CN103063428B - 一种风机叶片模态参数的无线监测系统以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种风机叶片模态参数的无线监测系统以及方法，该方法包括以下步骤：A、按照周期，采集叶片的振动加速度信号；B、将步骤A采集的信号处理得到数字信号；C、对步骤B得到的数字信号进行处理得到叶片的模态参数，同时读取风机风速和变桨数据;D、储存步骤C得到的数据，并传输至远程分析终端;E、对数据进行分析计算，得到叶片固有频率和振型。该系统包括:协调器和固定安装在叶片上的一个以上传感器。本发明风机叶片模态参数的无线监测系统通过监测叶片振动获得风机叶片的实时模态参数，测量方法、安装方式简单，不使用应变片，不需要对结果进行修正，实施测试的过程与风机运行相独立，不必对风机进行停机。

Description

一种风机叶片模态参数的无线监测系统以及方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种风机叶片模态参数的无线监测系统以及方法。

背景技术

风机机组是将风能转化为电能的大型电力设备，而叶片是风机机组捕获风能的主要部件，风机机组在运行过程中要承受很大范围的载荷波动。由复合材料制造的水平轴风机机组的叶片，在风机机组的长期运行过程中，叶片的材料力学性能会发生变化，以致出现风机机组捕风能力下降，功率损失和叶片断裂的现象，造成巨大的经济损失。如果能对叶片的力学特性进行监测，则可以通过模态参数实时评估叶片的工作特性，避免叶片的疲劳损伤。

目前，对风机叶片进行模态测试局限于产品出厂前进行的非工况条件下的测试，此测试方法用台架固定叶片，由激振器发出激励信号，通过应变片阵列采集各部位的响应信号，再利用计算机仿真计算得到模态参数。也有技术人员利用激光测振技术对运行的风机叶片进行模态测试，但该测试方法要求风力机停机，将激光测振仪放置在塔筒周围一定距离内，确定好激光束仰角，将激光束阵列投射在叶片上，然后记录叶片振动的激光信号，通过对信号的分析计算，得到叶片的振动响应即模态参数。上述两种方法虽然能够较准确地测量叶片模态参数，但都存在一定缺陷。前者只能在实验环境下进行试验，不能实现工况下的模态测试；后者需要对风机进行停机，而且不便进行长期监测。

由此可见，现有的对叶片模态参数测试仪器及方法，在结构和使用上都存在明显的不足和缺陷，亟待进一步改进，因此，如何创设一种在风机机组运行过程中对叶片模态参数进行实时测量的无线监测系统以及方法，实属当前研发的重要课题之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种风机叶片模态参数的无线监测系统以及方法，使其可在工况下检测叶片振动获得叶片实时模态参数，利用无线传感器技术实现振动数据的传输，无需外接电源，安装简单，不影响风机正常运行，且对风机机组不构成电磁干扰，从而克服现有技术的不足。

为解决上述技术问题，本发明提供一种风机叶片模态参数的无线监测方法，包括以下步骤：A、按照周期，采集叶片的振动加速度信号；B、将步骤A采集的信号处理得到数字信号；C、对步骤B得到的数字信号进行处理得到叶片的模态参数，同时读取风机风速和变桨数据；D、储存步骤C得到的数据，并传输至远程分析终端；E、对数据进行分析计算，得到叶片固有频率和振型。

作为进一步的改进，所述步骤A的采样时间大于30s。

所述的加速度信号通过三个方向采集，分别为：垂直于叶片表面指向外侧的x轴方向，平行于叶片指向轮毂的y轴方向，以及z轴方向。

所述步骤A、B由传感器完成，步骤C、D由协调器完成，传感器与协调器之间采用ZigBee无线通信协议传输数据，并通过星形网络拓扑结构组网。

所述的传感器采用太阳能电池供电，当该电池电压不足时，协调器指令传感器进入休眠模式。

所述步骤C中，叶片的模态参数通过傅里叶变换计算得到。

所述步骤D中通过GPRS无线通信网络传输至远程分析终端。

所述步骤A的采样频率为50Hz-200Hz。

此外，本发明还提供一种风机叶片模态参数的无线监测系统，包括协调器和固定安装在叶片上的一个以上传感器，其中：传感器包括单片机，通过模数转化电路与单片机连接的加速度传感器，与模数转化电路、单片机连接的信号调理电路，与单片机连接的ZigBee模块、收发转换电路、电源电路，以及与收发转换电路、ZigBee模块连接的天线模块；协调器包括单片机，与单片机连接的ZigBee模块、存储装置、串口通信模块、收发转换电路、电源电路,与单片机、储存装置连接的GPRS模块，以及与收发转换电路、ZigBee模块连接的天线模块；传感器与协调器通过ZigBee模块通信连接。

作为进一步改进，所述传感器和协调器的天线模块均包括功率放大电路以及与功率放大电路连接的天线、阻抗匹配电路。

所述传感器的电源电路包括电源，与电源连接的稳压电路，以及与电源、单片机连接的电压监测电路。

所述电源采用太阳能电池。

所述协调器的电源电路包括电源以及与电源、单片机连接的稳压电路。

所述加速度传感器采用3轴低频电容式加速度传感器。

所述协调器的ZigBee模块中连接有低噪声功率放大电路和带通滤波电路。

采用以上设计后，本发明与现有技术比较有以下有益技术效果：

1、本发明风机叶片模态参数的无线监测系统通过监测叶片振动获得风机叶片的实时模态参数，测量方法、安装方式简单，不使用应变片，不需要对结果进行修正，实施测试的过程与风机运行相独立，不必对风机进行停机；

2、本发明的风机叶片模态参数的无线监测系统采用了电容式振动传感器，体积小，使用寿命长；各组成装置可适应强，可满足-30℃至60℃的温度范围工作，经防水、防暴晒处理后可长期在野外环境下工作；

3、本发明的风机叶片模态参数的无线监测系统采用了小型太阳能电池为每个传感器供电，无须外接电源，一次安装，使用寿命可长达数年，无特殊情况不需对其进行维护；

4、本发明的风机叶片模态参数的无线监测系统应用ZigBee无线通信协议，利用无线传感器技术实现了振动数据的传输，具有系统监测功耗低、无线信号频带集中、辐射低、对风机机组不构成电磁干扰的优点。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明风机叶片模态参数的无线监测系统组成示意图。

图2是本发明传感器的电路原理图。

图3是本发明传感器在叶片上的安装示意图。

图4是本发明协调器的电路原理图。

图5是本发明实施例一的传感器的电路原理图。

图6是本发明实施例二的协调器的电路原理图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明风机叶片模态参数的无线监测系统，包括协调器2和固定安装在叶片3上的一个以上的传感器1。

具体的讲，本发明传感器1设置在叶片3背风侧上，用于测量叶片叶尖或叶片某一位置的振动加速度，传感器通过ZigBee无线传输协议将数据传输至协调器2，协调器2综合各传感器1位置的加速度信号计算出叶片3的模态参数，计算结果和数据通过GPRS无线通信发送到远程分析终端。

进一步的，在风机叶片3外部靠近叶片尖部31位置背风面安装传感器1，可根据阶次分析的需求在每个叶片3上等间距设置2-4个传感器1；传感器1外壳采用防水、防雷非金属材料制作，用强力粘接剂粘接在叶片3上。

请参阅图2所示，本发明传感器包括：单片机，通过模数转化电路与单片机连接的加速度传感器，与模数转化电路、单片机连接的信号调理电路，与单片机连接的ZigBee模块、收发转换电路、电源电路，以及与收发转换电路、ZigBee模块连接的天线模块。

其中，请参阅图3所示，本发明传感器采用一个3轴低频电容式加速度传感器，采集不同方向上的振动，传感器1的x轴垂直于叶片3表面指向外侧，y轴平行于叶片3表面正方向指向轮毂4。传感器输出3路模拟信号，分别代表x、y、z三个方向上的加速度。

模数转化电路ADC分别连接单片机和信号调理电路，将3路模拟振动信号转化为数字量，方便单片机进行处理，信号调理电路对信号进行调理，按照传感器的输出范围和单片机进行处理的精度确定其增益系数。调理后的信号接入单片机的三个IO口。其中，信号调理电路的增益值由加速度信号的输出范围确定。

单片机控制模数转化电路ADC对3路模拟加速度信号的采样，采样频率过低不能覆盖完整的叶片3振动范围，过高则会增大电路的功耗，根据叶片振动频率，设定采样频率为50Hz-200Hz范围内，采样时间不短于30s。

3个通道的振动信号数据经过单片机的处理后，输入与单片机连接的ZigBee模块，被封装为一个数据包，ZigBee模块将振动信号调制到2.4GHz载波频段上，利用ZigBee协议实现无线传输。

天线模块包括一个PCB式天线、功率放大电路以及一个与天线等效阻抗相同的匹配电路Balun电路。其中，天线为倒F型定向单极子天线，其等效阻抗为50欧姆，匹配电路等效阻抗也为50欧姆。接收和发射的功放电路相互独立，并使用ZigBee模块的接收/发射位信号控制收发转换电路对两路功放电路的选择。ZigBee模块的输出端连接匹配电路Balun电路，然后经过信号放大电路，连接天线馈点，放大后的发射功率满足室外100米通信需求。天线最大增益方向指向轮毂4。

电源电路包括采用太阳能电池供电的电源，与电源连接的稳压电路、以及与电源、单片机连接的电压监测电路。其中，太阳能电池容量为200mAh-1500Ah，稳压电路将不稳定的太阳能供电电压调理为可供各电路芯片供电的电压，稳压电路将太阳能电池电压调理为稳定的3.3V和5V电压，3.3V电压为天线模块和ZigBee模块供电，5V电压为传感器、信号调理电路和模数转化模块等模块供电。

电压监测电路连接在单片机与电源输出端之间，在太阳能供电电压充足时至高电压，不足时至低电平，单片机定期检查该标志位，若电压不足，则向协调器发出休眠指令并进入休眠状态。

传感器的控制程序实行低功耗的控制策略。系统上电后，传感器先进行初始化，然后监听默认信道，当收到协调器发出的组网信号，则做出回应加入网络。成功加入网络后查询是否有协调器发来的采样指令需要接收，接收后开启中断，并按照采样频率和采样长度进行采样和A/D转换。采样结束后，对数据按格式要求进行封装、发送，发送结束后进入休眠状态等待唤醒。传感器具有电池电压监测功能，当太阳能电池电压不满足工作需求时，会自动向协调器发送指令，系统进入休眠模式。

请参阅图4所示，本发明的协调器包括：单片机，与单片机连接的ZigBee模块、存储装置、串口通信模块、收发转换电路、电源电路，与单片机、储存装置连接的GPRS模块，以及与收发转换电路、ZigBee模块连接的天线模块。协调器2使用粘接剂或螺丝固定在每台风机的轮毂罩内。

天线模块包括功放电路、与功放电路连接的天线和阻抗匹配电路Balun电路。天线采用一个单极子全向天线，阻抗与传感器天线一致，用于接收或发送2.4GHz频段的ZigBee网络信号。功放电路具有与传感器相同的功率，实现对信号发射前或接收后的放大，与天线相匹配的Balun电路接在功放电路与ZigBee模块之间，保证天线的耦合性。ZigBee模块硬件上与传感器的完全一致。

单片机连接ZigBee模块、GPRS通信模块以及数据存储装置，单片机从风机主控系统中读取风速、变桨角度信息，实现它们与各传感器的数字信号打包存储。

串口通信模块与单片机的IO口相连接，按照单片机的控制信号实现对风机主控系统信息的读取和传输。串口通信模块通过RS-232接口与风机机组轮毂内的变桨控制柜连接，实现与风机主控系统的数据通信，读取风机风速和变桨数据并向主控柜计算机传输数据包。

存储装置采用SD卡，打包好的数据以文件格式存储，SD卡的容量大于8Gb，满足2年的数据存储需求。

GPRS模块连接存储装置和单片机，根据单片机指令，可由监控远端通过FTP在存储装置中读取数据文件，或通过TCP/IP协议向监控远端发送数据。

电源电路包括由风机变桨控制柜引出24V直流电，以及将该直流电转化为供单片机和各模块使用的电压的稳压电路。

协调器对软件功能需求大，要求其运行稳定，并发性强，本发明协调器采用Linux操作系统实现定制开发。该系统功能模块分为初始化模块、ZigBee网络管理模块、数据通信模块、数据包处理模块。协调器上电后，先进行初始化，检查配置文件，向配置文件中的传感器发送组网信号，组网成功后，按照设定的时间周期发送采样信号，调节各传感器和主控信号同步采样，并接收数据包。

进一步地，传感器和协调器的无线网络拓扑结构采用星形网络拓扑结构，每个传感器都只与协调器进行通信。

实施例一

请参阅图5所示，本发明传感器的一个实施例，该实施例传感器采用了德州仪器公司生产的CC2530射频单片机，该芯片集成了一块8051单片机、AD数模转换模块以及ZigBee模块。

信号调理电路采用LTC2053运算放大器，根据其模数转化的数量关系定义信号放大电路的放大系数，将放大后的振动加速度模拟信号接入CC2530射频单片机，其内置的8051单片机对3路振动信号同步采样和AD转换，采样频率为100Hz。

与CC2530单片机的射频输出引脚相连接的是功率放大电路，收发转换电路根据CC2530接收/发射引脚的电平控制功放电路的发射增益或接收增益两种模式。放大后的信号通过PCB式天线实现通信。

CC2530单片机的工作电压为3.3V，加速度传感器的工作电压为5V，传感器电路的工作电流约为300mA，利用小型太阳能电池作为电源，经过电源芯片TPS60210和TPS60130的稳压，分别为电路中各芯片和传感器供电。

实施例二

请参阅图6所示，本发明协调器的一个实施例，协调器采用CC2530单片机作为核心单元。ZigBee模块与传感器相同，采用MC34063电源模块将变桨控制柜引出的24V直流电源转化为3.3V电源为CC2530供电。

CP2101芯片是串口通信模块的核心单元，用于实现串口通信，读取风机主控信息。CC2530内置的8051单片机对数据进行控制IO口向SD卡储存装置存储数据，8051定期启动GPRS模块读取SD卡中的数据，执行远程数据通信。

本发明一种风机叶片模态参数的无线监测方法，具体步骤为：

A、通过在叶片上安装满足模态测试需求的传感器，构成无线传感器网络，通过无线传感器网络测量叶片叶尖位置的振动加速度，按照设定的周期采集振动加速度信号。

B、传感器和协调器通过星形拓扑结构组网，传感器利用ZigBee无线传输协议将信号数据传输至协调器，协调器通过ZigBee模块的低噪声功率放大电路和带通滤波电路，对接收到的信号进行滤波和低噪声功率放大，接收所有传感器发送来的数据，将这些数据通过傅里叶变换计算出叶片的模态参数。

C、协调器的单片机负责将传感器的数据按照模态分析的要求对数据进行筛选、打包、计算，并存储计算结果和原始数据，通过协调器的GPRS模块，将SD存储器中的计算结果和原始数据传输至远程分析终端。

D、远程分析终端对原始振动加速度数据进行傅里叶变换、积分、微分，通过计算频域幅值得到固有频率，综合处理每个叶片上各监测点的速度、加速度数据，得到叶片振型。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (12)

1.一种风机叶片模态参数的无线监测方法，其特征在于包括以下步骤：

A、按照周期，采集叶片的振动加速度信号，采样频率为50Hz-200Hz，采样时间大于30s，所述的加速度信号通过三个方向采集，分别为：垂直于叶片表面指向外侧的x轴方向，平行于叶片指向轮毂的y轴方向，以及z轴方向；

B、将步骤A采集的信号处理得到数字信号；

C、对步骤B得到的数字信号进行处理得到叶片的模态参数，同时读取风机风速和变桨数据；

D、储存步骤C得到的数据，并传输至远程分析终端；

E、对数据进行分析计算，得到叶片固有频率和振型。

2.根据权利要求1所述的风机叶片模态参数的无线监测方法，其特征在于：

所述步骤A、B由传感器完成，步骤C、D由协调器完成，传感器与协调器之间采用ZigBee无线通信协议传输数据，并通过星形网络拓扑结构组网。

3.根据权利要求2所述的风机叶片模态参数的无线监测方法，其特征在于：

所述的传感器采用太阳能电池供电，当该电池电压不足时，协调器指令传感器进入休眠模式。

4.根据权利要求1所述的风机叶片模态参数的无线监测方法，其特征在于：

所述步骤C中，叶片的模态参数通过傅里叶变换计算得到。

5.根据权利要求1所述的风机叶片模态参数的无线监测方法，其特征在于：

所述步骤D中通过GPRS无线通信网络传输至远程分析终端。

6.一种应用权利要求1-5中任一项所述方法的风机叶片模态参数的无线监测系统，其特征在于包括协调器和固定安装在叶片上的一个以上传感器，其中：

传感器包括单片机，通过模数转化电路与单片机连接的加速度传感器，与模数转化电路、单片机连接的信号调理电路，与单片机连接的ZigBee模块、收发转换电路、电源电路，以及与收发转换电路、ZigBee模块连接的天线模块；

协调器包括单片机，与单片机连接的ZigBee模块、存储装置、串口通信模块、收发转换电路、电源电路,与单片机、存储装置连接的GPRS模块，以及与收发转换电路、ZigBee模块连接的天线模块；

传感器与协调器通过ZigBee模块通信连接。

7.根据权利要求6所述的风机叶片模态参数的无线监测系统，其特征在于：

所述传感器和协调器的天线模块均包括功率放大电路以及与功率放大电路连接的天线、阻抗匹配电路。

8.根据权利要求6所述的风机叶片模态参数的无线监测系统，其特征在于：

所述传感器的电源电路包括电源，与电源连接的稳压电路，以及与电源、单片机连接的电压监测电路。

9.根据权利要求8所述的风机叶片模态参数的无线监测系统，其特征在于：

所述电源采用太阳能电池。

10.根据权利要求6所述的风机叶片模态参数的无线监测系统，其特征在于：

所述协调器的电源电路包括电源以及与电源、单片机连接的稳压电路。

11.根据权利要求6所述的风机叶片模态参数的无线监测系统，其特征在于：

所述加速度传感器采用3轴低频电容式加速度传感器。

12.根据权利要求6所述的风机叶片模态参数的无线监测系统，其特征在于：

所述协调器的ZigBee模块中连接有低噪声功率放大电路和带通滤波电路。