CN105386940A - 一种风电叶片在线实时动态监测装置及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种风电叶片在线实时动态监测装置及其安装方法，涉及在线实时监测技术领域。包括叶片应变量信号采集部件(1)和震动信号采集部件(2)及信号处理模块(3)以电信号方式连接。所述采集部件(1)位于距叶片根部1880mm处，由至少四个应变片构成，环绕叶片四壁呈圆周状分布，应变片与应变片之间呈90°夹角；所述采集部件(2)为一加速度传感器，位于叶片内部9880mm接近叶片弯曲空心与实心交界处与被测试物体叶片作固定连接。本发明装置的加速度传感器和应变片的安装包括叶片的清理、划线、打磨、清洗粘接表面、粘接、接线、电缆定位、低频小加速度测试、拍照存档、封盖等步骤。具有结构简单，环境适应性强，低成本等特点。

Description

一种风电叶片在线实时动态监测装置及其安装方法

技术领域

本发明涉及在线实时监测技术领域，具体指一种风电叶片在线实时动态监测系统及其安装方法。

背景技术

风力发电作为一种无污染、清洁的永续能源生产与利用方式，在当前世界低碳减排的大趋势下，风电以其绿色、环保的特点势必继续蓬勃发展。风电叶片是风电机组的核心部件，造价约占整个设备的1/4到1/3。随着风力发电机单台功率的不断提高，风轮叶片也越来越大。在现有采用玻璃钢材质制作的风电叶片中，由于风场的气候条件恶劣，在运行过程中出现叶片表面撕裂、扭转的现象。综合风电场受风力情况及叶片生产工艺等因素，进一步，观察上述现象集中在叶片根部、空心材料与实心材料交接处，分析产生这种情况的原因，主要是震动量及应变力对叶片影响的结果，同时震动对于变速箱、轮毂的疲劳损耗都有危害。因此，对叶片损伤的早期预警显得十分重要。现有公开的一种风力发电机组叶片实时状态监测与故障诊断系统及方法。该系统及方法采用高清晰度摄像头实时拍摄风力发电机组叶片的内外表面，实现叶片的健康状态的实时监测。据对该技术的初步分析发现首先系统成本高，其次只就“叶片的内外表面”的实时监测，第三尤其在恶劣环境条件下使用适应性受一定的限制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺失和不足，提出一种风电叶片在线实时动态监测装置及其安装方法。通过搭建一套能同时测量并记录应变力、震动信号的数据采集系统装置，就能有效的监测到上述两种类型的数据对于风机叶片的运行影响，通过运行一年以上数据的分析能够明确叶片的状态，达到动态监测的目的。未来希望通过分析能够了解叶片的全生命周期，实现叶片损伤的早期预警。

一种风电叶片在线实时动态监测装置，包括叶片应变量信号采集部件1和震动信号采集部件2及信号处理模块3以电信号方式连接。

其中，所述叶片应变量信号采集部件1位于距叶片根部1870mm至1890mm处，由至少四个应变片构成，环绕叶片四壁呈圆周状分布，应变片与应变片之间呈90°夹角；

所述震动信号采集部件2为一加速度传感器，位于叶片内部9870mm至9890mm接近叶片弯曲空心与实心交界处通过粘接与被测试物体叶片作固定连接或经磁力安装座与被测试物体叶片作固定连接。

进一步，所述四个应变片组成全桥式测量电路，主要由滤波电路，放大电路和参考电压生成电路组成。

综上所述，本发明一种风电叶片在线实时动态监测装置，通过叶片应变量信号和震动信号经处理模块，实现风电叶片的在线实时动态监测，具有结构简单，环境适应性强，低成本等特点。

附图说明

图1为本发明一种风电叶片在线实时动态监测装置连接框图；

图2为本发明叶片长度方向应变片、加速度传感器粘接截面示意图；

图3为本发明叶片截面应变片粘接位置示意图；

图4为本发明的安装方法工艺流程框图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步描述

一种风电叶片在线实时动态监测装置(如附图1所示)，包括叶片应变量信号采集部件1和震动信号采集部件2及信号处理模块3以电信号方式连接。

所述震动信号采集部件2为一加速度传感器，位于叶片内部9870mm至9890mm接近叶片弯曲空心与实心交界处。

所述叶片应变量信号采集部件1位于距叶片根部1870mm至1890mm处，由至少四个应变片构成，围绕叶片四壁呈圆周状分布，应变片与应变片之间呈90°夹角(如附图2所示)。

进一步，所述叶片应变量信号采集部件1位于距叶片根部1880mm处(如附图3所示)。

所述四个应变片组成全桥式测量电路，主要由滤波电路，放大电路和参考电压生成电路组成。

所述加速度传感器为一压电加速度传感器，位于叶片内部9880mm接近叶片弯曲空心与实心交界处，通过粘接与被测试物体叶片作固定连接或经磁力安装座与被测试物体叶片作固定连接。

进一步，所述的一种风电叶片在线实时动态监测装置的安装工艺流程(如附图4所示)，包括加速度传感器和应变片的安装均经叶片的清理、划线、打磨、清洗粘接表面、粘接、接线、电缆定位、低频小加速度测试、拍照存档、封盖步骤。

其中，所述震动信号采集部件2加速度传感器与被测试件接触的叶片表面经清洁、平滑，其不平度应小于0.01mm。

如安装叶片表面较粗糙时，可在接触叶片面上涂清洁硅脂以改善耦合。

所述粘接，多种胶粘剂胶表面要平整光洁，并需按胶接工艺清洗胶接面。

所述安装螺孔轴线与叶片运行时旋转方向一致。

由于冲击脉冲具有较大的瞬态冲击力，故加速度传感器与叶片连接必须十分可靠，采用钢螺钉。

所述钢螺钉M5推荐安装力矩为20kgf.cm。

其中，所述磁力安装座分对地绝缘和对地不绝缘两种。

避免地电回路噪声对测量的影响，采取加速度传感器与磁力安装底座绝缘，现场环境需单点接地。

应变片与加速度传感器安装完成后通过导线连接至接线端子，经信号处理模块3读取信号。

所述加速度传感器灵敏度如下：

轴向灵敏度(23±5℃)：1006Mv/g

轴向灵敏度(23±5℃)：1008Mv/g

极性：正向

电磁灵敏度：1.5g/T

四片应变片组成全桥式测量电路，电桥用+5V电源激励，满度输出电压0～2mV，带2.5V共模电压，故需要经放大器抑制共模信号，将电压放大至满足芯片ADC需要的范围内。

电路主要由滤波电路，放大电路和参考电压生成电路组成，滤波电路对传感器(电桥)输入的信号进行低通滤波，经滤波后的信号送入仪表放大器AD623进行放大。采用集成式单电源仪表放大器AD623对输入信号进行放大，5V单电源供电，外接电阻对增益进行编程，将输入信号放大500倍送入主控芯片处理。在5V电压供电时，放大器的精度为0.1％。

AD623具有优异的交流共模抑制比(CMRR)，并且随着增益提高而增大，因此可确保误差极小。由于CMRR在最高200Hz时仍然保持稳定，因此线路噪声和线路谐波均得到抑制。AD623具有宽输入共模范围，可以放大共模电压低于地电压150mV的信号。当AD623在5V电压工作时，轨到轨输出级可以使动态范围达到最大。由于AD623的增益是通过改变编程电阻来实现的，为了使AD623输出电压增益精确，采用优质的(0.1～1)％精度1/8W的增益电阻提高增益精度，降低DC失调和增益误差。同时为了保持增益的高稳定性，避免高的增益漂移，选择低温度系数的电阻。

输入端加10K限流电阻，对放大器进行保护。由于传感器输入的信号带2.5V共模电压，故在信号输入放大器前需要先对信号进行处理，用BAV99结合阻容滤波技术来抑制共模信号，抑制传导干扰。两信号线间加1nF的电容抑制低频共模信号。由于共模干扰耦合进来后，会在信号线上产生双向高电压，可能对放大器造成损坏。有BAV99后电压幅度在接口处被钳位。从而保护了放大器。

设计RFI滤波器对输入信号进行调理，使用一个差分低通滤波器在仪表放大器前提供RF衰减滤波器。该滤波器需要完成三项工作：尽可能多地从输入端去除RF能量，保持每个输入端和地之间的AC信号平衡，以及在测量带宽内保持足够高的输入阻抗以避免降低对输入信号源的带载能力。设计RFI滤波增加了电路的信号带宽并且降低了电阻器的噪声作用。此外，10kΩ电阻器仍提供非常有效的输入保护。该滤波器的带宽大约为400Hz。在增益为100的条件下，1Vp-p输入信号的RTI最大DC失调电压小於1μV。在相同增益条件下，该电路的RF信号抑制能力优于74dB。

软件滤波：考虑采用中位值平均滤波法来提高采样精度，消除由于偶然出现的脉冲干扰引起的采样值偏差。

本发明一种风电叶片在线实时动态监测装置的安装方法：

加速度传感器、应变片安装过程详解：

1.清理：清扫叶片内部，注意叶片内部安装位置应没有脱模布，若有，撕去脱模布。

2.划线：根据图纸位置划定叶根螺栓位置，选定一个螺孔，然后在选定螺孔侧等距(隔1～2个螺孔)的螺孔之间划切线，以切线交点为圆心，用不同半径划弧线，得到两个以上的交点，然后将交点连成线并延长至应变片位置(在气隔板里面，留下气隔板安装操作空间)，这个过程类似于划线段的中分线。如果应变片位置不与通过螺孔中心的中分线重合，则按照其偏离大小划中分线的等距直线，并从叶根起算，表明应变片位置，然后以应变片位置为中心，画出需要打磨的范围(正方形，100×100)。在方框外面表明叶片编号、安装位置角度(0，90，180，270)以及距叶根长度。

3.打磨：采用手持式打磨机打磨，先使用60目打磨柱打磨，再使用120目打磨柱打磨，打磨表明应尽可能平整，若无法打磨平整，则需更换位置；若有空穴，则应用胶补平，补平之后，再使用砂纸手工打磨(打磨过程中要保持便面平整，否则会影响后续胶接步骤，及数据采集精确性)。

4.清洗粘接表面：使用高纯度清洗剂清洗粘接表面，确保表面无尘。

5.粘接：应变片专用胶水、502胶水。

6.接线和电缆定位座：现场焊接，胶布定位。接线前注意刮去保护漆，电缆定位座呈圆形围绕应变片布置。

7.低频小加速度测试：测试参考JJG233-2008压电式加速度计检规程，采用美国PCB9155D测试系统，在不超过2KHz的频率、不超过5g重力环境下对加速度传感器进行测试。

8.拍照存档：为以后追溯安装过程，接线完成后应拍照存档，要求清楚记录应变片位置信息以及接线情况。

9.封盖：使用电工胶布对其进行封盖。

综上所述，本发明一种风电叶片在线实时动态监测装置，通过采集叶片应变量信号和震动信号经处理模块，实现风电叶片的在线实时动态监测，为风力发电行业，尤其是采用玻璃钢材质制作的风电叶片，在运行过程中出现叶片表面撕裂、扭转等的不安全因素，提供了一种具有结构简单，环境适应性强，低成本等特点的监测技术手段。

Claims (5)

1.一种风电叶片在线实时动态监测装置，其特征在于，包括叶片应变量信号采集部件(1)和震动信号采集部件(2)及信号处理模块(3)以电信号方式连接。

2.如权利要求1所述的一种风电叶片在线实时动态监测装置，其特征在于，所述叶片应变量信号采集部件(1)位于距叶片根部1870mm至1890mm处，由至少四个应变片构成，环绕叶片四壁呈圆周状分布，应变片与应变片之间呈90°夹角；

所述震动信号采集部件(2)为一加速度传感器，位于叶片内部9870mm至9890mm接近叶片弯曲空心与实心交界处。

3.如权利要求1或2所述的一种风电叶片在线实时动态监测装置，其特征在于，所述叶片应变量信号采集部件(1)位于距叶片根部1880mm处；所述四个应变片组成全桥式测量电路，主要由滤波电路，放大电路和参考电压生成电路组成；

所述加速度传感器为一压电加速度传感器，位于叶片内部9880mm接近叶片弯曲空心与实心交界处，通过粘接与被测试物体叶片作固定连接或经磁力安装座与被测试物体叶片作固定连接。

4.如权利要求1所述的一种风电叶片在线实时动态监测装置的安装方法，其特征在于，所述加速度传感器和应变片的安装均经如下步骤：

a.清理：清扫叶片内部，注意叶片内部安装位置应没有脱模布，若有，撕去脱模布；

b.划线：根据图纸位置划定叶根螺栓位置，选定一个螺孔，然后在选定螺孔侧等距(隔1～2个螺孔)的螺孔之间划切线，以切线交点为圆心，用不同半径划弧线，得到两个以上的交点，然后将交点连成线并延长至应变片位置(在气隔板里面，留下气隔板安装操作空间)，这个过程类似于划线段的中分线。如果应变片位置不与通过螺孔中心的中分线重合，则按照其偏离大小划中分线的等距直线，并从叶根起算，表明应变片位置，然后以应变片位置为中心，画出需要打磨的范围(正方形，100×100)。在方框外面表明叶片编号、安装位置角度(0，90，180，270)以及距叶根长度；

c.打磨：采用手持式打磨机打磨，先使用60目打磨柱打磨，再使用120目打磨柱打磨，打磨表明应尽可能平整，若无法打磨平整，则需更换位置；若有空穴，则应用胶补平，补平之后，再使用砂纸手工打磨，打磨过程中要保持便面平整，否则会影响后续胶接步骤，及数据采集精确性；

d.清洗粘接表面：使用高纯度清洗剂清洗粘接表面，确保表面无尘。

e.粘接：应变片专用胶水、502胶水；

f.接线和电缆定位座：现场焊接，胶布定位。接线前注意刮去保护漆，电缆定位座呈圆形围绕应变片布置；

g.低频小加速度测试：测试参考JJG233-2008压电式加速度计检规程，采用美国PCB9155D测试系统，在不超过2KHz的频率、不超过5g重力环境下对加速度传感器进行测试；

h.拍照存档：为以后追溯安装过程，接线完成后应拍照存档，要求清楚记录应变片位置信息以及接线情况；

i.封盖：使用电工胶布对其进行封盖；

其中，所述震动信号采集部件(2)加速度传感器与被测试件接触的叶片表面经清洁、平滑，其不平度应小于0.01mm；

如安装叶片表面较粗糙时，可在接触叶片面上涂清洁硅脂以改善耦合；

所述粘接，多种胶粘剂胶表面要平整光洁，并需按胶接工艺清洗胶接面；

所述安装螺孔轴线与叶片运行时旋转方向一致；

由于冲击脉冲具有较大的瞬态冲击力，故加速度传感器与叶片连接必须十分可靠，采用钢螺钉；

所述钢螺钉M5推荐安装力矩为20kgf.cm；

其中，所述磁力安装座分对地绝缘和对地不绝缘两种；

避免地电回路噪声对测量的影响，采取加速度传感器与磁力安装底座绝缘，现场环境需单点接地；

应变片与加速度传感器安装完成后通过导线连接至接线端子，经信号处理模块(3)读取信号。

5.如权利要求3所述的一种风电叶片在线实时动态监测装置，其特征在于，所述应变片组成电桥，用+5V电源激励，满度输出电压0～2mV，带2.5V共模电压，经放大器抑制共模信号，将电压放大至满足芯片ADC需要的范围内；

所述滤波电路，对加速度传感器输入的信号进行低通滤波，经滤波后的信号送入处理模块(3)；

所述处理模块(3)包括集成式单电源仪表放大器对输入信号进行放大，5V单电源供电，外接电阻对增益进行编程，将输入信号放大500倍送入主控芯片处理；

在5V电压供电时，放大器的精度为0.1％；

所述限流电阻，为输入端加阻值为10K的电阻器，对放大器进行保护；

所述差分低通滤波器，为一个增加电路的信号带宽以降低电阻器的噪声；

所述软件滤波，为消除由于偶然出现的脉冲干扰引起的采样值偏差，采用中位值平均滤波法来提高采样精度。