CN112284455A - 一种高精度叶根载荷及频率测量方法 - Google Patents

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蔡云龙
张玥
邓军
翟慧英
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Abstract

本发明提供了一种高精度叶根载荷及频率测量方法，利用安装于叶根部位的法兰间隙位移传感器进行数据采集，将由于相对位移发生的磁场变化的电信号转换为位移信号，通过重力载荷标定方法进行位移信号的标定，获得叶根载荷，并且将测量获取的位移信号转换为时频数据进行后续分析，为叶片状态监测提供依据，能够及时发现和预测叶片开裂、结冰等造成的结构变化，便于维护。

Description

一种高精度叶根载荷及频率测量方法
技术领域
本发明涉及一种高精度叶根载荷及频率测量方法，属于风力发电机监测技术领域。
背景技术
叶片是风力发电机组进行能量转换的关键部件，在风场实际工作中会受到重力、惯性力、气动力等多种载荷作用，在交变载荷作用下，叶片变形，容易损坏甚至断裂，因此对叶片载荷进行实时监测非常必要。
现有载荷测试技术均通过局部微观应变计算分析得到叶片载荷。一、采用电阻式应变片传感器，应变的大小与传感器电阻值的变化对应，然而风力发电机通常工作在环境恶劣的偏远地区，电磁环境复杂，电阻应变传感器布线复杂，受电磁干扰严重，需要经常更换，不适合风电机组叶片载荷的长期监测。二、光纤应变计，设备安装维护复杂，成本高，需额外增加光纤调理模块，数据解调时间长。三、由于叶片材料多采用玻璃纤维铺层灌注树脂形成，材料的力学一致性较差，传统应变片测载荷方式测量叶片实际变形的区域较小，受叶片材料不均匀性影响大，载荷测试误差较大。
另外，现有位移传感器的技术产品精度较低，无法达到十分之一微米级别，无法满足叶片载荷监测的要求。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种高精度叶根载荷及频率测量方法，通过使用成本更低的高精度位移测试系统进行宏观变形、位移测试的方法，对叶片载荷进行监测测量，实现实时动态监测每个叶片的载荷：一方面对叶片综合载荷进行监测,避免叶片因为过载而损坏；另一方面，通过对位移信号进行傅里叶变换可进行叶片频率的识别，通过叶片频率的变化可以对叶片结构的变化(开裂，结冰等)进行同步监测，精度高。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种高精度叶根载荷及频率测量方法，包括以下步骤：
(1)在风力发电机的每个叶片的叶根部位，顺挥舞方向和摆振方向部署2个以上法兰间隙位移传感器；
(2)将法兰间隙位移传感器置零，设测量杆的原始长度为L；
(3)当叶片受到载荷发生变形时，测量杆被拉长或者压缩，法兰间隙位移传感器的高精度电磁感应芯片周围的磁场产生线性变化，高精度电磁感应芯片捕捉磁场变化，将电磁感应信号传输至单片机，经过单片机运算将电磁感应信号转换为位移信号；
(4)利用法兰间隙位移传感器内置的温度传感器实时测量温度，利用温度值对位移信号进行修正处理，获得修正后的位移信号；
(5)对于每个叶片，根据叶片铭牌标示的叶片重量和重心位置，通过重力载荷标定方法对步骤(4)修正后的位移信号进行载荷标定，得到位移信号与叶片所受载荷之间的对应关系；
(6)对各个位移信号进行时频分析处理，实时获取叶片频率，根据叶片频率实时计算得到不同叶片间的频率差以及各个叶片频率衰减趋势，并基于不同叶片间的频率差以及各个叶片频率衰减趋势进行叶片故障分析。
所述法兰间隙位移传感器包括壳体、PCB组件、导杆、滑动基体和高精密磁铁，导杆和PCB组件固定于壳体内，滑动基体的内端套在导杆上并能够沿导杆滑动，滑动基体的外端由壳体内伸出，滑动基体的外端设置有磁体并通过磁力吸附固定于限位块上，高精密磁铁固定于滑动基体上并随滑动基体同步移动；所述高精度电磁感应芯片、单片机、温度传感芯片和振动传感芯片均设置于PCB组件中。
步骤(1)中部署的法兰间隙位移传感器，以正交或成一定角度进行部署。
步骤(5)进行重力标定具体包括以下步骤：按照不同的桨距角，将风轮空转，或将叶片固定在水平位置上且将叶片设定为不同的桨距角，使法兰间隙位移传感器置于典型重力矩下，分别进行重力标定。
本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：
(1)本发明提供的一种高精度叶根载荷及频率测量方法，利用安装于叶根部位的法兰间隙位移传感器进行数据采集，法兰间隙位移传感器内部设计有高精度电磁感应芯片和高精密磁铁，高精密磁铁平行于高精度电磁感应芯片安装，并贴合在芯片表面，高精密磁铁周围的磁场强度是稳定不变的，当间隙发生相对移动时，高精密磁铁相对高精度电磁感应芯片同步移动，高精密电磁感应芯片周围的磁场就会发生线性变化，从而输出对应磁场强度变化的电信号到单片机内，经过单片机运算将电信号转换为位移信号，并输出对应的位移信号到上位机，来实现位移的测量，精度可达0.1μm，可保持微米级精度持续监测产品的高精度相对位移；
(2)本发明提供的一种高精度叶根载荷及频率测量方法可通过重力载荷标定方法进行位移信号的标定，从而得到叶片载荷，是一种利用高精度相对位移测量和重力载荷计算相结合的方式，与传统的直接利用应变式传感器进行力矩测量相比，精度大幅提高，并降低了传感器成本；
(3)本发明提供的一种高精度叶根载荷及频率测量方法可将测量获取的位移信号转换为时频数据进行后续分析，为叶片状态监测提供依据，能够及时发现和预测叶片开裂、结冰等造成的结构变化。
附图说明
图1是法兰间隙位移传感器的结构示意图。
图2是法兰间隙位移传感器的安装位置示意图。
图3是重力标定原理示意图。
图4是机组运行时的实时载荷与位移图表展示示意图。
图5是时频分析处理示意图。
图6是叶片状态监测效果示意图。
图中：1-壳体，2-限位块，3-PCB组件，4-导杆，5-滑动基体，6-高精密磁铁，7-磁体，8-限位弹簧，9-盖板，10-法兰间隙位移传感器，11-叶片，12-变桨轴承。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参照图1至图3，本发明提供了一种高精度叶根载荷及频率测量方法，包括以下步骤：
(1)在风力发电机的安装于变桨轴承12的每个叶片11的叶根部位，以正交或成一定角度，顺挥舞方向和摆振方向部署2个以上法兰间隙位移传感器；
所述分体式位移传感器由相互分离的限位块2和传感器本体组成，分体式位移传感器的结构如图4所示，传感器本体包括壳体1、PCB组件3、导杆4、滑动基体5和高精密磁铁6，壳体的顶面设置有开口，开口处设置有盖板9，所述壳体及盖板均为不锈钢材质，整体采用金属外壳设计，同时壳体内部还设置有防电磁干扰电路，因此可屏蔽外界对产品的干扰，产品稳定性极强。所述壳体内设置有PCB组件3、导杆4、滑动基体5和高精密磁铁6，导杆和PCB组件固定于壳体内，滑动基体的内端套在导杆上并能够沿导杆滑动，滑动基体的内端为套设在导杆上的滑块，所述导杆的两端均套设有限位弹簧8，限位弹簧位于滑块的左右两侧并限制滑块在自由状态下处于导杆上的中间位置。滑动基体的外端由壳体内伸出，滑动基体的外端设置有磁体7并通过磁力吸附固定于限位块上，所述磁体为强磁性永磁体。所述高精密磁铁固定于滑动基体上并随滑动基体同步移动；所述PCB组件中包括高精度电磁感应芯片以及单片机。
(2)将法兰间隙位移传感器置零，设测量杆的原始长度为L；
(3)当叶片受到载荷发生变形时，测量杆被拉长或者压缩，法兰间隙位移传感器的高精度电磁感应芯片周围的磁场产生线性变化，高精度电磁感应芯片捕捉磁场变化，将电磁感应信号传输至单片机，经过单片机运算将电磁感应信号转换为位移信号；
(4)利用法兰间隙位移传感器内置的温度传感器实时测量温度，利用温度值对位移信号进行修正处理，获得修正后的位移信号；
(5)对于每个叶片，根据叶片铭牌标示的叶片重量和重心位置，通过重力载荷标定方法对步骤(4)修正后的位移信号进行重力标定，得到位移信号与叶片所受载荷之间的对应关系，从而测得叶片载荷；具体包括以下步骤：
按照不同的桨距角，将风轮空转，或将叶片固定在水平位置上且将叶片设定为不同的桨距角，使法兰间隙位移传感器置于典型重力矩下，分别进行重力标定，得到叶片载荷；
参照图4，风机运行状态下，基于重力标定的载荷与位移的关系，实时通过传感器输出的位移，计算得到叶片运行状态下受到的弯矩载荷。
(6)对各个位移信号进行时频分析处理，实时获取叶片频率，根据叶片频率实时计算得到不同叶片间的频率差以及各个叶片频率衰减趋势，并基于不同叶片间的频率差以及各个叶片频率衰减趋势进行叶片故障分析。
参照图5，对于每个叶片传感器位移，通过时频分析后，除获得倍频周期的位移变化A用于分析载荷外，可以辨识出叶片自身的频率B。
参照图6，对于三个叶片，按照图5所示方法可获得每个叶片频率随时间的变化，若叶片1由结构失效恶化或者覆冰质量持续增加等因素而导致频率呈下降趋势，利用叶片频率差异作为警告因子，当警告因子超过预警线时，监测系统提示告警信息。
本发明提供的一种高精度叶根载荷及频率测量方法，利用安装于叶根部位的法兰间隙位移传感器进行数据采集，法兰间隙位移传感器内部设计有高精度电磁感应芯片和高精密磁铁，高精密磁铁平行于高精度电磁感应芯片安装，并贴合在芯片表面，高精密磁铁周围的磁场强度是稳定不变的，当间隙发生相对移动时，高精密磁铁相对高精度电磁感应芯片同步移动，高精密电磁感应芯片周围的磁场就会发生线性变化，从而输出对应磁场强度变化的电信号到单片机内，经过单片机运算将电信号转换为位移信号，并输出对应的位移信号到上位机，来实现位移的测量，精度可达0.1μm，可保持微米级精度持续监测产品的高精度相对位移，并将测量获取的位移信号转换为时频数据进行后续分析，为叶片状态监测提供依据，能够及时发现和预测叶片开裂、结冰等造成的结构变化，便于维护。

Claims (4)

1.一种高精度叶根载荷及频率测量方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)在风力发电机的每个叶片的叶根部位，顺挥舞方向和摆振方向部署2个以上法兰间隙位移传感器；
(2)将法兰间隙位移传感器置零，设测量杆的原始长度为L；
(3)当叶片受到载荷发生变形时，测量杆被拉长或者压缩，法兰间隙位移传感器的高精度电磁感应芯片周围的磁场产生线性变化，高精度电磁感应芯片捕捉磁场变化，将电磁感应信号传输至单片机，经过单片机运算将电磁感应信号转换为位移信号；
(4)利用法兰间隙位移传感器内置的温度传感器实时测量温度，利用温度值对位移信号进行修正处理，获得修正后的位移信号；
(5)对于每个叶片，根据叶片铭牌标示的叶片重量和重心位置，通过重力载荷标定方法对步骤(4)修正后的位移信号进行载荷标定，得到位移信号与叶片所受载荷之间的对应关系；
(6)对各个位移信号进行时频分析处理，实时获取叶片频率，根据叶片频率实时计算得到不同叶片间的频率差以及各个叶片频率衰减趋势，并基于不同叶片间的频率差以及各个叶片频率衰减趋势进行叶片故障分析。
2.根据权利要求1所述的高精度叶根载荷及频率测量方法，其特征在于：所述法兰间隙位移传感器包括壳体、PCB组件、导杆、滑动基体和高精密磁铁，导杆和PCB组件固定于壳体内，滑动基体的内端套在导杆上并能够沿导杆滑动，滑动基体的外端由壳体内伸出，滑动基体的外端设置有磁体并通过磁力吸附固定于限位块上，高精密磁铁固定于滑动基体上并随滑动基体同步移动；所述高精度电磁感应芯片、单片机、温度传感芯片和振动传感芯片均设置于PCB组件中。
3.根据权利要求1所述的高精度叶根载荷及频率测量方法，其特征在于：步骤(1)中部署的法兰间隙位移传感器，以正交或成一定角度进行部署。
4.根据权利要求1所述的高精度叶根载荷及频率测量方法，其特征在于：步骤(5)进行重力标定具体包括以下步骤：按照不同的桨距角，将风轮空转，或将叶片固定在水平位置上且将叶片设定为不同的桨距角，使法兰间隙位移传感器置于典型重力矩下，分别进行重力标定。
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