利用光學傳感器的集成測量系統和方法
2023-09-15 08:19:20
專利名稱：利用光學傳感器的集成測量系統和方法
技術領域：
本發明通常涉及一種測量系統，並且更具體地涉及一種利用光學傳 感器的集成測量系統。
背景技術：
許多系統受到例如應力或熱的效應的影響，這會對系統的結構整體 性有害。此外，例如風輪機的系統受雷擊的影響，這會對風輪機葉片結 構有害。特別是，風輪機通常很可能受雷擊影響，這是因為風輪機被優 選放置在位置較高且有風的位置處，用以實現高生產率。對於風輪機葉 片監控來講，機械應力如雷擊的定位和分類一樣重要。這種系統需要電 流和磁場的監控，同時需要應力和溫度的監控。
當前，為了監控各種參數，單獨的測量系統被用於監控每一個參數。 單獨的監控導致獨立的詢問、檢測和數據獲取系統，這會引起對於多個 系統的附加成本和空間限制。
因此，需要一種用於測量多個參數、而沒有前述缺陷的測量系統和 方法。
發明內容
本發明的一個實施例是一種用於測量多個參數的集成測量系統。該
集成系統包括光纖布拉格光柵(FBG)傳感器，配置成調製FBG輸入 信號的波長，以提供對應於FBG參數的FBG輸出信號；光纖法拉第旋 轉器(FFR)傳感器模塊，配置成旋轉偏振和調製FFR輸入信號的強度， 以提供對應於FFR參數的FFR輸出信號，其中FBG傳感器和FFR傳感 器模塊被耦合，以提供集成系統輸出信號；以及檢測系統，配置成接收 集成系統輸出信號，並且配置成利用集成系統輸出信號，以獲得與至少 一個FBG或FFR參數相關的值。
本發明的另一個實施例是一種包括基底和集成測量系統的系統。該 集成測量系統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，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，其中多個參數包括通過至少一個FBG傳感器感測的至 少一個FBG參數和通過FFR傳感器模塊感測的至少一個FFR參數，其 中集成測量系統產生對應於至少一個FBG參數和至少一個FFR參數的集 成系統輸出信號。
本發明的另一個實施例是一種風輪機系統。該風輪機系統包括包 括一個或多個渦輪葉片的風輪機，以及集成測量系統，該集成測量系統 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，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，其中多個參數包括通過至少一個FBG傳感 器感測的至少一個FBG參數和通過FFR傳感器模塊感測的至少一個FFR 參數，其中集成測量系統產生對應於至少一個FBG參數和至少一個FFR 參數的集成系統輸出信號。
本發明的又一實施例是一種用於多個參數的集成測量的方法。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
器模塊包括用於感測至少一個FBG參數的至少一個FBG傳感器和用於 感測至少一個FFR參數的至少一個FFR傳感器模塊，其中利用FBG輸 入信號詢問FBG傳感器，並且利用FFR輸入信號詢問FFR傳感器模塊； 產生與FBG參數和FFR參數相關的集成系統輸出信號；檢測集成系統輸 出信號，以產生FBG參數數據和FFR參數數據；以及確定FBG參數和 FFR參數的值。
當參照附圖閱讀下面的詳細描述時，可以更好地理解本發明的這些 和其它特徵、方面和優點，其中類似的字符表示貫穿附圖的類似的部件， 其中
圖1是本發明的一個實施例中集成測量系統的示意性表示； 圖2是本發明的另一個實施例中集成測量系統的示意性表示； 圖3是本發明的另一個實施例中集成測量系統的示意性表示； 圖4是本發明的另一個實施例中集成測量系統的示意性表示； 圖5是本發明的另一個實施例中集成測量系統的示意性表示；
圖6是本發明的另一個實施例中集成測量系統的示意性表示； 圖7是本發明的另一個實施例中集成測量系統的示意性表示； 圖8是本發明的一個實施例中包括集成測量系統的系統的示意性表
示；
圖9是本發明的一個實施例中包括集成測量系統的風輪機系統的示 意性表示。
具體實施例方式
本發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)和光纖法拉第旋轉器(FFR)傳感器模塊(意 味著至少一個FFR傳感器模塊)而用於多個參數的集成測量的系統和方 法。
在下面的說明書和權利要求書中，將提到一些具有下述含義的術語。 單數形式"一"和"一個"包括多個對象，除非上下文清楚地另外規定。
如此處使用的，術語"多個參數的集成測量"涉及一種結構，其中產 生、檢測和分析集成系統輸出信號、通過FBG傳感器和FFR傳感器模塊 感測的編碼參數信息，以確定至少一個FBG或FFR參數。在一個實施例 中，產生、檢測和分析集成系統輸出信號、通過FBG傳感器和FFR傳感 器模塊感測的編碼參數信息，以確定FBG參數和FFR參數。術語"集成 系統輸出信號"涉及對分別通過FBG傳感器和FFR傳感器模塊感測的參 數值進行信號編碼。
通常通過光纖芯的折射率的周期調製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生反射。布拉格波長取決於 影響折射率的例如應力和溫度的物理參數，因此引起光柵周期的改變。 在一個實施例中，FBG傳感器可以由可以在光纖上分布的幾個敏感光柵 元件構成。
光纖法拉第旋轉器(FFR)基於法拉第效應的原理工作，其中在顯示 出磁光效應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 一定角度。旋轉的角度與平行於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可以直接測量感應磁場，也被稱作 通過方程1給出的法拉第旋轉
formula see original document page 7(1)
其中， 表示法拉第旋轉的角度，入表示光的波長，T是溫度，F是 光纖晶體(fiber optic crystal)的維爾德常數，並且//是沿著傳播路徑/ 的磁場強度。此處所指的術語，材料的"維爾德常數"，被定義為對於各 個材料的法拉第效應強度的測量的光學常數。測量的靈敏度隨著維爾德 常數的增大而增大。
如果光纖線圈用於感測通過在其周圍纏繞線圈的導體產生的磁場，則 通過方程2給出法拉第旋轉角度
= VNI (2)
其中V是維爾德常數，N是光纖線圈的匝數，並且I是導體中的電流。 本發明的一個實施例是用於測量通過FBG傳感器感測的FBG參數 (意味著至少一個FBG參數)和通過FFR傳感器模塊感測的FFR參數 (意味著至少一個FFR參數)的集成測量系統。FFR傳感器模塊包括FFR 和偏振器。根據感測的FBG參數，FBG波長調製輸入FBG信號，並且 根據感測的FFR參數，利用FFR， FFR傳感器模塊旋轉偏振，並且利用 偏振器，進行強度調製。
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 生的調製信號用於詢問另一個。在一個例子中，通過光源產生的詢問信 號形成FBG輸入信號，並且FBG輸出信號的至少一部分形成FFR輸入 信號。FFR輸出信號然後形成集成系統輸出信號。相反地，在可替代的 例子中，通過光源產生的詢問信號可以形成FFR輸入信號，FBG輸出 信號的至少一部分形成FFR輸入信號。FFR輸出信號然後可以形成集成 系統輸出信號。
FBG參數的非限制性的例子包括溫度和應力。在一個實施例中，FBG 傳感器耦合至例如風輪機系統的葉片的一部分系統或基底，或者與例如 風輪機系統的葉片的一部分系統或基底接觸，測量它們的溫度或應力。
FFR參數的非限制性的例子包括電流和磁場。當通過在磁場中布置 FFR傳感器模塊而直接測量磁場時，通過布置載流導體直接測量電流， 該電流產生鄰近FFR傳感器模塊的磁場。載流導體在其周圍產生磁場，
所述磁場由FFR傳感器模塊感測。在一個例子中，FFR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的光 學透明鐵磁晶體材料，例如釔鐵石榴石和釓鐵石榴石。在光纖線圈結構 中，光纖線圈纏繞在載流導體周圍，以便由於導體中的電流而感應磁場。 偏振面的旋轉與維爾德常數成比例，光纖線圈的匝數和通過導體的電流 如方程2所示。為了在輸出信號中實現期望的信噪比，可能需要大量匝 數的線圈。在一個實施例中，FFR用於檢測和測量由於對系統的雷擊而 產生的電流，利用導體將所述電流傳導至測量系統。在通過流進導體中 的電流產生的磁場中布置FFR。
在一個實施例中，FFR參數是閃電參數，其不僅包括通過雷擊產生的 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 底上相對於彼此布置的多個FFR模塊可以用於定位雷擊的位置。
在一個實施例中，測量系統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，術語"多頻 率光源"涉及以多個波長發射光的源，例如但不局限於寬帶光源、 Fabry-Perot雷射器、外腔雷射器(external cavity laser)或包括以多個波 長發射的多個光源的光學裝置。
在進一步的實施例中，測量系統包括分光計或頻譜分析儀，以便從至 少部分集成系統輸出信號中提取波長調製信息。
在一個實施例中，作為偏振器的偏振分析器用於將從FFR形成的偏 振旋轉信號轉換成強度調製信號。偏振分析器相對於耦合進入FFR的詢 問信號的偏振面具有固定偏振角度。因為從FFR形成的偏振旋轉信號的 偏振面根據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 轉信號的分量幅值改變，從而將來自偏振旋轉角度的編碼轉換成強度調 制。
在一個實施例中，例如光電二極體的強度檢測器用於測量至少一部分 集成系統輸出信號的強度。
在一個實施例中，測量系統包括用於處理通過分光計和/或檢測器產 生的信息的數據處理和控制單元，以確定感測的FFR參數的值。在進一 步的實施例中，數據處理和控制單元也用於控制光源、分光計和檢測器。圖1描述了本發明的一個實施例中的測量系統10。該系統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)用於詢問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 感器的波長調製信號。波長調製表示感測的FBG參數，例如溫度或應變， 該感測的FBG參數修改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光學消偏振 來自源12的光。典型地，FBG的光譜響應和FFR的強度響應取決於入 射光的偏振。如果入射光是高偏振的，則該偏振相關性可以在兩個響應 中引起誤差。在許多系統中，利用單模光纖(SMF)，入射光的偏振是變 化和未知的，並引起無法預料地改變光譜和強度響應的波長中的偏移。 消偏振鏡可以用於減輕該效應。
從FBG傳感器14產生波長調製(WM)信號，並在耦合進入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 長調製(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。基於沿著光的傳播方向感測的磁場分量，線性 偏振波長調製信號的平面被旋轉。偏振旋轉(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角度信息轉換成強度的改變，以 提供形成集成系統輸出信號的強度調製的波長調製(IMWM)信號。偏 振分析器22具有關於第一偏振器18的固定偏振角度。沿著光纖24傳送 該集成系統輸出信號至檢測系統25。在本發明的一個實施例中，檢測系 統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，集成系統輸出信號部分耦合進入分 光計26，並部分耦合進入強度檢測器28。分光計表徵由於FBG參數造 成的波長偏移/改變，並且強度檢測器表徵由於FFR參數造成的強度改變。 在該實施例中，集成系統輸出信號用於確定FBG參數和FFR參數。在一 個實施例中，使用光纖用以在傳感器之間傳送信號，並且光纖傳感器的 使用減小了電磁幹擾(EMI)對測量結果的影響。
在一個實施例中，傳感器的詢問或採樣率大於大約500kHz。在進一
步的實施例中，傳感器的詢問或採樣率大於大約lMHz。在進一步的實施
例中，傳感器的詢問或採樣率大於大約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，儘管 具有類似於圖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)用於詢問FBG傳感器14。在該實施例中， 使用波長調製的反射FBG輸出信號和波長調製的透射FBG輸出信號。
當通過分光計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。該實施例中的優點在於，反射FBG信號可以用於確定 FBG參數，所述反射FBG信號發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線性地偏振波長調製(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參數被編碼為來自FFR輸出信號的強度變化/調製。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，集成系統輸出信號用於確定FFR參數，同時反射FBG輸出信號用 於確定FBG參數。
圖3描述了本發明的一個實施例中的測量系統30。該系統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 旋轉對應於感測的FFR參數的FFR輸入信號的偏振面，以提供偏振旋轉 信號，通過偏振器38，該偏振旋轉信號被轉換成強度調製(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波長調製對應於感測的FBG參數的入射M信號，以 提供MWM信號(集成系統輸出信號)，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描述了本發明的另一個實施例中的測量系統48。在該實施例中，
以反射模式使用FBG傳感器。該系統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，並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反向反射對應於中心位於布拉格 波長周圍的感測FBG參數的波長調製信號，該波長調製信號與來自反射 鏡的反射信號在耦合器處疊加，並且耦合離開耦合器，傳送至第一偏振 器60，該第一偏振器60偏振所述信號，該信號然後入射至FFR傳感器 模塊61上。FFR傳感器模塊61包括FFR62， FFR62旋轉對應於感測磁 場的入射信號的偏振面，並且進一步包括第二偏振器64，第二偏振器64 強度調製信號，以提供MWM信號，該MWM信號作為集成系統輸出 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描述了本發明的一個實施例中的測量系統70。在該實施例中， 以反射模式使用FBG傳感器。該系統70包括發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產生偏振旋轉(PR)信號，併入射至第二偏振器78 上。入射PR信號作為強度調製(M)信號而離開第二偏振器78，並且 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信號特徵在於被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。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，並在耦合器80處與IMWM信 號疊加，以便形成集成系統輸出信號，所述集成系統輸出信號傳送至分 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
合於第一偏振器96上，以便在入射於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產生對應於感測磁場的偏振旋轉(PR)信號，併入射至第 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)產生，並被耦合進入FBG傳感器102。對應於例 如溫度或應力的感測參數，通過FBG傳感器102對IM信號進行波長調 制，該波長調製修改FBG傳感器102的布拉格波長，以提供集成系統輸 出信號，該集成系統輸出信號最終被分光器104檢測。
分光計可以用於確定通過FBG和FFR傳感器模塊感測的參數。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 於確定通過FBG傳感器感測的參數的值，所述強度用於確定通過FFR傳 感器模塊感測的參數的值。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 中法拉第材料內部的溫度。在一些實施例中，需要在所使用的波長範圍 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 的最終檢測和分析，僅中心位於A i的部分集成系統輸出信號被用於確定 通過FFR傳感器模塊感測的參數，並且僅中心位於A 2的部分集成系統輸 出信號被用於詢問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產生對應於感測 磁場的偏振旋轉(PR)信號，併入射至第二偏振器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製(IM)信號(在兩個 波長處)產生，並通過耦合器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。對應於 例如溫度或應力的傳感參數，通過FBG傳感器120僅調製和反射中心位
於大約入2的部分IM信號，所述調製和反射修改傳感器120的布拉格波
長。在通過濾波器122濾波中心位於大約人2的信號之後，M信號的第 二部分也被反射鏡124反射掉。也就是說，在入2處信號分量入射於反射 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126並被檢測系統126檢測之前，來自FBG傳感器20的反射信號 (其特徵在於通過FBG測量的參數)和來自反射鏡124的反射信號(其 特徵在於FFR感測參數)在耦合器118處組合。檢測系統126包括波長 分配多路復用器127，以便分離兩個波長，並包括檢測器128和129，以 便單獨檢測中心位於大約兩個波長處的信號。在一個實施例中，檢測是 基於硬體的，而不利用任何軟體檢測系統。
圖8描述了在本發明的一個實施例中包括用於測量多個參數的測量 系統的系統130。測量系統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與數據處理和控制單元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 統部分148，以便測量多個參數。可以在例如風輪機系統的葉片的系統基 底148上或附近布置集成傳感器模塊，或將集成傳感器模塊嵌入例如風 輪機系統的葉片的系統基底148內部。在所示的實施例中，多個集成傳 感器模塊150， 152和154用於測量在系統中不同點處感興趣的參數。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，傳感器模塊產生對來自 FBG傳感器和FFR傳感器模塊的參數信息進行編碼的集成系統輸出信 號，通過光纖156， 158和160，該集成系統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)轉換器。可替代地，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。
本發明的另一個實施例是風輪機系統。該風輪機系統包括風輪機，所 述風輪機包括一個或多個渦輪葉片，以及集成測量系統，該集成測量系 統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，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，其中多個參數包括通過至少一個FBG傳感 器感測的至少一個FBG參數和通過FFR傳感器模塊感測的至少一個FFR 參數，其中集成測量系統產生對應於至少一個FBG參數和至少一個FFR 參數的集成系統輸出信號。在一個實施例中，集成測量系統包括多個集 成傳感器模塊。
對於風輪機葉片監控，獲得關於機械應力的信息是有用的。利用集成 測量系統，可以容易地確定關於風輪機葉片經歷的機械應力和由於雷擊 產生的導體中電流所產生的磁場的信息。此外，如果需要的話，可以監 控溫度，並且可以補償對磁場傳感器的溫度影響。維爾德常數是與溫度 相關的。當溫度改變時，通過測量FFR的響應，可以評估維爾德常數的 改變。在多個參考中已經描述了用以測量對FFR傳感器溫度影響的這種 技術，例如"Leung et al.,IEE international conference on advances in power system control,operation and management,November 1991,pp 637-643"。 i亥 系統提供了減小光纖和硬體設備數量的附加優點。
圖9是依據本發明一個實施例包括集成測量系統的風輪機系統162 的圖示描述。集成測量系統被用於測量包括應力和閃電參數的參數。通 常假定目標經受雷擊的可能隨著目標高度的平方而增加。在其中高度典 型為大約110m的風輪機的情況中，存在較高可能的雷擊。如在圖8中示 出的風輪機系統162包括布置在每一個風輪機葉片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上的衝擊點。當閃電168衝擊葉片166時，閃電電流通過葉 片166中的導體170，所述導體170傳送閃電感應的電流至集成傳感器模 塊164。在一個例子中，導體170可以是鋁導線。在一個實施例中，在風 輪機系統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，從而實現用於確定風 輪機葉片166上衝擊點的期望解析度。在示範性的實施例中，可以以相 互間隔大約10米來布置集成傳感器模塊164。
通過數據處理單元(未示出)可以進一步處理通過集成傳感器模塊產
生的集成系統輸出信號，以便不僅確定閃電參數，而且確定葉片中測量 點處的應力和/或溫度。
在其中需要EMI穩定性和使用應力/溫度和電流/磁場測量的實施例 中，集成測量系統是特別有利的，例如在運輸系統和在爆炸環境中。在 一個例子中，運輸系統是船。可以有益地包括這種集成測量系統的其它 不受限制的系統例子包括電力傳輸線和網絡、功率發生器、航空器、 鐵路機車和重型發動機。
在本發明的一個實施例中，用於多個參數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
參數和感測至少一個FFR參數，以產生集成系統輸出信號。利用FBG輸 入信號詢問FBG傳感器，並且利用FFR輸入信號詢問FFR傳感器模塊。 在一個例子中，FBG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，集成系統輸出信號是對FBG參數信息和FFR參數信息 進行編碼的強度調製波長調製(IMWM)信號。在一個實施例中，FBG 參數信息被編碼為波長調製，FFR參數信息信號被編碼為強度調製。檢 測IMWM信號，所述MWM信號用於產生FBG參數數據和FFR參數數 據。在一個例子中，例如對於閃電定位測量來講，可以合併(ftise)來自 FBG傳感器和FFR傳感器模塊的數據。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，關於通過檢測器 登記的寬帶光譜的被濾波光譜線信息可以用於評估通過FFR傳感器的強 度。
雖然在此已經描述和闡述了本發明的某些特徵，但對所屬領域的技術 人員來講可以進行多種修改和改變。因此可以理解的是，權利要求書試 圖覆蓋落入本發明真實精神範圍內的全部這種修改和改變。 元件清單 10集成測量系統 11集成測量系統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
26分光計
28強度檢測器
30集成測量系統
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
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
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
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
127波長分配多路復用器
128強度檢測器1
129強度檢測器2
130包括集成測量系統的系統
132詢問和分析模塊
134光源
136檢測器
138數據處理和控制單元 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風輪機
164集成傳感器模塊
166葉片
168閃電
170導體
172詢問模塊
172渦輪中央
權利要求
1、一種用於測量多個參數的集成測量系統(10)，包括光纖布拉格光柵(FBG)傳感器(14)，配置成調製FBG輸入信號的波長，以提供對應於FBG參數的FBG輸出信號；光纖法拉第旋轉器(FFR)傳感器模塊(19)，配置成旋轉偏振和調製FFR輸入信號的強度，以提供對應於FFR參數的FFR輸出信號，其中FBG傳感器和FFR傳感器模塊被耦合，以提供集成系統輸出信號；以及檢測系統(25)，配置成接收集成系統輸出信號，並且配置成利用集成系統輸出信號，以獲得與至少一個FBG或FFR參數相關的值。
2、 權利要求1的集成測量系統，其中檢測系統配置成接收集成系統 輸出信號，並且配置成利用集成系統輸出信號，以獲得與FBG和FFR參 數相關的值。
3、 權利要求1的集成測量系統，其中檢測系統配置成進一步接收反 射FBG輸出信號，以獲得與FBG參數相關的值。
4、 權利要求1的集成測量系統，其中FFR傳感器模塊包括FFR(20) 和偏振器(22)。
5、 權利要求l的集成測量系統，其中FBG參數是應力或溫度。
6、 權利要求l的集成測量系統，其中FFR參數是磁場或電流。
7、 權利要求1的集成測量系統，其中檢測系統包括分光計(26)， 以確定集成系統輸出信號的至少一部分的調製波長，從而提供FBG參數 數據。
8、 權利要求1的集成測量系統，其中檢測系統包括強度檢測器(28)， 用於測量集成系統輸出信號的至少一部分的強度，從而提供FFR參數數據。
9、 權利要求1的集成測量系統，進一步包括數據處理和控制(138)， 其中數據處理和控制單元處理通過分光計產生的FBG參數數據，以確定 FBG參數，以及處理通過強度檢測器產生的FFR參數數據，以確定FFR 參數，或兩者都處理。
10、 一種風輪機系統(162)，包括包括一個或多個渦輪葉片(66)的風輪機；以及集成測量系統，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，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，其中多個參數包 括通過至少一個FBG傳感器感測的至少一個FBG參數和通過FFR傳感 器模塊感測的至少一個FFR參數，其中至少一個FFR參數是閃電參數； 導體(170)，配置成接收雷擊，並且傳送閃電感應的電流至集成測 量系統；其中集成測量系統產生對應於至少一個FBG參數和至少一個FFR參 數的集成系統輸出信號。
11、 一種用於多個參數的集成測量的方法，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於感測至少FBG參數的至少一個FBG傳感器和用於感測至少一個 FFR參數的至少一個FFR傳感器模i央，其中利用FBG輸入信號詢問FBG 傳感器，並且利用FFR輸入信號詢問FFR傳感器模塊；產生與FBG參數和FFR參數相關的集成系統輸出信號； 檢測集成系統輸出信號，以產生FBG參數數據和FFR參數數據；以及確定FBG參數和FFR參數的值。
全文摘要
公開了一種用於測量多個參數的集成測量系統。該集成系統包括光纖布拉格光柵(FBG)傳感器，配置成調製FBG輸入信號的波長，以提供對應於FBG參數的FBG輸出信號，光纖法拉第旋轉器(FFR)傳感器模塊，配置成旋轉偏振和調製FFR輸入信號的強度，以提供對應於FFR參數的FFR輸出信號，其中FBG傳感器和FFR傳感器模塊被耦合，以提供集成系統輸出信號，以及檢測系統，配置成接收集成系統輸出信號，並且配置成利用集成系統輸出信號，以獲得與至少一個FBG或FFR參數相關的值。
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 優先權日2006年12月8日
發明者B·萊夫克, S·G·M·克雷默 申請人:通用電氣公司