專利名稱：用于風輪機組件的嵌入式光纖傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于附裝到風輪機組件上的光纖傳感器，特別是涉及具有有助于附裝 光纖傳感器并將光纖傳感器與應變隔離的安裝部分的光纖傳感器。
背景技術：
風輪機組件承受多種原因引起的變形或應變，例如污垢或冰顆粒的積聚、自身重 量和風本身施加的力。因此，監測組件上的應變對確保組件在其預定工作壽命期間保持正 常操作很重要。測量風輪機組件上應變的一種方法是使用光纖布喇格光柵(FBG)傳感器，例如專 利申請GB4640953、GB4640954和GB4046955中描述的FBG傳感器。FBG傳感器是其內形成有光柵的光學纖維。光柵本身的光學纖維折射率通常周期 性變化，從而折射特定波長的光。光學纖維具有光柵的部分與風輪機組件測量應變的區域 連接。以如下方式進行連接，即，組件承受的變形或者應變被傳遞至光學纖維和光柵。變形 和應變使得光柵的間隔改變，并使得光柵折射或傳遞的光的波長發生可檢測的變化。已知 各種不同的裝置用于向FBG傳感器射入光并提取和分析輸出。制造FBG傳感器包括展開一定長度的光學纖維并選擇形成光柵的位置。在已知 為脫模(stripping)的工序中，在光學纖維涂層——該涂層可以是例如丙烯酸脂或聚酰亞 胺——中形成一開口。使用光刻技術例如圖案紫外曝光技術形成光柵。一旦形成光柵，使 其穩定，然后通過重新覆蓋和重新固化丙烯酸脂或聚酰亞胺來封閉涂層中的所述開口。最 后，在光學纖維上標記FBG的參考位置。該工藝很昂貴。還已知干涉測量技術用于使用光學纖維測量應變，例如由Alfredo Guemes和Jose M Menendez 在 ISBN 0-8194-2165-0/96 ThirdlCIM/ECSSM' 96，Lyon 上發表的名為“具有 嵌入式光學纖維的玻璃加強聚酯層的疲勞強度Fatigue strength of glass reinforced polyester (GRP) laminates with embedded optical fibres) ” 白勺^1 巾白勺。g禾中 技術并不使用光學纖維布喇格光柵，而是使用沿傳感器光學纖維的不同光路傳播的光的干 涉。已知將光纖傳感器安裝在風輪機組件上的多種技術，例如使用支架或中空的殼體 連接光學纖維電纜，或者將傳感器定位在可嵌入在復合材料內的毛細管或管子等內。當連 接光纖傳感器時，使傳感器在安裝電纜時或者在以后的工作期間不被安裝裝置損壞很重 要。但是，對于應變傳感器，傳感器對組件上的應變足夠靈敏也很重要。光學纖維也可用于補償可能影響主傳感器測量的環境條件，例如溫度。例如在應 變傳感器中，與風輪機組件的應變相隔離的第二光學纖維的光學特性的溫度敏感變化可用 于校正應變感測光學纖維的相似的溫度敏感變化。這種第二光學纖維應當固定地安裝在風 輪機組件上，并與組件上的應變充分隔離。我們已經注意到需要一種更加可靠的方法來制造光纖傳感器并將光纖傳感器安 裝在風輪機組件上，以及確保光學纖維應變傳感器的安裝可對風輪機組件上的應變進行有用的測量。
發明內容
根據本發明的第一方面，提供一種用于風輪機組件的光纖傳感器，其包括光學纖 維；向光學纖維提供光的光源；和用于檢測沿光學纖維傳播的光的光檢測器；用于將所述 光纖傳感器與所述風輪機組件上的應變隔離的容納塊，所述容納塊包括容納部分，光學纖 維嵌入在所述容納部分中并且穿過所述容納部分；和單一安裝部分，所述單一安裝部分具 有將所述傳感器安裝在所述風輪機組件上的安裝表面；其中，所述容納部分和所述安裝部 分在頸部連接，所述安裝部分的厚度將所述容納部分與所述風輪機組件隔開。通過頸部將安裝部分和容納部分隔開意味著，當使用機械固定裝置(緊固裝置) 或者粘結劑將安裝部分連接在風輪機上時，作用在安裝部分上的應變不易傳遞至容納部 分。容納部分又使得嵌在內部的光纖傳感器免受環境條件、震動或其它因素可能導致的損 害。還使傳感器容易地、牢固地連接于風輪機組件。通過單一安裝部分和頸部將容納部分與組件隔離，容納部分至少部分地與組件的 變形或者應變隔離，并且可以用作非應變傳感器。另外，容納部分與組件間隔使得容納部分 固定并且防止其相對于組件運動。這種運動將導致震動和產生不真實的應變測量值。在一個實施方式中，頸部是容納部分和安裝部分之間的重疊區域，該區域的面積 小于容納部分的表面面積。這使得應變從安裝部分傳遞至容納部分的區域減小。在另一個實施方式中，頸部在容納部分和安裝部分之間延伸。這使容納部分與風 輪機組件進一步間隔，并增加了頸部的剛性從而將容納部分與應變進一步隔離。在這種情 況下，頸部的橫截面可以比頸部在其間延伸的容納部分和安裝部分小很多，例如可以具有 加強的管狀形狀。優選頸部被加強，使得安裝部分的任何變形進一步與容納部分隔離。有利地，容納部分被加強，使得當容納部分安置在旋轉的風輪機組件上時，容納部 分基本上不受重力或者旋轉動能導致的應變的影響。這改進了傳感器的隔離并由此提高了 精確性。在另一個實施方式中，容納部分基本上比安裝部分硬從而減少了容納部分和安裝 部分之間應變的傳遞。這意味著風輪機組件的任何變形或者應變很大程度上都被更具柔韌 性的安裝部分弱化。有利地，光學纖維以彎曲的構型嵌入在光學纖維容納部分，從而光學纖維基本上 不會在一個方向比在另一個方向對應變更加靈敏。這使得傳感器更加不容易被容納部分承 受的任何應變影響，由此增加了傳感器的精確性。光學纖維例如基本上沿著弧度大于1/2 π的圓弧延伸。這確保不會在任何方向優 先地感受到應變。優選容納部分大于安裝部分。這意味著容納部分的光學纖維通過較小的安裝部分 和較小的肩部更好地與組件上的應變隔離，并使得光學纖維容易地容納。在一方面，安裝部分完全位于容納部分下方，從而保留了安裝空間。在一方面，安裝部分被設置為接納機械固定裝置，安裝部分能通過該機械固定裝 置附裝到風輪機組件的表面上。通過將連接固定裝置的位置與其內安裝有光學纖維的容納部分隔開，也可以減小安裝應力對容納部分的影響。
下面參照附圖對本發明的例子進行示例性的說明，其中圖1示出已知的風輪機；圖2示出安裝傳感器的第一個例子；圖3示出安裝傳感器的第二個例子；圖4示出本發明的示例性實施方式的側視圖；圖5示出本發明的示例性實施方式的俯視圖。
具體實施例方式圖1示出風輪機1，其包括風輪機塔2，風輪機機艙3安裝在風輪機塔上。具有至 少一個風輪機葉片5的風輪機轉子4安裝在輪轂6上。輪轂6通過從機艙前延伸的低速軸 (未示出)與機艙3連接。圖1示出的風輪機可以是用于家庭或照明設備的小型風輪機，或 者是例如用于風力發電場大規模發電的大型風輪機。對于后者，葉片的直徑可以是100英 尺或更大。應當理解，下述傳感器可以連接在任何所述組件的內部或者外部。圖2示出傳感器的第一實施方式。具有涂層11的光學纖維電纜10穿過一體成型 的固體容納塊15。容納塊具有形狀適于安裝在風輪機組件上的表面16。基于其希望的連 接位置，所述表面可以是平面或者曲面。如果使用粘結劑連接于組件，所述表面還可以包括 小的特征，例如點或者槽以增加粘結劑的作用表面積。應當理解，容納塊與光學纖維相比， 橫截面尺寸或者至少一個側面尺寸較大。圖2未示出光源、光檢測器和控制電路，但是這些 是任何可操作的傳感器的一部分。使用粘結劑是有利的，因為其避免了在傳感器中引入通 過螺栓進行連接時導致的安裝應力。容納塊可以由聚合材料制成，例如聚酯、乙烯基酯、尼龍、環氧樹脂或樹脂。容納塊 還可以包含并且可以附加加強光學纖維，例如玻璃加強光學纖維或者碳加強光學纖維。容 納塊可以由與容納快安裝在其上的風輪機組件相似的材料制成。如果使用粘結劑以外的其 它方式將容納塊連接在組件上，可以在容納塊內形成容納螺栓或者螺釘的部分。光學纖維包括光學纖維布喇格光柵(FBG) 12，定位該光柵使之完全包封在一體成 型的容納塊15內。由于聚合體或者樹脂材料包圍并接觸其內形成有FBG的光學纖維區域， 因此在制造過程中形成光柵后無需重新涂覆光學纖維。由此，光學纖維的涂層11在FBG處 保持暴露以在涂層中形成窗口 13。由此，圖2所示的傳感器的制造方法可以省略為保護光學纖維并確保其正常操作 通常所需的涂覆步驟。因此，制造傳感器的方法包括從光學纖維上去除涂層；使用合適的 技術例如光刻技術在光學纖維內制造布喇格光柵；將光學纖維電纜的至少一部分嵌入在容 納塊內，使得光學纖維布喇格光柵被容納塊包封；將容納塊直接安裝在風輪機組件上。或者，傳感器可以省略光柵，在操作中使用替代技術，例如干涉技術。可以使用任何合適的技術制造一體成型的容納塊和嵌入光學纖維，例如模制或者 擠出工藝。合適的模具可以由例如玻璃纖維或者鋁材料制成，該模具包括兩個匹配的半模， 其限定容納塊材料的形狀，且具有一出口，該出口在制造容納塊的過程中用于玻璃纖維電纜從模具延伸。模制工藝還可以使用真空感應或者真空導入工藝將聚合體或者樹脂引至模 具內。或者，模制工藝可以使用真空袋系統，其中模具的一側為柔性，通過真空作用將樹 脂或者聚合體引至模具內。模具的一側為柔性件使得光學纖維更加容易操作并且在模制過 程中不會損壞光學纖維，并允許模具的堅硬部分很好地限定容納塊的表面形狀。在擠出技術中，可以使用壓模在樹脂和光學纖維穿過壓模時使模制部分形成期望 的橫截面形狀。容納塊與與之連接的組件具有相似的熱膨脹特性很重要，從而當溫度變化時，容 納塊不會變形或者鼓脹。圖2的例子是有用的，因為容納塊將安裝表面承受的組件上的應變傳遞至FBG傳 感器。但是，在操作中，傳感器仍對與光柵自身直接相鄰的組件區域更加敏感，即，在長度為 20到30毫米的區域上。圖3示出用于在更大部分的表面上——例如在長度為100到200毫米或以上的面 積上——檢測應變的容納塊和傳感器構型。這種構型與圖2的構型相似，不同的是在容納塊15的中心部分的任一端具有兩個 端部或者終端部分17。終端部分具有將容納塊15連接至風輪機組件的表面18的安裝表面 16，風輪機組件的表面18的應變被測量，終端部分比容納塊15的中心部分稍大，并且終端 部分使容納塊15和風輪機表面之間形成間隙或間隔。由此，間隔的安裝表面16——而不是如以前定位在部分15內的FBG下方的表 面——接收表面18的應變，并將該應變傳遞至光學纖維電纜的整個長度和raG。由于安裝傳感器時容納塊的中間部分不與風輪機組件直接接觸，因此當兩個測量 部分17之間的距離變化時容納塊均勻延伸。這使得測量比已知傳感器的傳統點狀測量更
力口可靠。兩個端部的間隔優選為30毫米或更多，甚至更加有利地在100毫米到200毫米的 范圍內。根據具體實施，也可以使用間隔大于該范圍的傳感器，例如1米或更大。優選將具 有薄的中心部分15和較大的終端部分17的傳感器制造為一個整體組件，但是也可以由幾 部分形成并用合適的粘結劑彼此連接。應當理解，端部可以是任何合適的形狀，只要其在包含有FBG的容納塊和風輪機 表面之間形成間隙。由于單個的光學纖維電纜傳感器也可以具有多個光柵，因此設置多個 連接部分17是合適的，這些連接部分呈類似于一個或者多個腿部的間隔構型中，而并不只 是在容納塊的端部形成連接部分，從而將容納有各自的FB(is的各個部分與表面18隔開。需要在風輪機組件上連接FBG傳感器，使之與該組件上的應變隔離。這種傳感器 可以用作基準傳感器，從而當使用關聯的應變測量傳感器時可以將環境因素例如溫度考慮 進去。這種傳感器還可以補償運動和重力影響。圖4和圖5示出本發明中在風輪機組件上安裝這種FBG傳感器的示例性實施方 式。優選靠近應變測量傳感器安裝FBG傳感器從而兩傳感器承受相同的環境條件。FBG傳 感器以與上述圖2相同的方式形成在容納塊15內。在該例子中，容納傳感器內的光學纖維 可以在容納塊中彎曲從而光學纖維不會在一個方向上比在另一個方向上延伸更多，由此不 會在任何一個特別的方向承受應變。光學纖維的合適的彎曲路徑基本上遵循弧度為1/2 π或更多的圓弧，因為這確保光學纖維不會在任何一個首選的方向承受應變，而光學纖維為 直的情況下即是這種情況。弧度也可以是1/2π的倍數，使得光學纖維的彎曲路徑沿著弧 度接近于2π的大致為圓形的路徑延伸。也可以使用圓形路徑以外的其它合適的路徑。通過獨立的安裝部分19將容納部分或者光學纖維部分15連接至組件18。優選安 裝部分19和容納部分15僅由薄的肩部或者頸部20連接，從而容納塊15與容納塊連接在 其上的風輪機組件之間形成間隙或者空隙。應當理解，優選只有一個單一安裝部分19，因為 兩個安裝部分會將表面上的應變引入到容納塊內。例如通過螺栓21將安裝部分安裝在表面18上導致的或者表面本身產生的任何應 變，通過窄的肩部或者頸部20被進一步與容納塊15隔離。如圖所示，肩部或者頸部可以設 置在容納光學纖維的部分和安裝部分的邊緣，從而兩個部分僅在面積較小的區域重疊。或 者，將安裝部分設置在容納部分下方，并使安裝部分足夠小，以使組件上的應力與較大的容 納部分相脫離。頸部可以沿著安裝部分和容納部分的長度延伸或者是較窄的瓶頸形狀。頸部也可以是在安裝部分和容納部分之間延伸的獨立組件。優選頸部為剛性的從 而安裝部分的任何變形基本上都與容納部分隔離。安裝部分19和容納部分15可以設置為單一的整體件，或者可以設置為兩個獨立 的組件并用粘結劑固定。優選容納部分為剛性，從而容納部分可以更好地抵抗應變并且更 好地隔離內部的光學纖維電纜。例如，如果傳感器安裝在旋轉的風輪機組件上，優選容納部 分為剛性，從而容納部分基本上不受重力或者旋轉動能導致的應變的影響。還可以使安裝 部分的剛性小于容納部分15，甚至小于風輪機組件，從而(與容納塊相比)安裝塊更具柔韌 性并且包含傳感器的容納塊15被更好地隔離。但是，無論何時，分隔部分都應當具有足夠的硬度，從而使容納塊不能相對于容納 塊安裝在其上的風輪機組件運動。這種運動必然會導致容納塊上產生應變并且降低傳感器 的精確度。在圖2的示例性實施方式中可以使用頸部或者較窄的肩部，使用螺栓將端部連接 件固定至風輪機組件，從而使傳感器與安裝應力進一步隔離。另外，安裝部分的尺寸可以小 于光學纖維容納塊的尺寸，從而減小連接至組件的面積并使容納光學纖維的部分與應力和
應變進一步隔離。已經參照示例性實施方式對本發明進行了說明，這些說明僅僅出于例證的目的。 本發明并不限于這些實施方式，本領域的技術人員可以對本發明進行多種修改和變型。通 過后附的權利要求可以理解本發明。
權利要求
1.一種用于風輪機組件的光纖傳感器，包括光學纖維；向光學纖維提供光的光源；和用于檢測沿光學纖維傳播的光的光檢測器；用于將所述光纖傳感器與所述風輪機組件上的應變隔離的容納塊，所述容納塊包括容納部分，光學纖維嵌入在所述容納部分中并且穿過所述容納部分；和單一安裝部分，所述單一安裝部分具有將所述傳感器安裝在所述風輪機組件上的安裝 表面；其中，所述容納部分和所述安裝部分在頸部連接，所述安裝部分的厚度將所述容納部 分與所述風輪機組件隔開。
2.根據權利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述頸部是所述容納部分和所述安裝 部分之間的重疊區域，所述重疊區域的面積小于所述容納部分的表面面積。
3.根據權利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述頸部在所述容納部分和所述安裝 部分之間延伸。
4.根據權利要求3所述的傳感器，其特征在于，所述頸部被加強，使得所述安裝部分的 任何變形基本上都與所述容納部分隔離。
5.根據上述權利要求中任一項所述的傳感器，其特征在于，所述容納部分被加強，使得 當被安裝在旋轉的風輪機組件上時，所述容納部分基本不受由于重力或者旋轉的動能效果 所導致的應變的影響。
6.根據上述權利要求中任一項所述的傳感器，其特征在于，所述容納部分基本上比所 述安裝部分硬，使得所述容納部分和所述安裝部分之間的應變傳遞減少。
7.根據上述權利要求中任一項所述的傳感器，其特征在于，所述光學纖維以彎曲的構 型嵌入在所述容納部分中，使得光學纖維基本上不會在一個方向上比在另一個方向上對應 變更加敏感。
8.根據權利要求7所述的傳感器，其特征在于，光學纖維基本上沿著弧度大于1/2π的 圓弧彎曲。
9.根據權利要求1或2所述的傳感器，其特征在于，所述容納部分比所述安裝部分大。
10.根據上述權利要求中任一項所述的傳感器，其特征在于，所述安裝部分完全位于所 述容納部分下方。
11.根據上述權利要求中任一項所述的傳感器，其特征在于，所述安裝部分被設置成 接納機械固定裝置，所述安裝部分能通過所述機械固定裝置附裝到所述風輪機組件的表面 上。
12.—種具有上述權利要求中任一項所述的傳感器的風輪機組件。
13.一種具有權利要求12所述的風輪機組件的風輪機。
全文摘要
本發明公開了一種光纖傳感器，該光纖傳感器嵌入在通過模制或擠出形成的一體式容納塊內。容納塊具有用于使用粘結劑或者機械連接裝置附裝到風輪機組件上的安裝表面。在將傳感器與組件上的應變隔離的構型中，容納塊可以通過較小的安裝部分安裝在組件上，其中在頸部區域與安裝部分接合。
文檔編號G01L1/24GK102084130SQ200980125693
公開日2011年6月1日 申請日期2009年7月3日 優先權日2008年7月3日
發明者I·奧勒森 申請人:維斯塔斯風力系統有限公司