CN101833014B - 光纤光栅式风电场风速远程检测仪 - Google Patents

Abstract

一种光纤光栅式风电场风速远程检测仪，它包括固定设置有风杯的转轴，其特征是在所述转轴上设置有凸轮，在转轴一侧设置有固定座，在所述固定座上设置有顶部与凸轮轮缘接触的弹片，在弹片上纵向固定设置光纤光栅；所述光纤光栅通过光缆与光纤耦合器连接，所述光纤耦合器分别与光纤光源和光纤光栅解调仪连接；所述光纤光栅解调仪与计算机连接。本发明主要用于制造风速检测仪。

Description

光纤光栅式风电场风速远程检测仪

技术领域

本发明专利涉及一种风速检测装置，尤其涉及一种应用光纤光栅技术实现的远程风速在线检测系统。

背景技术

能源与环境问题已经成为全球可持续发展所面临的主要问题，日益引起国际社会的广泛关注并寻求积极的对策。风能是一种可再生、无污染的绿色能源，是取之不尽、用之不竭的，而且储量十分丰富。据估计，全球可利用的风能总量在53000TW·h/年。风能的大规模开发利用，将会有效减少石化能源的使用、减少温室气体排放、保护环境。大力发展风能已经成为各国政府的重要选择。

在建设风电场前，首先要对选址地区进行一年以上的风速检测以确定是否具有较强的风能资源、全年风场情况、风速变化情况等信息，根据这些信息才能确定是否有必要建风电场以及设计风电场的装机容量等。可见，对风场的风速进行准确快速检测，对于风力发电的设计以及提高风力发电效率非常关键，另外，只有在风速为5m/s至25m/s时才是有效的发电风速，低于5m/s的风无法有效利用，高于25m/s的风容易对引起机电设备的破坏，目前采取的处理措施为停机保护，可见，风速检测对于风力发电安全控制也十分重要。

然而，风电场选址往往在沙漠、沿海等偏远地区，电力、交通等设施都不健全，因此在风速检测装置安装时必须考虑到布线、远程检测问题，传感器安装受到最大的制约也是地理位置以及供电等问题。目前国内针对风速检测的电子产品研究比较多，但是这些产品依赖于供电、太阳能等，信号传输、抗干扰能力和长期稳定性也存在难以克服的问题。

目前常用风速风向检测手段有：毕托管测风速、热线热膜测风速风向、超声波测风速风向、机械式传感器测风速风向等。

1、毕托管是一种国际上通用的风速测试方法。它的作用是将风速转变为压差，通过测量总压静压之差求得风速。

2、热线热膜测风速。热式风速风向传感器表面经过加热，中心温度高于环境一定数值，在风吹过传感器表面时，会对表面不均匀冷却。传感器表面在风向的上下游产生一个温度梯度。通过测量中心对称点处的温差来决定风速的大小。基于热偶的二维风速风向传感器采用多晶硅加热元件以及热电堆作为测温元件。通过测量水平和垂直方向上的对称温差能够同时得到风速和风向信息。

3、超声波测风速。超声波测风速是利用超声波在空气中传播速度受风的影响来测量风速的。若在风场中沿X方向平行放置两对超声换能器，T1，T2为发射，R1，R2为接收，它们相距为L，如图6所示，只要测出某方向上顺逆风条件下，从向发射器施加激励脉冲起，到接收器收到第一个脉冲时超声传播时间，就可得到该方向上的风速。再根据矢量合成原理，最终可得到总的风速、风向。

4、机械式传感器测风速。风向感应器为单板风标。当风标转动时带动七位格雷码盘。由于格雷码盘的每一位上面都装有发光二极管，所以在风向变化时，装在码盘下面的光敏三极管就处于导通或截止状态。通过输出一个七位格雷码数字得到相应的风向，分辨率为2.8125度。

风速传感器有杯形和翼形两种。风杯风速计感应部分一般由三个半球形或抛物锥形空心杯壳组成，杯壳固定在互成120度的三叉型支架上。杯的凹面顺着一个方向排列，整个横臂架固定在一根垂直的旋转轴上。在风力作用下风杯受到扭力矩的作用而开始旋转，它的转速和风速成一定的关系。当风杯转动时，通过多齿转盘下面的光敏三极管状态就能得到与风杯转速成正比的频率信号，经换算即可得出实际风速值。

然而以上检测方式都有很大的弊端，毕托管式对狂风测不准，仪器本身对流场会产生扰动，全压孔需正对风向，不利于测量自然风，不能远程监测；热膜热偶式传感器在高风速时误差明显增大，用温度测量相应时间较长，三角函数法测量风向，受风速大小影响，而且也不能远程监测；超声波法检测风速优点是无惯性测量，但是信号较弱，大风造成信号大幅度衰减，逆风信号捕捉困难，也不能远程检测；机械式检测，线性关系好，抗强风能力强，响应快、精度好，但是怕雷击和电磁干扰，远程检测时需要中继站和供电措施，不利于远程检测。

发明内容

本设计方案利用光纤传感器技术的技术优势，研究和开发一种全光纤的远程风速检测装置，该装置传感器无须供电，能够实现远程在线检测，灵敏度高，工作稳定可靠，不受现场的电磁干扰，并建立数据库，形成一套风场风速远程在线检测系统。对风力发电风场进行无需供电、无需中继站的远程在线检测，同时采用波分复用技术实现多组探头串联检测。

本发明的主要目的是解决现有电子产品在监测风电场风速时需要供电、需要多级中继站才能进行远程监测、怕雷击和电磁干扰、不易于多点传感器构成传感网等问题，采用全光纤设计方案，使得远程风速检测更加可靠，通过波分复用使得多个传感器更容易构建一个传感网。传感器探头采用光纤光栅作为传感元件，因此不怕电磁干扰，不怕雷击，光纤信号传输损耗小，因此可以实现远距离检测而不用中继站，光栅波长范围窄(3dB带宽0.2nm)，因此可以在一个宽光谱下波分复用，实现了一台解调仪带多个传感器探头的多点检测。

一种光纤光栅式风电场风速远程检测仪，它包括固定设置有风杯的转轴，其特征是在所述转轴上设置有凸轮，在转轴一侧设置有固定座，在所述固定座上设置有顶部与凸轮轮缘接触的弹片，在弹片上纵向固定设置光纤光栅，并且弹片被施加预紧使其始终能够紧贴凸轮，从而能够起到在弹片跟随凸轮的转动被调制时具有较高的阻尼，不会产生谐振，便于信号解调；

所述光纤光栅通过光缆与光纤耦合器连接，所述光纤耦合器分别与光纤光源和光纤光栅解调仪连接；所述光纤光栅解调仪与计算机连接。

一种光纤光栅式风电场风速远程检测仪专用探头，它包括固定设置有风杯的转轴，其特征是在所述转轴上设置有凸轮，在转轴一侧设置有固定座，在所述固定座上设置有预紧的顶部与凸轮轮缘接触的弹片，在弹片上纵向固定设置光纤光栅，弹片被施加一定的力预紧靠在凸轮上。

所述凸轮(如图3所示)，圆弧部分的半径为r，凸出部分与轴心距离为d，d大于r，从而使得凸轮每转动一周时，总有一次使得弹片与轴心的距离大于r，最大值为d。

一种光纤光栅式风电场风速远程检测系统，其特征是它包括串联在一起的2-100个光纤光栅式风电场风速远程检测仪专用探头；所述探头包括固定设置有风杯的转轴，其特征是在所述转轴上设置有凸轮，在转轴一侧设置有固定座，在所述固定座上设置有顶部与凸轮轮缘接触的弹片，在弹片上纵向固定设置光纤光栅；所述各探头光纤光栅的中心波长至少间隔0.4nm，所述光纤光源是宽带宽光谱光源；

所述光纤光栅通过光缆与光纤耦合器连接，所述光纤耦合器分别与光纤光源和光纤光栅解调仪连接；所述光纤光栅解调仪与计算机连接。

所述宽带宽光谱光源是通讯用1.5um SLD光源或者ASE光源。

所述光纤光栅解调仪采用MOI的高速光纤光栅解调仪。这一光纤光栅解调仪扫描频率能够达到1KHz以上，实现光纤光栅波长信息的解调。

附图说明

图1为光纤光栅式风电场风速远程检测仪原理图；图2为光纤光栅式风场风速远程检测仪探头结构示意图；图3：凸轮示意图；图4-A：转动一周光纤光栅信号变化图；图4-B调理后的转动一周信号图；图5-A：低风速下解调信号图；图5-B：高风速下解调信号图；图6：风场中的超声换能器；图7：信号频率与风速线性关系图；图8：风场检测探头串并联连接方式示意图；图9：波分复用示例图。

图中：1-风杯；2-轴承；3-凸轮；4-弹片；5-固定座；6-转轴；7-光纤光栅。

具体实施方式：

如图1所示，光源发出的光经过光纤耦合器和一段光缆到达安装在风场现场的探头，探头将携带有风速信息的光信号返回，经过光缆、耦合器进入到光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪将光信号转换为电信号，计算机进行信号分析可以解调分析出风速信息，风速信息输出信号为自动控制等其他功能提供支持，另外风速信息还将存入数据库，计算机与数据库进行数据交换，形成历史查询等功能。

光纤光栅式风电场风速远程检测仪探头原理图如图2所示。在有风的情况下，风杯1被吹动旋转，风速越大转速越快；风杯1转动带动转轴6转动，转轴6用上下两个轴承2固定；转轴6上安装有凸轮3，凸轮3形状如图3所示；弹片4紧靠在凸轮3一侧，固定在固定座5上，弹片4在预紧作用下紧贴凸轮3使其不悬空，从而在凸轮造成弹片弹性形变后，能够恢复至原形变量，同时在阻尼作用下迅速衰减而不致发生振动，转轴6每转动一圈，凸轮3凸出部分都经过一次弹片4，造成弹片4末端产生大小为d的位移；弹片4上固定有光纤光栅7，当凸轮3经过弹片4使弹片4形变后引起光纤光栅中心波长的变化，如图4-A所示为某一光栅在转轴转动一圈时中心波长的变化曲线图，经过信号调理，图4-A可以调理成图4-B所示方波信号，计算方波产生的次数或者频率就可以计算出转轴的转速，从而也能计算出风速，如图7所示为实验中测出的频率与风速关系图，可见风速与光栅形变频率成非常好的线性关系。

根据图1所示原理图进行光路、电路连接，光源采用宽带宽光谱光源，具体选用通讯常用1.5um SLD光源或者ASE光源均可；光源发出的光经过耦合器进入到光缆，光缆长度可以根据传感器探头与监控室距离而定，一般不超过10Km；光缆将光传输到探头，如图2所示为探头结构图；探头中设置有光纤光栅，光纤光栅与光缆连接，光纤光栅反射信号返回至光缆、耦合器进入到光栅解调仪；光栅解调仪采用扫描频率较快的型号，本系统实际采用了MOI的解调仪，凡是扫描频率高于1KHz的解调仪均适合，解调仪将光信号(光栅中心波长)解调转换为电信号，如图4所示；解调仪转换的电信号，经过信号调理变为方波信号，信号分析部分则根据方波的产生频率计算出风速信息，如图7所示为实验中测出的频率与风速关系图，可见风速与光栅形变频率成非常好的线性关系。

如图5所示为实际工作中采集到的某一传感器信号图，A为低速风下的信号，B为高速风下的信号效果非常明显。传感器不仅能够检测一点的风速，由于该系统采用的是波长解调，即通过检测光纤光栅的中心波长变化来实现风速的检测，因此可以使用波分复用技术实现多个传感器同时检测，具体连接方式可以如图8所示的连接方式，采取串联或者并联。虽然多个传感器共用一根光缆来传输，但是由于采用了不同波长的光纤光栅，使得各个传感器信号不会相互串扰，例如图9所示几个探头波分复用时的具体实际例子，通过图上可以看出，不同的传感器占用的波段不同，每个传感器采集到的信号里，都会包含反映风速快慢的方波信号，因此既能够实现多路复用，又可以精确地计算出每一个传感器的风速值。根据图4所示的光纤光栅中心波长变化为0.4nm，可以设计不同中心波长的光纤光栅来分别作为各个传感器探头的光栅，各个波长间隔不低于0.4nm，则一个使用带宽为40nm宽带光源的风速解调仪最多能够连接100个传感器，即实现了一台解调仪同时检测100个传感器的大型检测网，特别是在大型风电场的检测中，节约了布线成本，并且使得风速检测同步一致。

Claims (7)

1.一种光纤光栅式风电场风速远程检测仪，它包括固定设置有风杯的转轴，其特征是在所述转轴上设置有凸轮，在转轴一侧设置有固定座，在所述固定座上设置有顶部与凸轮轮缘接触的弹片，在弹片上纵向固定光纤光栅；所述光纤光栅通过光缆与光纤耦合器连接，所述光纤耦合器分别与光纤光源和光纤光栅解调仪连接；所述光纤光栅解调仪与计算机连接。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅式风电场风速远程检测仪，其特征是所述光纤光源是通讯用1.5um SLD光源或者ASE光源。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅式风电场风速远程检测仪，其特征是所述光纤光栅解调仪采用MOI的高速光纤光栅解调仪。

4.一种光纤光栅式风电场风速远程检测仪专用探头，它包括固定设置有风杯的转轴，其特征是在所述转轴上设置有凸轮，在转轴一侧设置有固定座，在所述固定座上设置有顶部与凸轮轮缘接触的弹片，在弹片上纵向固定设置光纤光栅。

5.一种光纤光栅式风电场风速远程检测系统，其特征是它包括串联在一起的2-100个光纤光栅式风电场风速远程检测仪专用探头；所述探头包括固定设置有风杯的转轴，其特征是在所述转轴上设置有凸轮，在转轴一侧设置有固定座，在所述固定座上设置有顶部与凸轮轮缘接触的弹片，在弹片上纵向固定设置光纤光栅；所述各探头光纤光栅的中心波长至少间隔0.4nm；

所述光纤光栅通过光缆与光纤耦合器连接，所述光纤耦合器分别与光纤光源和光纤光栅解调仪连接，所述光纤光源是宽带宽光谱光源；所述光纤光栅解调仪与计算机连接。

6.根据权利要求5所述的光纤光栅式风电场风速远程检测系统，其特征是所述宽带宽光谱光源是通讯用1.5um SLD光源或者ASE光源。

7.根据权利要求5所述的光纤光栅式风电场风速远程检测系统，其特征是所述光纤光栅解调仪采用MOI的高速光纤光栅解调仪。

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