基于分布式光纖傳感技術的風電葉片變形監測研究

基金項目：湖南省重大科技攻關“揭榜掛帥”制項目（2023ZJ1040）

第一作者簡介：蔡明（1989-），男，碩士，結構設計師。研究方向為復合材料。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.16.004

摘" 要：為研究風電葉片在服役過程中的變形特性，采用分布式光纖傳感技術，對葉片在靜力試驗中的應變場進行監測。試驗結果表明，分布式光纖光柵（FBG）傳感器能夠有效測量風電葉片在靜力試驗中的各關鍵部位的應變信息，能承受大載荷下的高應變，測量結果與電阻應變片測量值基本吻合，驗證光纖傳感技術在風電葉片監測上的可靠性和有效性，為以后風電葉片的掛機在線監測提供可行方案。

關鍵詞：分布式光纖光柵傳感器；風電葉片；應變監測；靜力試驗；光纖傳感技術

中圖分類號：TB332" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）16-0016-04

Abstract： In order to study the deformation characteristics of wind power blades in service， the distributed optical fiber sensing technology is used to monitor the strain field of wind power blades in static test. The test results show that the distributed FBG sensor can effectively measure the strain information of the key parts of the wind turbine blade in the static load test， and can withstand the high strain under heavy load. The measured results are basically consistent with the measured values of the resistance strain gauge， which verifies the reliability and effectiveness of the optical fiber sensing technology in the wind turbine blade monitoring， and provides a feasible scheme for the on-line monitoring of the wind turbine blade in the future.

Keywords： distributed optical fiber sensor; wind power blade; strain monitoring; static test; optical fiber sensing technology

隨著全球對綠色能源需求的不斷提高，風電市場逐漸壯大，風電葉片作為風力發電的核心部件，在惡劣的環境中易發生失效和破壞的問題日益突出，風電葉片的結構健康監測具有越來越重要的地位[1-2]。

目前，國內外關于風電機組的健康監控技術研究較多，而針對風電葉片的研究和應用相對較少，國內尚未有關于風電掛機葉片結構健康監控的實例報道。此外，目前市場上對葉片出廠前進行的疲勞和靜載試驗大部分采用應變片進行檢測，由于應變片受環境影響較大、接線多及電纜自身較重等給葉片的監測帶來諸多不便。

光纖傳感技術具有抗電磁干擾、本質防爆、絕緣性能好和安裝簡便等優點[3-6]。由于光纖體積小，埋入材料中對其性能影響很小，將光纖光柵貼在結構表面或者植入其中與結構形成整體，通過傳感器響應可以得到結構完整信息從而評估工程結構的安全性和完整性[7-9]，在大型低速旋轉結構狀態監測、分布式光纖動靜件傳感、分布式光纖均勻預應力鋪設以及光纖應變損傷分析等方面都有廣泛的應用[10-14]。

因此，本文通過研究葉片內外表面光纖布局策略及設計施工、制造全尺寸應變監測葉片樣件，采用分布式光纖傳感技術監測風電葉片應變變化，并與電阻應變片的測量數據進行對比，驗證光纖傳感技術在風電葉片監測應用的可靠性和有效性，為未來研制帶有光纖“神經”的智能葉片打下良好基礎。

1" 全尺寸應變監測樣件制作

本次選用的葉片型號為71.5E，光纖傳感器預置在葉片內表面，預制位置主要包括葉片大梁中心線（PS面和SS面）、后緣（PS面和SS面）、前緣、合模縫LE、TE±45°方向（距離根部2 m和4 m），SS面和PS面距UD芯材2方向（距離根部6 m和14 m處，距UD 200、600、1 000 mm）上粘貼用玻纖預浸料封裝好的特種光纖光柵傳感器。

1.1" 光纖傳感器布局方案

為了對71.5E葉片的靜力試驗進行有效的實時監測，需要合理地對FBG光纖傳感器進行布局設計。根據靜載試驗的4個工況：最大揮舞、最小揮舞、最大擺振和最小擺振布置FBG光纖傳感器，布局方案如圖1所示。

1.2" 光纖傳感器的固定

光纖傳感器布局設計完成后，將光纖傳感器安裝于葉片指定位置。光纖傳感線總重量0.98 kg，應變片導線總重量260 kg，相比較電阻應變片，葉片增重明顯下降。

2" 試驗監測

2.1" 靜力試驗測試

靜力測試4個工況中，最大擺振是指由葉片的后緣向前緣發生形變，最小擺振是由葉片的前緣向后緣發生形變，最大揮舞是由葉片的PS面向SS面發生形變，最小揮舞是由葉片的SS面向PS面發生形變。試驗夾具位置分別為葉片的18.5、30、40、53和64 m。加載過程按照最大加載的20%→40%→60%→80%→100%的等級加載，卸載過程按照最大加載的80%→60%→40%→0的等級進行卸載。

各工況試驗現場如圖2所示，靜力加載開始后，FBGs和電阻應變片同時對監測部位進行數據采集，實時觀察各監測點的應變值變化情況，測試結束以后，對現場的光纜和電纜進行整理，為下一個工況做好準備。

圖1" 靜力試驗FBG傳感器布局

2.2" 試驗結果分析

在最大揮舞工況下，葉片PS面大梁和SS面大梁14、27、44 m處FBG測量結果如圖3所示，從圖3（a）可以看出，隨著加載的增加，在葉片PS面14、27、44 m處的應變均在增加，且呈線性上升趨勢，當加載到100%最大載荷時，在距葉根44 m處的應變也能被FBG傳感器準確測量。從圖3（b）可以看出，隨著加載的增加，葉片SS面對應位置的應變也在反方向線性增加。這是由于葉片在最大揮舞工況下，葉片的PS面向SS面發生形變，葉片PS面大梁拉伸，應變為正值，葉片SS面壓縮，應變為負值。從圖3能看出，FBG的測量結果與電阻應變片（SG）基本吻合，二者誤差在5%以內。

（a）" PS面大梁

（b）" SS面大梁

圖3" 最大揮舞PS面大梁和SS面大梁距離葉根14、27、44 m處FBG與SG測量結果

在最小揮舞工況下，葉片PS面大梁和SS面大梁14、27、44 m處FBG測量結果如圖4所示，從圖4（a）可以看出，隨著加載的增加，葉片PS面應變反向增加。從圖4（b）可以看出，隨著加載的增加，葉片SS面應變在線性增加。這是由于葉片在最小揮舞工況下，葉片的SS面向PS面發生形變，葉片PS面壓縮，應變為負值，葉片SS面大梁拉伸，應變為正值。從圖4能看出，FBG的測量結果與電阻應變片基本吻合，二者誤差在4%以內。

（a）" PS面大梁

（b）" SS面大梁

圖4" 最小揮舞PS面大梁和SS面大梁距離葉根14、27、44 m處FBG與SG測量結果

在最大擺振工況下，葉片前緣和后緣14、16、22 m處FBG測量結果如圖5所示，從圖5（a）可以看出，隨著加載的增加，葉片前緣應變反方向線性增加。從圖5（b）可以看出，隨著加載的增加，葉片后緣應變正向線性增加。這是由于最大擺振情況下，葉片的后緣向前緣發生形變，葉片前緣壓縮，應變為負，葉片后緣拉伸，應變為正。從圖5能看出，在最大擺振工況下，葉片前后緣FBG的測量結果與電阻應變片基本吻合，二者誤差在7%以內。

（a）" 前緣

（b）" 后緣

圖5" 最大擺振前緣和后緣距離葉根14、16、22 m處FBG與SG測量結果

在最小擺振工況下，葉片前緣和后緣14、16、22 m處FBG測量結果如圖6所示，從圖6（a）可以看出，隨著加載的增加，葉片前緣應變呈線性增加，從圖6（b）可以看出，隨著加載的增加，葉片后緣應變反向線性增加，這是由于最小擺振情況下，葉片的前緣向后緣發生形變，葉片前緣拉伸，應變為正，后緣壓縮，應變為負。從圖6能看出，在最小擺振工況下，葉片前后緣FBG的測量結果與電阻應變片基本吻合，二者誤差在8%以內。

（a）" 前緣

（b）" 后緣

圖6" 最小擺振前緣和后緣距離葉根14、16、22 m處FBG與SG測量結果

3" 結論

本文設計和制造全尺寸應變監測風電葉片樣件，采用分布式光纖傳感技術在葉片內外表面布設光纖傳感器，開展葉片在靜力測試不同工況下變形監測研究，并與電阻應變片的測量數據進行對比，試驗結果表明，FBG能夠很好地監測葉片在靜載試驗中的各關鍵部位的應變，能承受大載荷下的高應變，與電阻應變片基本吻合，誤差在8%之內，為以后風電葉片的掛機在線監測提供可行方案。

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