專利名稱：利用光學(xué)傳感器的集成測量系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及一種測量系統(tǒng)，并且更具體地涉及一種利用光學(xué)傳 感器的集成測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
許多系統(tǒng)受到例如應(yīng)力或熱的效應(yīng)的影響，這會對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)整體 性有害。此外，例如風(fēng)輪機的系統(tǒng)受雷擊的影響，這會對風(fēng)輪機葉片結(jié) 構(gòu)有害。特別是，風(fēng)輪機通常很可能受雷擊影響，這是因為風(fēng)輪機被優(yōu) 選放置在位置較高且有風(fēng)的位置處，用以實現(xiàn)高生產(chǎn)率。對于風(fēng)輪機葉 片監(jiān)控來講，機械應(yīng)力如雷擊的定位和分類一樣重要。這種系統(tǒng)需要電 流和磁場的監(jiān)控，同時需要應(yīng)力和溫度的監(jiān)控。
當(dāng)前，為了監(jiān)控各種參數(shù)，單獨的測量系統(tǒng)被用于監(jiān)控每一個參數(shù)。 單獨的監(jiān)控導(dǎo)致獨立的詢問、檢測和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，這會引起對于多個 系統(tǒng)的附加成本和空間限制。
因此，需要一種用于測量多個參數(shù)、而沒有前述缺陷的測量系統(tǒng)和 方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個實施例是一種用于測量多個參數(shù)的集成測量系統(tǒng)。該
集成系統(tǒng)包括光纖布拉格光柵(FBG)傳感器，配置成調(diào)制FBG輸入 信號的波長，以提供對應(yīng)于FBG參數(shù)的FBG輸出信號；光纖法拉第旋 轉(zhuǎn)器(FFR)傳感器模塊，配置成旋轉(zhuǎn)偏振和調(diào)制FFR輸入信號的強度， 以提供對應(yīng)于FFR參數(shù)的FFR輸出信號，其中FBG傳感器和FFR傳感 器模塊被耦合，以提供集成系統(tǒng)輸出信號；以及檢測系統(tǒng)，配置成接收 集成系統(tǒng)輸出信號，并且配置成利用集成系統(tǒng)輸出信號，以獲得與至少 一個FBG或FFR參數(shù)相關(guān)的值。
本發(fā)明的另一個實施例是一種包括基底和集成測量系統(tǒng)的系統(tǒng)。該 集成測量系統(tǒng)包括可操作地耦合至基底的至少一個集成傳感器模塊，以
便測量多個參數(shù)，其中傳感器模塊包括至少一個FBG傳感器和至少一個
FFR傳感器模塊，其中多個參數(shù)包括通過至少一個FBG傳感器感測的至 少一個FBG參數(shù)和通過FFR傳感器模塊感測的至少一個FFR參數(shù)，其 中集成測量系統(tǒng)產(chǎn)生對應(yīng)于至少一個FBG參數(shù)和至少一個FFR參數(shù)的集 成系統(tǒng)輸出信號。
本發(fā)明的另一個實施例是一種風(fēng)輪機系統(tǒng)。該風(fēng)輪機系統(tǒng)包括包 括一個或多個渦輪葉片的風(fēng)輪機，以及集成測量系統(tǒng)，該集成測量系統(tǒng) 包括可操作地耦合至一個或多個渦輪葉片的一個或多個集成傳感器模 塊，以便測量多個參數(shù)，其中集成傳感器模塊包括至少一個FBG傳感器 和至少一個FFR傳感器模塊，其中多個參數(shù)包括通過至少一個FBG傳感 器感測的至少一個FBG參數(shù)和通過FFR傳感器模塊感測的至少一個FFR 參數(shù)，其中集成測量系統(tǒng)產(chǎn)生對應(yīng)于至少一個FBG參數(shù)和至少一個FFR 參數(shù)的集成系統(tǒng)輸出信號。
本發(fā)明的又一實施例是一種用于多個參數(shù)的集成測量的方法。該方
法包括利用詢問信號而詢問至少一個集成傳感器模塊，其中集成傳感
器模塊包括用于感測至少一個FBG參數(shù)的至少一個FBG傳感器和用于 感測至少一個FFR參數(shù)的至少一個FFR傳感器模塊，其中利用FBG輸 入信號詢問FBG傳感器，并且利用FFR輸入信號詢問FFR傳感器模塊； 產(chǎn)生與FBG參數(shù)和FFR參數(shù)相關(guān)的集成系統(tǒng)輸出信號；檢測集成系統(tǒng)輸 出信號，以產(chǎn)生FBG參數(shù)數(shù)據(jù)和FFR參數(shù)數(shù)據(jù)；以及確定FBG參數(shù)和 FFR參數(shù)的值。


當(dāng)參照附圖閱讀下面的詳細(xì)描述時，可以更好地理解本發(fā)明的這些 和其它特征、方面和優(yōu)點，其中類似的字符表示貫穿附圖的類似的部件， 其中
圖1是本發(fā)明的一個實施例中集成測量系統(tǒng)的示意性表示； 圖2是本發(fā)明的另一個實施例中集成測量系統(tǒng)的示意性表示； 圖3是本發(fā)明的另一個實施例中集成測量系統(tǒng)的示意性表示； 圖4是本發(fā)明的另一個實施例中集成測量系統(tǒng)的示意性表示； 圖5是本發(fā)明的另一個實施例中集成測量系統(tǒng)的示意性表示；
圖6是本發(fā)明的另一個實施例中集成測量系統(tǒng)的示意性表示； 圖7是本發(fā)明的另一個實施例中集成測量系統(tǒng)的示意性表示； 圖8是本發(fā)明的一個實施例中包括集成測量系統(tǒng)的系統(tǒng)的示意性表
示；
圖9是本發(fā)明的一個實施例中包括集成測量系統(tǒng)的風(fēng)輪機系統(tǒng)的示 意性表示。
具體實施例方式
本發(fā)明的實施例包括利用耦合的光纖布拉格光柵(FBG)傳感器(意 味著至少一個FBG傳感器)和光纖法拉第旋轉(zhuǎn)器(FFR)傳感器模塊(意 味著至少一個FFR傳感器模塊)而用于多個參數(shù)的集成測量的系統(tǒng)和方 法。
在下面的說明書和權(quán)利要求書中，將提到一些具有下述含義的術(shù)語。 單數(shù)形式"一"和"一個"包括多個對象，除非上下文清楚地另外規(guī)定。
如此處使用的，術(shù)語"多個參數(shù)的集成測量"涉及一種結(jié)構(gòu)，其中產(chǎn) 生、檢測和分析集成系統(tǒng)輸出信號、通過FBG傳感器和FFR傳感器模塊 感測的編碼參數(shù)信息，以確定至少一個FBG或FFR參數(shù)。在一個實施例 中，產(chǎn)生、檢測和分析集成系統(tǒng)輸出信號、通過FBG傳感器和FFR傳感 器模塊感測的編碼參數(shù)信息，以確定FBG參數(shù)和FFR參數(shù)。術(shù)語"集成 系統(tǒng)輸出信號"涉及對分別通過FBG傳感器和FFR傳感器模塊感測的參 數(shù)值進行信號編碼。
通常通過光纖芯的折射率的周期調(diào)制形成光纖布拉格光柵(FBG)。 FBG對具有以稱作布拉格波長(入B)的波長為中心的狹窄帶寬中的波長 的光是高反射，同時其它波長通過而沒有發(fā)生反射。布拉格波長取決于 影響折射率的例如應(yīng)力和溫度的物理參數(shù)，因此引起光柵周期的改變。 在一個實施例中，F(xiàn)BG傳感器可以由可以在光纖上分布的幾個敏感光柵 元件構(gòu)成。
光纖法拉第旋轉(zhuǎn)器(FFR)基于法拉第效應(yīng)的原理工作，其中在顯示 出磁光效應(yīng)的材料中傳播的線性偏振光的偏振面在外部磁場影響下旋轉(zhuǎn) 一定角度。旋轉(zhuǎn)的角度與平行于光傳播方向的磁場分量成比例。
從輸入FFR信號的偏振面的旋轉(zhuǎn)可以直接測量感應(yīng)磁場，也被稱作 通過方程1給出的法拉第旋轉(zhuǎn)
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其中， 表示法拉第旋轉(zhuǎn)的角度，入表示光的波長，T是溫度，F(xiàn)是 光纖晶體(fiber optic crystal)的維爾德常數(shù)，并且//是沿著傳播路徑/ 的磁場強度。此處所指的術(shù)語，材料的"維爾德常數(shù)"，被定義為對于各 個材料的法拉第效應(yīng)強度的測量的光學(xué)常數(shù)。測量的靈敏度隨著維爾德 常數(shù)的增大而增大。
如果光纖線圈用于感測通過在其周圍纏繞線圈的導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場，則 通過方程2給出法拉第旋轉(zhuǎn)角度
= VNI (2)
其中V是維爾德常數(shù)，N是光纖線圈的匝數(shù)，并且I是導(dǎo)體中的電流。 本發(fā)明的一個實施例是用于測量通過FBG傳感器感測的FBG參數(shù) (意味著至少一個FBG參數(shù))和通過FFR傳感器模塊感測的FFR參數(shù) (意味著至少一個FFR參數(shù))的集成測量系統(tǒng)。FFR傳感器模塊包括FFR 和偏振器。根據(jù)感測的FBG參數(shù)，F(xiàn)BG波長調(diào)制輸入FBG信號，并且 根據(jù)感測的FFR參數(shù)，利用FFR， FFR傳感器模塊旋轉(zhuǎn)偏振，并且利用 偏振器，進行強度調(diào)制。
在一個實施例中，通過FBG傳感器或FFR傳感器模塊的其中之一產(chǎn) 生的調(diào)制信號用于詢問另一個。在一個例子中，通過光源產(chǎn)生的詢問信 號形成FBG輸入信號，并且FBG輸出信號的至少一部分形成FFR輸入 信號。FFR輸出信號然后形成集成系統(tǒng)輸出信號。相反地，在可替代的 例子中，通過光源產(chǎn)生的詢問信號可以形成FFR輸入信號，F(xiàn)BG輸出 信號的至少一部分形成FFR輸入信號。FFR輸出信號然后可以形成集成 系統(tǒng)輸出信號。
FBG參數(shù)的非限制性的例子包括溫度和應(yīng)力。在一個實施例中，F(xiàn)BG 傳感器耦合至例如風(fēng)輪機系統(tǒng)的葉片的一部分系統(tǒng)或基底，或者與例如 風(fēng)輪機系統(tǒng)的葉片的一部分系統(tǒng)或基底接觸，測量它們的溫度或應(yīng)力。
FFR參數(shù)的非限制性的例子包括電流和磁場。當(dāng)通過在磁場中布置 FFR傳感器模塊而直接測量磁場時，通過布置載流導(dǎo)體直接測量電流， 該電流產(chǎn)生鄰近FFR傳感器模塊的磁場。載流導(dǎo)體在其周圍產(chǎn)生磁場，
所述磁場由FFR傳感器模塊感測。在一個例子中，F(xiàn)FR包括光纖晶體或 光纖線圈。在非限制性的例子中，晶體可以包括具有高維爾德常數(shù)的光 學(xué)透明鐵磁晶體材料，例如釔鐵石榴石和釓鐵石榴石。在光纖線圈結(jié)構(gòu) 中，光纖線圈纏繞在載流導(dǎo)體周圍，以便由于導(dǎo)體中的電流而感應(yīng)磁場。 偏振面的旋轉(zhuǎn)與維爾德常數(shù)成比例，光纖線圈的匝數(shù)和通過導(dǎo)體的電流 如方程2所示。為了在輸出信號中實現(xiàn)期望的信噪比，可能需要大量匝 數(shù)的線圈。在一個實施例中，F(xiàn)FR用于檢測和測量由于對系統(tǒng)的雷擊而 產(chǎn)生的電流，利用導(dǎo)體將所述電流傳導(dǎo)至測量系統(tǒng)。在通過流進導(dǎo)體中 的電流產(chǎn)生的磁場中布置FFR。
在一個實施例中，F(xiàn)FR參數(shù)是閃電參數(shù)，其不僅包括通過雷擊產(chǎn)生的 電流，而且包括雷擊的位置測量。在一個實施例中，在受雷擊影響的基 底上相對于彼此布置的多個FFR模塊可以用于定位雷擊的位置。
在一個實施例中，測量系統(tǒng)進一步包括包括一個或多個光源的詢問 模塊。在一個實施例中，光源是多頻率的。如此處使用的，術(shù)語"多頻 率光源"涉及以多個波長發(fā)射光的源，例如但不局限于寬帶光源、 Fabry-Perot激光器、外腔激光器(external cavity laser)或包括以多個波 長發(fā)射的多個光源的光學(xué)裝置。
在進一步的實施例中，測量系統(tǒng)包括分光計或頻譜分析儀，以便從至 少部分集成系統(tǒng)輸出信號中提取波長調(diào)制信息。
在一個實施例中，作為偏振器的偏振分析器用于將從FFR形成的偏 振旋轉(zhuǎn)信號轉(zhuǎn)換成強度調(diào)制信號。偏振分析器相對于耦合進入FFR的詢 問信號的偏振面具有固定偏振角度。因為從FFR形成的偏振旋轉(zhuǎn)信號的 偏振面根據(jù)感測磁場的值而改變，沿著偏振分析器的偏振角度的偏振旋 轉(zhuǎn)信號的分量幅值改變，從而將來自偏振旋轉(zhuǎn)角度的編碼轉(zhuǎn)換成強度調(diào) 制。
在一個實施例中，例如光電二極管的強度檢測器用于測量至少一部分 集成系統(tǒng)輸出信號的強度。
在一個實施例中，測量系統(tǒng)包括用于處理通過分光計和/或檢測器產(chǎn) 生的信息的數(shù)據(jù)處理和控制單元，以確定感測的FFR參數(shù)的值。在進一 步的實施例中，數(shù)據(jù)處理和控制單元也用于控制光源、分光計和檢測器。圖1描述了本發(fā)明的一個實施例中的測量系統(tǒng)10。該系統(tǒng)10包括光
源12，來自光源12的光耦合進入FBG傳感器14，該FBG傳感器14包 括光纖布拉格光柵或光纖布拉格光柵陣列。來自光源12的光(在該實施 例中是FBG輸入信號)用于詢問FBG傳感器14。在一個例子中，光源 是寬帶光源。在圖l中示出的實施例中，以可傳送模式獲得來自FBG傳 感器的波長調(diào)制信號。波長調(diào)制表示感測的FBG參數(shù)，例如溫度或應(yīng)變， 該感測的FBG參數(shù)修改FBG的布拉格波長。
在光被耦合進入FBG傳感器14之前，利用消偏振鏡16光學(xué)消偏振 來自源12的光。典型地，F(xiàn)BG的光譜響應(yīng)和FFR的強度響應(yīng)取決于入 射光的偏振。如果入射光是高偏振的，則該偏振相關(guān)性可以在兩個響應(yīng) 中引起誤差。在許多系統(tǒng)中，利用單模光纖(SMF)，入射光的偏振是變 化和未知的，并引起無法預(yù)料地改變光譜和強度響應(yīng)的波長中的偏移。 消偏振鏡可以用于減輕該效應(yīng)。
從FBG傳感器14產(chǎn)生波長調(diào)制(WM)信號，并在耦合進入FFR 傳感器模塊19之前入射至第一偏振器18上。第一偏振器18線性偏振波 長調(diào)制(WM)信號，以提供FFR輸入信號。FFR傳感器模塊19包括 FFR20和偏振分析器22?；谘刂獾膫鞑シ较蚋袦y的磁場分量，線性 偏振波長調(diào)制信號的平面被旋轉(zhuǎn)。偏振旋轉(zhuǎn)(PR)信號被進一步入射至 偏振分析器上，所述偏振分析器將旋轉(zhuǎn)角度信息轉(zhuǎn)換成強度的改變，以 提供形成集成系統(tǒng)輸出信號的強度調(diào)制的波長調(diào)制(IMWM)信號。偏 振分析器22具有關(guān)于第一偏振器18的固定偏振角度。沿著光纖24傳送 該集成系統(tǒng)輸出信號至檢測系統(tǒng)25。在本發(fā)明的一個實施例中，檢測系 統(tǒng)可以包括一個或多個分光計或一個或多個強度檢測器，或者兩者都包 括。在圖'l中示出的所述實施例中，集成系統(tǒng)輸出信號部分耦合進入分 光計26，并部分耦合進入強度檢測器28。分光計表征由于FBG參數(shù)造 成的波長偏移/改變，并且強度檢測器表征由于FFR參數(shù)造成的強度改變。 在該實施例中，集成系統(tǒng)輸出信號用于確定FBG參數(shù)和FFR參數(shù)。在一 個實施例中，使用光纖用以在傳感器之間傳送信號，并且光纖傳感器的 使用減小了電磁干擾(EMI)對測量結(jié)果的影響。
在一個實施例中，傳感器的詢問或采樣率大于大約500kHz。在進一
步的實施例中，傳感器的詢問或采樣率大于大約lMHz。在進一步的實施
例中，傳感器的詢問或采樣率大于大約2MHz。
在圖2中示出圖1中所示的實施例的可替代實施例。該實施例，盡管 具有類似于圖1實施例的配置，但還包括以反射模式的FBG輸出信號的 檢測。系統(tǒng)11包括光源12，來自光源12的光耦合進入包括光纖布拉格 光柵或光纖布拉格光柵陣列的FBG傳感器14。來自光源12的光(在該 實施例中是FBG輸入信號)用于詢問FBG傳感器14。在該實施例中， 使用波長調(diào)制的反射FBG輸出信號和波長調(diào)制的透射FBG輸出信號。
當(dāng)通過分光計15檢測反射FBF信號時，透射FBG輸出信號入射至 消偏振鏡17上。該實施例中的優(yōu)點在于，反射FBG信號可以用于確定 FBG參數(shù)，所述反射FBG信號發(fā)送至分光計而沒有通過FFR傳感器， 因此所述FFR對FBG信號強度沒有影響。從消偏振鏡17產(chǎn)生的偏振光 入射至第一偏振器18上，第一偏振器18線性地偏振波長調(diào)制(WM)信 號，以提供FFR輸入信號。FFR傳感器模塊19包括FFR20和偏振分析 器22。 FFR參數(shù)被編碼為來自FFR輸出信號的強度變化/調(diào)制。在輸出信 號被強度檢測器28檢測之前，沿著光纖24傳送該輸出信號。在該實施 例中，集成系統(tǒng)輸出信號用于確定FFR參數(shù)，同時反射FBG輸出信號用 于確定FBG參數(shù)。
圖3描述了本發(fā)明的一個實施例中的測量系統(tǒng)30。該系統(tǒng)30包括光 源32，來自光源32的光(詢問信號)耦合進入偏振器34，以在作為FFR 輸入信號被入射至FFR傳感器模塊35上之前線性偏振所述光。FFR36 旋轉(zhuǎn)對應(yīng)于感測的FFR參數(shù)的FFR輸入信號的偏振面，以提供偏振旋轉(zhuǎn) 信號，通過偏振器38，該偏振旋轉(zhuǎn)信號被轉(zhuǎn)換成強度調(diào)制(IM)信號。 M信號作為FBG輸入信號入射至FBG傳感器40上。相比較圖1中所述 的實施例，在該實施例中，在FBG傳感器40之前典型地不使用消偏振 鏡。FBG傳感器40波長調(diào)制對應(yīng)于感測的FBG參數(shù)的入射M信號，以 提供MWM信號(集成系統(tǒng)輸出信號)，在所述IMWM信號被部分耦合 進入分光計44和部分耦合進入強度檢測器46之前，沿著光纖42傳送該 MWM信號。
圖4描述了本發(fā)明的另一個實施例中的測量系統(tǒng)48。在該實施例中，
以反射模式使用FBG傳感器。該系統(tǒng)48包括寬帶光源50。來自光源的 詢問信號耦合進入消偏振鏡52，以便在被耦合進入耦合器54之前對光進 行消偏振。耦合器分裂入射的消偏振光，通過光纖將消偏振光部分耦合 進入FBG傳感器56，并且部分通過另一光纖，被反射鏡58反射。沿著 光纖57朝向耦合器54， FBG傳感器56反向反射對應(yīng)于中心位于布拉格 波長周圍的感測FBG參數(shù)的波長調(diào)制信號，該波長調(diào)制信號與來自反射 鏡的反射信號在耦合器處疊加，并且耦合離開耦合器，傳送至第一偏振 器60，該第一偏振器60偏振所述信號，該信號然后入射至FFR傳感器 模塊61上。FFR傳感器模塊61包括FFR62， FFR62旋轉(zhuǎn)對應(yīng)于感測磁 場的入射信號的偏振面，并且進一步包括第二偏振器64，第二偏振器64 強度調(diào)制信號，以提供MWM信號，該MWM信號作為集成系統(tǒng)輸出 信號傳送至分光計66和檢測器68。
可替代地，代替反射鏡58，可以使用吸收器59。在這種配置中，僅 來自FBG傳感器56的WM信號被耦合進入FFR傳感器模塊60。
圖5描述了本發(fā)明的一個實施例中的測量系統(tǒng)70。在該實施例中， 以反射模式使用FBG傳感器。該系統(tǒng)70包括發(fā)射詢問信號的寬帶光源 72，該詢問信號被耦合進入第一偏振器74，以便在入射至FFR傳感器模 塊75之前線性偏振詢問信號，該FFR傳感器模塊75包括FFR76和第二 偏振器78。從FFR產(chǎn)生偏振旋轉(zhuǎn)(PR)信號，并入射至第二偏振器78 上。入射PR信號作為強度調(diào)制(M)信號而離開第二偏振器78，并且 通過耦合器80最終探測FBG傳感器82。通過FBG傳感器82反射的 IMWM信號特征在于被FFR傳感器模塊76感測的磁場和通過FBG傳感 器82感測的參數(shù)。部分IM信號也朝向反射鏡84耦合，反射鏡84朝向 耦合器80將所述部分IM信號反向反射，并在耦合器80處與IMWM信 號疊加，以便形成集成系統(tǒng)輸出信號，所述集成系統(tǒng)輸出信號傳送至分 光計86和強度檢測器88。
可替代地，代替反射鏡84，可以使用吸收器85。在這種配置中，僅 來自FBG傳感器82的反射信號被傳送至分光計86和檢測器88。
在圖6中示出的所述實施例中，詢問模塊91包括具有不同中心波長 入j和入2的至少兩個光源。測量系統(tǒng)90包括第一光源92和第二光源94。
從兩個光源92和94輸出的光被組合，以便形成詢問信號。詢問信號耦
合于第一偏振器96上，以便在入射于FFR傳感器模塊97上之前線性偏 振詢問信號，該FFR傳感器模塊97包括FFR98和第二偏振器100。在 FFR傳感器98產(chǎn)生對應(yīng)于感測磁場的偏振旋轉(zhuǎn)(PR)信號，并入射至第 二偏振器100上。沿著第二偏振器100的偏振角度的PR信號分量作為IM 信號(在兩個波長處)產(chǎn)生，并被耦合進入FBG傳感器102。對應(yīng)于例 如溫度或應(yīng)力的感測參數(shù)，通過FBG傳感器102對IM信號進行波長調(diào) 制，該波長調(diào)制修改FBG傳感器102的布拉格波長，以提供集成系統(tǒng)輸 出信號，該集成系統(tǒng)輸出信號最終被分光器104檢測。
分光計可以用于確定通過FBG和FFR傳感器模塊感測的參數(shù)。分光 計測量光源92和94的兩個波長處的波長偏移和強度。所述波長偏移用 于確定通過FBG傳感器感測的參數(shù)的值，所述強度用于確定通過FFR傳 感器模塊感測的參數(shù)的值。使用不同波長處的光信號允許測量或確定溫 度對傳感器98的法拉第旋轉(zhuǎn)的影響，因此允許測量或確定法拉第傳感器 中法拉第材料內(nèi)部的溫度。在一些實施例中，需要在所使用的波長范圍 具有低損耗的單模光纖，以有效傳送來自兩個光源的信號。在一個例子 中，入i是大約1330nm，入2是大約1500nm。
圖7描述了另一個實施例，其中使用具有不同中心波長A i和入2的至 少兩個光源。測量系統(tǒng)106包括光源-1 108和光源-2 110。從兩個光源108 和110輸出的光被組合，以便形成詢問信號。在該實施例中，為了參數(shù) 的最終檢測和分析，僅中心位于A i的部分集成系統(tǒng)輸出信號被用于確定 通過FFR傳感器模塊感測的參數(shù)，并且僅中心位于A 2的部分集成系統(tǒng)輸 出信號被用于詢問FBG傳感器。詢問信號耦合到第一偏振器112上，以 便在入射到FFR傳感器模塊113上之前線性偏振詢問信號，該FFR傳感 器模塊113包括FFR114和第二偏振器116。從FFR114產(chǎn)生對應(yīng)于感測 磁場的偏振旋轉(zhuǎn)(PR)信號，并入射至第二偏振器116上。沿著第二偏 振器116的偏振角度的PR信號分量作為強度調(diào)制(IM)信號(在兩個 波長處)產(chǎn)生，并通過耦合器118，部分耦合進入FBG傳感器120。任 意地，可以在第二偏振器116和耦合器118之間安裝消偏振鏡。對應(yīng)于 例如溫度或應(yīng)力的傳感參數(shù)，通過FBG傳感器120僅調(diào)制和反射中心位
于大約入2的部分IM信號，所述調(diào)制和反射修改傳感器120的布拉格波
長。在通過濾波器122濾波中心位于大約人2的信號之后，M信號的第 二部分也被反射鏡124反射掉。也就是說，在入2處信號分量入射于反射 鏡124之前，入2處信號分量也被濾除掉。在通過光纖125被傳送至檢測 系統(tǒng)126并被檢測系統(tǒng)126檢測之前，來自FBG傳感器20的反射信號 (其特征在于通過FBG測量的參數(shù))和來自反射鏡124的反射信號(其 特征在于FFR感測參數(shù))在耦合器118處組合。檢測系統(tǒng)126包括波長 分配多路復(fù)用器127，以便分離兩個波長，并包括檢測器128和129，以 便單獨檢測中心位于大約兩個波長處的信號。在一個實施例中，檢測是 基于硬件的，而不利用任何軟件檢測系統(tǒng)。
圖8描述了在本發(fā)明的一個實施例中包括用于測量多個參數(shù)的測量 系統(tǒng)的系統(tǒng)130。測量系統(tǒng)包括詢問和分析模塊132，詢問和分析模塊132 包含至少一個光源134、檢測器136與數(shù)據(jù)處理和控制單元138。來自光 源的光通過光纖140， 142， 144， 146被傳送至集成傳感器模塊150， 152 和154，所述集成傳感器模塊150， 152和154可操作地耦合至基底或系 統(tǒng)部分148，以便測量多個參數(shù)?？梢栽诶顼L(fēng)輪機系統(tǒng)的葉片的系統(tǒng)基 底148上或附近布置集成傳感器模塊，或?qū)⒓蓚鞲衅髂K嵌入例如風(fēng) 輪機系統(tǒng)的葉片的系統(tǒng)基底148內(nèi)部。在所示的實施例中，多個集成傳 感器模塊150， 152和154用于測量在系統(tǒng)中不同點處感興趣的參數(shù)。在 一個實施例中，每一個集成傳感器模塊包括至少一個FBG傳感器和至少 一個FFR傳感器模塊。在通過詢問信號詢問時，傳感器模塊產(chǎn)生對來自 FBG傳感器和FFR傳感器模塊的參數(shù)信息進行編碼的集成系統(tǒng)輸出信 號，通過光纖156， 158和160，該集成系統(tǒng)輸出信號被傳送至檢測器136。 在一個實施例中，檢測器包括一個或多個強度檢測器和/或頻譜分析器。 在一個例子中，強度檢測器是光電(0/E)轉(zhuǎn)換器?？商娲?，也可以使 用例如參照圖1-7在上面所述的那些光源和檢測實施例。
本發(fā)明的另一個實施例是風(fēng)輪機系統(tǒng)。該風(fēng)輪機系統(tǒng)包括風(fēng)輪機，所 述風(fēng)輪機包括一個或多個渦輪葉片，以及集成測量系統(tǒng)，該集成測量系 統(tǒng)包括可操作地耦合至一個或多個渦輪葉片的一個或多個集成傳感器模 塊，以便測量多個參數(shù)，其中集成傳感器模塊包括至少一個FBG傳感器和至少一個FFR傳感器模塊，其中多個參數(shù)包括通過至少一個FBG傳感 器感測的至少一個FBG參數(shù)和通過FFR傳感器模塊感測的至少一個FFR 參數(shù)，其中集成測量系統(tǒng)產(chǎn)生對應(yīng)于至少一個FBG參數(shù)和至少一個FFR 參數(shù)的集成系統(tǒng)輸出信號。在一個實施例中，集成測量系統(tǒng)包括多個集 成傳感器模塊。
對于風(fēng)輪機葉片監(jiān)控，獲得關(guān)于機械應(yīng)力的信息是有用的。利用集成 測量系統(tǒng)，可以容易地確定關(guān)于風(fēng)輪機葉片經(jīng)歷的機械應(yīng)力和由于雷擊 產(chǎn)生的導(dǎo)體中電流所產(chǎn)生的磁場的信息。此外，如果需要的話，可以監(jiān) 控溫度，并且可以補償對磁場傳感器的溫度影響。維爾德常數(shù)是與溫度 相關(guān)的。當(dāng)溫度改變時，通過測量FFR的響應(yīng)，可以評估維爾德常數(shù)的 改變。在多個參考中已經(jīng)描述了用以測量對FFR傳感器溫度影響的這種 技術(shù)，例如"Leung et al.,IEE international conference on advances in power system control,operation and management,November 1991,pp 637-643"。 i亥 系統(tǒng)提供了減小光纖和硬件設(shè)備數(shù)量的附加優(yōu)點。
圖9是依據(jù)本發(fā)明一個實施例包括集成測量系統(tǒng)的風(fēng)輪機系統(tǒng)162 的圖示描述。集成測量系統(tǒng)被用于測量包括應(yīng)力和閃電參數(shù)的參數(shù)。通 常假定目標(biāo)經(jīng)受雷擊的可能隨著目標(biāo)高度的平方而增加。在其中高度典 型為大約110m的風(fēng)輪機的情況中，存在較高可能的雷擊。如在圖8中示 出的風(fēng)輪機系統(tǒng)162包括布置在每一個風(fēng)輪機葉片166上的一系列集成 傳感器模塊164。以相互間隔特定距離布置集成傳感器模塊164，以便測 量葉片166上的沖擊點。當(dāng)閃電168沖擊葉片166時，閃電電流通過葉 片166中的導(dǎo)體170，所述導(dǎo)體170傳送閃電感應(yīng)的電流至集成傳感器模 塊164。在一個例子中，導(dǎo)體170可以是鋁導(dǎo)線。在一個實施例中，在風(fēng) 輪機系統(tǒng)162的中央174處的電磁隔離外殼中布置包括至少一個光源的 詢問模塊172，所述詢問模塊172產(chǎn)生詢問信號，以便詢問集成傳感器模 塊164。
相互之間以最佳距離布置集成傳感器模塊164，從而實現(xiàn)用于確定風(fēng) 輪機葉片166上沖擊點的期望分辨率。在示范性的實施例中，可以以相 互間隔大約10米來布置集成傳感器模塊164。
通過數(shù)據(jù)處理單元(未示出)可以進一步處理通過集成傳感器模塊產(chǎn)
生的集成系統(tǒng)輸出信號，以便不僅確定閃電參數(shù)，而且確定葉片中測量 點處的應(yīng)力和/或溫度。
在其中需要EMI穩(wěn)定性和使用應(yīng)力/溫度和電流/磁場測量的實施例 中，集成測量系統(tǒng)是特別有利的，例如在運輸系統(tǒng)和在爆炸環(huán)境中。在 一個例子中，運輸系統(tǒng)是船。可以有益地包括這種集成測量系統(tǒng)的其它 不受限制的系統(tǒng)例子包括電力傳輸線和網(wǎng)絡(luò)、功率發(fā)生器、航空器、 鐵路機車和重型發(fā)動機。
在本發(fā)明的一個實施例中，用于多個參數(shù)的集成測量的方法包括利用 詢問信號詢問至少一個集成傳感器模塊。該方法包括感測至少一個FBG
參數(shù)和感測至少一個FFR參數(shù)，以產(chǎn)生集成系統(tǒng)輸出信號。利用FBG輸 入信號詢問FBG傳感器，并且利用FFR輸入信號詢問FFR傳感器模塊。 在一個例子中，F(xiàn)BG輸出信號可以提供FFR輸入信號，或者反之亦然。 在一個實施例中，集成系統(tǒng)輸出信號是對FBG參數(shù)信息和FFR參數(shù)信息 進行編碼的強度調(diào)制波長調(diào)制(IMWM)信號。在一個實施例中，F(xiàn)BG 參數(shù)信息被編碼為波長調(diào)制，F(xiàn)FR參數(shù)信息信號被編碼為強度調(diào)制。檢 測IMWM信號，所述MWM信號用于產(chǎn)生FBG參數(shù)數(shù)據(jù)和FFR參數(shù)數(shù) 據(jù)。在一個例子中，例如對于閃電定位測量來講，可以合并(ftise)來自 FBG傳感器和FFR傳感器模塊的數(shù)據(jù)。在一個實施例中，其中以傳輸模 式使用FBG傳感器，將從寬帶FBG輸入信號中濾除光譜線。被濾波的 光譜線將根據(jù)它們在光譜中的位置而改變強度。在實施例中，其中FBG 輸出或FBG輸出信號的至少一部分用作FFR輸入信號，關(guān)于通過檢測器 登記的寬帶光譜的被濾波光譜線信息可以用于評估通過FFR傳感器的強 度。
雖然在此已經(jīng)描述和闡述了本發(fā)明的某些特征，但對所屬領(lǐng)域的技術(shù) 人員來講可以進行多種修改和改變。因此可以理解的是，權(quán)利要求書試 圖覆蓋落入本發(fā)明真實精神范圍內(nèi)的全部這種修改和改變。 元件清單 10集成測量系統(tǒng) 11集成測量系統(tǒng)12光源
14FBG傳感器
15分光計
16消偏振鏡
18第一偏振器
19FFR傳感器模塊
20 FFR傳感器
22第二偏振器
24光纖
25檢測系統(tǒng)
26分光計
28強度檢測器
30集成測量系統(tǒng)
32光源
34第一偏振器
35 FFR傳感器模塊
36 FFR傳感器 38第二偏振器 40 FBG傳感器 42光纖
44分光計
46強度檢測器
48集成測量系統(tǒng)
50光源
52 FFR傳感器
54耦合器
56 FBG傳感器
57光纖
58反射鏡
59吸收器
60第一偏振器
61FFR傳感器模塊
62 FFR傳感器
64第二偏振器
66分光計
68強度檢測器
70集成測量系統(tǒng)
72光源
74第一偏振器
75 FFR傳感器模塊
76 FFR傳感器 78第二偏振器 80耦合器
82 FBG傳感器
83光纖
84反射鏡
85吸收器
86分光計
88強度檢測器
90集成測量系統(tǒng)
91詢問模塊
92光源1
94光源2
96第一偏振器
97 FFR傳感器模塊
98 FFR傳感器 100第二偏振器 102 FBG傳感器 104分光計
106集成測量系統(tǒng)107詢問模塊 108光源1
110光源2
112第一偏振器
113FFR傳感器模塊
114FFR傳感器
116第二偏振器
118耦合器
120 FBG傳感器
122濾波器
124反射鏡
125光纖
126檢測系統(tǒng)
127波長分配多路復(fù)用器
128強度檢測器1
129強度檢測器2
130包括集成測量系統(tǒng)的系統(tǒng)
132詢問和分析模塊
134光源
136檢測器
138數(shù)據(jù)處理和控制單元 140光纖 142光纖 144光纖 146光纖
148基底或系統(tǒng)部件 150集成傳感器模塊 152集成傳感器模塊 154集成傳感器模塊 156光纖158光纖
160光纖
162風(fēng)輪機
164集成傳感器模塊
166葉片
168閃電
170導(dǎo)體
172詢問模塊
172渦輪中央
權(quán)利要求
1、一種用于測量多個參數(shù)的集成測量系統(tǒng)(10)，包括光纖布拉格光柵(FBG)傳感器(14)，配置成調(diào)制FBG輸入信號的波長，以提供對應(yīng)于FBG參數(shù)的FBG輸出信號；光纖法拉第旋轉(zhuǎn)器(FFR)傳感器模塊(19)，配置成旋轉(zhuǎn)偏振和調(diào)制FFR輸入信號的強度，以提供對應(yīng)于FFR參數(shù)的FFR輸出信號，其中FBG傳感器和FFR傳感器模塊被耦合，以提供集成系統(tǒng)輸出信號；以及檢測系統(tǒng)(25)，配置成接收集成系統(tǒng)輸出信號，并且配置成利用集成系統(tǒng)輸出信號，以獲得與至少一個FBG或FFR參數(shù)相關(guān)的值。
2、 權(quán)利要求1的集成測量系統(tǒng)，其中檢測系統(tǒng)配置成接收集成系統(tǒng) 輸出信號，并且配置成利用集成系統(tǒng)輸出信號，以獲得與FBG和FFR參 數(shù)相關(guān)的值。
3、 權(quán)利要求1的集成測量系統(tǒng)，其中檢測系統(tǒng)配置成進一步接收反 射FBG輸出信號，以獲得與FBG參數(shù)相關(guān)的值。
4、 權(quán)利要求1的集成測量系統(tǒng)，其中FFR傳感器模塊包括FFR(20) 和偏振器(22)。
5、 權(quán)利要求l的集成測量系統(tǒng)，其中FBG參數(shù)是應(yīng)力或溫度。
6、 權(quán)利要求l的集成測量系統(tǒng)，其中FFR參數(shù)是磁場或電流。
7、 權(quán)利要求1的集成測量系統(tǒng)，其中檢測系統(tǒng)包括分光計(26)， 以確定集成系統(tǒng)輸出信號的至少一部分的調(diào)制波長，從而提供FBG參數(shù) 數(shù)據(jù)。
8、 權(quán)利要求1的集成測量系統(tǒng)，其中檢測系統(tǒng)包括強度檢測器(28)， 用于測量集成系統(tǒng)輸出信號的至少一部分的強度，從而提供FFR參數(shù)數(shù)據(jù)。
9、 權(quán)利要求1的集成測量系統(tǒng)，進一步包括數(shù)據(jù)處理和控制(138)， 其中數(shù)據(jù)處理和控制單元處理通過分光計產(chǎn)生的FBG參數(shù)數(shù)據(jù)，以確定 FBG參數(shù)，以及處理通過強度檢測器產(chǎn)生的FFR參數(shù)數(shù)據(jù)，以確定FFR 參數(shù)，或兩者都處理。
10、 一種風(fēng)輪機系統(tǒng)(162)，包括包括一個或多個渦輪葉片(66)的風(fēng)輪機；以及集成測量系統(tǒng)，包括可操作地耦合至一個或多個渦輪葉片的一個或多個集成傳感器模塊(164)，以便測量多個參數(shù)，其中集成傳感器模塊 包括至少一個FBG傳感器和至少一個FFR傳感器模塊，其中多個參數(shù)包 括通過至少一個FBG傳感器感測的至少一個FBG參數(shù)和通過FFR傳感 器模塊感測的至少一個FFR參數(shù)，其中至少一個FFR參數(shù)是閃電參數(shù)； 導(dǎo)體(170)，配置成接收雷擊，并且傳送閃電感應(yīng)的電流至集成測 量系統(tǒng)；其中集成測量系統(tǒng)產(chǎn)生對應(yīng)于至少一個FBG參數(shù)和至少一個FFR參 數(shù)的集成系統(tǒng)輸出信號。
11、 一種用于多個參數(shù)的集成測量的方法，包括利用詢問而詢問至少一個集成傳感器模塊，其中集成傳感器模塊包括用于感測至少FBG參數(shù)的至少一個FBG傳感器和用于感測至少一個 FFR參數(shù)的至少一個FFR傳感器模i央，其中利用FBG輸入信號詢問FBG 傳感器，并且利用FFR輸入信號詢問FFR傳感器模塊；產(chǎn)生與FBG參數(shù)和FFR參數(shù)相關(guān)的集成系統(tǒng)輸出信號； 檢測集成系統(tǒng)輸出信號，以產(chǎn)生FBG參數(shù)數(shù)據(jù)和FFR參數(shù)數(shù)據(jù)；以及確定FBG參數(shù)和FFR參數(shù)的值。
全文摘要
公開了一種用于測量多個參數(shù)的集成測量系統(tǒng)。該集成系統(tǒng)包括光纖布拉格光柵(FBG)傳感器，配置成調(diào)制FBG輸入信號的波長，以提供對應(yīng)于FBG參數(shù)的FBG輸出信號，光纖法拉第旋轉(zhuǎn)器(FFR)傳感器模塊，配置成旋轉(zhuǎn)偏振和調(diào)制FFR輸入信號的強度，以提供對應(yīng)于FFR參數(shù)的FFR輸出信號，其中FBG傳感器和FFR傳感器模塊被耦合，以提供集成系統(tǒng)輸出信號，以及檢測系統(tǒng)，配置成接收集成系統(tǒng)輸出信號，并且配置成利用集成系統(tǒng)輸出信號，以獲得與至少一個FBG或FFR參數(shù)相關(guān)的值。
文檔編號G01D21/02GK101201261SQ20071030613
公開日2008年6月18日 申請日期2007年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月8日
發(fā)明者B·萊夫克, S·G·M·克雷默 申請人:通用電氣公司