基于光纖光柵風(fēng)電槳葉健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

摘 要：風(fēng)電槳葉是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，運(yùn)行環(huán)境十分惡劣，長(zhǎng)時(shí)間受極端天氣的影響，隱患隨時(shí)都有可能演變成事故，因此對(duì)風(fēng)電槳葉進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)勢(shì)在必行。本論文根據(jù)風(fēng)電槳葉監(jiān)測(cè)的需求構(gòu)建了模擬監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了槳葉靜態(tài)受力和動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)測(cè)試，通過(guò)多通道高速光纖光柵解調(diào)儀和LabVIEW監(jiān)控軟件采集了大量原始測(cè)試數(shù)據(jù)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了細(xì)致的分析，在此基礎(chǔ)上建立了槳葉健康監(jiān)測(cè)的數(shù)值分析方法，為槳葉超限狀態(tài)的判別和快速預(yù)警功能的實(shí)現(xiàn)打下良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電槳葉 光纖光柵傳感器 健康監(jiān)測(cè) 動(dòng)平衡

中圖分類號(hào)：V212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）03（b）-00-02

在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，由于人們對(duì)發(fā)電設(shè)備的效率和負(fù)荷要求越來(lái)越高，安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)揮的作用越來(lái)越大。一旦風(fēng)力發(fā)電機(jī)組因傳動(dòng)裝置和發(fā)動(dòng)機(jī)失靈，以及轉(zhuǎn)動(dòng)槳葉損壞出現(xiàn)停轉(zhuǎn)，都會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。風(fēng)電槳葉是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵部件之一，其性能直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能。風(fēng)電槳葉體積巨大，結(jié)構(gòu)主要為復(fù)合材料，又安裝在比較偏遠(yuǎn)的地點(diǎn)，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)會(huì)受到各種類型天氣的干擾和破壞。風(fēng)電槳葉又工作在高空，運(yùn)行環(huán)境十分惡劣，空氣中各種介質(zhì)幾乎每時(shí)每刻都在侵蝕著槳葉，春夏秋冬、酷暑嚴(yán)寒、雷電、冰雹、雨雪、沙塵隨時(shí)都有可能對(duì)槳葉產(chǎn)生危害，若出現(xiàn)斷裂和脫落就會(huì)造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故，因此開(kāi)展此類監(jiān)控技術(shù)的研究極為重要。

1 傳感原理

1.1 光纖光柵振動(dòng)傳感器

由于單個(gè)光纖Bragg光柵傳感器只能測(cè)量某一個(gè)點(diǎn)的溫度和應(yīng)變情況，對(duì)于細(xì)而長(zhǎng)的風(fēng)電槳葉來(lái)講，用一個(gè)傳感器不能夠完全表征槳葉的振動(dòng)狀況，因此，我們引入準(zhǔn)分布式光纖光柵振動(dòng)應(yīng)變測(cè)量方法。即在槳葉的軸向上布設(shè)一串光纖Bragg光柵傳感器，等距離布設(shè)各個(gè)光柵，用以測(cè)量槳葉受外力作用時(shí)的振動(dòng)情況。測(cè)量原理如圖1所示，圖中實(shí)線表示槳葉不受力的自由狀態(tài)，虛線表示槳葉受到振動(dòng)后揮舞形變狀態(tài)，這樣就可以通過(guò)固化在槳葉上的應(yīng)變傳感器測(cè)量出槳葉的振動(dòng)幅度、相位及頻率的變化

信息。

1.2 光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)

對(duì)風(fēng)電槳葉的結(jié)構(gòu)健康進(jìn)行監(jiān)測(cè)，需要實(shí)時(shí)多點(diǎn)采集槳葉的應(yīng)變、溫度和振動(dòng)信息。一般地，根據(jù)槳葉的實(shí)際長(zhǎng)度需要布設(shè)多個(gè)光纖Bragg光柵傳感器，少則十幾個(gè)多則幾十個(gè)，而且分布較廣，因此，必須采用多通道集成的方法，將數(shù)量較多的待測(cè)傳感器串聯(lián)起來(lái)，用一臺(tái)解調(diào)裝置對(duì)多波長(zhǎng)傳感器進(jìn)行同步解調(diào)。

本論文采用課題組自主設(shè)計(jì)的16通道的小型化掃描激光解調(diào)儀器實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)應(yīng)變、溫度測(cè)量。系統(tǒng)中采用掃描激光作為光源，激光輸出功率比普通的寬帶光源強(qiáng)，具有很高的信噪比，不受因光纖傳感網(wǎng)絡(luò)測(cè)點(diǎn)多而引起光強(qiáng)下降的影響。當(dāng)波長(zhǎng)掃描的可調(diào)諧激光輸出到光纖光柵傳感器陣列時(shí)，由不同中心波長(zhǎng)的光纖光柵傳感器反射回的信號(hào)傳輸?shù)焦怆娞綔y(cè)器陣列上實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，由嵌入式微處理器進(jìn)行光電信號(hào)采集處理，經(jīng)過(guò)運(yùn)算最后將測(cè)量的波長(zhǎng)值顯示在液晶顯示屏上。

解調(diào)系統(tǒng)中采用了高靈敏度的光電探測(cè)器探測(cè)傳感器的中心波長(zhǎng)信號(hào)，用大規(guī)模可編程器件與高速ADC芯片測(cè)量光電信號(hào)，用高速并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器件預(yù)處理測(cè)量信號(hào)，由DSP計(jì)算出的波長(zhǎng)值由嵌入式芯片控制鍵盤和液晶顯示接口進(jìn)行顯示和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)的原理圖如1-2所示。系統(tǒng)具有16個(gè)獨(dú)立通道，激光波長(zhǎng)掃描范圍可達(dá)80 nm，每個(gè)獨(dú)立通道可接入40個(gè)光纖光柵溫度傳感器，各通道完全獨(dú)立同步采集，無(wú)時(shí)間延遲，掃描頻率300Hz，總計(jì)可同時(shí)監(jiān)測(cè)640個(gè)光纖光柵傳感器，通過(guò)擴(kuò)展通道還可以增加傳感器的容量，非常有利于風(fēng)電槳葉結(jié)構(gòu)狀態(tài)的分布式監(jiān)測(cè)。

2 光纖光柵槳葉測(cè)試系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

風(fēng)電槳葉光纖光柵結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由固化好光纖光柵傳感器的智能槳葉、信號(hào)傳輸光纜、光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)儀和數(shù)據(jù)采集分析軟件組成。

本實(shí)驗(yàn)以小型化的風(fēng)力發(fā)電槳葉為實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，將光纖光柵傳感器對(duì)稱粘貼在復(fù)合材料制作的小型風(fēng)電槳葉的上下表面，構(gòu)成分布式應(yīng)變測(cè)試傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)信號(hào)傳輸光纖傳輸至波長(zhǎng)解調(diào)儀，實(shí)現(xiàn)槳葉的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)受力情況的測(cè)量。實(shí)際應(yīng)用中，解調(diào)系統(tǒng)被安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輪轂機(jī)艙中，它的主要功能是將傳感器網(wǎng)絡(luò)感測(cè)到槳葉的應(yīng)變和振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行波長(zhǎng)解調(diào)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要由無(wú)線接收設(shè)備和監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)組成，無(wú)線接收設(shè)備將接收到的波長(zhǎng)信息傳輸給監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映槳葉的運(yùn)行現(xiàn)狀，在超限情況下迅速預(yù)警，進(jìn)而避免重大事故的發(fā)生，還可對(duì)風(fēng)電槳葉的維護(hù)提供必要的技術(shù)支持。

2.2 LabVIEW槳葉數(shù)據(jù)采集軟件

監(jiān)控軟件為基于LabVIEW平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集和處理軟件，實(shí)現(xiàn)傳感器波長(zhǎng)與應(yīng)變和振動(dòng)物理量的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換和時(shí)頻分析等功能。監(jiān)控軟件的功能包括解調(diào)儀和PC機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)預(yù)處理、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)刷新、FFT變換、光纖光柵波形顯示等具體功能。

3 槳葉動(dòng)態(tài)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

風(fēng)電槳葉是風(fēng)電設(shè)備中的大型旋轉(zhuǎn)部件，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，槳葉的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)較靜態(tài)時(shí)復(fù)雜，但正常的旋轉(zhuǎn)和槳葉損傷情況下的動(dòng)態(tài)信息有明顯的區(qū)別。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)將槳葉掛裝在軸承上模擬動(dòng)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)時(shí)測(cè)試槳葉的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，即將標(biāo)定好應(yīng)變傳感器的槳葉固定在主軸上，外力旋轉(zhuǎn)槳葉，得到各個(gè)位置處光纖光柵傳感器波長(zhǎng)值與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以槳葉的根部為起點(diǎn)。

在槳葉動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，槳葉會(huì)發(fā)生振動(dòng)，傳感器能夠?qū)崟r(shí)提取出振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)快速傅立葉變換可以識(shí)別振動(dòng)的信息。當(dāng)槳葉出現(xiàn)裂縫和脫落等異常情況時(shí)，會(huì)直接反映在槳葉的振動(dòng)頻率上，由此可以實(shí)現(xiàn)槳葉的異常狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

在動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，開(kāi)展了如下沖擊實(shí)驗(yàn)，即當(dāng)槳葉旋轉(zhuǎn)時(shí)，人為對(duì)槳葉進(jìn)行沖擊，得到的沖擊曲線如圖3所示。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以觀察到，沖擊信號(hào)是疊加在均勻的振動(dòng)信號(hào)之上的，通過(guò)信號(hào)的數(shù)值處理完全可以監(jiān)測(cè)到槳葉受外力沖擊的情況，當(dāng)異物撞擊槳葉時(shí)出現(xiàn)異常信息后可通過(guò)分析槳葉的應(yīng)變和振動(dòng)信息了解槳葉的損傷情況，如差異非常大可根據(jù)情況停機(jī)檢查。

圖4為FFT選取第22 s開(kāi)始時(shí)的計(jì)算顯示結(jié)果，此圖中顯示較高頻率集中在6Hz和13Hz處。在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，可以通過(guò)在頻譜中尋找最大值并設(shè)置閾值的方法，來(lái)判斷槳葉是否受到異物的沖擊或結(jié)構(gòu)的損傷，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

該文給出了適于風(fēng)電槳葉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組網(wǎng)方案，分析了數(shù)據(jù)采集軟件功能需求，應(yīng)用LabVIEW軟件平臺(tái)編寫(xiě)了光纖光柵數(shù)據(jù)采集處理軟件，并利用小型的風(fēng)電槳葉進(jìn)行了系列驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，對(duì)關(guān)鍵的振動(dòng)和動(dòng)平衡監(jiān)測(cè)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，取得了良好的測(cè)試結(jié)果，實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)完全滿足風(fēng)電槳葉結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求。通過(guò)動(dòng)平衡測(cè)試驗(yàn)證了槳葉在缺損和掛冰等異常情況的頻率響應(yīng)特性，通過(guò)時(shí)頻分析可快速判別槳葉的損傷狀態(tài)。

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