一种利用光纤温度传感器对风机齿轮箱温度检测方法与流程

1.本发明属于光纤温度传感器应用技术领域，具体而言，涉及一种利用光纤温度传感器对风机齿轮箱温度检测方法。


背景技术：

2.在风力发电机组中，齿轮箱是极其重要的部件之一。近年来随着风力发电单机容量的不断增大，以及风力发电机组投入运行时间的逐渐积累，由齿轮箱故障或者损坏引起的机组停运事件时有发生，由此带来的直接和间接损失也越来越大，维护人员投入维修的工作量也有不断上升的趋势。齿轮箱能够正常稳定工作，涂在其表面的润滑油的作用至关重要，润滑油不仅能起到润滑作用，还能起到对轴承和齿轮降温的作用。因此要对进入齿轮、轴承的润滑油的质量进行保证，而润滑油的温度是是要着重考虑的一点，一般来说齿轮箱油温最高不应超过80℃，不同轴承间的温差不得超过15℃。因此，温度传感器是保证齿轮箱正常运行不可或缺的一部分，只有温度传感器对各部分温度做到精确、快速地检测，齿轮箱才可以得到准确的温度信息，并将此温度信息传递给加热器和冷却系统。当油温低于10℃时，加热器会自动对油池进行加热；当油温高于65℃时，油路会自动进入冷却系统管路，经冷却降温后再进入润滑油路。若温度传感器对齿轮箱的温度检测不及时或者不准确，将导致油温过高或者过低，对齿轮和轴承造成损坏，因此，对温度传感器要高度重视。
3.温度传感器一般会对齿轮箱及其附件的三个点的温度进行检测：进油口温度、油池温度、轴承温度(一般包括高速轴电机侧轴承和高速轴叶片侧轴承)。在很多地方，风力发电机组长时间处于满负荷状态，此时，润滑油因齿轮箱发热导致温度上升超过正常值，机舱内温度与外界环境温度最高可相差25℃左右；当风力发电机组故障长期停机后齿轮温度下降较多，润滑油粘稠度增加，造成油泵启动时负载较重，导致油泵电动机过载。出现这几种情况大概率是因为温度传感器出现了故障。
4.而现在大多数风力发电机组齿轮箱使用的温度传感器为铂热电阻(pt100)，其是利用铂丝在温度变化时自身电阻也随之发生变化的特性来测量温度的。它的受热部分(感温元件)是用细铂丝均匀地双绕在绝缘材料制成的骨架上，当被测介质中有温度梯度存在时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质中的平均温度。在齿轮箱中铂热电阻一般采取单支结构，即pt100内部只有一个测温元件，接线为两线制，一旦测温元件损坏，就需要更换新的pt100。pt100采集到的的温度信号精度较低，若是采用更多线制的结构，则会导致安装繁琐，成本过高。虽然齿轮箱中的pt100采用铠装的方式，有一定的抗腐蚀抗干扰能力，而风机齿轮箱内部结构导致其振动传递路径复杂，常年工作在沙漠、野外、孤岛等恶劣环境下，不规律的风切变带来机械应力持续波动，加之暴雨、沙尘暴、雷电、海盐腐蚀等因素，会使得铂热电阻采集得到的温度振动信号成分复杂、多种模态混叠、伴随大量环境噪声。且pt100长期放置于油池或者进油口会导致其对温度的传感精度不足，且传感器表面附着太多油会影响热电阻的性能，使其不能正常工作。
5.目前，光纤温度传感器发展迅速，应用领域也较为广泛，但是在风力发电领域光纤
温度传感器还鲜为应用。光强的调制技术是用光纤做传感器的关键，光强的调制可以实现将温度的变化转换为在光纤中传输的光强的变化，通过检测光强即可检测到所测点的温度，这种技术既有效又精密，适合对温度测量精度较高的场合。
6.因此，有必要研究一种利用光纤温度传感器对风机齿轮箱温度进行检测的方法，来应对现有技术的不足，解决上述提出的问题。


技术实现要素：

7.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种利用光纤温度传感器对风机齿轮箱温度检测方法。
8.本发明提供一种利用光纤温度传感器对风机齿轮箱温度检测方法，所述方法包括：
9.将光纤温度传感器置于风机齿轮箱的目标位置，所述光纤温度传感器包括光源、传感探头、入射光纤以及出射光纤，所述传感探头内设置有感温介质；
10.所述光源发出入射光并经所述入射光纤将其传输至所述传感探头；
11.所述感温介质根据感测到的目标位置的温度，对所述入射光的光强进行调制获得出射光，并经所述出射光纤射出；
12.将所述出射光对应的光信号转换为电信号，并根据所述电信号确定所述目标位置的温度。
13.在一些可选地实施方式中，所述感温介质采用水银柱，所述感温介质根据感知到的目标位置处的温度，对所述入射光的光强进行调制获得出射光，包括：
14.所述水银柱随所述目标位置的温度变化而升降，以对所述传感探头内的光路进行遮断，以改变所述入射光的光强获得所述出射光。
15.在一些可选地实施方式中，在将所述光纤温度传感器置于风机齿轮箱的目标位置之前，所述方法还包括以下步骤：
16.构建所述光纤温度传感器，具体包括以下步骤：
17.选取波长650nm～700nm的发光二极管作为所述光源；
18.确定所述入射光纤接收到的所述入射光的光强、以及所述出射光纤接收到的所述出射光的光强；
19.制作所述光纤温度传感器的传感探头，并选取水银柱作为所述感温介质，根据所述入射光的光强设计其与所述水银柱的位移之间的对应关系。
20.在一些可选地实施方式中，所述入射光的光强i0满足以下公式(1)：
[0021][0022]
其中，φ(x,y,z)表示入射光纤端面(x,y,z)处的光通量密度；σ表示一表征入射光纤折射率分布的相关参数，对于阶跃型光纤，σ＝1；a0表示入射光纤纤芯半径；ζ表示调制参数；θ
c
表示入射光纤的最大出射角；
[0023]
所述出射光的光强i(x,y,z)满足下述公式(2)：
[0024][0025]
式中：
[0026]
ω(z)＝σa0[1+ζ(z/a0)
3/2
tanθ
c
]
[0027]
其中，s表示出射端未被所述水银柱挡住部分的面积。
[0028]
在一些可选地实施方式中，所述根据所述入射光的光强设计其与所述水银柱的位移之间的对应关系，包括：
[0029]
设定当所述目标位置的温度为0℃时，出射端被所述水银柱挡住的面积恰好为0；以及，
[0030]
设定当所述目标位置的温度为150℃时，出射端未被所述水银柱挡住的面积恰好为0，以使得所述水银柱的位移与所述入射光的光强呈近似线性的函数关系。
[0031]
在一些可选地实施方式中，所述传感探头用经过硬质阳极氧化的铝合金作为导热板、导热块以及外壳。
[0032]
在一些可选地实施方式中，所述将所述出射光对应的光信号转换为电信号，包括：
[0033]
利用光电转换器，先将所述光信号转换为电流信号、之后将所述电流信号转换为电压信号、最后将所述电压信号进行放大处理；以及，
[0034]
利用滤波电路，将放大处理后的电压信号进行滤波处理。
[0035]
在一些可选地实施方式中，所述光电转换器采用pin型光电二极管，并选用电流放大型的工作模式；
[0036]
所述出射光经过所述pin型光电二极管转换后得到的电流为i
sc
，所述pin型光电二极管输出的电压值v
out
＝i
sc
·
r
f
。
[0037]
在一些可选地实施方式中，所述滤波电路选用低通滤波器，所述低通滤波器的性能指标满足下述关系式：
[0038]
增益k
p
为：
[0039]
截止频率ω
c
为：
[0040]
其中，电阻r3和电阻r4的阻值相等，电容c1＝2c2。
[0041]
在一些可选地实施方式中，所述目标位置包括油池、进油口、高速轴电机侧轴承和高速轴叶片侧轴承中的至少一者。
[0042]
本发明提供一种利用光纤温度传感器对风机齿轮箱温度检测方法，可有效提高温度传感器对齿轮箱温度的检测精度以及传输信号的速度，提高齿轮箱温度传感器的非入侵性、抗干扰能力和抗腐蚀能力，减小润滑油等外界物质对温度传感器的影响，更好地适应于风机复杂的工作环境，还能减小齿轮箱温度传感器的体积、重量，减小对风电机组正常工作的影响。
附图说明
[0043]
图1为本发明一实施例的一种利用光纤温度传感器对风机齿轮箱温度检测方法的流程图；
[0044]
图2为本发明另一实施例的多模光纤的结构示意图；
[0045]
图3为本发明另一实施例的正弦交流电调制光源的工作原理图；
[0046]
图4为本发明另一实施例的光强度调制型光纤温度传感器的工作原理图；
[0047]
图5为本发明另一实施例的功能型光纤传感器的工作原理图；
[0048]
图6为本发明另一实施例的光纤温度传感器传感探头的结构示意图；
[0049]
图7为本发明另一实施例的光电转换、i/v电路和放大电路的工作原理图；
[0050]
图8为本发明另一实施例的滤波电路的工作原理图；
[0051]
图9为本发明另一实施例的光纤温度传感器测温系统的工作流程图。
具体实施方式
[0052]
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
[0053]
示例性的，如图1所示，一种利用光纤温度传感器对风机齿轮箱温度检测方法s100，包括：
[0054]
s110、将光纤温度传感器置于风机齿轮箱的目标位置，光纤温度传感器包括光源、传感探头、入射光纤以及出射光纤，传感探头内设置有感温介质。
[0055]
示例性的，目标位置可以包括油池、进油口、高速轴电机侧轴承和高速轴叶片侧轴承中的至少一者。例如，目标位置可以是油池、进油口、高速轴电机侧轴承和高速轴叶片侧轴承中的一者，也可以是油池、进油口、高速轴电机侧轴承和高速轴叶片侧轴承中的两者或多者，当然，目标位置也可以是风机齿轮箱的其他位置，本实施例对此并不限制。
[0056]
优选的，当目标位置为油池时，可以将光纤温度传感器直接置于油池中，从而可以保证检测到的油温最准确。当目标位置为进油口时，将光纤温度传感器牢靠固定在进油口处，以免其被油冲走，同时避免阻挡油进入油池。当目标位置为高速轴电机侧轴承和高速轴叶片侧轴承等轴承处时，将光纤温度传感器与轴承紧密贴合，避免其被转力甩出，传感探头的导热块端朝向轴承设置，以便更准确地检测轴承处的温度。此光纤温度传感器受距离、压力等因素的影响很小，即使轴承转速很快或者润滑油池压力很大，也不会影响其工作。当然，也可以采用其他方式将光纤温度传感器置于风机齿轮箱的目标位置，本实施例对此并不限制。
[0057]
本实施例采用了光纤温度传感器，由于光的传播速度很快，所以传输信号的速度得到了大幅提升，从而能够让系统更加稳定地运行。另外，此光纤温度传感器体积小、质量轻，可挠曲，安装方便，安装后不会影响齿轮箱的任何工作状态，包括不会干扰润滑油正常进出油箱，也不会影响齿轮箱的其他正常工作。同时，光纤温度传感器成本低，使用寿命长，能够避免维修人员经常性地爬上风机检查温度传感器，降低了维修成本和人员危险。
[0058]
s120、所述光源发出入射光并经所述入射光纤将其传输至所述传感探头。
[0059]
具体的，首先启动光纤温度传感器，使光源发出入射光，之后，通过入射光纤将入射光传输至传感探头。
[0060]
s130、所述感温介质根据感测到的目标位置的温度，对所述入射光的光强进行调制获得出射光，并经所述出射光纤射出。
[0061]
示例性的，感温介质可以采用水银柱。步骤s130包括：
[0062]
水银柱随目标位置的温度变化而升降，以对传感探头内的光路进行遮断，以改变入射光的光强获得出射光。也就是说，温度升高时，传感探头内的水银柱上升，对光路的遮断面积增大；温度下降时，传感探头内的水银柱下降，对光路的遮断面积减小。传感探头内的水银柱通过对光路进行不同程度的遮断，实现对入射光的光强进行调制获得出射光。
[0063]
本实施例可以测量的温度范围是0℃～150℃，能够很好地满足齿轮箱温度的测量需求，且测量精度可达0.01℃，提高了齿轮箱温度测量精度。
[0064]
s140、将所述出射光对应的光信号转换为电信号，并根据所述电信号确定所述目标位置的温度。
[0065]
示例性的，将光纤温度传感器的出射光纤引出来，与光电转换器连接，利用光电转换器，先将光信号转换为电流信号、之后将电流信号转换为电压信号、最后将电压信号进行放大处理。光电转换器可以采用pin型光电二极管，并选用电流放大型的工作模式。如图7所示，此光电二极管的工作电路同时具有i/v转换和信号放大作用。出射光经过pin型光电二极管转换后得到的电流为i
sc
，pin型光电二极管输出的电压值v
out
＝i
sc
·
r
f
。如此连接电路，可以使信噪比较高，响应速度快。本实施例中，光调制信号的频率可以为1mhz左右，且环境中和电路中均可能存在大量的高频噪声，因此，需要滤除高频干扰。例如，可以利用滤波电路，将放大处理后的电压信号进行滤波处理。优选的，根据具体光源信号的频率，滤波电路可以选用低通滤波器，低通滤波器的性能指标满足下述关系式：
[0066]
增益k
p
为：
[0067]
截止频率ω
c
为：
[0068]
其中，一般来说，电阻r3和电阻r4的阻值相等，电容c1＝2c2。
[0069]
当电压信号从滤波电路中出来后，即可进入风机加热器和冷却系统的检测装置，进行下一步的处理。
[0070]
优选的，光电转换电路、放大滤波电路均置于隔热金属壳内，固定于机舱内壁。在启动光纤温度传感器时，对其供电即可，供电的对象同时包括光电转换电路、放大滤波电路等后级电路。
[0071]
示例性的，如图1所示，在步骤s110之前，方法s100还包括步骤s101。
[0072]
s101、构建所述光纤温度传感器。
[0073]
光纤一般是由玻璃或塑料制成。光纤传输光的原理是“光的全反射”。光纤的典型结构为多层同轴圆柱体，光纤可分为单模光纤和多模光纤。优选的，本实施例中的光纤温度传感器采用多模光纤。如图2所示，多模光纤200由内到外分别包括纤芯210、包层220、涂覆层230以及套层240。相较于单模光纤，多模光纤允许多束光在光纤中同时传播，并且光在多模光纤中有多个传播途径，适合应用在短距离信号传输中，其价格比单模光纤低廉。
[0074]
示例性的，步骤s110具体包括以下步骤：
[0075]
选取波长650nm～700nm的发光二极管作为光源。
[0076]
由于光纤温度传感器以光为载体，所以光源是光纤温度传感器的一个重要组成部分，需要选择波长合适的光源并对其频率进行调制。本实施例选取的波长650nm～700nm的发光二极管具有良好的温度特性，价格低，波长范围广，且能够很好地适用于多模光纤。如
图3所示，利用正弦交流电信号调制发光二极管，使发光二极管的发光频率跟随电信号发生周期性的变化。
[0077]
确定入射光纤接收到的入射光的光强、以及出射光纤接收到的出射光的光强。
[0078]
光在光纤中传输时，容易受到外界因素的影响，如电磁场、压力、温度等因素的变化会导致光的强度、相位、频率等特性发生变化，因此，通过测量光的某一特性的变化即可知道导致这一特性变化的压力、温度、电磁场等物理量的大小。本实施例利用的是温度对光强的影响，采用的是光强度调制型光纤温度传感器。当温度作用于传感探头时，探头内的感温介质对温度迅速做出感应，从而将温度这一信息量转换成其他量。光强度调制型光纤温度传感器原理如图4所示。入射光纤射出的光，其强度经过感温介质调制后进入出射光纤，使得进入出射光纤的光的光强随感温介质调制的不同而不同。而感温介质的调制是通过感温介质遮断光路来实现的，在不同温度下，感温介质可能发生形变或者其他变化，从而对光路进行不同程度的遮断，进而使得进入出射光纤的光的光强随温度的变化而变化。
[0079]
入射光的光强i0满足以下公式(1)：
[0080][0081]
其中，φ(x,y,z)表示入射光纤端面(x,y,z)处的光通量密度；σ表示一表征入射光纤折射率分布的相关参数，对于阶跃型光纤，σ＝1；a0表示入射光纤纤芯半径；ζ表示调制参数，其与光源种类及光源跟光纤耦合情况有关；θ
c
表示入射光纤的最大出射角；
[0082]
出射光的光强i(x,y,z)满足下述公式(2)：
[0083][0084]
式中：
[0085]
ω(z)＝σa0[1+ζ(z/a0)
3/2
tanθ
c
]
[0086]
其中，s表示出射端未被所述水银柱挡住部分的面积。
[0087]
制作光纤温度传感器的传感探头，并选取水银柱作为感温介质，根据入射光的光强设计其与所述水银柱的位移之间的对应关系。
[0088]
本实施例采用的光纤温度传感器属于功能型光纤温度传感器，如图5所示，光纤只作为传输光的通道，感知外界温度变化由其它物质实现，例如，可以由水银实现。当目标位置的温度为0℃时，可以设定出射端被水银柱挡住的面积恰好为0。当所述目标位置的温度为150℃时，可以设定出射端未被水银柱挡住的面积恰好为0。从而使得水银柱的位移与入射光的光强呈近似线性的函数关系，进一步的，出射光的光强i(x,y,z)也有一个与未被水银柱挡住的面积相对应的函数关系。
[0089]
传感探头可以用经过硬质阳极氧化的铝合金作为导热板、导热块及外壳。经过处理的铝合金具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、导热性好等优点，可以直接置于油池或者贴合于轴承上。传感探头内的自焦虑透镜与光纤的导光原理密切相关，当光沿自焦虑透镜轴向传输时发生折射，且折射率的分布沿径向逐渐减小，从而出射光线被平滑且连续地汇聚到一点。水银柱内的浸液可以对水银柱起到缓冲作用，同时可确保在温度低时水银不随意流动，保证测量准确度。
[0090]
本实施例中的光纤温度传感器具有更好的抗腐蚀、抗干扰能力，可以更好地适应
润滑油箱的测温环境。本实施例中的传感探头全部由铝合金外壳包裹，且其表面经过硬质阳极氧化，传感探头中的光纤本身也被层层包裹不会受到润滑油等外界物质的干扰，所以可将传感探头直接放入油池和进油口，即使油池和进油口的压力都很大，也不会影响传感探头工作。
[0091]
制作好的传感探头设置有铝合金外壳，传感探头的结构如图6所示。光源发出的光经过入射光纤传输到传感探头，传感探头内的感温介质水银柱在温度对导热快的作用下使入射光的光强发生变化，使得光信号得到调制，然后通过出射光纤将光射出。
[0092]
下面参考图9对光纤温度传感器测温系统的具体工作流程进行说明。
[0093]
首先，将传感探头置于油池、进油口、高速轴电机侧轴承和高速轴叶片侧轴承等目标位置。之后，对光纤温度传感器供电，供电的对象包括光源、传感探头以及后级电路等部分。启动光纤温度传感器后，光源发光二极管发出光信号传输到入射光纤中，传感探头感应外界温度，不同的温度会使作为感温介质的水银柱发生不同的升降变化，从而会不同程度遮断光信号的光路，使得出射光纤接收到的光信号的强度发生了变化，从而将温度变量转换为了光强度变量，并通过出射光纤输出。出射光纤射出的光信号由光电转换电路接收转换为电信号，经过i/v电路转换以及放大电路放大后，通过滤波电路对放大后的电信号进行滤波处理，得到一个标准的电信号，并通过滤波电路将其传入下级系统。下级系统可以包括加热器或者冷却系统，也可以包括其他齿轮箱控制系统。下级系统接收到电信号后，判断该电信号所对应的温度值是否低于10℃或者高于65℃，从而进一步判断是否需要加热或冷却。同时，下级系统也会对齿轮箱的齿轮转速和进油量多少根据温度的变化而进行调节。
[0094]
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。