用於測量風力發電設備形變的光纖傳感器的製作方法

2023-05-18 03:29:46 4

專利名稱：用於測量風力發電設備形變的光纖傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於測量工藝構件和結構、尤其是風力發電設備旋翼板的物理參數的 光學傳感器。
背景技術：
DE1020050016524示出一種風力發電設備，其中藉助於膨脹測量條來獲取旋翼板 的工作狀態或其異常。諸如這種膨脹測量條的電傳感器的主要問題在於其對於電幹擾或電 磁幹擾的敏感性。它們可能由於旋翼板上的靜電放電或由於雷擊而被幹擾或損毀。US4773753公開了一種光纖傳感器，用它可測量溫度或膨脹。此傳感器基於獲得極 化的光纖。通過光纖傳輸的光的極化由於諸如溫度或膨脹的外部影響而改變。在光纖末端 對光的極化進行分析，以得出關於要測量的量的結論。這裡通過採用光學傳感器可實現與電場和電波的不相關性。採用這種基於光纖的 傳感器的缺點在於其昂貴的維護費用和高的機械敏感性。此外基於對極化變化的分析的傳 感器通常只有較小的解析度或精度。這種可以同時測量諸如溫度和膨脹等多個測量量的傳感器的問題還在於判斷測 量信號是由哪個測量量所產生的。例如如果識別出極化改變，則不能明確判定它是由光纖 長度的變化還是由溫度的變化弓I起的。如US7027672B2所公開的，基於布拉格光柵的傳感器提供了較高的解析度。但其 缺點是分析單元典型的低帶寬，因而只能進行在數赫茲範圍內的慢測量。此外分析單元還 很複雜和昂貴。

發明內容
本發明的目的在於給出一種用於測量機械構件、尤其是風力發電設備旋翼板的形 變的光學傳感器，它避免了現有技術的缺點，特別是能以更好的精度和解析度進行膨脹測 量，同時溫度影響得到儘可能的補償。此傳感器應具有在千赫茲範圍內的相對高的帶寬，結 構牢靠，並且能簡單且廉價地生產。此外這種傳感器能夠用可見光工作。根據本發明，上述任務的解決方案在獨立權利要求中給出。本發明的改進方案是 從屬權利要求的主題。本發明所述光纖傳感器用於對機械構件中的機械形變進行溫度補償的測量。這樣 的機械構件特別是風力發電設備1的旋翼板5。旋翼板按照風力載荷而變形。通過測量旋 翼板形變可以得出關於旋翼板的載荷狀況或其它狀態，例如結冰的結論。為了測量機械構 件、例如旋翼板的形變，在所述構件上安裝有第一測量光纖10和第二測量光纖11。這裡尤 其是第一測量光纖10在至少兩個點處與機械構件相連接，從而使機械構件5的機械變形導 致第一測量光纖10的長度變化。第二測量光纖10如此與機械構件5相連接，使得該機械 構件的變形除在測量光纖10中引起長度變化外不導致其它的長度變化。因此第二測量光 纖11也可以鬆動地設置在機械構件5上，使得構件5的變形不會導致第二測量光纖的長度
4變化。這兩根測量光纖10，11由第一光發射機14饋送通過來自信號發生器33的調製頻率 所調製的測量信號。為了將發射機的信號分配給這兩根測量光纖，在第一光發射機14與這 兩根測量光纖10，11之間設置有第一 Y耦合器21。第一測量光纖10輸出的光測量信號被 送到第一光接收機19，而第二測量光纖11的光測量信號被送到第二光接收機20。除了這 裡所描述的測量信號路徑外，還有一條參考信號路徑。這樣，向第一參考光纖12和第二參 考光纖13饋送光參考信號。這個光參考信號按照實施方式由用於產生光參考信號的裝置 15，17，18，23產生，並以來自信號發生器33的調製頻率調製。第一參考光纖12和第二參考 光纖13最好具有不同的長度。由這兩根光纖輸出的信號被饋送到第一光接收機19或第二 光接收機20，並且像測量路徑的信號一樣在一個最好包括相位比較器30、模/數轉換器31 及微控制器32的分析單元中被分析。按照本發明，最好用塑料光纖(POF)作為測量光纖和 參考光纖。但原則上也可採用其它光導纖維。為了使機械的影響最小化，第一 Y耦合器21 儘可能靠近測量光纖10，11安裝，並且儘可能在機械上固定地、從而無振動地與機械構件5 相連接。
為了對信號進行分析，求出來自第一測量光纖10和第二測量光纖11的這兩個信 號之間的第一相位差。這個相位差是對光纖變形所引起的長度差的一個度量，從而也是對 機械構件形變的一個度量。具有優點的是，第一測量光纖10和第二測量光纖11相互熱耦 合，使得溫度變化不會引起光的附加相位變化。通過比較來自測量光纖和來自參考光纖的 測量結果，可以補償參與測量的部件，如發射機14、接收機19，20以及分析單元30，31，32的 容差。也可以補償光纖折射指數與溫度的相關性，進而補償作為光纖長度變化的函數的相 位變化。由於參考光纖不同的已知長度，存在一個與溫度有關的相位差。如果現在測量光 纖和參考光纖近似具有相同的溫度，則對於長度變化的測量值可以由這兩個相位差的求商 而計算出來。最終得出的測量值還要根據測量裝置的比例因子和零點而加以處理。通過這 種補償，可以用標準部件簡單而又廉價地實現構造。特別適合的是採用一個後面接有模/數轉換器的模擬相位比較器。當然也可以採 用數字式相位比較器。具有優點的是，測量光纖10，11如此與機械構件5相連接，使得在機械構件5變形 時這些測量光纖的長度變化在相反的方向上進行。這意味著例如當機械構件5在第一個方 向上變形時第一測量光纖10在其長度方向上縮短，而第二測量光纖11在其長度方向上伸長。在本發明的另一實施方式中，對於第一參考光纖12和第二參考光纖13的信號設 置了單獨的光參考接收機。此外，具有優點的是設置了一個用於分析參考信號的獨立的相 位比較器。在本發明的另一實施方式中，也可以設置一個電參考路徑，用來代替光參考路徑。 在這種情況下，信號發生器33的電信號通過兩個不同長度的導線轉發到相位比較器30。由 此至少可以實現相位比較器的校準。但發射機靈敏度的溫度相關性可能不再被校準。在本發明另一個具有優點的實施方式中，設置了兩個光發射機，用來代替後面接 有Y耦合器21的第一光發射機14，這兩個光發射機最好被饋送相同的電信號。在本發明的另一實施方式中，光參考信號具有與光測量信號不同的調製頻率。在 這種情況下，信號發生器33具有至少兩個不同調製信號的輸出，其中第一個輸出控制第一光發射機14，第二個輸出控制第二光發射機15。調製信號可以有不同的曲線形狀。在採用模擬相位比較器時特別具有優點的是正 弦形的曲線形狀。在採用數字式相位比較器的情況下推薦採用矩形的曲線形狀。在另一個具有優點的實施方式中，對參考光纖的測量使用不同的、最好是比用於 測量光纖的測量更高的頻率。例如對於參考光纖的優選測量頻率是2GHz，對於測量光纖的 優選測量頻率為0. 5GHz。特別是對於測量光纖，光發射機的調製頻率必須和光纖長度相匹 配。光纖長度增加，調製頻率必須減小。但是較高的調製頻率可以獲得更高的解析度。因 此用短參考光纖進行的測量最好在較高頻率下進行。原則上採用更高的測量頻率可以實現 更高的解析度或更高的精度。為了特別簡單地進行維護工作和系統的安裝或校準，光參考信號或光測量信號具 有可見光範圍內的波長，最好是紅色光。本發明的另一主題是一種風力發電設備，它包括如前面任一要求保護的光纖傳感 器，該光纖傳感器用來測量至少一個旋翼板的形變。


下面藉助附圖所示實施例示例性地說明本發明，但本發明並不局限於這些實施 例。圖1示出一個根據本發明的光纖傳感器。圖2示出本發明的另一實施例，它在參考路徑中有一個光開關。圖3示出本發明的另一實施例，它具有用於產生參考信號的第二光發射機。圖4示出一個風力發電設備。圖5示出風力發電設備A-A截面頂視圖。圖6示出一個帶有光纖傳感器的旋翼板的側視圖。圖7示出帶有光纖傳感器的旋翼板剖面圖。圖8示出普通形狀的傳感器結構。圖9示出具有地點解析度的傳感器。圖10示出具有更高解析度的傳感器。圖11示出具有地點解析度的橫向力傳感器。圖12示出用於橫向檢測的傳感器。圖13示出用於扭轉測量的傳感器。
具體實施例方式在圖1中示出了一個根據本發明的光纖傳感器。信號發生器33產生兩個用於調 制第一光發射機14的信號。第二光發射機14的輸出信號通過一個光切換開關18可選擇 地饋送給測量路徑中的第一 Y耦合器21或參考路徑中的第二 Y耦合器22。第一 Y耦合器 21將信號分為兩部分，用於第一測量光纖10及第二測量光纖11。這兩根測量光纖最好如此 與機械構件連接，使得它們的形變相反並且有近似相等的溫度。第一測量光纖10的輸出信 號被饋送到第一光接收機19，第二測量光纖11的輸出信號被饋送到第二光接收機20。這 兩個光接收機的輸出信號藉助於相位比較器30進行比較。相位差藉助於模/數轉換器31
6轉換為數字的測量值，並藉助於微控制器32被進一步處理。為了產生參考信號，在第一光 發射機14與第一 Y耦合器21之間的光切換開關18將測量路徑的信號切換到參考路徑中。 這個光切換開關18最好由微控制器32控制。用於參考路徑的切換開關18的輸出信號通 過第二 Y耦合器22給到第一參考光纖12和第二參考光纖13。這兩根參考光纖12，13具有 已知的、最好不同的長度。基於這個已知的長度差得到一個已知的信號相位差。由這些參 考光纖輸出的光同樣傳輸給第一光接收機19或第二光接收機20，以便由相位比較器進行 分析。微控制器32可由測量光纖的信號相位差與參考光纖的信號相位差的比值求出對測 量光纖長度變化的相對精確的測量值。作為替代，為了測量光纖10，11的測量以及為了參考光纖12，13的測量，可由信號發生器33預先給定不同的調製頻率。此外，相位比較器30在其內部可具有兩個有選頻特 性的相位比較器，用於在不同的調製頻率下測量相位差。在圖2中示出了本發明的另一實施例，其中在參考路徑中有一個光開關。第一光 發射機14的輸出信號通過第三Y耦合器23分解為用於測量路徑的第一信號和用於參考路 徑的第二信號，第一信號通過第一 Y耦合器21饋送給第一測量光纖10和第二測量光纖11。 用於參考路徑的信號藉助於光開關17被接通或切斷，並通過第二 Y耦合器22饋送給第一 參考光纖12和第二參考光纖13。在開關17接通的情況下，該實施例用接收機19，20同時接 收來自參考路徑的信號和來自測量路徑的信號。典型地，參考光纖明顯比測量光纖短，從而 其衰減更小，並且寬帶更寬。參考光纖與測量光纖間的典型長度比在1 10至1 10000 的範圍內。由於測量光纖有大的信號衰減，在開關17接通時可良好地分析參考信號。這裡 也可選擇不同的調製頻率。因為測量光纖由於其長度明顯帶寬更窄，在開關17接通時可以 由發射機14給出一個具有更高調製頻率的信號。該信號可以通過短的參考光纖傳輸，但是 不再通過長的測量光纖傳輸。用於測量光纖的測量的頻率與用於參考光纖的測量的頻率間 的典型比值在1 10至1 100的範圍內。在圖3中示出本發明的另一實施例，其中具有一個用於產生光參考信號的第二光 發射機15。這裡可以取消切換開關18。具有優點的是，第一光發射機14的信號與第二光 發射機15的信號在時間上錯開地輸出，從而使相位比較器30分別只收到來自測量光纖的 信號或來自參考光纖的信號。作為替代，第一光發射機14和第二光發射機15也可用不同 的頻率調製。圖4示出按照本發明的風力發電設備。在塔架2上裝有一個發動機短艙3。此短 艙具有一個用於放置旋翼板5的旋翼套筒4。圖5示出短艙的剖面頂視圖。這樣從上面可以看到發動機短艙3和旋翼套筒4。 圖中所示旋翼板是其在標出的截面A-A上的剖面。通常可以調整旋翼板相對於風6的角度。圖6以側視圖示出根據本發明的帶有光纖傳感器的旋翼板。圖中示出了第一測量 光纖10，它以環狀安置在旋翼板5的上側面附近。這裡例如第一側40可以與第一 Y耦合器 21相連接，而第二側41與第一光接收機19相連接。圖7示出根據本發明的帶有光纖傳感器的旋翼板剖面圖。在旋翼板的一側上示出 的是圖6中第一測量光纖10的部分40和41的剖面，與其相對設置的是第二測量光纖11 的部分42和43的剖面。例如現在由於風力使旋翼板從該圖的前方看去向左彎曲，則第一 測量光纖10在點40與41之間的長度增加，而第二測量光纖11在點42與43之間的長度減小。圖8至13示出光導體10，11的不同傳感器結構。這裡光纖至少具有一個引導段 50和一個傳感器段51。引導段50鬆動地、即機械上無連結地固定在機械構件5上，因而它 不因為機械構件5的變形而變形。傳感器段50至少在兩點、優選的是在其端點、尤其優選 的是在其整個長度上與機械構件相連接，從而由於機械構件的變形使傳感器段51發生長 度變化。相應的結構例如可以通過如此安裝光纖來實現即在引導段50的區域內光纖鬆動 地敷設，而在傳感器段51的區域內光纖牢固地與機械構件5粘接。但是也可以是在相應段 的不同光纖件相互連接。圖8示出普通形狀的傳感器結構。這裡至少一個光導體10，11或兩個光導體都按 圖所示設置。圖9中傳感器包括多個相互分離的光導體，它們對應於多個光導體10，從而得到 多個傳感器迴路。這些迴路可以由多個分析裝置進行分析或由切換開關切換到一個分析裝 置。這裡可以在不同的地點進行測量。圖10所示傳感器通過將多個傳感器段51連接在一起來提高解析度。圖11所示傳感器類似於圖9所示具有地點解析度的傳感器，可以在不同地點測量 橫向方向上的力。圖12所示傳感器通過多個傳感器段53的並聯而對橫向力有高解析度。圖13示出用於扭轉測量的傳感器，它可特別有利地應用在風力發電設備中。這裡 例如第一測量光纖10具有第一引導段50和第一傳感器段51，第二測量光纖11具有第二引 導段52和第二傳感器段53。通過測量段的如此排列，可以測量機械構件5的扭轉。附圖標記列表1風力發電設備2 塔架3發動機短艙4旋翼套筒5旋翼板6 風10第一測量光纖11第二測量光纖12第一參考光纖13第二參考光纖14第一光發射機15第二光發射機17光開關18光切換開關19第一光接收機20第二光接收機21第一 Y耦合器22第二 Y耦合器
8
23第三Y耦合器30相位比較器31模/數轉換器32微控制器33信號發生器34顯示裝置40/41第一光波導體42/43第二光波導體50引導段51測量段52第二信號支路中的弓丨導段53第二信號支路中的測量段
權利要求
一種用於對機械構件(5)中的形變進行具有溫度補償的測量的光纖傳感器，包括第一測量光纖(10)和第二測量光纖(11)，這兩個測量光纖分別在至少兩個點處與機械構件(5)相連接，並且與機械構件(5)一起至少部分地改變其長度，其中作為對此的替代，第二測量光纖(11)也可以鬆動地設置在機械構件(5)上，第一光發射機(14)，它由信號發生器(33)饋給信號，後面接有Y耦合器(21)，用於將光測量信號饋送到第一測量光纖(10)和第二測量光纖(11)，第一光接收機(19)，用於接收通過第一測量光纖(10)引導的光測量信號，第二光接收機(20)，用於接收通過第二測量光纖(11)引導的光測量信號，用於產生光參考信號的裝置(15，17，18，23)，該裝置的後面接有用於將光參考信號饋送到第一參考光纖(12)和第二參考光纖(13)的Y耦合器(22)，其中第一參考光纖(12)和第二參考光纖(13)具有不同的長度，並且第一參考光纖(12)的輸出信號被饋送到第一光接收機(19)，第二參考光纖(13)的輸出信號被饋送到第二光接收機(20)，以及分析單元(30，31，32)，它在饋入從測量光纖(10，11)輸出的測量信號的情況下由第一光接收機(19)的信號和第二光接收機(20)的信號求出第一相位差，並在饋入從參考光纖(12，13)輸出的參考信號的情況下求出第二相位差，並且輸出由第一相位差和第二相位差所求出的測量值。
2.如權利要求1所述的光纖傳感器，其特徵在於，測量光纖(10，11)和參考光纖(12， 13)相互熱耦合，和/或近似具有相同的溫度。
3.如以上權利要求中任一項所述的光纖傳感器，其特徵在於，第一測量光纖(10)和第 二測量光纖(11)近似具有相等的長度。
4.如以上權利要求中任一項所述的光纖傳感器，其特徵在於，第一參考光纖(12)和第 二參考光纖(13)具有預定的長度差。
5.如以上權利要求中任一項所述的光纖傳感器，其特徵在於，測量光纖(10，11)如此 與機械構件(5)連接，使得在機械構件(5)變形時測量光纖(10，11)的長度變化相反。
6.如以上權利要求中任一項所述的光纖傳感器，其特徵在於，第一參考光纖(12)的輸 出信號被饋送到第一光參考接收機，第二參考光纖(13)的輸出信號被饋送到第二光參考 接收機，並且分析單元對參考接收機的相應信號進行分析。
7.如以上權利要求中任一項所述的光纖傳感器，其特徵在於，代替用於產生光參考信 號的裝置和參考光纖(12，13)，在信號發生器(33)與分析單元(30，31，32)之間設置有採用 兩個最好長度不等的電導線的電連接。
8.如以上權利要求中任一項所述的光纖傳感器，其特徵在於，代替後面接有Y耦合器 (21)的第一光發射機(14)，設置有兩個光發射機，這兩個光發射機最好被饋送相同的電信 號。
9.如以上權利要求中任一項所述的光纖傳感器，其特徵在於，光參考信號具有不同於 光測量信號的另一調製頻率。
10.如以上權利要求中任一項所述的光纖傳感器，其特徵在於，光參考信號和光測量信 號具有正弦形或矩形的曲線形狀。
11.如以上權利要求中任一項所述的光纖傳感器，其特徵在於，光參考信號和/或光測 量信號具有在可見光範圍內的波長。
12. —種風力發電設備，它包括以如上權利要求中任一項所述的用於測量至少一個旋 翼板的形變的光纖傳感器。
全文摘要
本發明涉及一種具有測量路徑和參考路徑的光纖傳感器。這兩個路徑分別由兩根光纖構成，並且被饋給經過調製的光。參考路徑的光纖有預定的長度差，而測量路徑的光纖長度相同。所有的光纖近似有相同的溫度。分析電路分別求出測量路徑光纖間和參考路徑光纖間的相位差。然後輸出由相位差計算出的測量值。
文檔編號G01L1/24GK101874194SQ200880115323
公開日2010年10月27日 申請日期2008年9月17日 優先權日2007年9月17日
發明者H·席林, H·普斯爾, M·魯博, O·澤爾曼, S·洛奎 申請人:紐倫堡應用技術大學格奧爾格西蒙歐姆大學