風(fēng)力發(fā)電機看起來像摩天大樓一樣高大，但卻要依靠數(shù)十個低成本微型傳感器來監(jiān)測器其運行狀況，以確保高效安全地運行。從表面上來看，現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機就像是一臺 21 世紀(jì)的大風(fēng)車，通過轉(zhuǎn)子葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，而不是像過去一樣利用風(fēng)能來碾磨谷物或抽水。再深入一點，風(fēng)力發(fā)電機將機械工程和電氣工程的創(chuàng)新結(jié)合在一起，為人們展現(xiàn)了一個完美的杰作。盡管風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)子可以達(dá)到 79 米長，塔高超過 183 米，但是它的關(guān)鍵部件，比如傳感器的尺寸卻只有幾厘米。這些傳感器確保了發(fā)電機這個龐然大物在面對壓力、振動和其他危險時，仍能安全運行。

　　傳感器在風(fēng)電場中的作用

　　如果沒有傳感器，風(fēng)力發(fā)電機的安全性不僅會降低，而且操作成本也會提高，更無法準(zhǔn)確的預(yù)測并解決潛在的故障，導(dǎo)致預(yù)期壽命可能會低于 25 年。更為重要的是，風(fēng)電場需要每一臺發(fā)電機及其重要部件的精確數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)需由連接在一起并與控制中心相連接的傳感器提供。風(fēng)力發(fā)電機就是一個典型的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)例子：它們擁有從傳感器到相關(guān)網(wǎng)絡(luò)所需的一切組件，盡管它們通常采用的是以太網(wǎng)而非無線連接方式。風(fēng)電場工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可以充分利用諸如風(fēng)速、功率、偏航角、變速箱溫度等歷史數(shù)據(jù)來分析設(shè)備的運行趨勢。這樣，操作員就可以通過創(chuàng)建一個模型來預(yù)測要在什么時候檢查哪些部件。所有信息、狀態(tài)警報和其他監(jiān)測結(jié)果，都可以從智能手機、平板電腦或電腦上進(jìn)行查看和操作。這些傳感器為什么如此重要呢？因為它們可以隨時監(jiān)視風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)、內(nèi)部敏感位置和系統(tǒng)組件（圖 1）。風(fēng)力發(fā)電機非常復(fù)雜，通常有超過 8000 個組件。它們巨大的葉片和塔架被安裝在數(shù)千噸的鋼筋混凝土平臺上，平臺直徑達(dá) 15 到 30 米，深 6 至 10 米。

　　傳感器的關(guān)鍵作用

　　在風(fēng)力發(fā)電機中，有許多種不同類型的電子和光學(xué)傳感器。一般來說，他們具有以下作用：檢測、監(jiān)視和交互有關(guān)的參數(shù)信息，比如兩個相鄰組件之間距離的變化監(jiān)測振動級別，如果振動幅度過大，可能會造成嚴(yán)重?fù)p壞監(jiān)測溫度、壓力和機械應(yīng)力的變化

　　渦流傳感器

　　渦流傳感器是風(fēng)力發(fā)電機中最常見的傳感器之一，可檢測導(dǎo)電材料進(jìn)入移動磁場時產(chǎn)生的電流變化。當(dāng)這種情況發(fā)生時，磁場的強度可以轉(zhuǎn)化為距離的變化。在風(fēng)力發(fā)電機中，渦流傳感器用于測量軸的潤滑油層間隙，以確保承受壓力的軸一直被油膜所覆蓋，保證潤滑度。由于這些傳感器可以在充滿油且具有一定壓力和溫度的環(huán)境下工作，所以它們可以在這些惡劣環(huán)境下可靠的監(jiān)測油隙。如果間隙過大超過了限度，傳感器就會發(fā)出警報，這樣就可以在軸卡住時或之前進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)。這些傳感器還用于測量發(fā)電機軸承在外殼內(nèi)的軸向和徑向旋轉(zhuǎn)方式，即偏差規(guī)范。在徑向上，這種情況會導(dǎo)致軸偏離中心旋轉(zhuǎn)（并非“真的”），并在軸向上導(dǎo)致軸以輕微的角度旋轉(zhuǎn)。雖然偏差是不可避免的，但軸承的磨損可能會超過可接受的程度，如果超過了限度（通常由高風(fēng)荷載引起），發(fā)電機必須關(guān)閉并進(jìn)行維修。顯然，實時的監(jiān)測可以保證在軸承極端損壞或甚至災(zāi)難性故障發(fā)生之前進(jìn)行維護(hù)。最后，渦流傳感器還可用于測量由振動、風(fēng)荷載或其他因素引起的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)（力矩或扭矩），這些因素會隨著時間的推移而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)完整性下降。它們還可用于測量離合器片的軸向、徑向或切向偏轉(zhuǎn)，以確保在大風(fēng)時安全制動轉(zhuǎn)子。

　　位移傳感器

　　位移傳感器可用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)的完整性。風(fēng)力發(fā)電機所需的基礎(chǔ)平臺雖然是由大量的混凝土構(gòu)成，但由于塔架高，而且發(fā)電機的轉(zhuǎn)子和機艙也非常巨大，整個結(jié)構(gòu)實際上都是“頂載”的，所以必須在基座處監(jiān)測系統(tǒng)的完整性。激光位移傳感器可以用來執(zhí)行這一功能，它可以探測到由于風(fēng)或波浪的反復(fù)撞擊引起的塔架輕微震動。激光位移傳感器的工作原理是將光束傳輸?shù)骄嚯x很遠(yuǎn)的光學(xué)接收器上，將兩者之間的偏差和位移轉(zhuǎn)化為距離。激光三角測量傳感器也被用于類似的目的，這種傳感器將傳感器、發(fā)射機和接收器組成一個三角形。由于這些設(shè)備非常精確，它們可以檢測到非常小的變化，因此可以創(chuàng)建趨勢數(shù)據(jù)來確定問題是否越來越嚴(yán)重以及變化速度。另一種用于精確測量位移的傳感器是電容式位移傳感器，可測量發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子之間的距離，這個距離被稱作發(fā)電機氣隙。它的工作原理為：相互靠近的導(dǎo)電表面間存在電容，并且電容的變化與表面之間的距離成正比。這種測量方式可以使傳感器工作在高溫和高電場環(huán)境下。拉繩位移傳感器是將拉繩纏繞到一個軸式傳感器上，因為拉繩可以很長，所以可以在距離被測物體很遠(yuǎn)的地方測量距離的變化。當(dāng)拉繩從線軸上拉出或縮回時，線軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)，然后傳感器將其轉(zhuǎn)換成變化的電信號。在風(fēng)力發(fā)電機中，可以通過測量風(fēng)門的位置來測量氣流。圖 4 顯示了一個典型的拉繩位移傳感器。