-sensormodul til at registrere mindst én FFR-parameter,hvor FBG-sensoren interrogeres under anvendelse af et FBG-indgangs- signal, og FFR-sensormodulet interrogeres under anvendelse af et FFR-indgangssignal, generering af et integreret systemudgangssignal, der er knyttettil både FBG-parameteren og FFR-parameteren, detektering af det integrerede systemudgangssignal for at gene¬rere FBG-parameterdata og FFR-parameterdata, og bestemmelse af en værdi af FBG-parameteren og FFR-parame¬teren.