專利名稱：用于風(fēng)力渦輪機的光透射應(yīng)變傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及應(yīng)變探測，尤其涉及使用光學(xué)傳感器的應(yīng)變探測。
背景技術(shù)：
風(fēng)力渦輪機部件中的應(yīng)變測量提供了對于風(fēng)力渦輪機部件，例如渦輪機葉片的機 械載荷的有價值的見解。在風(fēng)力渦輪機中使用應(yīng)變計傳感器和光學(xué)傳感器是已知的。然而，由于風(fēng)力渦輪 機的非常惡劣的工作條件，應(yīng)變傳感器應(yīng)該非常健壯的。W008020240公開了一種結(jié)合光纖的風(fēng)力渦輪機葉片，所述光纖被配置用于渦輪機 葉片的結(jié)構(gòu)監(jiān)測。所述光纖包括至少一個應(yīng)變傳感器。光纖的一端是輸出點，其連接至數(shù) 據(jù)處理裝置，所述數(shù)據(jù)處理裝置被配置為處理來自應(yīng)變傳感器的信號。光纖的另一端為可 替換的輸出點，其也可連接至數(shù)據(jù)處理裝置，使得在光纖中發(fā)生破損的情況下，來自應(yīng)變傳 感器的信號可從至少一個輸出點獲得。盡管W008020240公開了具有兩個輸出點的應(yīng)變傳感器，使得在光纖中發(fā)生破損 的情況下，應(yīng)變傳感器是可工作的，W008020240中的應(yīng)變傳感器相對復(fù)雜。因此，具有更健 壯設(shè)計的改進(jìn)的應(yīng)變傳感器是有利的。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明優(yōu)選地試圖單獨地或以任意組合的方式來減輕、緩解或消除一個或 多個上述的缺點。具體而言，本發(fā)明的目的在于通過提供應(yīng)變傳感器的簡單且健壯的光學(xué) 設(shè)計，來提供一種解決上述問題的應(yīng)變傳感器。通過提供用于感測包括光學(xué)傳感器系統(tǒng)的風(fēng)力渦輪機部件中的應(yīng)變的方法，在本 發(fā)明的第一方面獲得該目的和幾個其它的目的，所述方法包括以下步驟將輸入光學(xué)信號輸入到所述傳感器系統(tǒng)的多個光纖，所述光纖中的每一個包括一 個或多個光纖布拉格光柵傳感器，響應(yīng)于所述輸入光學(xué)信號，利用多個光探測器測量受所述一個或多個傳感器影響 的透射的輸出光學(xué)信號的光譜強度分布，所述光探測器可操作地連接至光纖，其中第一和 第二探測器連接至相應(yīng)的第一和第二光纖，并且其中所述第一和第二探測器設(shè)置在相對于 所述相應(yīng)的第一和第二光纖的所述一個或多個傳感器的下游，以及在控制單元中處理所測量的輸出光學(xué)信號，以便確立所述部件中的應(yīng)變值。特別地但不排它地，本發(fā)明的優(yōu)點在于獲得能夠基于通過光纖透射的光來確立應(yīng) 變值的光纖光學(xué)應(yīng)變傳感器的簡單且健壯的設(shè)計。因此，光在光纖的輸入端被輸入，并且測量從相對的光纖端部輸出的光，以便確定 風(fēng)力渦輪機部件的應(yīng)變值。在光纖的輸入端和輸出端之間設(shè)置一個或多個應(yīng)變傳感器，例 如光纖布拉格傳感器。因為布拉格傳感器的光譜透射特性取決于光纖的應(yīng)變，所以一個或 多個布拉格傳感器的應(yīng)變值可以由透射光來確定。
由透射光來確定應(yīng)變值是有利的，這是因為與測量由布拉格傳感器反射的光相 比，它具有比較簡單的光學(xué)設(shè)計。應(yīng)理解，將輸入光學(xué)信號輸入到傳感器系統(tǒng)的多個光纖中可以通過使用多個輸入 光源來實現(xiàn)，所述多個輸入光源單獨耦合到所述光纖，即，通過將第一和第二光源耦合到相 應(yīng)的第一和第二光纖?；蛘?，單個輸入光源也可以利用例如光纖分束器來耦合到所以光纖。使用多個光探測器是有利的，其中第一和第二探測器連接至相應(yīng)的第一和第二光 纖以用于測量光纖的輸出光譜強度分布，這是因為針對每個光纖輸出使用探測器可以有助 于更簡單且更可靠的檢測系統(tǒng)。在實施例中，輸出光學(xué)信號可以包括至少一個表示最小光強度的凹口(notch)，其 中通過確定所測量的光譜強度分布中的強度凹口的光譜位置來確定應(yīng)變值。因此，通過確 定透射光中的強度凹口的光譜位置，其中強度凹口由布拉格傳感器的濾波效應(yīng)所導(dǎo)致，能 夠通過將所測量的光譜位置與沒有應(yīng)變時的布拉格傳感器的波長相比較來確定應(yīng)變值。在另一實施例中，輸出光學(xué)信號的光譜強度分布可以利用光探測器在覆蓋一個或 多個光柵傳感器的光譜工作范圍的光譜范圍上來測量。由于光纖可以包括多個光柵傳感 器，每個光柵傳感器均具有不同的工作濾波波長，光柵傳感器的整個工作光譜范圍可以利 用光探測器來測量，所述光探測器能夠測量工作光譜范圍內(nèi)的所有波長處的強度。在實施例中，至少一個光纖可操作地連接至風(fēng)力渦輪機的部件，例如將光纖粘結(jié) 到該部件或?qū)⒐饫w與該部件集成。在實施例中，輸入光學(xué)信號是寬帶光學(xué)信號，其具有比一個或多個光柵傳感器的 光譜工作范圍更寬的光譜分布。為了探測所有光柵傳感器的透射率變化，輸入光學(xué)信號的 光譜寬度應(yīng)該比所述傳感器的光譜工作范圍更寬。在實施例中，可以將透射的輸出光學(xué)信號的光強度與輸入光學(xué)信號的光強度進(jìn)行 比較。將輸出光學(xué)信號與輸入光學(xué)信號進(jìn)行比較是有利的，這是因為，這可以提供一種用于 補償輸入光學(xué)信號的強度變化的方法。在實施例中，輸入光學(xué)信號利用時分交替地輸入到至少兩個光纖中的一個，其中 來自所述至少兩個光纖的輸出光學(xué)信號合成為單個輸出光學(xué)信號。當(dāng)應(yīng)變傳感器包括多個 光纖時，每次向一個光纖注入輸入光是有利的，這是因為這可以使得能利用單個光譜探測 器探測來自所有光纖的光譜強度曲線。在實施例中，將應(yīng)變值供應(yīng)至風(fēng)力渦輪機控制器以用于控制風(fēng)力渦輪機。在實施例中，應(yīng)變值用于至少一個風(fēng)力渦輪機葉片的槳距(pitch)控制和/或者 用于風(fēng)力渦輪機的發(fā)電控制。例如，渦輪機葉片中的應(yīng)變信息可以用于通過調(diào)整槳距來優(yōu) 化發(fā)電。在第二方面中，本發(fā)明涉及一種用于風(fēng)力渦輪機部件的光學(xué)應(yīng)變感測系統(tǒng)，所述 應(yīng)變感測系統(tǒng)包括可操作地連接至所述渦輪機部件的多個光纖，并且每個光纖包括一個或多個光纖 布拉格光柵傳感器，在所述一個或多個傳感器的上游位置處連接至所述光纖的輸入光學(xué)信號源，可操作地連接至光纖的多個光譜光探測器，其中第一和第二探測器連接至相應(yīng)的 第一和第二光纖，并且其中所述第一和第二探測器設(shè)置于所述相應(yīng)的第一和第二光纖上的一個或多個傳感器的下游，所述光探測器被設(shè)置用于測量受所述光纖的一個或多個所述傳 感器影響的透射的輸出光學(xué)信號，以及至少一個用于處理所測量的輸出光學(xué)信號控制單元，以便確立部件中的應(yīng)變值。因此，光譜光分布探測器可以可操作地連接至每個光纖并且設(shè)置在相對于每個光 纖中的傳感器的下游。當(dāng)使用兩個或多個光纖時，單獨的應(yīng)變感測光纖可以用于風(fēng)力渦輪 機的不同部件，使得可以通過連接至每個光纖的探測器來測量由光纖發(fā)射出的光譜強度曲 線，以用于確定相應(yīng)的風(fēng)力渦輪機部件的應(yīng)變值。應(yīng)理解，風(fēng)力渦輪機部件可以包括不同的部件，例如風(fēng)力渦輪機塔架、發(fā)動機艙、 旋轉(zhuǎn)軸、包括旋轉(zhuǎn)葉片的轉(zhuǎn)子、或者轉(zhuǎn)子的葉片。在實施例中，風(fēng)力渦輪機部件包括至少第一和第二渦輪機葉片，并且第一和第二 光纖固定至相應(yīng)的第一和第二渦輪機葉片。應(yīng)變感測系統(tǒng)的實施例包括用于執(zhí)行根據(jù)前述任一方面和實施例的方法的裝置。應(yīng)變感測系統(tǒng)的實施例包括用來記錄風(fēng)力渦輪機部件的應(yīng)變的數(shù)據(jù)存儲裝置，以 便評估部件保持安全工作的條件。因此，可以對存儲的應(yīng)變值進(jìn)行積分、求和或用其它的方 式進(jìn)行處理，以用于評估使部件保持安全工作條件的值。在第三方面中，本發(fā)明涉及根據(jù)如前述任一方面和實施例的方法或應(yīng)變感測系統(tǒng) 在風(fēng)力渦輪機部件中的應(yīng)用以感測應(yīng)變，所述風(fēng)力渦輪機部件例如為風(fēng)力渦輪機葉片、塔 架、軸、軸承和/或變速箱。在第四方面中，本發(fā)明涉及一種包括根據(jù)第二方面中的應(yīng)變感測系統(tǒng)的風(fēng)力渦輪 機。本發(fā)明的第一、二、三和四方面均可以與任意其它方面結(jié)合。參考以下描述的實施 例，本發(fā)明的這些和其他的方面將變得顯而易見和明了?？傊?，本發(fā)明涉及一種用于風(fēng)力渦輪機的寬帶光學(xué)應(yīng)變感測系統(tǒng)。所述應(yīng)變感測 系統(tǒng)包括具有位于一端的輸入端和位于相對端的輸出端的光纖。所述光纖在輸入和輸出端 之間設(shè)置有布拉格傳感器。通過在光纖的輸入端注入光、測量光纖輸出端處的光譜強度分 布以及確定光譜強度分布中的強度凹口的光譜位置，能夠從透射光來確定布拉格傳感器處 的應(yīng)變值。


參考附圖，僅通過示例的方式來解釋本發(fā)明，其中圖1示出了風(fēng)力渦輪機1，圖2A示出了公知的光纖布拉格光柵應(yīng)變感測系統(tǒng)，圖2B示出了光譜強度分布，圖3示出了基于透射光的應(yīng)變感測系統(tǒng)，圖4A-4C示出了輸入光和透射光的光譜曲線，圖5示出了其中將單個探測器用于測量來自兩個或多個光纖的輸出光學(xué)信號的 實施例，圖6示出了具有3個光纖和控制器的應(yīng)變感測系統(tǒng)。
具體實施例方式圖1示出了風(fēng)力渦輪機1，其包括風(fēng)力渦輪機塔架2和設(shè)置于塔架2頂部的風(fēng)力渦 輪機艙3。風(fēng)力渦輪機轉(zhuǎn)子4包括至少一個風(fēng)力渦輪機葉片，例如圖中所示的3個風(fēng)力渦輪 機葉片5。轉(zhuǎn)子安裝在輪轂6上，輪轂6通過從風(fēng)力渦輪機艙前端延伸出的低速軸連接至發(fā) 電機艙3。圖2A示出了公知的利用光纖布拉格光柵原理的應(yīng)變感測系統(tǒng)，其包括光纖10，其 中多個FBG傳感器9a-9d分布在光纖上。圖2B示出了輸入至光纖10的光的光譜強度分布21，通過FBG傳感器9a透射的光 的光譜強度分布22，以及通過FBG傳感器9a反射的光的光譜強度分布23。透射曲線22中 的凹口 24與反射的輸入光的光譜部分相對應(yīng)，S卩，凹口 24對應(yīng)于反射曲線23。光譜強度分 布表示光輻射幅值或一定范圍波長的光強度。在圖2A中，光源12供應(yīng)輸入信號至在分光器11前的光纖的近端。輸入信號的光 譜強度分布的示例由圖2B中的輸入曲線21來示出。圖2A中的每個FBG傳感器9a_9d將一部分特定波長的輸入信號反射回到光源12。 輸入信號可以具有光譜強度分布21并且反射信號可以具有如圖2B中的反射曲線23所示 的光譜強度分布。由FBG傳感器9a-9d之一透射的光的光譜強度分布由圖2B中的透射曲 線22示出，其中弱強度的凹口 24的光譜分布對應(yīng)于反射曲線21的光譜分布。因此，凹口 24的光譜位置與反射曲線23的光譜位置相同，并且，例如凹口 24的最小強度的光譜位置與 反射曲線23的最大強度的光譜位置相同或者幾乎相同。出于方便，可以說傳感器9a_9d具有特定的波長并且反射一特定的波長，例如用 于傳感器9a的波長W1。然而，實際上傳感器反射可以具有中心波長或峰值波長Wl的光譜 波長分布。圖2示出了分別對應(yīng)于傳感器9a-9d的具有獨特中心波長W1-W4的這種光譜分布。此外，每個FBG傳感器發(fā)射信號到下一個傳感器％，其中發(fā)射的信號具有凹口 24， 其對應(yīng)于在前的傳感器9a的特定波長。Y連接器11使輸入光傳遞到FBG傳感器，但是偏轉(zhuǎn)和發(fā)送從具有波長W1-W4的傳 感器9a-9d反射的信號至檢測信號的詢問器13。為了能夠由反射光確定應(yīng)變值，圖2所示的傳感器系統(tǒng)需要Y連接器11和遠(yuǎn)端光 纖端部的光學(xué)終端(未在圖中示出)，從而避免來自遠(yuǎn)端光纖端部的反射。然而，Y連接器 11和光纖終端增加了應(yīng)變感測系統(tǒng)的復(fù)雜度，因此，避免使用這樣的光學(xué)部件是有利的。另外，由反射光確定應(yīng)變值可能需要光源12的較高的光功率輸出來補償Y連接器 11中的光功率損失，其中由于Y連接器的不完全透射特性，輸入光和反射光被衰減。因此， 需要具有與基于反射的應(yīng)變傳感器相比需要更低的輸入功率的輸入光源12的應(yīng)變感測系 統(tǒng)。圖3示出了根據(jù)發(fā)明的用于風(fēng)力渦輪機葉片5的光學(xué)應(yīng)變感測系統(tǒng)19的實施例。 包括FBG傳感器9a-9f的光纖10可操作地連接至葉片5。光纖14可粘結(jié)到空心葉片結(jié)構(gòu) 的外表面或內(nèi)表面。可替換地，光纖可以集成到用于制造葉片5的復(fù)合材料中。光纖10可以是單根光 纖或者是由多段彼此光學(xué)連接的光纖組成。在一個實施例中，將光由光源12引導(dǎo)到葉片遠(yuǎn)端的光纖的第一部分IOa包括傳感器9a-9f，而不包括任何傳感器的光纖的第二部分IOb將 光引導(dǎo)回光探測器15。就此而論，由光源12發(fā)射的光應(yīng)該被理解為包括可見光或近可見光、紫外(UV)光 和/或紅外(IR)光。總體上，光可以被理解為350nm至SOOnm的可見或近可見波長范圍中 的電磁輻射、以及波長范圍下至大約200nm的UV光或近UV光、以及波長范圍直至1. 7微米 的IR光或近IR光。光纖10可以被理解為薄的、透明的光纖，通常由玻璃(氧化硅)或塑料制成，以用 于通過(全)內(nèi)反射過程沿著其軸透射光。光纖由被包覆層包圍的光密芯組成。光纖典型 地是多模纖維或單模纖維，然而也可以提供特殊用途的光纖。傳感器9a_9f可以是插入光纖10中的獨立的傳感器元件，或者傳感器9a_9f可以 形成為光纖10中的折射率的變化。光纖10可以具有輸入端IOc以及輸出端10d，其可以延伸到風(fēng)力渦輪機的輪轂6， 并且分別連接至光源12和光探測器15。輸入光學(xué)信號源12連接至在傳感器9a_9f上游位置的光纖5，并且光探測器15連 接至在傳感器9a_9f下游位置的光纖從而測量受傳感器9a-9f的過濾效應(yīng)影響的透射光。圖4A示出了來自光源12的輸入光學(xué)信號的光譜強度分布420。輸入光學(xué)信號是寬 帶信號，其具有Wib-Wia的光譜寬度。圖4A還示出了 FBG傳感器9a的透射濾波特性411。 透射特性示出了在波長Wl處的最小透射率，以及在波長Wl附近的濾波凹口 412。坐標(biāo)系的 橫軸代表波長，縱軸代表輸入信號或通過FBG傳感器9a透射的信號的功率或強度。當(dāng)FBG傳感器9a被拉伸時，傳感器的最小透射率以及由此的強度凹口 412，如由偏 移的透射特性413所示從波長Wl偏移到波長Wis。因此，通過確定偏移的波長Wla或者波 長偏移DW，可以確定FBG傳感器的應(yīng)變。圖4B示出了受多個FBG傳感器9a_9b影響的透射的輸出光學(xué)信號的所測量的光 譜強度分布，其中第一傳感器9a導(dǎo)致具有波長Wl的凹口 412，第二傳感器9b導(dǎo)致具有波長 W2的凹口 412，以及例如第六傳感器9f導(dǎo)致具有波長W3的凹口 412。光譜強度分布411、431中的凹口的偏移DW可以利用可操作地連接至光纖10的輸 出端的光譜探測器15監(jiān)測透射通過一個或多個FBG傳感器9a-9f的光來確定。因此，當(dāng)來自光纖10的輸出光學(xué)信號包括至少一個代表最小光強度的凹口時，可 以通過確定所測量的光譜強度分布中的強度凹口的光譜位置，即波長Wls來確立傳感器9a 的應(yīng)變值。光譜光探測器15，例如光譜分析儀或詢問器檢測不同波長處，更確切地說，不同波 長的小區(qū)間處的光功率，并且從而能夠確定光譜曲線431。光譜光探測器15可以使用色散 元件，例如棱鏡，用來空間分離不同的波長，使得可以使用不同的光傳感器，例如CCD傳感 器的像素來測量不同的波長。通過在控制單元中處理來自光譜探測器15的所測量的輸出光學(xué)信號，能夠確定 其中具有最小光功率的輸出光學(xué)信號的波長Wis。通過將確定的波長Wis與代表FBG傳感 器沒有應(yīng)變時的凹口波長的標(biāo)稱波長Wl進(jìn)行比較，波長差DW并且從而在傳感器9a處的實 際應(yīng)變能夠被確定。顯然地，通過確定在不同偏移波長Wls-W6s處的波長差DW，可以確定相 應(yīng)的應(yīng)變傳感器9a-9f處的應(yīng)變值。
可以由與探測器15集成的處理器或者連接至探測器15的例如計算機的處理器來 執(zhí)行來自光譜探測器15的所測量的輸出光學(xué)信號。通過數(shù)學(xué)分析光譜曲線411、431的數(shù) 據(jù)采樣，例如通過確定最小強度值、平均強度值、或者使用曲線擬合可以執(zhí)行凹口 412的偏 移波長Wls的確定。光纖10包括的一個或多個光柵傳感器9a_9f的光譜工作范圍對應(yīng)于FBG傳感器 的標(biāo)稱波長Wl-Wn所橫跨的光譜范圍。例如，作為示例，4個傳感器9a-9d的光譜工作范圍 可以為從1120nm至IlSOnm的范圍，其中單個的傳感器的標(biāo)稱波長在光譜工作范圍內(nèi)是等 間隔的。在特定應(yīng)用中，輸入信號應(yīng)為寬帶光學(xué)信號，其具有比傳感器9a_9f的光譜工作 范圍更寬的光譜分布。因此，當(dāng)光譜工作范圍為從1120nm到IlSOnm時，寬帶輸入源12可 以具有例如從1000nm-1300nm的光譜范圍。傳感器的零應(yīng)變和最大應(yīng)變之間的波長差DW例如可以是2nm。強度凹口 412的寬 度例如可以是0. lnm。為了測量光譜強度分布431的若干強度凹口 412，光探測器15應(yīng)該具有至少覆蓋 傳感器9a_9f的光譜工作范圍的光譜探測范圍。圖4c示出了具有強度譜420的輸入光的示例，其中由于強度的變化421，強度譜 420在整個傳感器的光譜工作范圍并非是平坦的。這種輸入光的強度變化421可能被錯誤 地探測為來自傳感器的強度凹口 412，或者可能影響強度凹口 412的光譜位置的確定。然 而，通過將透射的輸出光學(xué)信號的所測量的光強度與輸入光學(xué)信號的所測量的光強度進(jìn)行 比較，在應(yīng)變結(jié)果的準(zhǔn)確性上，至少部分地消除輸入強度變化421的負(fù)面效應(yīng)是可能的。例如，輸出光學(xué)信號和輸入光學(xué)信號的比較可以包括計算在給定波長處的輸出光 學(xué)信號的強度與相同波長處的輸入光學(xué)信號的強度的比率。通過這種方式，消除輸入強度 變化421的負(fù)面效應(yīng)，這是因為輸入強度變化421出現(xiàn)在輸入和輸出光學(xué)信號兩者中。輸 入光的光譜強度分布的測量可以通過測量一部分輸入光來確定，所述一部分輸入光通過在 光透射通過傳感器9a-9f之前，使來自光源12的部分光進(jìn)行分支來獲得，例如通過光纖分 束器來獲得?？商娲?，輸入光的光譜強度分布可以在FBG傳感器僅僅被機械應(yīng)力輕微地 影響的狀態(tài)下通過探測器15來測量。在另一替換中，輸入信號的光譜強度分布僅僅被測量 一次，例如在輸入光源12的制備過程中，并且作為數(shù)字文件存儲，供控制單元使用，以用于 計算輸出光學(xué)信號和儲存的輸入光學(xué)信號的比率。FBG傳感器的濾波透射特性411通過光纖10的折射率的交替或者周期的變化來生 成。因此，F(xiàn)BG傳感器9a可被視為具有不同透射率的光纖10的多個部分。為了獲得具有 最小透射波長W1，例如1500nm的FBG傳感器，相鄰的具有不同折射率的光纖部分間的距離 應(yīng)該滿足規(guī)定的布拉格條件。假設(shè)所述部分之一的折射率大約為1.5，隨后部分間的距離， 或者對等地，折射率的周期變化的周期，大約是500nm，即，大約是波長Wl的三分之一。因此，折射率的周期性變化的光柵周期與FBG傳感器的標(biāo)稱濾波波長Wl有關(guān)，并 且從而與窄帶輸入光學(xué)信號的波長有關(guān)。輸入光學(xué)信號的波長可以在300nm至eOOOnm之 間，或者優(yōu)選地，在600nm至2000nm之間。因為光柵周期取決于光纖的折射率和其它因素， 例如期望的濾波特性，用于根據(jù)本發(fā)明實施例的FBG傳感器的光柵周期可以在IOOnm至 5000nm之間。如上所述，在IOOnm至5000nm的范圍內(nèi)的光柵周期可以與在300nm至15000nm之間的輸入光學(xué)信號的波長一起使用。FBG傳感器以及由此的光柵周期可以由不同的光纖處理來制造。例如，光纖可以 用UV光照明來形成光柵。因此，不同的光柵周期可以是根據(jù)光纖的光柵處理來選擇的。例 如，光纖中的不同的FBG傳感器可以具有不同的由光纖的處理所產(chǎn)生的光柵周期。因此，在用于感測應(yīng)變的方法的實施例中以及在光學(xué)應(yīng)變感測系統(tǒng)的實施例中， 布拉格光柵傳感器的折射率的周期性變化的光柵周期可以在IOOnm至500nm的范圍內(nèi)，優(yōu) 選地，在IOOnm至IOOOnm的范圍內(nèi)，或者更優(yōu)選地，在200至700nm的范圍內(nèi)。響應(yīng)于輸入光學(xué)信號，透射的輸出光學(xué)信號受一個或多個FBG傳感器的影響。因 此，F(xiàn)BG傳感器對輸出光學(xué)信號的影響至少部分地由FBG傳感器的光柵周期來確定。例如 通過使凹口 412的凹口 -寬度與輸入光學(xué)信號的光譜寬度(Wib-Wia)相適應(yīng)，即，通過使凹 口 -寬度足夠小來為輸入信號的光譜寬度內(nèi)的大量非重疊的凹口 412提供空間，可以選擇 光柵周期以改善探測器的探測，所述探測器位于相關(guān)的一個或多個FBG傳感器的下游。例如通過選擇光柵周期以最小化波長Wl處的FBG傳感器的最小透射率，也可以改 進(jìn)下游探測器的探測。因此，如果在最小透射率和在濾波凹口之外的透射率之間有較大差 異，透射光的檢測可以更精確。因此，根據(jù)本發(fā)明的用于感測應(yīng)變的方法和光學(xué)應(yīng)變感測系統(tǒng)，可以選擇FBG傳 感器的光柵周期以顯著地改進(jìn)下游探測器15，15a-c的探測。在用于感測應(yīng)變的方法和應(yīng)變感測系統(tǒng)中，其中在根據(jù)光柵傳感器選擇的頻帶 上，利用光探測器來測量輸出光學(xué)信號的光強度，可以根據(jù)覆蓋不同F(xiàn)BG傳感器的不同凹 口波長Ll的波長范圍給出所述頻帶。因此，可以選擇不同光柵周期以與光探測器15，15a-c 的給定頻帶相匹配。在用于感測應(yīng)變的方法和應(yīng)變感測系統(tǒng)中，輸出光學(xué)信號的至少一個凹口的最小 光強度至少部分地通過至少基于FBG傳感器的光柵周期來確定。因此，凹口的最小光強度 可以通過選擇給定的光柵周期來確定，以便獲得特定的透射曲線411。圖5示出了本發(fā)明的實施例，其中利用單個光譜探測器15來測量來自兩個或多個 光纖510-512的輸出光學(xué)信號。來自多個光纖510-512的輸出光學(xué)信號被組合成單個輸出 光學(xué)信號，其可以由單個探測器15來進(jìn)行測量。將來自光纖510-512的光學(xué)信號組合成單 個光學(xué)信號可以利用N :1的光纖耦合器502或者其他光纖耦合裝置502來實現(xiàn)，例如，利用 用于將光學(xué)輸出光束聚焦到單個探測器15的透鏡來實現(xiàn)。為了區(qū)分第一光纖510和第二 光纖511的光學(xué)輸出信號，可以利用時分交替地將輸入到光纖510-512的輸入光學(xué)信號輸 入。輸入信號的時分可以通過使用光開關(guān)501來實現(xiàn)，其在第一時間間隔Tl期間將來自輸 入源12的光切換到第一光纖510，并且在下一個時間間隔T2期間將來自輸入源12的光切 換到第二光纖511，如此等等。可選擇地，輸入光學(xué)信號的時分可以通過使用單獨的可控輸 入光源12以及通過交替地將輸入源12打開來實現(xiàn)，所述可控輸入光源可操作地連接于每 個光纖510-512。通過暫時地將輸入光學(xué)信號的時分與探測器15或用于處理輸出光學(xué)信號 的控制單元同步，可以交替地確定來自各個光纖510-512的應(yīng)變值。除了對多個光纖510-512采用單個探測器15外，為每個光纖510-512采用探測器 15也是可能的。然而，在這種情況下，采用輸入光學(xué)信號的時分是不必要的。圖6示出了應(yīng)變感測系統(tǒng)的實施例，其中利用光纖分束器17將來自光源12的光分送到3個光纖10，510。在光纖的另一端，光學(xué)連接至光纖10，510的端部的三個光譜光探 測器15a-15c測量從光纖輸出的光的光譜強度分布431。包括FBG應(yīng)變傳感器9a-9f的光 纖10，510固定在風(fēng)力渦輪機部件4上，例如固定在三個渦輪機葉片上。控制單元16處理由探測器15a_15c提供的測量結(jié)果以確定強度凹口 412的光譜 位置以及附接在三個渦輪機葉片上不同位置的FBG傳感器的應(yīng)變值?？刂茊卧?6不需要連接至輸入源12。然而，如果采用控制單元1和光學(xué)開關(guān)501 之間的同步，則可以在控制單元16和輸入控制器或開關(guān)501之間提供連接，從而使其同步。當(dāng)例如由于風(fēng)力作用，風(fēng)力渦輪機葉片彎曲或者伸展時，安裝的光纖510，10以及 傳感器9a-9f的長度改變，從而透射的光的強度凹口 412的光譜位置改變。光探測器15測 量透射光的光譜變化并且為控制單元16提供用于確定應(yīng)變值的所測量的光譜強度曲線的 采樣數(shù)據(jù)。在本發(fā)明的實施例中，應(yīng)變感測系統(tǒng)的帶寬應(yīng)該足夠大以確定風(fēng)力渦輪機葉片的 結(jié)構(gòu)振動。根據(jù)葉片的振動模式，應(yīng)變感測系統(tǒng)的帶寬應(yīng)該大于5Hz，優(yōu)選大于10Hz，或者 大于20Hz。為了確定更高頻率的結(jié)構(gòu)振動和/或以更高精度確定結(jié)構(gòu)振動，期望具有25Hz 或者甚至是50Hz的帶寬的應(yīng)變感測系統(tǒng)。因此，如果應(yīng)變感測系統(tǒng)的帶寬大于20Hz，可以 測定具有至少IOHz振動頻率的結(jié)構(gòu)振動。具有高帶寬，例如大于20Hz的應(yīng)變感測系統(tǒng)可 以通過使用具有高光學(xué)靈敏度的探測器15，或者通過使用具有高輸出光功率的光學(xué)輸入源 12來獲得。具有IOOnW(0. 1微瓦)光功率的輸入光源12對確定具有合理帶寬的應(yīng)變值是 足夠的。然而，使輸入功率增加還能夠使得應(yīng)變感測系統(tǒng)的設(shè)計具有較高的帶寬，因此，對 于高帶寬系統(tǒng)要求10或100微瓦的輸入功率。來自控制單元16的應(yīng)變值可以用于整個風(fēng)力渦輪機的控制，以便減少部件的維 護費用以及增加風(fēng)力渦輪機的可靠性，例如，如果應(yīng)變值達(dá)到很高的水平，則可以控制風(fēng)力 渦輪機以減少應(yīng)變值，或者甚至停止風(fēng)力渦輪機。應(yīng)變值可以用于至少一個風(fēng)力渦輪機葉片的槳距控制和/或風(fēng)力渦輪機的發(fā)電 控制。因此，能夠降低風(fēng)力渦輪機部件的應(yīng)變，例如通過使風(fēng)力渦輪機葉片或多或少偏離風(fēng) 以及在強陣風(fēng)期間減少風(fēng)力渦輪機的發(fā)電。類似地，槳距控制可以用于優(yōu)化發(fā)電，其通過調(diào) 整槳距直到一個或多個風(fēng)力渦輪機葉片達(dá)到一定的壓力來實現(xiàn)，其中壓力由測得的應(yīng)變值 來確定。盡管結(jié)合具體實施例已經(jīng)描述了本發(fā)明，但并不局限于此處所闡述的特定形式。 相反地，本發(fā)明的范圍僅由所附的權(quán)利要求進(jìn)行限定。在權(quán)利要求中，術(shù)語“包括”并不排 除其它元件或步驟的存在。此外，盡管單獨的特征被包括在不同的權(quán)利要求中，但是可以有 利地組合這些特征，而且不同權(quán)利要求的內(nèi)容并不意味著特征的組合是不可行和/或不利 的。另外，單數(shù)的引用并不排除復(fù)數(shù)。因此，對“一個”，“第一”，“第二”等的引用并不排除 復(fù)數(shù)個。此外，權(quán)利要求的附圖標(biāo)記不應(yīng)理解為限定范圍。
權(quán)利要求
一種用于感測風(fēng)力渦輪機部件中的應(yīng)變的方法，所述風(fēng)力渦輪機包括光學(xué)傳感器系統(tǒng)，所述方法包括以下步驟將輸入光學(xué)信號輸入到所述傳感器系統(tǒng)的多個光纖，每個所述光纖包括一個或多個光纖布拉格光柵傳感器，響應(yīng)于所述輸入光學(xué)信號，利用多個光探測器來測量受所述一個或多個傳感器影響的透射的輸出光學(xué)信號的光譜強度分布，所述光探測器可操作地連接至所述光纖，其中第一和第二探測器連接至相應(yīng)的第一和第二光纖，并且所述第一和第二探測器設(shè)置于相對于所述相應(yīng)的第一和第二光纖的所述一個或多個傳感器的下游，以及在控制單元中處理所測量的輸出光學(xué)信號，以便確立所述部件中的應(yīng)變值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于感測應(yīng)變的方法，其中，所述輸出光學(xué)信號包括至少一 個表示最小光強度的凹口，并且其中通過確定所測量的光譜強度分布中的強度凹口的光譜 位置來確立所述應(yīng)變值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2中任一項所述的用于感測應(yīng)變的方法，其中，利用光探測器在覆 蓋一個或多個光柵傳感器的光譜工作范圍的光譜范圍上來測量所述輸出光學(xué)信號的所述 光譜強度分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的用于感測應(yīng)變的方法，其中，至少一個光纖可操 作地連接至所述風(fēng)力渦輪機的所述部件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的用于感測應(yīng)變的方法，其中，所述輸入光學(xué)信號 是寬帶光學(xué)信號，其具有比所述一個或多個光柵傳感器的光譜工作范圍更寬的光譜分布。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的用于感測應(yīng)變的方法，其中，將所透射的輸出光 學(xué)信號的光強度與所述輸入光學(xué)信號的光強度進(jìn)行比較。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的用于感測應(yīng)變的方法，其中，將所述輸入光學(xué)信 號利用時分交替地輸入到至少兩個光纖中的一個，并且其中將來自所述至少兩個光纖的所 述輸出光學(xué)信號組合成單個輸出光學(xué)信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的用于感測應(yīng)變的方法，其中，將所述應(yīng)變值供應(yīng) 至所述風(fēng)力渦輪機控制器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項所述的用于感測應(yīng)變的方法，其中，將所述應(yīng)變值用于 至少一個風(fēng)力渦輪機葉片的槳距控制和/或者用于風(fēng)力渦輪機的發(fā)電控制。
10.一種用于風(fēng)力渦輪機部件的光學(xué)應(yīng)變感測系統(tǒng)，所述應(yīng)變感測系統(tǒng)包括可操作地連接至所述渦輪機部件的多個光纖，并且每個光纖包括一個或多個光纖布拉 格光柵傳感器，在所述一個或多個傳感器的上游位置連接至所述光纖的輸入光學(xué)信號源，可操作地連接至所述光纖的多個光譜光探測器，其中第一和第二探測器連接至相應(yīng)的 第一和第二光纖，并且所述第一和第二探測器設(shè)置于所述相應(yīng)的第一和第二光纖上的所述 一個或多個傳感器的下游，所述光探測器設(shè)置用于測量受所述光纖的一個或多個所述傳感 器影響的透射的輸出光學(xué)信號，以及至少一個用于處理所測量的輸出光學(xué)信號的控制單元，以便確立所述部件中的應(yīng)變值。
11.一種用于風(fēng)力渦輪機部件的光學(xué)應(yīng)變感測系統(tǒng)，其中，所述風(fēng)力渦輪機部件包括至少第一和第二渦輪機葉片，并且其中第一和第二光纖固定于相應(yīng)的第一和第二渦輪機葉 片。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的應(yīng)變感測系統(tǒng)，所述應(yīng)變感測系統(tǒng)包括用于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利 要求1-9中任一項所述的方法的裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求10-12中任一項所述的應(yīng)變感測系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)包括用于記 錄所述風(fēng)力渦輪機部件中的應(yīng)變的數(shù)據(jù)存儲裝置，以便評估所述部件的保持安全工作的條 件。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法或應(yīng)變感測系統(tǒng)在風(fēng)力渦輪機部件中的 應(yīng)用，以感測應(yīng)變，所述風(fēng)力渦輪機部件例如為風(fēng)力渦輪機葉片、塔架、軸、軸承和/或變速箱。
15.一種風(fēng)力渦輪機，所述風(fēng)力渦輪機包括根據(jù)權(quán)利要求10-13中任一項所述的應(yīng)變 感測系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于風(fēng)力渦輪機的寬帶光學(xué)應(yīng)變感測系統(tǒng)。所述應(yīng)變感測系統(tǒng)包括具有位于一個端部的輸入端和位于相對端部的輸出端的光纖。所述光纖在輸入端和輸出端之間設(shè)置有布拉格傳感器。通過在光纖的輸入端注入光、在光纖的輸出端測量光譜強度分布、以及確定光譜強度分布中的強度凹口的光譜位置，能夠從透射光中確定布拉格傳感器位置處的應(yīng)變值。
文檔編號G01M5/00GK101983325SQ200980112097
公開日2011年3月2日 申請日期2009年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月31日
發(fā)明者I·S·奧勒森 申請人:維斯塔斯風(fēng)力系統(tǒng)集團公司