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(cè)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(jì)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(jī)組服役期已滿，電力需求和需要更換的風(fēng)電機(jī)組將會(huì)使葉片的需求量維持在一個(gè)較高的水平。

大部分葉片設(shè)計(jì)壽命為20年，在運(yùn)行過程中長(zhǎng)期受到交變載荷作用，微觀缺陷會(huì)不斷擴(kuò)展并發(fā)展為疲勞損傷，在天氣惡劣的環(huán)境將會(huì)更明顯。風(fēng)電葉片在實(shí)際使用過程中事故頻發(fā)，給葉片生產(chǎn)商、主機(jī)廠、風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主帶來了巨大損失，如何有效規(guī)避運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)成為市場(chǎng)迫切需求。

現(xiàn)在世界范圍內(nèi)對(duì)風(fēng)電機(jī)組主要依靠定期檢測(cè)來保證其運(yùn)營安全，檢測(cè)周期較長(zhǎng)，導(dǎo)致檢測(cè)不及時(shí)，無法實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)和避免機(jī)組事故發(fā)生，這一損失據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)已經(jīng)達(dá)到風(fēng)電運(yùn)行維護(hù)成本的37.4%。傳統(tǒng)的電測(cè)量監(jiān)測(cè)方式，對(duì)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(shí)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(qiáng)、絕緣性能好、壽命長(zhǎng)、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，是進(jìn)行葉片載荷、損傷監(jiān)測(cè)最具潛力的傳感器之一。

光纖光柵傳感原理及優(yōu)勢(shì)

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(zhǎng)調(diào)制型光纖光柵傳感器。被測(cè)量（應(yīng)變、溫度等）的變化引起光纖光柵中心波長(zhǎng)的變化，光纖光柵中心波長(zhǎng)的變化與被測(cè)量之間具有確定的數(shù)學(xué)關(guān)系，只要準(zhǔn)確測(cè)量出波長(zhǎng)的偏移量，就可以計(jì)算出傳感器所受應(yīng)變、溫度以及它們的變化量。這種測(cè)量方法思路簡(jiǎn)單，操作方便，可靠性高。

波分復(fù)用的FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)（如圖1所示）由寬帶光源、信號(hào)傳輸線（光纖或光纜）、FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)、光纖耦合器及波長(zhǎng)解調(diào)測(cè)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(zhǎng)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(cè)出光纖光柵的反射波長(zhǎng)變化。當(dāng)被測(cè)試件受振動(dòng)作用或溫度發(fā)生改變時(shí)，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(zhǎng)的變化。因此，通過檢測(cè)波長(zhǎng)變化即可推導(dǎo)出被測(cè)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(cè)量方法相比，具有其不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

一、抗電磁干擾，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高

由于光纖光柵對(duì)被測(cè)信息用光波長(zhǎng)編碼，性能不受電磁信號(hào)波動(dòng)、光源功率波動(dòng)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(cè)試曲線，圖2中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為應(yīng)變值（微應(yīng)變），結(jié)果表明，應(yīng)變片測(cè)試數(shù)據(jù)受到較強(qiáng)的電磁干擾，而光纖數(shù)據(jù)則較為平滑。

在風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過程中，目前機(jī)艙和地面的溝通一般采用手機(jī)或?qū)χv機(jī)，會(huì)對(duì)傳統(tǒng)應(yīng)變片測(cè)試信號(hào)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(cè)量數(shù)據(jù)的無效波動(dòng)，使測(cè)試更為專業(yè)和準(zhǔn)確。

二、測(cè)點(diǎn)多，質(zhì)量輕，安裝易

光纖傳感器由于波分復(fù)用的特點(diǎn)，可以在單根光纖上制作二十余個(gè)測(cè)量點(diǎn)，大大減少傳輸線路的同時(shí)可對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉片實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量，結(jié)合一組光掃描開關(guān)，一臺(tái)四通道儀表可以解決幾百點(diǎn)應(yīng)變或溫度測(cè)量問題。圖3為某獵戶座飛機(jī)地面試驗(yàn)中采用傳統(tǒng)應(yīng)變片和光纖傳感器所用的引線對(duì)比圖，應(yīng)變片需要上千根，而光纖僅需幾根就可滿足測(cè)試要求。針對(duì)光纖傳感器不同的封裝形式和被測(cè)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，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(jiǎn)便。

在機(jī)組葉片地面疲勞試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行葉片監(jiān)測(cè)中，在短時(shí)間內(nèi)（約一天）安裝幾根光纖就可實(shí)現(xiàn)上百點(diǎn)的應(yīng)變和載荷監(jiān)測(cè)，附加重量較小，節(jié)約時(shí)間的同時(shí)大大減小了對(duì)運(yùn)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(qiáng)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。現(xiàn)有研究表明，光纖光柵埋入復(fù)合材料，可監(jiān)測(cè)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(cè)提供數(shù)據(jù)支撐。

四、耐腐蝕，壽命長(zhǎng)

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(cè)其應(yīng)變的報(bào)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(yàn)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(cè)技術(shù)進(jìn)展

近年來在歐美等國家對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉片進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的靜載和疲勞載荷作用的監(jiān)測(cè)研究，同時(shí)對(duì)一些運(yùn)營狀態(tài)下的風(fēng)電葉片進(jìn)行了監(jiān)測(cè)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(bào)道國外采用光纖傳感器進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組監(jiān)測(cè)的比例已高達(dá)27.3%。

國內(nèi)雖有一些科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行過此方面的研究，但是技術(shù)并未成熟。我國風(fēng)電裝機(jī)具備此系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組尚不足1%，且監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采購依賴于進(jìn)口，價(jià)格昂貴，采購周期長(zhǎng)且售后和升級(jí)服務(wù)不及時(shí)，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(cè)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(tuán)公司北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試所為代表，最先以航空健康監(jiān)測(cè)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(jì)及封裝、高速解調(diào)儀表的設(shè)計(jì)及應(yīng)用為主要特色，形成了一套獨(dú)立的研制開發(fā)能力。目前已掌握了超短型和超大波長(zhǎng)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(píng)價(jià)、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(yàn)證試驗(yàn)，并在三代機(jī)的長(zhǎng)期地面疲勞試驗(yàn)中驗(yàn)證了其可靠性，同時(shí)利用傳感器內(nèi)埋方式實(shí)現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料實(shí)時(shí)沖擊定位監(jiān)測(cè)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(yàn)中的應(yīng)變場(chǎng)監(jiān)測(cè)，同時(shí)在山東某風(fēng)電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了已運(yùn)行葉片和塔筒應(yīng)變和載荷的監(jiān)測(cè)。

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(dá)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(shí)現(xiàn)的難易程度，重點(diǎn)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(qǐng)了20余項(xiàng)相關(guān)專利，涉及解調(diào)儀的小型化、溫度適應(yīng)性、振動(dòng)適應(yīng)性、電磁兼容性、電源特性設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)。

三、光纖光柵傳感校準(zhǔn)技術(shù)研究

對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉片進(jìn)行測(cè)試前，需要保證光纖傳感器的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)的有效性。計(jì)量所針對(duì)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(duì)未安裝的傳感器，采用直拉式絕對(duì)校準(zhǔn)法對(duì)傳感器進(jìn)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(duì)安裝后的光纖光柵傳感器，利用鋼架純彎梁對(duì)安裝后的光纖光柵應(yīng)變傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，可校準(zhǔn)參數(shù)包括靈敏系數(shù)、機(jī)械滯后、蠕變、線性度等；該裝置的校準(zhǔn)精度可達(dá)到1%；還可對(duì)高低溫環(huán)境下靈敏系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)溫度范圍為：-30℃-80℃。

光纖光柵傳感在某運(yùn)行風(fēng)電場(chǎng)的應(yīng)用情況

為驗(yàn)證光纖光柵傳感器在運(yùn)行風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行載荷測(cè)試的可行性和準(zhǔn)確性，2015年將該系統(tǒng)安裝于山東某運(yùn)行機(jī)組，測(cè)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(cè)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(jìn)行載荷標(biāo)定。

傳感器安裝位置和現(xiàn)場(chǎng)安裝情況如圖8所示，每個(gè)葉片安裝4個(gè)應(yīng)變傳感器和2個(gè)溫度補(bǔ)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(gè)揮舞方向，兩個(gè)擺振方向，溫度補(bǔ)償傳感器只感受溫度，放置于其中兩個(gè)應(yīng)變傳感器的鄰近位置。

在為期一個(gè)月的測(cè)試過程中，系統(tǒng)自動(dòng)保存光纖光柵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。以三個(gè)葉片的彎矩?cái)?shù)據(jù)為例，隨機(jī)取20秒的擺振彎矩?cái)?shù)據(jù)如圖9所示，可以看出三個(gè)葉片的擺振彎矩一致性較好。

葉根彎矩載荷隨時(shí)間的變化曲線和葉根風(fēng)速隨時(shí)間變化的曲線如圖10所示。取2015年4月份的某一時(shí)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(cè)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(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所得，采樣率為1Hz。可以很明顯看出，所測(cè)的彎矩與風(fēng)速變化趨勢(shì)基本一致，驗(yàn)證了光纖光柵測(cè)試風(fēng)電機(jī)組葉片載荷的實(shí)時(shí)性和可行性。略有偏差推測(cè)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(shí)間未絕對(duì)同步引起。

小結(jié)與展望

在對(duì)運(yùn)行機(jī)組葉片的應(yīng)變和載荷監(jiān)測(cè)過程中，光纖光柵傳感系統(tǒng)安裝方便，所測(cè)數(shù)據(jù)無斷點(diǎn)，信號(hào)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(dú)立變槳的控制提供可靠詳實(shí)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)的參數(shù)除了應(yīng)變、溫度、載荷，亦可擴(kuò)展至葉片損傷、覆冰監(jiān)測(cè)，是實(shí)現(xiàn)機(jī)組葉片安全監(jiān)測(cè)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(chǎng)惡劣環(huán)境和測(cè)試參數(shù)的需求，要實(shí)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(zhǎng)期可靠性（25年）需進(jìn)一步驗(yàn)證，成本較高、與現(xiàn)有機(jī)組其它參數(shù)監(jiān)測(cè)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(duì)國內(nèi)現(xiàn)狀提出以下幾點(diǎn)展望：

（1）打破國外壟斷，加快自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)申請(qǐng)。

（2）提高系統(tǒng)可靠性，降低成本，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

（3）實(shí)現(xiàn)區(qū)域監(jiān)控，綜合參數(shù)監(jiān)測(cè)的時(shí)間同步性設(shè)計(jì)，通過多個(gè)葉片組的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，運(yùn)營商可以掌握整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組工作狀況，實(shí)現(xiàn)葉片動(dòng)態(tài)維護(hù)、風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)化管理。

（4）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸，實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。

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

（6）針對(duì)不同用戶能快速提出“一對(duì)一”的系統(tǒng)解決方案、完成系統(tǒng)供應(yīng)或檢測(cè)任務(wù)。

（作者單位：中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所）