基于光纤光栅传感的风电叶片监测技术浅析

文 | 王文娟，宋昊，盛楠，陈超

基于光纤光栅传感的风电叶片监测技术浅析

文 | 王文娟，宋昊，盛楠，陈超

国家发改委能源研究所发布的《中国风电发展路线图2050》中，预计到2050年，风电将满足17%的国内电力需求。2025年后，大批风电机组服役期已满，电力需求和需要更换的风电机组将会使叶片的需求量维持在一个较高的水平。

大部分叶片设计寿命为20年，在运行过程中长期受到交变载荷作用，微观缺陷会不断扩展并发展为疲劳损伤，在天气恶劣的环境将会更明显。风电叶片在实际使用过程中事故频发，给叶片生产商、主机厂、风电场业主带来了巨大损失，如何有效规避运行风险成为市场迫切需求。

现在世界范围内对风电机组主要依靠定期检测来保证其运营安全，检测周期较长，导致检测不及时，无法实时预测和避免机组事故发生，这一损失据不完全统计已经达到风电运行维护成本的37.4%。传统的电测量监测方式，对于恶劣的使用环境具有较大局限性，易受电磁干扰，链路繁多，附加重量大且寿命较短，无法满足实际使用需要。而光纤布拉格光栅（FBG）传感器具有抗电磁干扰、环境适应性强、绝缘性能好、寿命长、集成度高等优点，是进行叶片载荷、损伤监测最具潜力的传感器之一。

光纤光栅传感原理及优势

光纤光栅是光纤波导介质中物理结构呈周期性分布，用来改变光在其中传播行径的一种光子器件。光纤布拉格光栅是最普遍的一种波长调制型光纤光栅传感器。被测量（应变、温度等）的变化引起光纤光栅中心波长的变化，光纤光栅中心波长的变化与被测量之间具有确定的数学关系，只要准确测量出波长的偏移量，就可以计算出传感器所受应变、温度以及它们的变化量。这种测量方法思路简单，操作方便，可靠性高。

波分复用的FBG传感器网络测量系统（如图1所示）由宽带光源、信号传输线（光纤或光缆）、FBG传感器网络、光纤耦合器及波长解调测量系统组成。宽带光源将有一定带宽的光通过光纤耦合器入射到光纤光栅中，由于光纤光栅的波长选择性作用，符合条件的光被反射回来，再经光纤耦合器送入解调装置测出光纤光栅的反射波长变化。当被测试件受振动作用或温度发生改变时，光纤光栅自身的折射率或栅距发生变化，从而引起反射波长的变化。因此，通过检测波长变化即可推导出被测试件温度、应变发生的变化。

光纤光栅传感技术与传统电阻应变测量方法相比，具有其不可比拟的优点。

一、抗电磁干扰，数据准确性高

由于光纤光栅对被测信息用光波长编码，性能不受电磁信号波动、光源功率波动和光纤弯曲等因素的影响。图2为光纤光栅传感器和传统应变片在电磁干扰环境下的测试曲线，图2中横坐标为时间，纵坐标为应变值（微应变），结果表明，应变片测试数据受到较强的电磁干扰，而光纤数据则较为平滑。

在风电场现场应用过程中，目前机舱和地面的沟通一般采用手机或对讲机，会对传统应变片测试信号产生明显干扰，若采用光纤光栅传感器，可以很好地规避测量数据的无效波动，使测试更为专业和准确。

二、测点多，质量轻，安装易

光纤传感器由于波分复用的特点，可以在单根光纤上制作二十余个测量点，大大减少传输线路的同时可对风电机组叶片实现分布式测量，结合一组光扫描开关，一台四通道仪表可以解决几百点应变或温度测量问题。图3为某猎户座飞机地面试验中采用传统应变片和光纤传感器所用的引线对比图，应变片需要上千根，而光纤仅需几根就可满足测试要求。针对光纤传感器不同的封装形式和被测结构的特点，传感器采用胶粘、螺纹连接或焊接等方式安装于结构表面，操作快捷简便。

在机组叶片地面疲劳试验和现场运行叶片监测中，在短时间内（约一天）安装几根光纤就可实现上百点的应变和载荷监测，附加重量较小，节约时间的同时大大减小了对运行叶片结构和性能的影响。

三、尺寸小巧，易埋入叶片，形成智能叶片

叶片材料以玻璃纤维增强树脂基复合材料为主，而光纤光栅材料成分亦主要为玻璃，与叶片材料相容性较好，且直径仅为0.155mm，易埋入叶片内部形成智能叶片。现有研究表明，光纤光栅埋入复合材料，可监测复合材料受载情况，记录冲击事件，反映结构受损情况，为叶片安全监测提供数据支撑。

四、耐腐蚀，寿命长

光纤材料主要为玻璃，具有很好的抗腐蚀性能。国外已有将光纤光栅传感器埋入碳纤维复合材料测其应变的报道，在0με-2000με循环32万次后，光纤光栅传感器仍没有出现劣化现象，通过加速老化试验认为光纤光栅存活寿命大于25年。

基于光纤光栅传感的风电监测技术进展

近年来在欧美等国家对风电机组叶片进行了一些实验室规模的静载和疲劳载荷作用的监测研究，同时对一些运营状态下的风电叶片进行了监测研究和应用。英国SmartFibres公司、荷兰ECN公司、美国穆格公司均开发了相关产品。据报道国外采用光纤传感器进行风电机组监测的比例已高达27.3%。

国内虽有一些科研机构进行过此方面的研究，但是技术并未成熟。我国风电装机具备此系统的风电机组尚不足1%，且监测系统的采购依赖于进口，价格昂贵，采购周期长且售后和升级服务不及时，关键技术严重封锁，亟需自主研发风电配套的光纤载荷监测系统。

为此，国内的光纤传感系统研发以军工单位中国航空工业集团公司北京长城计量测试所为代表，最先以航空健康监测为目标组建了光纤传感技术中心，目前正积极向民用方向拓展。该中心以光纤光栅刻制、传感器设计及封装、高速解调仪表的设计及应用为主要特色，形成了一套独立的研制开发能力。目前已掌握了超短型和超大波长带宽的光栅刻制技术、光纤光栅应变传感器的小型化封装、安装和性能评价、高速光纤光栅解调等光纤传感的关键技术。2012年已将该系统成功通过了歼教七的空中飞行验证试验，并在三代机的长期地面疲劳试验中验证了其可靠性，同时利用传感器内埋方式实现了碳纤维复合材料实时冲击定位监测的目的。在风电领域，在中航工业某叶片生产单位完成了叶片在疲劳试验中的应变场监测，同时在山东某风电场实现了已运行叶片和塔筒应变和载荷的监测。

一、光纤光栅传感器开发

目前已掌握了光栅刻制算法、封装工艺及性能指标标定等关键技术，建立了完善的光栅刻制工艺流程，使光纤光栅的成品率和稳定性达到国内领先水平。光纤光栅刻制生产线如图4所示。目前已形成的产品有光纤光栅应变、温度、压力、加速度传感器，各种应变传感器如图5所示。

二、光纤光栅传感解调仪开发

根据光纤传感器的应用需求以及解调技术实现的难易程度，重点研究了基于FP腔滤波法解调系统和基于衍射光栅分光法解调系统，几种仪表如图6所示。申请了20余项相关专利，涉及解调仪的小型化、温度适应性、振动适应性、电磁兼容性、电源特性设计等关键技术。

三、光纤光栅传感校准技术研究

对风电机组叶片进行测试前，需要保证光纤传感器的现场测试准确性，既要确保光纤传感器本身的准确性，亦要保证安装工艺的规范性和测试数据的有效性。计量所针对该问题已成功研发两套校准系统。第一种系统针对未安装的传感器，采用直拉式绝对校准法对传感器进行拉伸压缩，传感器校准范围为±4000µε；重复性≤1%；第二种针对安装后的光纤光栅传感器，利用钢架纯弯梁对安装后的光纤光栅应变传感器进行校准，可校准参数包括灵敏系数、机械滞后、蠕变、线性度等；该装置的校准精度可达到1%；还可对高低温环境下灵敏系数进行校准，校准温度范围为：-30℃-80℃。

光纤光栅传感在某运行风电场的应用情况

为验证光纤光栅传感器在运行风电机组进行载荷测试的可行性和准确性，2015年将该系统安装于山东某运行机组，测试叶片根部摆振和挥舞方向的弯矩随风速的变化情况。光纤光栅叶片测试系统如图7所示，由光纤光栅传感器、光纤解调仪、无线传输模块、传输链路、数据处理与显示管理组成。

叶片采用叶片自重标定法进行载荷标定。

传感器安装位置和现场安装情况如图8所示，每个叶片安装4个应变传感器和2个温度补偿传感器。传感器均沿叶片展向布置，其中应变传感器为两个挥舞方向，两个摆振方向，温度补偿传感器只感受温度，放置于其中两个应变传感器的邻近位置。

在为期一个月的测试过程中，系统自动保存光纤光栅监测数据。以三个叶片的弯矩数据为例，随机取20秒的摆振弯矩数据如图9所示，可以看出三个叶片的摆振弯矩一致性较好。

叶根弯矩载荷随时间的变化曲线和叶根风速随时间变化的曲线如图10所示。取2015年4月份的某一时间段内的数据。叶片根部弯矩载荷通过光纤传感监测系统所得，采样率为50Hz；叶根的风速数据通过激光雷达监测系统所得，采样率为1Hz。可以很明显看出，所测的弯矩与风速变化趋势基本一致，验证了光纤光栅测试风电机组叶片载荷的实时性和可行性。略有偏差推测是由于风速和光纤数据的采集频率不同，两种数据采集设备时间未绝对同步引起。

小结与展望

在对运行机组叶片的应变和载荷监测过程中，光纤光栅传感系统安装方便，所测数据无断点，信号传输稳定，耐久性好，与风速数据有较好的一致性，为独立变桨的控制提供可靠详实数据。该系统可监测的参数除了应变、温度、载荷，亦可扩展至叶片损伤、覆冰监测，是实现机组叶片安全监测最有前景的传感器之一。因该技术在风电领域的应用刚起步，结合风电叶片现场恶劣环境和测试参数的需求，要实现光纤传感产品在风电领域的产业化目标，其长期可靠性（25年）需进一步验证，成本较高、与现有机组其它参数监测系统的同步性和兼容性等是该技术成功推广的限制因素。

针对国内现状提出以下几点展望：

（1）打破国外垄断，加快自主知识产权申请。

（2）提高系统可靠性，降低成本，提高产品竞争力。

（3）实现区域监控，综合参数监测的时间同步性设计，通过多个叶片组的数据监测，运营商可以掌握整个风电场的风电机组工作状况，实现叶片动态维护、风电场动态化管理。

（4）实现远程传输，实时监控功能。

（5）综合叶片结构及运行多种参数，设置报警阀值，显示智能维修建议。

（6）针对不同用户能快速提出“一对一”的系统解决方案、完成系统供应或检测任务。

（作者单位：中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所）