基于光纖光柵傳感的風(fēng)電葉片監(jiān)測技術(shù)淺析

文 | 王文娟，宋昊，盛楠，陳超

基于光纖光柵傳感的風(fēng)電葉片監(jiān)測技術(shù)淺析

文 | 王文娟，宋昊，盛楠，陳超

國家發(fā)改委能源研究所發(fā)布的《中國風(fēng)電發(fā)展路線圖2050》中，預(yù)計到2050年，風(fēng)電將滿足17%的國內(nèi)電力需求。2025年后，大批風(fēng)電機組服役期已滿，電力需求和需要更換的風(fēng)電機組將會使葉片的需求量維持在一個較高的水平。

大部分葉片設(shè)計壽命為20年，在運行過程中長期受到交變載荷作用，微觀缺陷會不斷擴展并發(fā)展為疲勞損傷，在天氣惡劣的環(huán)境將會更明顯。風(fēng)電葉片在實際使用過程中事故頻發(fā)，給葉片生產(chǎn)商、主機廠、風(fēng)電場業(yè)主帶來了巨大損失，如何有效規(guī)避運行風(fēng)險成為市場迫切需求。

現(xiàn)在世界范圍內(nèi)對風(fēng)電機組主要依靠定期檢測來保證其運營安全，檢測周期較長，導(dǎo)致檢測不及時，無法實時預(yù)測和避免機組事故發(fā)生，這一損失據(jù)不完全統(tǒng)計已經(jīng)達到風(fēng)電運行維護成本的37.4%。傳統(tǒng)的電測量監(jiān)測方式，對于惡劣的使用環(huán)境具有較大局限性，易受電磁干擾，鏈路繁多，附加重量大且壽命較短，無法滿足實際使用需要。而光纖布拉格光柵（FBG）傳感器具有抗電磁干擾、環(huán)境適應(yīng)性強、絕緣性能好、壽命長、集成度高等優(yōu)點，是進行葉片載荷、損傷監(jiān)測最具潛力的傳感器之一。

光纖光柵傳感原理及優(yōu)勢

光纖光柵是光纖波導(dǎo)介質(zhì)中物理結(jié)構(gòu)呈周期性分布，用來改變光在其中傳播行徑的一種光子器件。光纖布拉格光柵是最普遍的一種波長調(diào)制型光纖光柵傳感器。被測量（應(yīng)變、溫度等）的變化引起光纖光柵中心波長的變化，光纖光柵中心波長的變化與被測量之間具有確定的數(shù)學(xué)關(guān)系，只要準(zhǔn)確測量出波長的偏移量，就可以計算出傳感器所受應(yīng)變、溫度以及它們的變化量。這種測量方法思路簡單，操作方便，可靠性高。

波分復(fù)用的FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)（如圖1所示）由寬帶光源、信號傳輸線（光纖或光纜）、FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)、光纖耦合器及波長解調(diào)測量系統(tǒng)組成。寬帶光源將有一定帶寬的光通過光纖耦合器入射到光纖光柵中，由于光纖光柵的波長選擇性作用，符合條件的光被反射回來，再經(jīng)光纖耦合器送入解調(diào)裝置測出光纖光柵的反射波長變化。當(dāng)被測試件受振動作用或溫度發(fā)生改變時，光纖光柵自身的折射率或柵距發(fā)生變化，從而引起反射波長的變化。因此，通過檢測波長變化即可推導(dǎo)出被測試件溫度、應(yīng)變發(fā)生的變化。

光纖光柵傳感技術(shù)與傳統(tǒng)電阻應(yīng)變測量方法相比，具有其不可比擬的優(yōu)點。

一、抗電磁干擾，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高

由于光纖光柵對被測信息用光波長編碼，性能不受電磁信號波動、光源功率波動和光纖彎曲等因素的影響。圖2為光纖光柵傳感器和傳統(tǒng)應(yīng)變片在電磁干擾環(huán)境下的測試曲線，圖2中橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為應(yīng)變值（微應(yīng)變），結(jié)果表明，應(yīng)變片測試數(shù)據(jù)受到較強的電磁干擾，而光纖數(shù)據(jù)則較為平滑。

在風(fēng)電場現(xiàn)場應(yīng)用過程中，目前機艙和地面的溝通一般采用手機或?qū)χv機，會對傳統(tǒng)應(yīng)變片測試信號產(chǎn)生明顯干擾，若采用光纖光柵傳感器，可以很好地規(guī)避測量數(shù)據(jù)的無效波動，使測試更為專業(yè)和準(zhǔn)確。

二、測點多，質(zhì)量輕，安裝易

光纖傳感器由于波分復(fù)用的特點，可以在單根光纖上制作二十余個測量點，大大減少傳輸線路的同時可對風(fēng)電機組葉片實現(xiàn)分布式測量，結(jié)合一組光掃描開關(guān)，一臺四通道儀表可以解決幾百點應(yīng)變或溫度測量問題。圖3為某獵戶座飛機地面試驗中采用傳統(tǒng)應(yīng)變片和光纖傳感器所用的引線對比圖，應(yīng)變片需要上千根，而光纖僅需幾根就可滿足測試要求。針對光纖傳感器不同的封裝形式和被測結(jié)構(gòu)的特點，傳感器采用膠粘、螺紋連接或焊接等方式安裝于結(jié)構(gòu)表面，操作快捷簡便。

在機組葉片地面疲勞試驗和現(xiàn)場運行葉片監(jiān)測中，在短時間內(nèi)（約一天）安裝幾根光纖就可實現(xiàn)上百點的應(yīng)變和載荷監(jiān)測，附加重量較小，節(jié)約時間的同時大大減小了對運行葉片結(jié)構(gòu)和性能的影響。

三、尺寸小巧，易埋入葉片，形成智能葉片

葉片材料以玻璃纖維增強樹脂基復(fù)合材料為主，而光纖光柵材料成分亦主要為玻璃，與葉片材料相容性較好，且直徑僅為0.155mm，易埋入葉片內(nèi)部形成智能葉片?，F(xiàn)有研究表明，光纖光柵埋入復(fù)合材料，可監(jiān)測復(fù)合材料受載情況，記錄沖擊事件，反映結(jié)構(gòu)受損情況，為葉片安全監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支撐。

四、耐腐蝕，壽命長

光纖材料主要為玻璃，具有很好的抗腐蝕性能。國外已有將光纖光柵傳感器埋入碳纖維復(fù)合材料測其應(yīng)變的報道，在0με-2000με循環(huán)32萬次后，光纖光柵傳感器仍沒有出現(xiàn)劣化現(xiàn)象，通過加速老化試驗認(rèn)為光纖光柵存活壽命大于25年。

基于光纖光柵傳感的風(fēng)電監(jiān)測技術(shù)進展

近年來在歐美等國家對風(fēng)電機組葉片進行了一些實驗室規(guī)模的靜載和疲勞載荷作用的監(jiān)測研究，同時對一些運營狀態(tài)下的風(fēng)電葉片進行了監(jiān)測研究和應(yīng)用。英國SmartFibres公司、荷蘭ECN公司、美國穆格公司均開發(fā)了相關(guān)產(chǎn)品。據(jù)報道國外采用光纖傳感器進行風(fēng)電機組監(jiān)測的比例已高達27.3%。

國內(nèi)雖有一些科研機構(gòu)進行過此方面的研究，但是技術(shù)并未成熟。我國風(fēng)電裝機具備此系統(tǒng)的風(fēng)電機組尚不足1%，且監(jiān)測系統(tǒng)的采購依賴于進口，價格昂貴，采購周期長且售后和升級服務(wù)不及時，關(guān)鍵技術(shù)嚴(yán)重封鎖，亟需自主研發(fā)風(fēng)電配套的光纖載荷監(jiān)測系統(tǒng)。

為此，國內(nèi)的光纖傳感系統(tǒng)研發(fā)以軍工單位中國航空工業(yè)集團公司北京長城計量測試所為代表，最先以航空健康監(jiān)測為目標(biāo)組建了光纖傳感技術(shù)中心，目前正積極向民用方向拓展。該中心以光纖光柵刻制、傳感器設(shè)計及封裝、高速解調(diào)儀表的設(shè)計及應(yīng)用為主要特色，形成了一套獨立的研制開發(fā)能力。目前已掌握了超短型和超大波長帶寬的光柵刻制技術(shù)、光纖光柵應(yīng)變傳感器的小型化封裝、安裝和性能評價、高速光纖光柵解調(diào)等光纖傳感的關(guān)鍵技術(shù)。2012年已將該系統(tǒng)成功通過了殲教七的空中飛行驗證試驗，并在三代機的長期地面疲勞試驗中驗證了其可靠性，同時利用傳感器內(nèi)埋方式實現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料實時沖擊定位監(jiān)測的目的。在風(fēng)電領(lǐng)域，在中航工業(yè)某葉片生產(chǎn)單位完成了葉片在疲勞試驗中的應(yīng)變場監(jiān)測，同時在山東某風(fēng)電場實現(xiàn)了已運行葉片和塔筒應(yīng)變和載荷的監(jiān)測。

一、光纖光柵傳感器開發(fā)

目前已掌握了光柵刻制算法、封裝工藝及性能指標(biāo)標(biāo)定等關(guān)鍵技術(shù)，建立了完善的光柵刻制工藝流程，使光纖光柵的成品率和穩(wěn)定性達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。光纖光柵刻制生產(chǎn)線如圖4所示。目前已形成的產(chǎn)品有光纖光柵應(yīng)變、溫度、壓力、加速度傳感器，各種應(yīng)變傳感器如圖5所示。

二、光纖光柵傳感解調(diào)儀開發(fā)

根據(jù)光纖傳感器的應(yīng)用需求以及解調(diào)技術(shù)實現(xiàn)的難易程度，重點研究了基于FP腔濾波法解調(diào)系統(tǒng)和基于衍射光柵分光法解調(diào)系統(tǒng)，幾種儀表如圖6所示。申請了20余項相關(guān)專利，涉及解調(diào)儀的小型化、溫度適應(yīng)性、振動適應(yīng)性、電磁兼容性、電源特性設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)。

三、光纖光柵傳感校準(zhǔn)技術(shù)研究

對風(fēng)電機組葉片進行測試前，需要保證光纖傳感器的現(xiàn)場測試準(zhǔn)確性，既要確保光纖傳感器本身的準(zhǔn)確性，亦要保證安裝工藝的規(guī)范性和測試數(shù)據(jù)的有效性。計量所針對該問題已成功研發(fā)兩套校準(zhǔn)系統(tǒng)。第一種系統(tǒng)針對未安裝的傳感器，采用直拉式絕對校準(zhǔn)法對傳感器進行拉伸壓縮，傳感器校準(zhǔn)范圍為±4000με；重復(fù)性≤1%；第二種針對安裝后的光纖光柵傳感器，利用鋼架純彎梁對安裝后的光纖光柵應(yīng)變傳感器進行校準(zhǔn)，可校準(zhǔn)參數(shù)包括靈敏系數(shù)、機械滯后、蠕變、線性度等；該裝置的校準(zhǔn)精度可達到1%；還可對高低溫環(huán)境下靈敏系數(shù)進行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)溫度范圍為：-30℃-80℃。

光纖光柵傳感在某運行風(fēng)電場的應(yīng)用情況

為驗證光纖光柵傳感器在運行風(fēng)電機組進行載荷測試的可行性和準(zhǔn)確性，2015年將該系統(tǒng)安裝于山東某運行機組，測試葉片根部擺振和揮舞方向的彎矩隨風(fēng)速的變化情況。光纖光柵葉片測試系統(tǒng)如圖7所示，由光纖光柵傳感器、光纖解調(diào)儀、無線傳輸模塊、傳輸鏈路、數(shù)據(jù)處理與顯示管理組成。

葉片采用葉片自重標(biāo)定法進行載荷標(biāo)定。

傳感器安裝位置和現(xiàn)場安裝情況如圖8所示，每個葉片安裝4個應(yīng)變傳感器和2個溫度補償傳感器。傳感器均沿葉片展向布置，其中應(yīng)變傳感器為兩個揮舞方向，兩個擺振方向，溫度補償傳感器只感受溫度，放置于其中兩個應(yīng)變傳感器的鄰近位置。

在為期一個月的測試過程中，系統(tǒng)自動保存光纖光柵監(jiān)測數(shù)據(jù)。以三個葉片的彎矩數(shù)據(jù)為例，隨機取20秒的擺振彎矩數(shù)據(jù)如圖9所示，可以看出三個葉片的擺振彎矩一致性較好。

葉根彎矩載荷隨時間的變化曲線和葉根風(fēng)速隨時間變化的曲線如圖10所示。取2015年4月份的某一時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)。葉片根部彎矩載荷通過光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)所得，采樣率為50Hz；葉根的風(fēng)速數(shù)據(jù)通過激光雷達監(jiān)測系統(tǒng)所得，采樣率為1Hz?？梢院苊黠@看出，所測的彎矩與風(fēng)速變化趨勢基本一致，驗證了光纖光柵測試風(fēng)電機組葉片載荷的實時性和可行性。略有偏差推測是由于風(fēng)速和光纖數(shù)據(jù)的采集頻率不同，兩種數(shù)據(jù)采集設(shè)備時間未絕對同步引起。

小結(jié)與展望

在對運行機組葉片的應(yīng)變和載荷監(jiān)測過程中，光纖光柵傳感系統(tǒng)安裝方便，所測數(shù)據(jù)無斷點，信號傳輸穩(wěn)定，耐久性好，與風(fēng)速數(shù)據(jù)有較好的一致性，為獨立變槳的控制提供可靠詳實數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)可監(jiān)測的參數(shù)除了應(yīng)變、溫度、載荷，亦可擴展至葉片損傷、覆冰監(jiān)測，是實現(xiàn)機組葉片安全監(jiān)測最有前景的傳感器之一。因該技術(shù)在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用剛起步，結(jié)合風(fēng)電葉片現(xiàn)場惡劣環(huán)境和測試參數(shù)的需求，要實現(xiàn)光纖傳感產(chǎn)品在風(fēng)電領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)，其長期可靠性（25年）需進一步驗證，成本較高、與現(xiàn)有機組其它參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的同步性和兼容性等是該技術(shù)成功推廣的限制因素。

針對國內(nèi)現(xiàn)狀提出以下幾點展望：

（1）打破國外壟斷，加快自主知識產(chǎn)權(quán)申請。

（2）提高系統(tǒng)可靠性，降低成本，提高產(chǎn)品競爭力。

（3）實現(xiàn)區(qū)域監(jiān)控，綜合參數(shù)監(jiān)測的時間同步性設(shè)計，通過多個葉片組的數(shù)據(jù)監(jiān)測，運營商可以掌握整個風(fēng)電場的風(fēng)電機組工作狀況，實現(xiàn)葉片動態(tài)維護、風(fēng)電場動態(tài)化管理。

（4）實現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸，實時監(jiān)控功能。

（5）綜合葉片結(jié)構(gòu)及運行多種參數(shù)，設(shè)置報警閥值，顯示智能維修建議。

（6）針對不同用戶能快速提出“一對一”的系統(tǒng)解決方案、完成系統(tǒng)供應(yīng)或檢測任務(wù)。

（作者單位：中國航空工業(yè)集團公司北京長城計量測試技術(shù)研究所）