面向直驱式风力发电机气隙检测用光纤传感器系统设计

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(1.西安交通大学机械工程学院，陕西 西安 710049；2.中车株洲电机有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

目前，国内外风力发电机多采用双馈异步型和直驱永磁型风力发电机。与传统的双馈异步型风力发电机相比，直驱永磁风力发电机改变了沉重的增速齿轮箱模式，将发电机轴直接连接到叶轮轴上，即风轮直接驱动风力发电机，简称为直驱式，因此其结构简单，传动损耗小，并且能够有效避免由于行星齿轮箱故障而造成的发电机组故障，从而能够降低维修成本，提高发电机组的可靠性；还具有能量密度高，无需励磁绕组，运行效率高，无需集电环和电刷，可靠性高等特点。由于直驱式风力发电机具有诸多优良特性，因此成为风力发电机的重要发展方向[1]。

对于直驱式风力发电机而言，转子和定子之间的气隙是一个非常重要的参数，对发电机的电气性能具有较大的影响。由于制造、安装和运行等原因，发电机定转子之间的气隙将或多或少存在不均匀的状况，此种状况称之为气隙偏心。气隙偏心是一种常见的机械缺陷，它是由负载不平衡、轴偏心、轴承磨损、转子轴轻微弯曲、转子制造缺陷，以及定子或转子定位不正确等一系列机械问题引起的。当气隙偏心率超过10%时，即认为发电机存在气隙偏心故障。偏心故障将会对转子产生不平衡电磁拉力，这将使发电机的轴承工作情况恶化，同时加剧机组定转子振动，造成定子铁心变形，绕组磨损和绝缘破坏等。此外，气隙过小还可能造成定子绕组磨损和转-定子碰、摩等故障，造成风力发电机的严重损坏[2]。目前，直驱式风力发电机的转子直径可达2 m，其气隙最大可达8 mm。在动态测量中，由于气隙所处的环境是强电磁场环境，传统的位移传感器是利用电容、电感、电涡流原理测量，其测量效果并不理想。现有的非接触式光纤传感技术主要用于精密的微小位移，多是2 mm以内，利用现有技术无法实时在线测量风机的气隙。因此，为了避免故障停机造成的巨大经济损失和重大事故的发生，对直驱式风力发电机气隙进行有效检测具有重要意义。

现有的发电机气隙检测方法有：电涡流检测法、平板电容检测法和光电气隙检测法。其中电涡流检测法和平板电容检测法，由于气隙所处的环境是强电磁场环境，其测量效果并不理想。而光电检测法结构复杂，需对被测表面进一步处理。为此，进行了基于多圈同轴式光纤位移传感器原理的直驱式风力发电机气隙检测用光纤传感器系统设计，弥补现有的检测方法的不足。

1 光纤束传感器探头结构设计

为了减少光源功率波动、光纤自身及其他系统元件的变化、反射面的不一致等误差，本文采用了张平等[3]在研究中的补偿方法：将内、外接收2圈的比值作为输出调制函数，其结论表明，输出调制函数完全消除了以上误差。

由于使用多模光纤接收到的最大光强要比采用单模光纤高出1个数量级左右，本文为了提高信噪比拟采用多模光纤结构。给出了光纤探头入射光纤和接收光纤束的排列方式如图1所示。其中，入射光纤位于中心，同轴紧密排列的3圈光纤为接收光纤。按照与入射光纤纤芯距离的不同，将接收光纤分为5组，每组由6根接收光纤组成。由于5组接收光纤束所接收到的是同一光源发射、同一物体反射的光，可以认为光源的波动和物体表面反射率的变化相同；5组接收光纤束同轴就可以认为光纤弯曲和环境温度、压力等对光强的影响相同。因此，可以利用三圈同轴光纤束对光源功率波动和反射面反射率变化的敏感性相同的特点，采用比值法来消除它们对测量的影响。

图1 光纤探头光纤束排列方式

2 光纤传感探头补偿机理及输出特性

2.1 光纤纤端出射光场分布

相关学者[4-5]在理论分析的基础上认为，得到一个既与实际相符又具有通用性的纤端光强分布模型，即

(1)

Φ0为入射光纤出纤的光通总量；K0为光波在入射光纤中的损耗；d为发送光纤与反射面之间的距离；r为入射光纤的纤芯半径；R(d)为光场分布等效半径。

(2)

R1(d)=r+0.01×r1/2×d3/2tanθ

(3)

谢思莹等[7]给出了另外一种光斑等效公式，即

(4)

在研究中，为了便于分析，光场分布等效半径采用几何光斑模型，即

R3(d)=r+dtanθ

(5)

对以上3种等效光斑半径在光纤半径r=400 μm，数值孔径NA=0.12时做了理论仿真比较，如图2所示。

图2 等效光斑半径比较

由图2a可知，在大位移下，式(4)中光纤等效半径R2(d)不合适。为了更好地比较分析R1(d)和R3(d)，将其隔离出来，如图2b所示。由图2b可知，2种光斑在位移低于2 mm时，光斑半径差距不大。对于大位移，由于衍射等原因，造成光斑半径比实际几何光斑要大，但光强在径向上呈高斯分布，因而超出几何光斑范围的光强很弱，主要能量集中在几何光斑范围内，因此采用几何光斑公式。

2.2 补偿机理分析

当被测表面与接收光纤之间的距离发生变化时，接收光纤所接收到的光强就发生变化，即接收到的光功率就发生变化。相关学者[6,8]已经证明，接收光纤之间所接收光强之比，可以消除耦合进入射光纤里的光磁通量、反射体的反射率、光纤光功率损耗和附加损耗等因素，只与光纤的纤芯半径、数值孔径、光纤纤芯距和被测表面与探头之间的距离有关。即输出调制函数M可以表示为2组接收光纤接收到的光功率之比，即

(6)

P1，P2分别为第1组和第2组接收光纤接收到的光功率。

根据式(1)光强分布的模型，耦合进接收光纤的光功率可以由下式进行计算:

(7)

文献[6]按照反射光斑圆与接收光纤圆之间的几何位置关系，分无交叠、有交叠和完全覆盖3种情况进行分析，得到接收光纤光功率的3种表达式，分别为：

P′(d)=0

(8)

P″(d)=

(9)

P‴(d)=

(10)

根据式(6)将5组接收光纤分成2种方式进行比较，如下所述。

第1种方式，将第2，3，4，5组接收光功率之和与第1组接收光功率相比，即

(11)

第2种方式，将第4，5组接收光功率之和与第1，2，3组接收光功率相比，即

(12)

P1，P2，P3，P4，P5分别为接收光纤标号A1，B2，B3，B4，B5的光功率。

对以上2种方式进行仿真比较，如图3所示。

图3 光功率2种方式比值的比较

通过图3可以看出，第1种相较于第2种方式，具有初始死区更小、线性区间更大和灵敏度更高的优点，故选用第1种方式。

2.3 纤芯半径和数值孔径对光纤传感器输出特性的影响

由于设计的探头中的光纤都是紧密排列的，所以光纤纤芯距是由光纤半径决定。为了确定某一参数对输出特性的影响，本文研究了只改变光纤半径和数值孔径其中一个参数时输出特性随位移d的变化关系。

四是突出从严从紧抓好资金管理的监督。在外部项目工程运行中，要全面推行资金预算管理，在资金预算的执行过程中，执行切块包干，责任到人的办法，严格控制费用支出，通过召开经济运行会的办法，客观分析生产经营过程中存在的问题并及时采取措施纠偏。

在目前的光纤加工制造中，纤芯半径尺寸已经标准化：其半径规格有50 μm, 100 μm, 150 μm, 200 μm, 250 μm, 300 μm；多模光纤数值孔径从0.12到0.5不等。

当入射光纤的数值孔径NA=0.12，改变光纤半径r时，对应的输出特性曲线如图4所示，其中，M(d)为2组接收光纤所接收到光强的比值。

图4 不同光纤半径下所对应的输出调制曲线

可以看出，随着光纤半径的增大，其线性范围逐渐变大，但同时，可用于位移测量的起始段的测量死区也逐渐后移，灵敏度有所降低，在光纤半径为400 μm时，所对应的输出曲线的线性区域为3.5～8.5。

当光纤半径r=300 μm时，通过改变入射光纤的数值孔径NA，对应的输出特性曲线如图5所示，其中M(d)为2组接收光纤所接收到光强的比值。

图5 不同数值孔径下所对应的输出调制曲线

由图5可以看出，随着入射光纤数值孔径的减小，测量的线性范围增大，但起始测量死区范围后移，灵敏度也有所降低；但是，接收光纤的数值孔径不能太小，如果接收光纤的数值孔径太小，即光线进出光纤的光锥角就会很小，会导致接收光纤能够接收被测面反射后的光线总量会很少，当传感器与被测表面之间的距离变大时，接收光纤接收到的光强会很弱，以至于后续光电转换模块不能识别。

3 传感器系统尾端结构设计

根据上面理论分析，光纤采用多模石英光纤，直径为600 μm，入射光纤的数值孔径为0.12，接收光纤的数值孔径为0.22。

根据前面选定的纤芯半径可知，如果将第2组30根接收光纤合成一束进行光电转换时，接收面的直径至少为3.8 mm，已超过现在最大标准光纤接口SMA905的内径，因此，根据接口内径的大小，对第2组30根接收光纤分成5组分别进行光电转换，每组6根接收光纤，组成的接收面的直径为1.8 mm。由于采集卡的输入模拟信号有最大限制，而对光电转换成的光信号进行放大时，将第2组接收光纤进行分束，还有利于提高光电信号的放大倍数。尾端结构如图6所示。

图6 光纤传感器系统尾端结构

4 光纤传感器系统搭建与性能测定

基于以上的功能模块设计与仿真分析，搭建了光纤传感器系统如图7所示。其中，调理电路中的光电转换芯片采用OPT101，其是由美国TI公司生产的集PIN光电二极管与信号放大器于一体的光电器件，具有灵敏度高、响应速度快和性能稳定等优点；光源采用Agilent Technologies生产的HFBR-1424型光纤发射器，其工作波长为820 nm；数据采集卡选用了NI-6210型，具有16路模拟输入通道，单通道采样率最高可达250 kS/s，系统共占用7个通道，采集卡输入电压范围为-10～+10 V，具备16位高模拟输入分辨率，采样精度达0.3 mV。

图7 光纤传感器系统组成

可以旋转静态标定台的微调旋钮，在反射面位移每隔50 μm的变化下，通过静态标定程序记录进程和回程的输出电压数值。对每种情况重复以上步骤，记录3组光纤传感器的进程、回程数据，作出光纤探头和反射表面的间距与电压输出的特性曲线，对得到3组进程、回程静态标定数据进行求和平均处理，画出平均曲线如图8所示。图8中，纵坐标为2组接收光纤所接受到的光强经光电二极管转化成电压的比值。由图8可知，该光纤传感器的量程达到设计要求，与前期实验仿真结果一致，可测范围为3～8 mm。

图8 采集处理后曲线

5 结束语

基于直驱式风力发电机气隙检测的需要，设计了一种面向直驱式风力发电机气隙检测用的光纤传感器系统，主要取得以下结论。

a.采用多模光纤原理，对光纤束传感器探头进行了结构设计，能够有利于直驱式风力发电机气隙的工程现场检测。

b.简化了反射光斑模型，绘出了双圈与三圈接收光纤输出特性仿真比较曲线，以及改变光纤半径和入射光纤的数值孔径其中某一参数时输出变化的仿真曲线。结果表明：圈数增加，可以增加线性范围，灵敏度有所提高；光纤半径越大，入射光纤的孔径越小，输出特性的线性范围越大，但是其灵敏度会降低，并确定了最终的参数。

c.对光纤传感器尾端进行分束处理，以保证电路接收到的光强可以进行适当的放大，从而有利于整个系统的滤波抗干扰。

d.搭建了一套光纤传感器系统，通过静态标定实验分析，得出所设计的光纤传感器系统量程可达8 mm，满足直驱式风力发电机气隙检测的需要。