(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)实用新型专利
(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 202021416516.1
(22)申请日 2020.07.17
(73)专利权人 中科国风检测（天津）有限公司
地址 300384 天津市滨海新区天津滨海高
新区华苑产业区华科一路15号5号楼
1016
(72)发明人 邢晓坡 黄司晨
(74)专利代理机构 天津市三利专利商标代理有
限公司 12107
代理人 张义
(51)Int.Cl.
G01D 5/353(2006.01)
G01K 11/32(2006.01)
G01B 11/16(2006.01)
G01L 1/24(2006.01)
F03D 1/06(2006.01)F03D 17/00(2016.01)(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利
(54)实用新型名称
(57)摘要
本实用新型公开了一种风电叶片监测用光
纤光栅传感器，包括光纤、布拉格光栅以及玻璃
纤维布、表面毡，所述玻璃纤维布为传感器基体，
所述光纤沿传感器基体长度方向居中铺设，在光
纤铺设长度居中位置刻蚀有布拉格光栅，所述光
纤上面使用一层风电叶片用表面毡进行敷设保
护层，所述光纤、玻璃纤维布和表面毡抽真空灌
注成型为光纤光栅传感器。本实用新型设计先
进、安装简便、寿命长，线性度好，无金属零部件
可以做到防雷击，相对于风电叶片其他形式的监
测传感器成本较低并具有很强的应用扩展性。权利要求书1页 说明书3页 附图1页CN 212391022 U 2021.01.22
C N 212391022
U
1.一种风电叶片监测用光纤光栅传感器，其特征在于，包括光纤(1)、布拉格光栅(3)以及玻璃纤维布(5)、表面毡(4)，
所述玻璃纤维布(5)为传感器基体，所述光纤(1)沿传感器基体长度方向居中铺设，在光纤(1)铺设长度居
中位置刻蚀有布拉格光栅(3)，所述光纤(1)上面使用一层风电叶片用表面毡(4)进行敷设保护层，所述光纤(1)、玻璃纤维布(5)和表面毡(4)抽真空灌注成型。
2.根据权利要求1所述的一种风电叶片监测用光纤光栅传感器，其特征在于，所述光纤光栅传感器能够通过熔接的方式进行多个串联，光纤(1)两侧接头能够熔接其他传感器的光纤(1)，通过布拉格光栅(3)中心波长的不同来识别每个传感器的位置。
3.根据权利要求1所述的一种风电叶片监测用光纤光栅传感器，其特征在于，所述玻璃纤维布(5)为风电叶片生产用双轴向玻纤布，厚度0.4mm～0.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种风电叶片监测用光纤光栅传感器，其特征在于，所述表面毡(4)的克重为30g～50g每平方米。
5.根据权利要求1所述的一种风电叶片监测用光纤光栅传感器，其特征在于，所述光纤
(1)采用功能性光纤，直径为150μm～200μm光纤线缆。
6.根据权利要求1所述的一种风电叶片监测用光纤光栅传感器，其特征在于，所述光纤光栅传感器的玻璃纤维布(5)下表面与风电叶片内表面粘结连接。
7.根据权利要求1所述的一种风电叶片监测用光纤光栅传感器，其特征在于，所述布拉格光栅(3)外置硬质非金属保护套管。
8.根据权利要求1所述的一种风电叶片监测用光纤光栅传感器，其特征在于，所述光纤光栅传感器粘贴在叶片开裂重点监测区域。
9.根据权利要求1所述的一种风电叶片监测用光纤光栅传感器，其特征在于，所述光纤光栅传感器的表面粘贴硅橡胶保护层。
权 利 要 求 书1/1页CN 212391022 U
一种风电叶片监测用光纤光栅传感器
技术领域
[0001]本实用新型属于风电叶片运行状态监测技术领域，涉及一种针对风力发电叶片材料、结构和运行环境而开发的传感器，尤其涉及一种风电叶片监测用光纤光栅传感器。
背景技术
[0002]据行业统计，2019年，新增并网风电装机2574万千瓦，累计并网装机容量达到21005万千瓦，风电装机占到全部发电装机容量的10.4％。中国目前拥有超过10万台并网风力发电机组，风电叶片是风力发电机组能量转化的关键部件，成本约占机组总体成本的20％，但是故障率较高。据能源公司统计，因叶片损坏失效导致的停机事故高达事故总数的32％，发电量损失及损坏叶片的替换带来了非常巨大的经济损失。
[0003]对叶片运行状态进行实时监测可以及时发现可能导致叶片发生灾难性破坏的隐患，采取恰当的处理措施，可以防患于未燃。风电叶片大多工作在高海拔山区、沿海或海上等恶劣环境地区，人工、无人机等常规检查监测手段存在操作困难、成本高昂、不能实时监测的难题，依靠常规电测量传感器进行监测又存在很大的引雷风险，市场亟需高效经济且安全的监测传感器来保障机组正常运行，降低经济损失。
实用新型内容
[0004]针对上述现有技术中存在技术问题，本申请的目的在于提供一种风电叶片监测用光纤光栅传感器。
[0005]为实现本实用新型的目的，本实用新型提供的一种风电叶片监测用光纤光栅传感器，包括光纤、布拉格光栅以及玻璃纤维布、表面毡，
[0006]所述玻璃纤维布为传感器基体，所述光纤沿传感器基体长度方向居中铺设，在光纤铺设长度居中位置刻蚀有布拉格光栅，所述光纤上面使用一层风电叶片用表面毡进行敷设保护层，所述光纤、玻璃纤维布和表面毡抽真空灌注成型为光纤光栅传感器。
[0007]其中，所述光纤光栅传感器能够通过熔接的方式进行多个串联，光纤两侧接头能够熔接其他传感器的光纤，通过布拉格光栅中心波长的不同来识别每个传感器的位置。[0008]其中，所述玻璃纤维布为风电叶片生产用双轴向玻纤布，厚度0.4mm～0.5mm。[0009]其中，所述表面毡的克重为30g～50g每平方米。
[0010]其中，所述光纤采用功能性光纤，直径为150μm～200μm光纤线缆。
[0011]其中，所述光纤光栅传感器的玻璃纤维布下表面与风电叶片内表面粘结连接。[0012]其中，所述布拉格光栅外置硬质非金属保护套管，在光纤光栅传感器作为温度传感器的情况下，采用此种保护结构。
[0013]其中，所述光纤光栅传感器粘贴在叶片开裂重点监测区域，在光纤光栅传感器作为开裂监测用光纤光栅传感器的情况下，在上述区域设置。
[0014]其中，所述光纤光栅传感器的表面粘贴硅橡胶保护层。
[0015]与现有技术相比，本实用新型的有益效果为，本实用新型是一种专用于风力发电
机组风轮叶片实时状态监测用光纤光栅传感器，该种传感器可实现对叶片振动、温度、载荷、覆冰、危险位置表面开裂进行不间断监测。根据该传感器发出的波长变化信号，进行分析后，及时自动通知风电场值守人员发生异常情况的类型和故障级别，可以进行停机检查并处理，防止产生安全生产事故，避免人员、财产损失。
[0016]本实用新型设计先进、安装简便、寿命长，线性度好，无金属零部件可以做到防雷击，相对于风电叶片其他形式的监测传感器成本较低并具有很强的应用扩展性。
附图说明
[0017]图1本申请中风电叶片监测用光纤光栅传感器俯视结构示意图；
[0018]图2本申请中风电叶片监测用光纤光栅传感器横切面结构示意图；
[0019]图3本申请中风电叶片监测用光纤光栅传感器的一种布置示例图。
具体实施方式
[0020]需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0021]以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0022]如图1-图3所示，本实施例提供了一种风力发电机组风轮叶片监测用光纤光栅传感器2，包括光纤1、布拉格光栅3，玻璃纤维布5、表面毡4。所述玻璃纤维布5作为传感器基体，保证了传感器具有和被测对象相同的使用寿命。光纤1沿基体长度方向居中铺设，在光纤铺设长度居中位置刻蚀有布拉格光栅3，光纤1上面使用一层风电叶片用表面毡4进行敷设保护层，由光纤1、双轴向玻纤布5和表面毡4抽真空灌注成型为整个光纤传感器2，光纤传感器2可以通过熔接的方式进行多个串联，由布拉格光栅3中心波长的不同来识别每个传感器的位置。串联在一起的多个光纤光栅传感器可以有不同的用途传感器，例如载荷测量用光纤光栅传感器7、后缘开裂监测用光纤光栅传感器8，根据各传感器定义实现功能性测量。[0023]需要说明的是，上述的抽真空灌注成型采用本领域传统技术，将光纤1、双轴向玻纤布5和表面毡4抽真空，灌注树脂。
[0024]其中，玻璃纤维布5采用风电叶片生产常用双轴向玻纤布，优选地使用无碱型，厚度0.4mm～0.5mm。
[0025]其中，表面毡5采用风电叶片生产常用表面毡。优选地使用无碱型，克重30g～50g 每平方米。
[0026]其中，所述光纤1采用功能性光纤，利于布拉格光栅的刻制，优选地使用直径为150μm～200μm
光纤线缆。
[0027]其中，光纤光栅传感器2在进行风电叶片内表面安装时需使用常温快固型(502等)粘接剂，在低温环境(零下)粘贴时，可使用电热吹风对清洁后的叶片内腔粘接面和传感器粘接面进行20秒热风预热，预热后进行涂胶和粘贴作业。
[0028]其中，光纤光栅传感器2的光纤1两侧接头可以熔接其他传感器进行串联连接，多个传感器可以串联熔接为一个测量通道，每个测量通道可串联的传感器数量由布拉格光栅3中心波长的范围确定。所述的光纤光栅传感器数量和粘贴位置可按照预计的监测方案进
行调整，光纤的走线路径需考虑叶片结构部件粘接的影响。
[0029]其中，布拉格光栅3外置硬质非金属保护套管使其避免承受应变，可仅监测温度变化，可监测温度及用于应变测量传感器温度补偿。
[0030]其中，光纤光栅传感器2粘贴在叶片开裂重点监测区域，因为每只传感器布拉格光栅3刻制时所分配的中心波长不同，可以根据解调的中分波长范围和传感器与位置的对应关系进行寻址。
[0031]其中，在叶片上设置定位辅助线6用来辅助完成传感器粘接时的定位工作，打磨清洁后叶片粘接表面用划针划出“十”字定位线，光纤1与横线对齐，定位辅助线6与竖线对齐，对齐后可采用指压法进行赶
出粘接面气泡，保证粘接质量。
[0032]其中，光纤光栅传感器2粘结施工结束后，在表面粘贴硅橡胶保护层，可增加传感器的耐候性。
[0033]需要说明的是，光纤1在叶片内部用来连接各传感器，在叶片外部通过轮毂连接到专用解调仪，其长度需要进行提前预估并考虑适当的余量。各传感器之间光纤的长度同样需要提前计算，在施工前完成各传感器的熔接。
[0034]需要说明的是，所述的光纤光栅传感器基于光纤光栅传感技术，该项技术可以保证传感器在风力发电机组高电磁辐射环境下不受干扰。传感器基体采用风电叶片等强度的玻璃纤维布和树脂，生产工艺采用了风电叶片相同的真空灌注法，保证了传感器达到风电叶片相同的生命周期。所述的光纤光栅传感器现场粘贴采用常温快固型粘接剂，粘接完毕后采用四氟乙烯薄膜覆盖施以指压法排出粘接面气泡，可以保证粘接质量。所述的光纤光栅传感器粘接固化完毕后，需要在表面覆盖柔性耐老化且绝缘的硅橡胶进行隔绝空气防护，在沿海或海上地区使用可明显降低高温高湿对其使用寿命的影响。所述的光纤光栅传感器可按照智能化叶片设计的需要，提供稳定、可靠的基础应变、温度信号，可作为整个风电场叶片管理大数据分析的末梢神经单元。所述的光纤光栅传感器可同时应用于风电叶片强度测试用途，替代传统的电阻式应变片，尤其用于疲劳强度测试时使用可明显提高应变测试数据的稳定性和线性度。所述的光纤光栅传感器除可应用于风力发电叶片外，可同时应用于其他类似玻璃钢复合材料结构的状态监测，
例如游艇，风力发电机组的机舱罩等。[0035]需要说明的是，本申请中未详述的技术方案，采用公知技术。
[0036]以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
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