（信号与信息处理专业论文）基于光纤光栅的风机叶片应变监测关键技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 目前，越来越多的应变传感技术被应用于风电系统中，这样不仅可以预防风机叶 片的损坏，而且极大地减少了经济损失。另一方面，光纤传感技术得到飞速发展。其 中光纤布拉格光栅( f b g ) 传感器以精度高、寿命长、抗电磁干扰强等优点，已经受 到越来越多的关注。因此，本文基于f b g 传感原理，并结合时分复用( t d m ) 和波分 复用( w d m ) 技术，重点从软件设计和信号处理方面研究了风机叶片应变系统高速解 调问题，成功实现了叶片的准分布式应变监测。 首先，论文介绍了光纤光栅应变解调及复用的基础知识，比较了t d m 和w d m 技 术的优缺点。通过在w d m 技术的基础上引入t d m ，提出了一种风机叶片准分布式应 变监测的方案。其次，分析了系统硬件电路的整体架构，详细介绍了系统的机械结构 设计，包括机箱、固定底板与光纤光栅板。再次，从寻峰和滤波处理两个部分对系统 的软件开发进行了阐述。为了降低光路和电路噪声的影响，本文分别利用平均值滤波、 复合滤波( 限幅法+ 滑动滤波法) 以及卡尔曼滤波三种算法，并通过实验分别从速率、 动态范围、稳定性( 标准差) 以及效率等方面对这三种算法做了详细比较。最后通过 实验验证了本系统的可行性，并对系统的优缺点做了总结。- 。 本文的主要结果包括：( 1 ) 风机叶片的静态应力模拟实验验证了系统可以灵敏地 监测叶片应变分布：( 2 ) 在信号处理方面，将硬件滤波与软件滤波处理相结合，达到 了更理想的效果。在不影响监测速率的情况下，从稳定性、动态范围、效率以及程序 编写的方便性来说，复合滤波更适合于本系统；( 3 ) 处理后的信息可以通过串口、u s b 口或者以太网口传给上位机，实现远程监控以及应变曲线的图形化显示。 关键词：光纤布拉格光栅( f b g ) ；时分复用( t d m ) ；波分复用( w d m ) ；复合滤波 算法；卡尔曼滤波算法 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 一1 1 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ a b s tr a c t n o w a d a y s ，m o r ea n dm o r es 位t i ns c l l s o re q u i p m e n t sa r eu s e di nw i n dp o w e rs y s t e m st o p r e v e n t 也ed a m a g eo fw i n dt u r b i n eb l a d e ，a n dr e d u c et h ee c o n o m i cl o s s e s o nt h eo t h e r h a n d , w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ef i b e rt e c h n o l o g y , t h es e n s o r se s p e c i a l l yt h ef i b e rb r a g g g r a t i n g ( f b g ) s s o r sh a v eb e e na t t r a c t e di n c r e a s i n gi n t e r e s t i n gd u et ot h eh i g hp r e c i s i o n , l o n gs e r v i c el i f e a n de l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ei m m u n i t y t h e r e f o r e ，f o r c u so nt h e s o r w a r ed e s i g na n d s i g n a lp r o c e s s i n g , t h i s p a p e rh a si n v e s t i g a t e d t h eh i g l l - s p e e d d e m o d u l a t i o ns c h 锄ef o rw i n dt u r b i n eb l a d eb a s e d0 1 1f b gs e n s i n gb yu s i n gt h et i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( t d m ) a n dw a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( w d m ) t e c h n o l o g i e s ， w h i c h nr e a l i z et h eq u a s id i s t r i b u t i o ns t r a i nm o n i t o r i n gs u c c e s s f u l l y f i r s t l y , t h i sp a p e rf o c u s e so nt h eb a s i cp r i n c i p l eo ff b gs e n s o r sa n dm u l t i p l e x i n g t e c h n o l o g i e s ，a n dt h e nw eh a v ec o m p a r e dt h es u p e r i o r i t i e sa n dd e f i c i e n c i e so ft d ma n d w d m b yu s i n gt d ma n dw d mt e c h n o l o g i e ss i m u l t a n e o u s l y , w ep r o p o s e daq u a s i d i s t r i b u t i o ns t r a i nm o n i t o r i n gs c h e m ef o rw i n dt u r b i n eb l a d e s u c c e s s i v e l y , w eg i v et h e o v e r a l lf r a m e w o r ko ft h eh a r d w a r ed e s i g na n di n t r o d u c et h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e si nd e t a i l ， i n c l u d i n gm a i n f r a m e - b o x ，m o t h e r b o a r d , a n df b gp l a t e m o r e o v e r , t h ed e s i g no fs o f t w a r e h a sb e e na n a l y z e df r o mp e a kd e t e c t i o na n df i l t e r i n g i no r d e rt or e d u c et h ei n f l u e n c eo ft h e o p t i c a la n de l e c t r i c a ln o i s e ，t h r e ea l g o r i t h m si n c l u d i n ga v e r a g ef i l t e r i n g ，c o m p o s i t ef i l t e r i n g a n dk a l m a nf i l t e r i n gh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d , r e s p e c t i v e l y f u r t h e r m o r e ，t h e s et h r e ef i l t e r s c h e m e sa r e r e p e c t i v e l yc o m p a r e df r o mt h es y s t e mr a t e ，d y n a m i cr a n g e ，s t a b i l i t ya n d e f f i c i e n c yb ye x p e r i m e n t f i n a l l y , t h ef e a s i b i l i t yo fo u ts y s t e mh a sb e e ne x p e r i m e n t a l l y d e m o n s t r a t e d , w h o s es u p e r i o r i t i e sa n dd e f i c i e n c i e sa r ea l s os u m m a r i z e d t h em a i nc o n t r i b u t i o n si nt h i s p a p e ra r ea sf o l l o w s ：( 1 ) t h es t a t i c s i m u l a t i o n e x p e r i m e n tw i t hs t r a i ni sc a r r i e do u t , w h i c hd e m o n s t r a t e st h a tt h es y s t e mc a nm o n i t o rt h e d i s t r i b u t i o no ft h eb l a d es t r a i n s e n s i t i v e l y ( 2 ) b yu s i n gh a r d w a r ef i l t e r i n ga n ds o f t w a r e f i l t e r i n gs i m u l t a n e o u s l y , t h eb e t t e rs i g n a lp r o c e s s i n gp e r f o r m a n c eo ft h ed e m o d u l a t i o n s y s t e mc a nb er e a l i z e d t a k et h es y s t e ms t a b i l i t y , d y n a m i cr a n g e ，o p e r a t i o ne f f i c i e n c ya n d t h ec o m p l e x i t yi n t oa c c o u n t , t h ec o m p o s i t ef i l t e r i n ga l g o r i t h mi sm o r es u i t a b l ef o ro u r s y s t e mi nc e r t a i nd a t ar a t e ( 3 ) t h ep o s t - d a t ao fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) o a nb e d e l i v e r e dt ot h ep cb yr s 2 3 2 ，u s bp o r to re t h e r n e ti n t e r f a c e c o n s e q u e n t l y , t h er e m o t e c o n t r o lf o rt h es y s t e mi sr e a l i z e d ，w i t ht h es t 讹v a l u e sd i s p l a y e dg r a p h i c a l l y k e yw o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) ；t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( t d m ) ；w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n gm 仍m ) ；c o m p o s i t ef i l t e r i n ga l g o r i t h m ；k a l m a nf i l t e r i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究目的和意义 1 1 1 风力发电的优势 全球经济的高速发展，使得人类对能源的需求量越来越大。然而，传统能源，例 如天然气、煤炭、石油等由于过度开采而面临枯竭，并且在使用过程中会产生二氧化 碳和多种污染气体，导致全球气候变暖，空气污染日益严重。因此这种不可再生资源 正面临发展的瓶颈。 为了解决能源危机，缓解全球能源压力，可持续发展、清洁无污染的新能源显得 尤为重要。在这种需求下，世界能源的结构经历了一次大的变革，从以天然气、煤炭、 石油等传统能源为主的不可再生能源系统，开始转变为以风能、太阳能、水能为主的 可再生能源系统【卜3 1 。 其中，风能作为一种清洁的可再生能源，与传统的能源相比，具有环保、清洁、 分布广和储量大等优势【4 矧，可以缓解能源危机。中国的风力资源丰富，风力发电在我 国也得到了迅速地发展，图1 1 统计了2 0 0 1 2 0 1 1 年中国风电装机的情况【_ 7 1 。从图中我 们可以看出，自2 0 0 7 年以来，风力发电得到了迅速的发展，新增装机和累计装机均呈 现指数增长，到2 0 1 1 年已经突破性地达到了六万多兆瓦。 一y10 二 i 一矗 2 0 0 62 0 0 7 厂 耔增葬舸 图1 12 0 0 1 - 2 0 11 年中国风电装机统计图 1 1 2 风机叶片应变监测的重要性 风机叶片是风力发电系统的重要组成部分，它的结构和强度是衡量可靠性的关键。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l i _ i l _ _ _ l i _ l l _ _ l _ _ _ _ _ _ i _ l _ _ _ _ _ - - _ l l 一 风机叶片的可靠性又对风机运行可靠性起着重要的作用。近年来，风电机组不断向大 型化方向发展，风机叶片的尺寸也在迅速地增加。叶片尺寸的增加，又导致了制造难 度的增大以及成本的增加【5 9 】。因此，叶片的损坏会给制造商和投资商带来巨大的损失。 在这种情况下，叶片的质量与健康问题受到了越来越多的关注。 叶片在转动过程中，受力大小在不断地改变，很容易产生疲劳，从而导致可靠性 减小。在这种情况下，风机叶片就很容易因为疲劳而产生损伤，最后发生断裂。由美 国风电工程行动小组调查统计的数据可以看出，在美国发生的十三起风力发电机损伤 事故中，叶片断裂或者损坏的事故就占有八起，带来了严重的经济损失，也妨碍了风 能发电的推广和应用i l0 1 。风机叶片的高速实时应变监测一方面可以判断叶片的健康和 可靠性；另一方面，根据应力分布优化叶片控制( 即变桨系统) ，提高风力发电效率。 因此，风机叶片的实时应变监测在风力发电系统中显得尤为的重要。 1 2 国内外发展现状 风电产业发展已有将近一百年的历史，1 8 8 8 年美国人安装了一台被现代人认为是 第一台自动运行且用于发电的风力机。第二次世界大战期间，丹麦安装了一批两叶片 和三叶片的风机，这些风机采用的是直流发电机。从1 9 5 1 年起，交流发电的风力机终 于问世。随着以后人们对新能源需求的增加，风力发电在世界上迅速地壮大起来。然 而，对风机叶片的二系列健康安全监测，其中所包括的静态应变监测却是最近十几年 才有了一系列规范，世界各国对风机叶片的健康安全监测也慢慢地重视起来。 风机叶片的应变监测方式主要分为两种：应变片应力监测法【i i , 1 2 】和光纤布拉格光 栅( f b g ) 应力监测法【”】。美国北卡罗莱纳州立大学m j s u n d a r e s a a 等人运用压电陶 瓷片对风机叶片实施应变监测【1 4 1 ，压电陶瓷片是应变片的一种，这种方法虽然简单， 但是与光纤光栅相比灵敏度较低。如果采用将其埋入风机叶片中，虽然可以提高灵敏 度，但是由于所占据的空间相比于光纤光栅增大，有可能会影响叶片的整体结构。哈 尔滨工业大学张志春，黄忠等人采用了光纤布拉格光栅，将光栅盘绕粘贴在叶片表面， 通过光纤光栅对单点应变进行监测实验，并且将实验结果与通过粘贴应变片得到的结 果做了比较，提出了运用光纤光栅对叶片单点应变监测的优点【1 5 】。 目前，国内外在风机叶片应变监测的系统方面仍有许多具体的问题待解决。因此 我们应该结合国内外风力发电应用中的实际需求来实现对风机叶片更精确更可靠的应 变监测。本课题主要是基于匹配光栅监测应变的原理，研究对风机叶片应变的实时监 测。 1 3 本文的主要工作和结构安排 本课题分为理论分析和实验验证两部分。首先介绍了光纤光栅应变解调及复用的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 基本知识，然后结合原理，设计出了一种风机叶片应变监测系统的方案，并根据方案 进行系统软硬件的设计。最后通过实验对系统的性能进行了验证。 本文主要研究工作如下： 第1 章：绪论。首先分析了风力发电的发展现状和优势，给出了十年内中国风电 装机的统计图。其次介绍了风机叶片应变监测的重要性。最后对本文的研究内容作了 总结，给出了本文的整体框架。 第2 章：基于匹配光纤光栅应变监测原理。本章为原理分析章节，为之后的章节 提供理论依据。首先介绍了光纤光栅的发展史，给出了光纤光栅的应用领域。其次阐 述了基于匹配光栅监测应变的原理，分析了光纤布拉格光栅应变解调原理。然后对波 分复用( w d m ) 和时分复用( t d m ) 的原理做了简要地介绍，分析了波分复用和时分 复用各自的优缺点，为本系统所采用的混合复用方式( 波分复用+ 时分复用) 提供了理 论依据。 第3 章：风机叶片应变监测系统整体框架。首先对风机叶片应变监测系统做了详 细的描述，然后介绍了系统硬件开发环境，给出了系统电路设计结构图和p c b 板制图。 最后通过对系统结构的分析，提出了机械设计的方案，给出了系统各个部分的机械结 构设计图。 第4 章：风机叶片应变监测系统软件设计。研究了风机叶片应变监测系统软件设 计的主要技术：一为寻峰，二为数字信号处理( 即对数据进行滤波平滑处理) 。首先介 绍了寻峰程序编写和数据滤波处理所需的开发环境。其次描述了现场可编程门阵列芯 片( f p g a ) 的程序编写特点，即模块划分法，并且对其中的寻峰算法模块做了详细的 描述。然后分别介绍了系统数字信号处理所用到的三种算法：平均值滤波算法、复合 滤波算法和卡尔曼滤波算法。对每个算法做了具体的研究，并且给出了三种算法对典 型信道无应变情况下信号处理的对比图。研究发现复合滤波算法更适用于本系统。最 后，针对本章节的内容做了总结。 第5 章：系统实验。首先介绍了系统的测试装置，然后给出了信道三和信道六的 应力测试结果图，比较了它们在数字信号处理前后的实验结果。通过研究可以看出， 所测的功率值与受力呈线性关系。最后对系统的优缺点做了分析和总结。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章基于匹配光纤光栅应变监测原理 随着物联网的发展，作为网络中的核心器件传感器，越来越多地被应用于各 种环境中，而复杂的环境往往导致传统传感器的使用寿命大大缩短。光纤布拉格光栅 ( f b g ) 传感器的出现很好地克服了复杂环境的影响。f b g 传感器有众多优点，例如： 精度高、抗电磁干扰、有效使用寿命长。正是这些优点，使其在传感器领域中有了广 泛的应用【1 6 2 0 l 。本章介绍了光纤光栅的应用、匹配光栅监测应变的原理以及光纤光 栅传感网络复用原理。 2 1 光纤光栅的发展与应用 光纤材料的一大优点是具有光敏性，而光纤光栅正是利用这种特点使纤芯轴向的 折射率发生周期性变化，在紫外光曝光下，形成永久性空间的相位光栅。通过上述方 法，可以在光栅的纤芯内形成一个窄带的( 透射或反射) 滤波器或反射镜。当一束宽 谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过 光纤光栅继续传输。 1 9 7 8 年，加拿大通信研究中心的k o h i l l 及其合作者在光纤中观察到了光子诱导 现象，这就是后来的光栅【2 。h i l l 的早期光栅是采用4 8 8 n m 可见光波长的氛离子激光 器，通过增加或延长注入光纤芯中的光辐照时间而在纤芯中形成了光栅。后来m e l t z 等人利用高强度紫外光源所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光，从而在光纤纤 。芯中形成折射率调制或相位光驯翻。1 9 8 9 年，第支布拉格波长位于通信波段的光纤 光栅研制成功。直到1 9 9 3 年h i l l 等人提出了位相掩模技术，使纤芯折射率产生周期性 交化写入光栅，此技术使光纤光栅的制作更加简单灵活【2 3 1 。同年a l k i n s 等人进一步改 进了技术，采用低温高压氢扩散工艺提高光纤的光敏特性。这一技术的使用开启了大 规模使用光栅的时代。光纤增敏工艺打破了光纤光栅制作对光纤中锗含量的依赖，使 光栅的制作能够在普通光纤上完成，并能实现高质量的光栅 2 4 1 。经过三十多年的发展， 光纤光栅在各个领域中均有了广泛的应用与发展，成为了集最有发展前途、最具代表 性和发展最为迅速三个特点为一身的光纤无源器件。 目前，光纤光栅主要应用于以下两个方面： 1 ) 传感应用 光纤光栅自发明后，就受到越来越多的关注。由于光纤光栅具有较好的光敏特性， 其主要实现为当外界环境发生变化时，如温度和应变，光栅的反射( 或透射) 波长就 会发生相应的变化，因此常常用于外界温度和应变的测量。基于光纤b r a g g 光栅的传 感原理是通过感知外界参量的变化，进而将这种变化调制到光栅的中心波长上，从而 获得传感信息。这种传感器不仅具备了所有光纤光栅的优点，而且对光源能量以及稳 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 定性的要求较低，适合作精确测量。f b g 传感器还广泛应用于石油化工、桥梁结构、 高速公路和地球技术等领域中。目前f b g 传感器的一个发展方向是多点准分布式的传 感网络，其解决方案主要结合了波分复用、时分复用、空分复用和码分复用技术 2 5 - 2 8 】。 2 ) 光纤通信系统应用 光纤滤波器的出现，是光通信发展史的一个革命性的创新，其优点包括了无源、 成本低、全光纤和易于集成等。随着光纤技术的发展，光纤光栅的制作技术也越来越 成熟，另一方面，各种波长调节方式的研究也同样促进了光纤光栅滤波器的发展。目 前研究人员已经实现了常用通信波段( 1 5 2 0 n m 1 5 6 0 r i m ) 的单通道和多通道的带通和 带阻滤波器的设计。在光网络中的其它部分，如波分复用系统的分插复用以及色散补 偿中，光纤光栅都有较为广泛的应用 2 9 - 3 2 】。 2 2 匹配光纤光栅监测应变原理 2 2 1 光纤光栅传感器基本原理 首先介绍光纤布拉格光栅传感器的基本原理。通过耦合模理论可知，光栅的布拉 格波长为： 如= 2 人 ( 2 1 ) 式中：厶为布拉格波长；刀谚为光纤传播模式的有效折射率；人为光栅周期。 布拉格波长的峰值透射率与反射率为： j t = e o s h 。2 ( 竺k 三) ，r = t a n h 2 ( 竺鱼三) ( 2 2 ) b b 式中：血一为折射率最大变化量：l 为光栅长度。从上式中可以看出越大或a n 越大， 反射率越大。 如图2 1 所示，一束宽谱光在光纤光栅中传输时，一部分光透过，波长满足式 2 l 的光被反射。反射的中一t s , 波长如与有效折射率力和光栅周期人有关，而外界的 温度和应力的改变会导致有效折射率刀布发生改变。因此当外界的被测对象引起光纤光 栅的温度和应力发生改变时，就会导致反射波的中心波长发生变化。温度、应变与光 纤光栅中心波长的关系式为： 竺竿! 芝= ( 口r + 善) 丁+ ( 1 一岛) 占 ( 2 3 ) 式中：口，为光纤的热膨胀系数：善为光纤材料的热光系数；丁为外界温度的改变量： 风为光纤材料的弹光系数；占为轴向应变改变量。因此对光纤光栅的中心反射波长 实施监测，就能得到光纤光栅当前所处环境的温度变化以及所受应变变化的信息 【3 3 3 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 入射 - - - 2 2 2 匹配光栅原理 图2 1 光纤光栅传感器基本原理 基于匹配光栅的解调方法是在1 9 9 7 年由a b l r i b e i r o ，d a j a c k s o n 等人提出， 基本原理图如图2 2 所示【35 1 。 图2 2 匹配光栅基本系统图 图2 2 中，f b g s 和f b g r 是两个反射谱相同的光纤光栅。宽带光源通过环形 器l 进入传感光栅f b g s 后反射回一个窄带信号光，信号光经过环形器2 后被匹 配光栅f b g r 反射回来，从f b g r 反射回来的光再进入光电探测器。光信号经过 光电探测器后得到相应的电信号，将得到的电信号再经过硬件处理和滤波，就可 以得到准确可靠的测量信息。 光强 图2 - 3 匹配光栅解调示意图 图2 3 中的阴影部分对应接收到的光功率。当传感光栅和匹配光栅的反射谱 完全重叠时，从匹配光栅反射出来的光强最大，也就相当于功率最大。如果传感 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 - - _ii 光栅和匹配光栅所处的局部环境温度和应变没有发生变化，光强i 就不会发生变 化。假设两组光栅所处的局部环境温度不变，而f b g s 的轴向应变发生变化时， f b g s 的中心波长就会发生漂移。两组光栅的重叠部分即图中所示的阴影面积就会 变小，光强i 变小，并随着两组光栅反射谱的继续分离而逐步减j 、 3 6 3 7 】。在匹配 光栅所处环境的温度和光栅所受应变已知的情况下，通过对接收功率的监测就可 以达到对传感光栅中心反射波长的解调。 2 2 3 光纤布拉格光栅应变解调分析 在2 1 2 节中给出了匹配光栅解调基本原理图2 - 2 和图2 - 3 。假设图2 - 2 中宽带光源 的输出为，( 五) ，当f b g s 的谱发生漂移时，经过f b g r 的反射后进入光电探测器的 信号就会产生变化【3 引。假设传感光栅f b g s 的反射谱为s ( 旯) ，匹配光栅f b g r 的反 射谱为r ( a ) ，则进入光电探测器的信号谱函数式为： 口s ( 旯) 尺( 力) ( 2 - 4 ) 式中：口为总衰减系数。由图2 3 可以看出，进入光电探测器的光功率为： p=i a s ( 1 ) r ( i 矽允 ( 2 5 ) 当f b g s 上加有应力时，f b g s 的波长会发生漂移，这时从f b g r 出来的反射 光强度就会产生变化，从而导致光电探测器接收到的光功率发生变化。图2 - 3 中 的阴影部分就是接收到的光功率，此时光功率随着波长的变化而变化。我们假设 光纤光栅的反射谱呈高斯变化【”1 ，则f b g s 的反射谱为： 跗) = 扣州h 1 2 竽】 ( 2 - 6 ) 式中：厶为中心波长处光强；以为f b g s 的中心波长：以为f b g s 的3 - d b 带宽。 而f b g r 反射谱为： r ( = e x p 【- 4 1 1 1 2 盟茅】 ( 2 7 ) 式中：为中心波长反射率；厶为f b g r 的中心波长；厶为f b g r 的3 - d b 带宽。 此时假设衰减系数口近似于与波长无关，将式2 - 6 和2 - 7 带入2 5 ，得到光电探测器收 到的光功率为： p 皇口ls ( 2 ) r ( 2 ) d 2 暑口夏! e x p - - 4 1 n 2 - 芋 e x p - 4 i n 2 ( 4 w - 1 r ) 2 埘a q 培 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 p 川厶盖 。 t 器e x 卅m 2 毒苗， q 母 j 一m 2 遵扫，沼 ? 湍唧m 2 譬瓮铲， 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 波长区间内变化。最后用波长解复用器或电路信号处理的方法得到所有光栅的光谱， 找出各个光栅的波长漂移值，从而实现对多个f b g 的复用，这就是波分复用的思路。 图2 _ 4 给出了基本的波分复用的原理系统图。 图2 _ 4 光纤光栅波分复用结构简图 目前已商业化的f b g 传感系统基本上都是采用w d m 技术。可以看出传感器的个 数取决于系统的带宽以及每个传感器波长偏移的大小，因此这种方式的实现虽然简单， 但是多通道解调需要信道选择器才能将各个信道分开( 例如：光开关、阵列波导开关、 可调扫描滤波器等) ，从而限制了解调速率和系统可靠性。 2 3 2 时分复用技术 在串联的光栅阵列上，任何两个相邻的f b g 传感器上返回的信号在时间上是间隔 开的。反射信号时域上的隔离特性，使得在伺一根光纤上间隔一段距离复用多个光纤 布拉格光栅( f b g ) 成为可能，避免了各传感器抢夺有限频带资源的问题，这就是时 分复用原理【4 5 】。图2 5 给出了一个时分复用系统的原理框图，图中p d 为光电探测器。 图2 - 5 光纤光栅时分复用结构简图 由图2 5 可以看出，各个f b g 传感器之间的时间延迟是通过它们之间的光纤长度 来实现的。当系统运行时，每一个光栅传感器都有不同时间的延时。光源在发出短脉 冲后，直接调制光源或者外加调制器，光电探测器能收到多个光脉冲，每一个都对应 了不同的时延和不同的光栅传感器。在接收端，f b g 阵列的布拉格反射脉冲通过p d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 进行光电转换后监测每个光脉冲，然后通过信号处理将其在时间上分开从而实现解调。 但是，时分复用( t d m ) 技术虽然可以提高系统速度，由于所有通道的波长一样，在 处理多通道解调时，容易引入码间串扰，使解调数据失真【蚓。 2 4 本章小结 本章首先介绍了光纤光栅的发展与应用，其中包括简述了光纤光栅的发展史、优 点和光纤光栅目前的主要应用领域。其次介绍了光纤布拉格光栅传感原理和匹配光 纤光栅监测应变的原理。两者作为匹配光栅解调系统的基础理论，特别是对匹配 光栅应变监测解调原理做了详细的分析，给出了从光电探测器得到的光功率与传 感光栅的波长关系式以及传感光栅波长变化量与应变的关系式。然后对光纤光栅 波分复用和时分复用传感系统做了说明，分析了两种复用系统各自的优缺点，为 之后的实验系统设计提供了理论基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 第3 章风机叶片应变监测系统整体框架 根据第二章的理论基础，设计出一套基于匹配光栅的风机叶片应变检测系统。该 系统设计主要包括了几个方面：硬件、软件以及机械结构设计。本章首先介绍了系统 的基本构成，然后给出了硬件电路设计的开发工具( a l t i u md 骼i 弘e r 6 ) 和系统硬件电 路设计的整体架构，最后介绍了系统机械结构设计的开发工具( s o l i d w o r k s l o ) 和部分机 械结构设计。 3 1 风机叶片应变监测系统结构 风机叶片的健康监测近几年来在风电行业具有重要的作用，其中一项就是风机叶 片的应变监测。目前，较为常用的方法是使用应变片应力监测法，将应变片粘贴在风 机叶片表面上，通过有线或者无线网络的方式传输数据。运用此方法，假设需要对风 机叶片上n 处位置的应变进行监测，就得在1 1 处不同位置粘贴n 个应变片，而对于每 个应变片都需提供一个通道与应变传感器相连，明显增加了系统的复杂性。如需在叶 片上增设更多的监测点，会增加数据处理量，导致系统速度降低。为了实现高速应变 监测，根据第二章的理论基础，我们结合匹配光纤光栅、时分复用和波分复用的原理， 设计出了一套风机叶片应变监测系统，系统结构简图如图3 1 所示。 f b g i _ + + _ _ 十卜一 f b g i 臣要l 一光路径 电路径 图3 l 风机叶片应变监测系统结构简图 图3 1 中，s l e d 为超宽带光源：f b g 为光纤布拉格光栅；p d 为光电探测器；a d 为模数转换电路：d s p 为数字信号处理部分；图中实线表示光路：虚线表示电路。f b g i 为传感光栅阵列，f b g i 为匹配光栅阵列。两组阵列光栅的中心波长一一对应，即凡 ( f b g i 中心波长) t 爿( f b g i 中心波长) 。宽带光源( s l e d ) 输出光谱范围为 1 5 3 0 n m 一1 5 7 0 a m 。s l e d 产生的光经过环形器1 后入射到f b g i 中，与f b g j 中心波长元 对应的光被反射，再通过环形器2 入射到f b g i 中，与f b g i 中心波长彳对应的光被 反射回来，然后通过环形器2 的另一输出端口进入解调系统。为了比较和验证解调结 果，一部分光信号通过一个5 0 ：5 0 的耦合器进入到光频谱分析仪( o s a ) 中，另一部分 光信号进入到设计的电域应变解调系统中。实验中，我们采用十组匹配光栅的反射波 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ i i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 长分别为1 5 3 9 n m 、1 5 4 1 n m 、1 5 4 3 n m 、1 5 4 5 n m 、1 5 4 7 n m 、1 5 4 9 n m 、1 5 5 1 r i m 、1 5 5 3 n m 、 1 5 5 5 n m 、1 5 5 7 n m 。图3 2 为通过光谱仪测得的十组传感光栅和匹配光栅的光谱，由于 光栅做工和环境的影响，部分光栅没有达到完全匹配。 ( - ) 传感光栅( b ) 匹配光栅 图3 - 2 传感光栅与匹配光栅光谱图 在系统图3 1 中，假设f b g i 为等间隔的光栅阵列，基于时分复用( t d m ) 技术， 可以实现多点的应变监测与解调。当一束光通过光栅阵列f b g i ( i = l ，2 ，3 ) 时，每 个光栅处都会有部分光反射回去，场的形式为e ( f + ( f 一1 ) a t ，a ) ( a t ：光在两个光栅 中传播的时间) 。易与蜀+ ，在返回探测器时存在一个时间差a r ，通过光返回的时间差 来区分各个信道易，从而实现多点监测及解调。由于在普通t d m 技术中，所有通道都 是使用同一波长，这样在解调时就不可避免地引入码间串扰。因此，为了克服这个缺 点，在这个系统中我们又引入了波分复用( w d m ) 技术，用不同的波长来区分不同的 信道，就可以在保证解调速率的同时，实现数据的可靠处理。此系统可以在一个信道 下实现对多点进行监测，与应变片监测系统相比减小了系统的复杂度。同时，由于光 纤光栅传感器灵敏度高，因此还保证了系统的精度。在系统实验监测时，可以将传感 光栅通过如下方式( 图3 3 ) 粘贴在风机叶片表面。在后期使用时可以在厂家生产过程 中将传感光栅埋在风机叶片内部结构里。 ( a ) 方式一 ( b ) 方式= 图3 3 光纤光栅粘贴示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 图3 3 给出了两种光纤光栅的粘贴示意图，以十个光栅作为例子，并且假设十个 光栅间距是均匀分布。在实际情况中，我们可以根据需要调整光栅间隔或者调整光纤 的弯曲半径。需要注意的是裸纤的最小弯曲半径为2 5 c m 。 3 2 系统电路设计整体构架 3 2 1 系统硬件开发环境与流程 本系统的硬件开发使用的是电路设计开发软件：a l t i u r nd e s i g n e r 6 。它是相对于 d x p 2 0 0 4 的一个升级版，操作起来更加方便，并且简单易学。该软件环境界面如图3 4 所示，借助此硬件开发工具，不仅可以完成电路部分的原理图设计，而且还能描绘出 p c b 板。 岛 7。 。： 一。”篷0 w r ! m r rn 二 ：“：- ， ，11 】rd m卜- ； 一 ! 扣：。_ 吩4 l k _ 鹰；r 一 墨墨_ 嘲oj 哗 删鲫- 叵苎竺竺】 1 m _ ”【“_ ji 蕊j 面 o “o 。_ e _ 。莨空f 可r ：= 固【西= 当地 匝圆皿皿口 1 剖”： 口州= 盯一 - t o mp i ：兰! u - t o 姒15 d 出 p i 、m 打“ ，_ 怒：? o ”何乓臻广+ _ l 0 - f _ l 一f 在圣呸r 兰= = t = 一 证薹皿 面1 画孵! 蓁麈圆f 凌 蓁匿爨i 雾冀 耋莲i 蠢 l 磷 旨_ 节窦睁蔫= 置毫翻卜= 三1甘t 旷 妻陋i 霎 釜鬻 = 习耳军；= = - pi 扫曰蜀：二l+ 一= 叠= = 二 ”8 ”三竺 - 1 ，hv ， r c 图3 _ 4 电路设计开发工具a l t i u md e s i g n e r 6 及整体电路原理设计图 图3 - 4 中给出的是系统整体电路原理设计图。为了方便以后问题的查找与修改， 在电路原理图设计的时候将系统分为几大模块，分别为：电源、差分、a d 、f p g a 、 a r m 以及其它外部接口或者驱动部分。 3 2 2 应变解调系统的硬件设计 应变解调系统的具体硬件设计原理如图3 5 所示。在应变解调系统中，光信号首 先通过光电接收机( p d ) 转变为电信号，经过放大器后进入2 0 0 m h z 的高速模数转换 芯片( a d ) ，将外界的模拟信息转换成数字信号。然后在现场可编程门阵列( f p g a ) 中能够以2 5 k h z 的速率对一组采样数据进行解调，并实现对l o 个f b g 的寻峰，将峰 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 值写入a r m 后再对其进行消陡滤波处理。受f p g a 与a r m 传输速度限制及a r m 内 部后期处理算法的影响，a r m 最终可以以1 0 k h z 的处理速度对一组采样数据进行处 理。若使用更高处理速率度的a r m ，则系统对一组采样数据的处理速度可以达到与 f p g a 同样的2 5 k h z ；如果使用更高处理性能的f p g a 与删，则系统对一组采样数 据的处理速率可以达到更高。信号经过a r m 进行处理之后，最后通过网口、串口或者 u s b 进入上位机，实现对外界应变的监测。其中实线表示光路径，虚线表示电路径。 电放大器 行 输 光路径电路径 周3 5 硬件电路设计原理 在硬件电路设计中，其核心是f p g a 和删两大部分。宽带光源发出的信号经 过f p g a 后被调制成5 0 n s 的数字脉冲。f p g a 的主要作用除了产生s l e d 光源的调制 信号，还控制模数转换芯片进行信号采样，并将采集到的数据存储处理后交给a r m 处 理。a r m 的主要完成的工作为数据处理与传送。整个系统的应变监测速度主要的限制 因素也在于这两个芯片的处理速度。 在电路原理图设计完成后，即可进行p c b 板的设计和布线。其中合理的p c b 布局 直接决定了电路设计的性能。 ( 1 ) p c b 尺寸大小的确定。一般来说，电路板的尺寸与系统的应用密切相关，p c b 尺寸过大不仅会导致走线过长，抗噪性能下降，加工成本增加等问题，更重要的是会 限制整个系统的应用领域，增加安装调制的复杂性；另一方面p c b 尺寸过小，虽然易 于集成化和小型化，但是会出现散热和串扰问题。 ( 2 ) p c b 空间的划分。为了便于布线，减少串扰和电磁干扰，在p c b 尺寸确定后 需要按照系统不同的功能模块对p c b 的空间进行划分，并且预留出核心电子器件的位 置。 ( 3 ) 最后根据原理图中各个器件的电气连接合理地将所有器件进行布局。这里一 般选择自动布局和手动布局相结合的方式。 在p c b 部分，布局完成之后就是最核心的部分布线。根据印制电路板的层数， 有单面布线、双面布线与多层布线。当电路板设计为多层时，则需考虑两个相邻层的 布线应尽量垂直，从而可以避免平行走线带来的寄生耦合效应。在本系统中，对性能 影响最大的部分如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 ( 1 ) 电源线与地线的处理。在系统设计时，为了提高芯片的稳定性，不仅地线的 宽度在设计上大于电源线，而且在每个芯片的输入电源与芯片的输入地之间加入一定 的去耦电容。另外在p c b 板上对数字地与模拟地进行了划分，确保模拟电路不会降低 数字电路的抗干扰能力，并且通过一个电感，最后将模拟地和数字地相连。 ( 2 ) 差分信号的布线。由于本系统传输速率较高，因此普通信号传输线会导致信 号的泄漏，因此采用了差分布线。其基本原则应遵循等长等距。在实际布线中，一般 采用蛇形线，并且严格的等长且等距往往无法实现。而当等长与等距发生冲突时，则 首先保证等长的前提下使得两条差分信号线的间距尽可能的相等。 完整的p c b 顶层和底层设计如图3 - 6 和3 7 。这部分工作主要由同组另外一名同学 完成，这里就不再详细介绍。 图3 - 6 p c b 顶层设计图 图3 7p c b 底层设计图 西南交通大学硕士研究