基于光纖光柵傳感的風電葉片監測技術淺析

文 | 王文娟，宋昊，盛楠，陳超

基于光纖光柵傳感的風電葉片監測技術淺析

文 | 王文娟，宋昊，盛楠，陳超

國家發改委能源研究所發布的《中國風電發展路線圖2050》中，預計到2050年，風電將滿足17%的國內電力需求。2025年后，大批風電機組服役期已滿，電力需求和需要更換的風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展為疲勞損傷，在天氣惡劣的環境將會更明顯。風電葉片在實際使用過程中事故頻發，給葉片生產商、主機廠、風電場業主帶來了巨大損失，如何有效規避運行風險成為市場迫切需求。

現在世界范圍內對風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，導致檢測不及時，無法實時預測和避免機組事故發生，這一損失據不完全統計已經達到風電運行維護成本的37.4%。傳統的電測量監測方式，對于惡劣的使用環境具有較大局限性，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、環境適應性強、絕緣性能好、壽命長、集成度高等優點，是進行葉片載荷、損傷監測最具潛力的傳感器之一。

光纖光柵傳感原理及優勢

光纖光柵是光纖波導介質中物理結構呈周期性分布，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制型光纖光柵傳感器。被測量（應變、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學關系，只要準確測量出波長的偏移量，就可以計算出傳感器所受應變、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。

波分復用的FBG傳感器網絡測量系統（如圖1所示）由寬帶光源、信號傳輸線（光纖或光纜）、FBG傳感器網絡、光纖耦合器及波長解調測量系統組成。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，再經光纖耦合器送入解調裝置測出光纖光柵的反射波長變化。當被測試件受振動作用或溫度發生改變時，光纖光柵自身的折射率或柵距發生變化，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出被測試件溫度、應變發生的變化。

光纖光柵傳感技術與傳統電阻應變測量方法相比，具有其不可比擬的優點。

一、抗電磁干擾，數據準確性高

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應變片在電磁干擾環境下的測試曲線，圖2中橫坐標為時間，縱坐標為應變值（微應變），結果表明，應變片測試數據受到較強的電磁干擾，而光纖數據則較為平滑。

在風電場現場應用過程中，目前機艙和地面的溝通一般采用手機或對講機，會對傳統應變片測試信號產生明顯干擾，若采用光纖光柵傳感器，可以很好地規避測量數據的無效波動，使測試更為專業和準確。

二、測點多，質量輕，安裝易

光纖傳感器由于波分復用的特點，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電機組葉片實現分布式測量，結合一組光掃描開關，一臺四通道儀表可以解決幾百點應變或溫度測量問題。圖3為某獵戶座飛機地面試驗中采用傳統應變片和光纖傳感器所用的引線對比圖，應變片需要上千根，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構的特點，傳感器采用膠粘、螺紋連接或焊接等方式安裝于結構表面，操作快捷簡便。

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

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，易埋入葉片內部形成智能葉片。現有研究表明，光纖光柵埋入復合材料，可監測復合材料受載情況，記錄沖擊事件，反映結構受損情況，為葉片安全監測提供數據支撐。

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合材料測其應變的報道，在0με-2000με循環32萬次后，光纖光柵傳感器仍沒有出現劣化現象，通過加速老化試驗認為光纖光柵存活壽命大于25年。

基于光纖光柵傳感的風電監測技術進展

近年來在歐美等國家對風電機組葉片進行了一些實驗室規模的靜載和疲勞載荷作用的監測研究，同時對一些運營狀態下的風電葉片進行了監測研究和應用。英國SmartFibres公司、荷蘭ECN公司、美國穆格公司均開發了相關產品。據報道國外采用光纖傳感器進行風電機組監測的比例已高達27.3%。

國內雖有一些科研機構進行過此方面的研究，但是技術并未成熟。我國風電裝機具備此系統的風電機組尚不足1%，且監測系統的采購依賴于進口，價格昂貴，采購周期長且售后和升級服務不及時，關鍵技術嚴重封鎖，亟需自主研發風電配套的光纖載荷監測系統。

為此，國內的光纖傳感系統研發以軍工單位中國航空工業集團公司北京長城計量測試所為代表，最先以航空健康監測為目標組建了光纖傳感技術中心，目前正積極向民用方向拓展。該中心以光纖光柵刻制、傳感器設計及封裝、高速解調儀表的設計及應用為主要特色，形成了一套獨立的研制開發能力。目前已掌握了超短型和超大波長帶寬的光柵刻制技術、光纖光柵應變傳感器的小型化封裝、安裝和性能評價、高速光纖光柵解調等光纖傳感的關鍵技術。2012年已將該系統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，同時利用傳感器內埋方式實現了碳纖維復合材料實時沖擊定位監測的目的。在風電領域，在中航工業某葉片生產單位完成了葉片在疲勞試驗中的應變場監測，同時在山東某風電場實現了已運行葉片和塔筒應變和載荷的監測。

一、光纖光柵傳感器開發

目前已掌握了光柵刻制算法、封裝工藝及性能指標標定等關鍵技術，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定性達到國內領先水平。光纖光柵刻制生產線如圖4所示。目前已形成的產品有光纖光柵應變、溫度、壓力、加速度傳感器，各種應變傳感器如圖5所示。

二、光纖光柵傳感解調儀開發

根據光纖傳感器的應用需求以及解調技術實現的難易程度，重點研究了基于FP腔濾波法解調系統和基于衍射光柵分光法解調系統，幾種儀表如圖6所示。申請了20余項相關專利，涉及解調儀的小型化、溫度適應性、振動適應性、電磁兼容性、電源特性設計等關鍵技術。

三、光纖光柵傳感校準技術研究

對風電機組葉片進行測試前，需要保證光纖傳感器的現場測試準確性，既要確保光纖傳感器本身的準確性，亦要保證安裝工藝的規范性和測試數據的有效性。計量所針對該問題已成功研發兩套校準系統。第一種系統針對未安裝的傳感器，采用直拉式絕對校準法對傳感器進行拉伸壓縮，傳感器校準范圍為±4000με；重復性≤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變傳感器進行校準，可校準參數包括靈敏系數、機械滯后、蠕變、線性度等；該裝置的校準精度可達到1%；還可對高低溫環境下靈敏系數進行校準，校準溫度范圍為：-30℃-80℃。

光纖光柵傳感在某運行風電場的應用情況

為驗證光纖光柵傳感器在運行風電機組進行載荷測試的可行性和準確性，2015年將該系統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速的變化情況。光纖光柵葉片測試系統如圖7所示，由光纖光柵傳感器、光纖解調儀、無線傳輸模塊、傳輸鏈路、數據處理與顯示管理組成。

葉片采用葉片自重標定法進行載荷標定。

傳感器安裝位置和現場安裝情況如圖8所示，每個葉片安裝4個應變傳感器和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，放置于其中兩個應變傳感器的鄰近位置。

在為期一個月的測試過程中，系統自動保存光纖光柵監測數據。以三個葉片的彎矩數據為例，隨機取20秒的擺振彎矩數據如圖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的數據。葉片根部彎矩載荷通過光纖傳感監測系統所得，采樣率為50Hz；葉根的風速數據通過激光雷達監測系統所得，采樣率為1Hz。可以很明顯看出，所測的彎矩與風速變化趨勢基本一致，驗證了光纖光柵測試風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速和光纖數據的采集頻率不同，兩種數據采集設備時間未絕對同步引起。

小結與展望

在對運行機組葉片的應變和載荷監測過程中，光纖光柵傳感系統安裝方便，所測數據無斷點，信號傳輸穩定，耐久性好，與風速數據有較好的一致性，為獨立變槳的控制提供可靠詳實數據。該系統可監測的參數除了應變、溫度、載荷，亦可擴展至葉片損傷、覆冰監測，是實現機組葉片安全監測最有前景的傳感器之一。因該技術在風電領域的應用剛起步，結合風電葉片現場惡劣環境和測試參數的需求，要實現光纖傳感產品在風電領域的產業化目標，其長期可靠性（25年）需進一步驗證，成本較高、與現有機組其它參數監測系統的同步性和兼容性等是該技術成功推廣的限制因素。

針對國內現狀提出以下幾點展望：

（1）打破國外壟斷，加快自主知識產權申請。

（2）提高系統可靠性，降低成本，提高產品競爭力。

（3）實現區域監控，綜合參數監測的時間同步性設計，通過多個葉片組的數據監測，運營商可以掌握整個風電場的風電機組工作狀況，實現葉片動態維護、風電場動態化管理。

（4）實現遠程傳輸，實時監控功能。

（5）綜合葉片結構及運行多種參數，設置報警閥值，顯示智能維修建議。

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

（作者單位：中國航空工業集團公司北京長城計量測試技術研究所）