CN114895066B - 一种风电机风力检测装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种风电机风力检测装置，包括：若干超声波检测模块，设置于舱体外侧面中心部位，用于在风速检测过程中发射超声波信号并接收所述超声波信号；峰值检测模块，与数据控制处理模块电气连接，所述峰值检测模块用于实时获得各所述超声波检测模块发送超声波信号后、接收到超声波信号的超声波电波信号段，并将各所述超声波电波信号段以方波信号方式发送给数据控制处理模块；数据控制处理模块，用于接收峰值检测模块发送的各所述方波信号，并基于各所述方波信号计算超声波在各超声波检测模块中的信号传输时间，并至少基于各所述信号传输时间计算获得目标风速。本申请中的风电机风力检测装置测量的实时风速和实时风向更加精准。

Description

一种风电机风力检测装置

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种风电机风力检测装置。

背景技术

随着煤炭、石油等天然资源的逐渐减少，风能作为一种无污染的天然能源，它的开发利用受到人们的关注。风能的主要利用形式是利用风能进行发电，随着大型风力发电机场的开发和建设，风电机系统安全稳定运行，且最大化利用风能是比较重要的，风速、风向和由风速风向引起的叶片根部载荷变化等风力参数在风电机运行过程中起着关键的作用，传统的风速检测仪有热式风速仪、叶轮式风速仪、激光多普勒风速仪、皮拖管式风速仪，但是检测结果不够精准。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种风电机风力检测装置，主要目的在于解决目前存在风速风向检测不够精准的问题。

为解决上述问题，本申请提供一种风电机风力检测装置，包括：

若干超声波检测模块，设置于舱体外侧面中心部位，用于在风速检测过程中发射超声波信号并接收所述超声波信号；

峰值检测模块，与数据控制处理模块电气连接，所述峰值检测模块用于实时获得各所述超声波检测模块发送超声波信号后、接收到超声波信号的超声波电波信号段，并将各所述超声波电波信号段以方波信号方式发送给数据控制处理模块；所述第一温度补偿片靠近第一机械形变应变片固定安装，所述第二温度补偿片靠近所述第二机械形变应变片固定安装，数据控制处理模块，用于接收峰值检测模块发送的各所述方波信号，并基于各所述方波信号计算超声波在各超声波检测模块中的信号传输时间，并至少基于各所述信号传输时间计算获得目标风速。

可选的，各所述超声波检测模块分别包括第一超声波换能器组、第二超声波换能器组、第三超声波换能器组和第四超声波换能器组；

其中，第一超声波换能器组和第二超声波换能器组安装在机舱右侧面中心部位且与地面平行设置，第一超声波换能器组中的第一换能器和第二超声波换能器组中的第三换能器安装在距离舱尾第一预设距离处，第一超声波换能器组中的第二换能器和第二超声波换能器中的第四换能器安装在距离舱尾第二预设距离处，所述第一预设距离大于所述第二预设距离；

第三超声波换能器组和第四超声波换能器组安装在机舱左侧面中心部位且与地面平行设置，第三超声波换能器组中的第五换能器和第四超声波换能器组中的第七换能器安装在距离舱尾第一预设距离处，第三超声波换能器组中的第六换能器和第四超声波换能器中的第八换能器安装在距离舱尾第二预设距离处，所述第一预设距离大于所述第二预设距离；；

所述第一换能器与第二换能器的距离、第三换能器与第四换能器的距离、第五换能器与第六换能器的距离、第七换能器与第八换能器的距离分别相等。

可选的，各所述超声波换能器采用ABS绝缘铜芯导电支撑柱与机舱固定连接。

可选的，所述至少基于各所述信号传输时间计算获得目标风速，具体包括：

基于各超声波信号传输时间，以及各超声波信号传输时间对应的超声波发射器与超声波接收器的距离、计算获得目标风速。

可选的，所述装置还包括：模拟开关，所述模拟开关设置于超声波换能器控制电路中，用于控制第一超声波换能器组、第二超声波换能器组、第三超声波换能器组和第四超声波换能器组，使得同一时刻只有四组超声波换能器组中的其中一组超声波换能器组进行超声波的发射和接收工作。

可选的，所述数据控制处理模块具体用于：

获取第一换能器发射超声波、第二换能器接收超声波的第一信号传输时间，和第二换能器发射超声波、第一换能器接收超声波的第二信号传输时间；

获取第三换能器发射超声波、第四换能器接收超声波的第三信号传输时间和第四换能器发射超声波，第三换能器接收超声波的第四信号传输时间；

获取第五换能器发射超声波、第六换能器接收超声波的第五信号传输时间和第六换能器发射超声波，第五换能器接收超声波的第六信号传输时间；

获取第七换能器发射超声波、第八换能器接收超声波的第七信号传输时间和第八换能器发射超声波，第七换能器接收超声波的第八信号传输时间；

基于所述第一信号传输时间、第二信号传输时间和所述第一换能器与所述第二换能器的距离计算获取第一换能器组方向的第一风速；

基于所述第三信号传输时间、第四信号传输时间和所述第三换能器与所述第四换能器的距离计算获取第二换能器组方向的第二风速；

基于所述第五信号传输时间、第六信号传输时间和所述第五换能器与所述第六换能器的距离计算获取第三换能器组方向的第三风速；

基于所述第七信号传输时间、第八信号传输时间和所述第七换能器与所述第八换能器的距离计算获取第四换能器组方向的第四风速；

基于所述第一风速、所述第二风速、所述第三风速、所述第四风速，获得目标风速和目标风向。

可选的，所述装置还包括：第一应变传感器组和第二应变传感器组，所述第一应变传感器组和所述第二应变传感器组分别与所述电源模块和所述数据控制处理模块电气连接；

所述第一应变传感器组，设置于叶片根部内侧，用于测量叶片受力挥舞时的第一输出电压变化值，并将所述第一输出电压变化值发送给所述数据控制处理模块；

所述第二应变传感器组，设置于叶片根部内侧，用于测量叶片受力摆振时的第二输出电压变化值，并将所述第二输出电压变化值发送给所述数据控制处理模块；

所述数据控制处理模块用于基于所述第一输出电压变化值和所述第二输出电压变化值计算获得载荷值。

可选的，所述第一应变传感器组包括第一机械形变应变片、第二机械形变的应变片、第一温度补偿片和第二温度补偿片；所述第一机械形变应变片和所述第二机械形变应变片沿叶片轴向固定安装在叶片根部内侧，所述第一温度补偿片靠近第一机械形变应变片固定安装，所述第二温度补偿片靠近所述第二机械形变应变片固定安装，受到外力作用时，第一机械形变应变片和第二机械形变应变片产生形变电阻值发生变化，基于第一机械形变应变片和第二机械形变应变片电阻值变化得到第一输出电压变化值；

所述第二应变传感器组包括第三机械形变应变片、第四机械形变应变片、第三温度补偿片和第四温度补偿片；所述第三机械形变应变片和所述第四机械形变应变片沿叶片轴向固定安装在安装于叶片根部内侧，所述第三温度补偿片靠近第三机械形变应变片固定安装，所述第四温度补偿片靠近所述第四机械形变应变片固定安装，受到外力作用时，第三机械形变应变片和第四机械形变应变片产生形变电阻值发生变化，基于第三机械形变应变片和第四机械形变应变片电阻值变化得到第二输出电压变化值。

可选的，所述第一应变传感器组和所述第二应变传感器组是基于惠斯通直流电桥原理进行搭建的，以叶片根部横切面中心点为原点，将四组成90度夹角布置的应变片和温度补偿片组布置在叶片根部内侧，正对的两组应变片和温度补偿片组构成所述第一应变传感器组和所述第二应变传感器组。

可选的，所述装置还包括：信号放大模块和信号转换模块；

所述信号放大模块与所述信号转换模块电气连接，所述信号放大模块用于对所述第一输出电压变化值和所述第二输出电压变化值的电压信号进行放大处理后传输给所述信号转换模块；

所述信号转换模块与所述数据控制处理模块电气连接，所述信号转换模块用于将接收到的电压信号转换成数字信号，并将所述数字信号传输给所述数据控制处理模块，所述数据控制处理模块对所述数字信号进行计算处理，得到应力值。

本申请是在风电机机舱侧壁中心部位搭建四组处于同一水平面的超声波传感器组，每组超声波传感器组中的超声波换能器按顺序分别发射和接收超声波，通过峰值检测模块记录各组超声波传感器组的超声波收发的方波信号，数据控制处理模块基于各所述方波信号计算各所述超声波信号的传输时间，并计算各组超声波换能器组中实时风速值，以得到超声波换能器组所在的特定位置的目标风速和相对风向。本申请中超声波传感器组设置的位置能够更加精准的测量出特定位置的目标风速和相对风向，以此调整扫轮面以获得更多的风能。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本申请超声波换能器安装位置的机舱右视图；

图2为本申请超声波换能器安装位置的机舱左视图；

图3为本申请超声波换能器安装位置的机舱俯视图；

图4位本申请中超声波换能器工作原理图；

图5为本申请中叶根受力摆振的惠斯通直流电桥原理电路图；

图6为本申请中叶根受力挥舞的惠斯通直流电桥原理电路图；

图7为本申请中应变传感器组安装位置图。

具体实施方式

此处参考附图描述本申请的各种方案以及特征。

应理解的是，可以对此处申请的实施例做出各种修改。因此，上述说明书不应该视为限制，而仅是作为实施例的范例。本领域的技术人员将想到在本申请的范围和精神内的其他修改。

包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本申请的实施例，并且与上面给出的对本申请的大致描述以及下面给出的对实施例的详细描述一起用于解释本申请的原理。

通过下面参照附图对给定为非限制性实例的实施例的优选形式的描述，本申请的这些和其它特性将会变得显而易见。

还应当理解，尽管已经参照一些具体实例对本申请进行了描述，但本领域技术人员能够确定地实现本申请的很多其它等效形式。

当结合附图时，鉴于以下详细说明，本申请的上述和其他方面、特征和优势将变得更为显而易见。

此后参照附图描述本申请的具体实施例；然而，应当理解，所申请的实施例仅仅是本申请的实例，其可采用多种方式实施。熟知和/或重复的功能和结构并未详细描述以避免不必要或多余的细节使得本申请模糊不清。因此，本文所申请的具体的结构性和功能性细节并非意在限定，而是仅仅作为权利要求的基础和代表性基础用于教导本领域技术人员以实质上任意合适的详细结构多样地使用本申请。

本说明书可使用词组“在一种实施例中”、“在另一个实施例中”、“在又一实施例中”或“在其他实施例中”，其均可指代根据本申请的相同或不同实施例中的一个或多个。

本申请的一个实施例中提供一种风电机风力检测装置，包括：若干超声波检测模块、峰值检测模块和数据控制处理模块；

所述超声波检测模块安装位置如图1、图2和图3所示，所述超声波检测模块可以由四组超声波换能器组组成，其中，第一超声波换能器组和第二超声波换能器组安装在机舱右侧面中心部位且与地面平行设置，第一超声波换能器组中的第一换能器1和第二超声波换能器组中的第三换能器3安装在距离舱尾第一预设距离处，第一超声波换能器组中的第二换能器3和第二超声波换能器中的第四换能器4安装在距离舱尾第二预设距离处，所述第一预设距离大于所述第二预设距离；第三超声波换能器组和第四超声波换能器组安装在机舱左侧面中心部位且与地面平行设置，第三超声波换能器组中的第五换能器5和第四超声波换能器组中的第七换能器7安装在距离舱尾第一预设距离处，第三超声波换能器组中的第六换能器6和第四超声波换能器中的第八换能器8安装在距离舱尾第二预设距离处，所述第一预设距离大于所述第二预设距离；所述第一换能器1与第二换能器2的距离、第三换能器3与第四换能器4的距离、第五换能器5与第六换能器6的距离、第七换能器7与第八换能器8的距离分别相等，距离为L。各所述超声波换能器采用支撑柱9与机舱固定连接，所述支撑柱可以采用ABS绝缘材料铜芯导体制作，各所述超声波换能器采用防水透声膜防水。风力发电机运转过程中，叶片旋转面是迎着风转动的，风吹向风力发电设备时，会与风力发电机的机舱产生一定的角度，为了使测量目标风速和目标风向结果更加精准，测量发电机机舱两侧的风速大小，进而得到相对风向调整扫轮面获得更多的风能。

峰值检测模块，所述峰值检测模块所述峰值检测模块用于实时获得各所述超声波检测模块发送超声波信号后、接收到超声波信号的超声波电波信号段，并将各所述超声波电波信号段以方波信号方式发送给数据控制处理模块；

数据控制处理模块用于接收峰值检测模块发送的各所述方波信号，并基于各所述方波信号计算超声波在各超声波检测模块中的信号传输时间，并至少基于各所述信号传输时间计算得到风在每组超声波换能器组中传播的风速值，机舱左侧面和右侧面中风速值较大的为风吹来的方向，将扫轮面朝向风速值较大的方向调整以获得更多的风能。

本申请是在风电机机舱侧壁中心部位搭建四组处于同一水平面的超声波传感器组，每组超声波传感器组中的超声波换能器按顺序分别发射和接收超声波，通过峰值检测模块记录各组超声波传感器组的超声波收发的方波信号，数据控制处理模块基于各所述方波信号计算各所述超声波信号的传输时间，并计算各组超声波换能器组中实时风速值，以得到超声波换能器组所在的特定位置的目标风速和相对风向。本申请中超声波传感器组设置的位置能够更加精准的测量出特定位置的目标风速和相对风向，以此调整扫轮面以获得更多的风能。

本申请的又一实施例提供一种风电机风力检测装置，包括：

若干超声波检测模块：所述超声波检测模块设置于舱体外侧中心部位，作为优选的实施例，所述超声波检测模块可以包括四组超声波换能器组，

其中，第一超声波换能器组和第二超声波换能器组安装在机舱右侧面中心部位且与地面平行设置，第一超声波换能器组中的第一换能器1和第二超声波换能器组中的第三换能器3安装在距离舱尾第一预设距离处，第一超声波换能器组中的第二换能器3和第二超声波换能器中的第四换能器4安装在距离舱尾第二预设距离处，所述第一预设距离大于所述第二预设距离；第三超声波换能器组和第四超声波换能器组安装在机舱左侧面中心部位且与地面平行设置，第三超声波换能器组中的第五换能器5和第四超声波换能器组中的第七换能器7安装在距离舱尾第一预设距离处，第三超声波换能器组中的第六换能器6和第四超声波换能器中的第八换能器8安装在距离舱尾第二预设距离处，所述第一预设距离大于所述第二预设距离；所述第一换能器1与第二换能器2的距离、第三换能器3与第四换能器4的距离、第五换能器5与第六换能器6的距离、第七换能器7与第八换能器8的距离分别相等，距离为L。所述第二超声波换能器组用于对第一超声波换能器组进行校验，第四超声波换能器组用于对第三超声波换能器组进行校验。各所述超声波换能器采用支撑柱9与机舱固定连接，所述支撑柱可以采用ABS绝缘材料铜芯导体制作，各所述超声波换能器采用防水透声膜防水。

峰值检测模块：所述峰值检测模块与数据控制处理模块电气连接，设置于超声波检测模块的内部，用于实时获得各所述超声波检测模块发送超声波信号后、接收到超声波信号的超声波电波信号段，并将各所述超声波电波信号段以方波信号方式发送给数据控制处理模块；

具体的，所述峰值检测模块具体用于，获取第一换能器1发射超声波、第二换能器2接收超声波的第一超声波电波信号段，和第二换能器2发射超声波、第一换能器1接收超声波的第二超声波电波信号段；第三换能器3发射超声波、第四换能器4接收超声波的第三超声波电波信号段和第四换能器4发射超声波，第三换能器3接收超声波的第四超声波电波信号段；第五换能器5发射超声波、第六换能器6接收超声波的第五超声波电波信号段和第六换能器6发射超声波，第五换能器5接收超声波的第六超声波电波信号段；获取第七换能器7发射超声波、第八换能器8接收超声波的第七超声波电波信号段和第八换能器8发射超声波，第七换能器7接收超声波的第八超声波电波信号段。

并将记录好的第一超声波电波信号段、第二超声波电波信号段、第三超声波电波信号段、第四信号超声波电波信号段、第五超声波电波信号段、第六超声波电波信号段、第七超声波电波信号段和第八超声波电波信号段分别以方波信号的形式发送给数据控制处理模块。

数据控制处理模块：所述数据控制处理模块用于接收峰值检测模块发送各所述方波信号并基于各所述方波信号计算超声波在各超声波检测模块中的信号传输时间，得到第一超声波电波信号段对应的第一信号传输时间t₁、第二超声波电波信号段对应的第二信号传输时间t₂、第三超声波电波信号段对应的第三信号传输时间t₃、第四超声波电波信号段对应的第四信号传输时间t₄、第五超声波电波信号段对应的第五信号传输时间t₅、第六超声波电波信号段对应的第六信号传输时间t₆、第七超声波电波信号段对应的第七信号传输时间t₇和第八超声波电波信号段对应的八信号传输时间t₈。数据控制处理模块基于预先存储在数据控制处理模块中的超声波在真空中的传播速度V_c、第一换能器1和所述第二换能器2之间的距离L、所述第三换能器3和所述第四换能器4之间的距离L、第五换能器5和所述第六换能器6之间的距离L、所述第七换能器7和所述第八换能器8之间的距离L，通过数据处理得到目标风速。

具体的，所述超声波换能器组的工作原理如图4所示：数据控制处理模块基于第一信号传输时间t₁、第二信号传输时间t₂以及第一换能器1和所述第二换能器2之间的距离L，进行数据处理，获得实时风速沿第一换能器1与第二换能器2方向传输的第一风速V₁，如公式(1)所示：

数据控制处理模块基于第三信号传输时间t₃、第四信号传输时间t₄以及第三换能器3和所述第四换能器4之间的距离L，进行数据处理，获得实时风速沿第三换能器3与第四换能器4方向传输的第二风速V₂，如公式(2)所示：

数据控制处理模块基于第五信号传输时间t₅、第六信号传输时间t₆以及第五换能器5和所述第六换能器6之间的距离L，进行数据处理，获得实时风速沿第五换能器5与第六换能器6方向传输的第三风速V₃，如公式(3)所示：

数据控制处理模块基于第七信号传输时间t₇、第八信号传输时间t₈以及第七换能器7和所述第八换能器8之间的距离L，进行数据处理，获得实时风速沿第七换能器7与第八换能器8方向传输的第四风速V₄，如公式(4)所示：

当第一风速V₁与第二风速V₂差值小于或等于预设阈值时，确定第一风速V₁为风力发电机机舱右侧超声波换能器组间的实时风速值，当第一风速V₁与第二风速V₂差值大于预设阈值时，重新测量第一信号传输时间t₁、第二信号传输时间t₂、第三信号传输时间t₃、第四信号传输时间t₄，重新计算确定第一风速V₁和第二风速V₂。

当第三风速V₃与第四风速V₄差值小于或等于预设阈值时，确定第三风速V₃为风力发电机机舱左侧超声波换能器组间的实时风速值，当第三风速V₃与第四风速V₄差值大于预设阈值时，重新测量第五信号传输时间t₅、第六信号传输时间t₆、第七信号传输时间t₇和第八信号传输时间t₈，重新计算确定第三风速V₃和第四风速V₄。

数据控制处理模块经过对方波信号进行AD采样和数据处理得到所述目标风速V₁和V₃，并发送给显示模块；所述显示模块用于对目标风速V₁和V₃实时显示。

基于获得的目标风速V₁和V₃，判断V₁和V₃数值较大的一侧为风吹来的方向，调整扫轮面向数值较大的一侧转动，以获得更多的风能。

所述风电机风力检测装置还包括超声波激励模块、增益放大模块、模拟开关和带通滤波模块，所述超声波激励模块与所述数据控制处理模块电气连接，所述数据控制处理模块可以采用嵌入式单片机将驱动信号传递至超声波激励模块，所述超声波激励模块的输出端与所述超声波检测模块电气连接，所述超声波激励模块用于控制所述超声波检测模块发送和接收超声波信号；所述超声波模检测模块的输出端与所述模拟开关电气连接，所述模拟开关设置于超声波换能器控制电路中，用于控制第一超声波换能器组、第二超声波换能器组、第三超声波换能器组和第四超声波换能器组，使得同一时刻只有四组超声波换能器组中的其中一组超声波换能器组进行超声波的发射和接收工作。所述模拟开关的输出端与所述增益放大模块电气连接，所述增益放大模块用于将接收到的超声波换能器组发送的超声波脉冲信号进行二次放大；所述增益放大模块的输出端与所述带通滤波模块的电气连接，所述带通滤波模块用于对经过二次放大的超声波脉冲信号进行过滤噪声操作和过滤干扰操作，所述带通滤波模块的输出端与所述峰值检测模块电气连接用于将过滤噪声操作和过滤干扰操作后的超声波信号传输给峰值建波模块。

本申请在具体实施过程中，所述风电机风力检测装置还包括用于检测载荷的载荷检测模块，该载荷检测模块包括：第一应变传感器组、第二应变传感器组，所述第一应变传感器组和所述第二应变传感器组分别与电源模块和所述数据控制处理模块电气连接；所述第一应变传感器组，用于测量叶片受力摆振时的第一电压变化值值ΔU₁，并将所述第一电压变化值ΔU₁发送给所述数据控制处理模块；所述第二应变传感器组，用于测量叶片受力挥舞时的第二电压变化值ΔU₂，并将所述第二电压变化值ΔU₂发送给所述数据控制处理模块，所述数据控制处理模块基于第一电压变化值ΔU₁、第二电压变化值ΔU₂计算获得载荷值。

具体的，当叶片受到外部引起的载荷而发生微小变形时，电阻应变片的敏感栅也随之变形，导致阻抗发生变化。在一定范围内，应变片阻抗变化与叶片产生的应变成一定的比例关系。如果将应变片无应变的电阻率定义为ρ₀，材料发生应变时的电阻率为ρ_L，那么ρ₀-ρ_L＝Δρ。电阻应变效应的理论公式如公式(5)所示：

其中R为栅丝原始长度L下的阻抗，其中R＝ρ₀L/S，公式中r为应变片栅丝的半径；ΔR，ΔL，Δr分别为阻抗、栅长、栅丝半径的变化量；ε_x＝ΔL/L，电阻丝纵向应变；ε_y＝Δr/r，电阻丝横向应变；ε_x和ε_y的关系可表示为ε_y＝-με_x，μ为电阻丝材料的泊松比。

对公式(5)进行处理得到如下公式(6)：

进而得到如下公式(7)

式中：K为金属单丝的灵敏度系数。其中1+2μ是由于金属丝受力后几何形状的变化而引起的电阻相对变化；Δρ/ρ₀/ε_x是金属的电阻率ρ因变形发生变化而引起的电阻相对变化。对金属材料来说，电阻的变化与上述两因素有关，但以前者为主。

基于上述原理和惠斯通直流电桥原理搭建所述第一应变传感器组，惠斯通直流电桥电路图如图5所示，电路的每个支桥都承受相同的激励电压Ui，ΔU为电桥输出电压信号；当产生载荷时，第一机械形变应变片R1和第二机械形变应变片R3产生形变，电阻值发生变化，第一温度补偿片R2和第二温度补偿片R4用于补偿温度，第一机械形变应变片R1和第二机械形变应变片R3产生形变使得电桥产生不平衡现象，输出电压ΔU发生改变，Δ∪等于第一电压变化值ΔU₁通过数据处理单元将第一电压变化值ΔU₁的电信号转换成载荷量从而实现对风电机叶片受力摆振时载荷的检测。电桥的其中一个对角线接入由恒流源提供的电源电压Ui，电桥的另一个对角线接输出电压ΔU。所有应变片阻值相同，当不受应力时，R1×R3＝R2×R4，电桥输出电压ΔU为零，满足电桥平衡，电桥输出电压可以近似用如下公式(8)所示：

其中ε_t代表由温度引起的电阻变化率；ε_e代表由应变引起的电阻变化率。由于所采用的电阻应变片规格相同，故其温度引起的误差可以消除，且第一温度补偿片R2和第二温度补偿片R4不参与机械形变的测量，故公式(8)可以用如下公式(9)表示：

利用如上电桥的和差特性，消除了温度的影响，同时提高了测量输出电压的灵敏度。

基于惠斯通直流电桥原理搭建所述第二应变传感器组，惠斯通直流电桥电路图如图6所示，电路的每个支桥都承受相同的激励电压Ui，ΔU为电桥输出电压信号；当产生载荷时，第三机械形变应变片R5和第四机械形变应变片R7产生形变，电阻值发生变化，第三温度补偿片R6和第四温度补偿片R8用于补偿温度变化引起的电压变化，第三机械形变应变片R5和第四机械形变应变片R6产生形变使得电桥产生不平衡现象，输出电压ΔU发生改变，ΔU等于第二电压变化值ΔU₂，通过数据控制处理模块将第二电压变化值ΔU₂的电信号转换成载荷量从而实现对风电机叶片受力挥舞时载荷的检测，惠斯通直流电桥电路的输出端与信号放大模块电气连接，所述信号放大模块将惠斯通直流电桥电路输出的电压电信号进行放大处理，所述信号放大模块的输出端与信号转换模块电气连接，所述信号转换模块将所述经信号放大模块进行放大的电压信号转换成数字信号输送给数据控制处理模块，所述数据控制处理模块将接收到的数字信号进行数据处理得到叶片受力挥舞和叶片受力摆振方向所受的应力值。

具体的，以叶片根部横切面中心点为原点，将四组成90度夹角布置的机械形变应变片和温度补偿片组布置在叶片根部内侧，并且每组中的机械形变应变片到中心点的距离分别相等，每组中的温度补偿片到中心点的距离分别相等；各机械形变应变片和温度补偿片的安装位置如图7所示：其中第一机械形变应变片R1与第一温度补偿片R2为第一组；第二机械形变应变片R3和第二温度补偿片R4为第二组；第三机械形变应变片R5和第三温度补偿片R6为第三组；第四机械形变应变片R7和第四温度补偿片R8为第四组；所述第一组机械形变应变片和温度补偿片组与所述第二组机械形变应变片和温度补偿片组构成所述第一应变传感器组，即所述第一应变传感器组包括第一机械形变应变片R1、第二机械形变的应变片R3、第一温度补偿片R2和第二温度补偿片R4；所述第三组机械形变应变片和温度补偿片组与第四组机械形变应变片和温度补偿片组构成所述第二应变超感器组，即所述第二应变传感器组包括第三机械形变应变片R5、第四机械形变应变片R7、第三温度补偿片R6和第四温度补偿片R8；受到外力作用时，第一机械形变应变片R1和第二机械形变应变片R3产生形变电阻值发生变化，基于第一机械形变应变片R1和第二机械形变应变片R3电阻值变化得到第一输出电压变化值ΔU₁，数据处理器将第一输出电压变化值ΔU₁转化成相应的应力值得到当风电机受外力作用时叶轮旋转过程中摆振方向所受到的应力值；受到外力作用时，第三机械形变应变片R5和第四机械形变应变片R7产生形变电阻值发生变化，基于第三机械形变应变片R5和第四机械形变应变片R7电阻值变化得到第二输出电压变化值ΔU₂，数据控制处理模块对第二输出电压变化值ΔU₂进行处理，并将变化的电压值转化成相应的应力值得到当风电机受外力作用时叶轮旋转过程中叶轮挥舞方向所受到的应力值。基于电阻值的变化与输出电压的变化成正比例关系，电压的变化与应力的成正比例关系，当电阻变化时，惠斯通电桥产生不平衡现象，输出电压值发生变化，信号转换模块对电信号进行处理得到数字信号，通过数据控制处理模块将数字信号转换成载荷量从而实现对叶片挥舞和摆振方向所受的应力的检测。

所述装置还包括信号放大模块和信号转换模块；所述信号放大模块与所述信号转换模块电气连接，所述信号放大模块用于对所述第一输出电压变化值和所述第二输出电压变化值的电压信号进行放大处理后传输给所述信号转换模块；所述信号转换模块与所述数据控制处理模块电气连接，所述信号转换模块用于将接收到的电压信号转换成数字信号，可以采用AD转换器将电信号转换成数字信号，并将所述数字信号传输给所述数据控制处理模块，所述数据控制处理模块对所述数字信号进行计算处理，得到应力值。

本申请是在风电机机舱侧壁中心部位搭建四组处于同一水平面的超声波传感器组，每组超声波传感器组中的超声波换能器按顺序分别发射和接收超声波，通过峰值检测模块记录各组超声波传感器组的超声波收发的方波信号，数据控制处理模块基于各所述方波信号计算各所述超声波信号的传输时间，并计算各组超声波换能器组中实时风速值，以得到超声波换能器组所在的特定位置的目标风速和相对风向。本申请中超声波传感器组设置的位置能够更加精准的测量出特定位置的目标风速和相对风向，以此调整扫轮面以获得更多的风能。与此同时本申请基于惠斯通直流电桥原理搭设的应变传感器组，通过测量电路中输出电压的变化值确定叶片在旋转过程中受到的载荷值，并将载荷值实时的显示出来，实现对工作状态的监督，可以预防叶片过载发生损坏。

以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。

Claims (8)

1.一种风电机风力检测装置，其特征在于，包括：

若干超声波检测模块，设置于舱体外侧面中心部位，用于在风速检测过程中发射超声波信号并接收所述超声波信号；

峰值检测模块，与数据控制处理模块电气连接，所述峰值检测模块用于实时获得各所述超声波检测模块发送超声波信号后、接收到超声波信号的超声波电波信号段，并将各所述超声波电波信号段以方波信号方式发送给数据控制处理模块；

数据控制处理模块，用于接收峰值检测模块发送的各所述方波信号，并基于各所述方波信号计算超声波在各超声波检测模块中的信号传输时间，并至少基于各所述信号传输时间计算获得目标风速；

各所述超声波检测模块分别包括第一超声波换能器组、第二超声波换能器组、第三超声波换能器组和第四超声波换能器组；

其中，第一超声波换能器组和第二超声波换能器组安装在机舱右侧面中心部位且与地面平行设置，第一超声波换能器组中的第一换能器和第二超声波换能器组中的第三换能器安装在距离舱尾第一预设距离处，第一超声波换能器组中的第二换能器和第二超声波换能器中的第四换能器安装在距离舱尾第二预设距离处，所述第一预设距离大于所述第二预设距离；

第三超声波换能器组和第四超声波换能器组安装在机舱左侧面中心部位且与地面平行设置，第三超声波换能器组中的第五换能器和第四超声波换能器组中的第七换能器安装在距离舱尾第一预设距离处，第三超声波换能器组中的第六换能器和第四超声波换能器中的第八换能器安装在距离舱尾第二预设距离处，所述第一预设距离大于所述第二预设距离；

所述第一换能器与第二换能器的距离、第三换能器与第四换能器的距离、第五换能器与第六换能器的距离、第七换能器与第八换能器的距离分别相等；

所述装置还包括：第一应变传感器组和第二应变传感器组，所述第一应变传感器组和所述第二应变传感器组分别与电源模块和所述数据控制处理模块电气连接；

所述第一应变传感器组，设置于叶片根部内侧，用于测量叶片受力挥舞时的第一输出电压变化值，并将所述第一输出电压变化值发送给所述数据控制处理模块；

所述第二应变传感器组，设置于叶片根部内侧，用于测量叶片受力摆振时的第二输出电压变化值，并将所述第二输出电压变化值发送给所述数据控制处理模块；

所述数据控制处理模块用于基于所述第一输出电压变化值和所述第二输出电压变化值计算获得载荷值。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，各所述超声波换能器采用ABS绝缘铜芯导电支撑柱与机舱固定连接。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少基于各所述信号传输时间计算获得目标风速，具体包括：

基于各超声波信号传输时间，以及各超声波信号传输时间对应的超声波发射器与超声波接收器的距离、计算获得目标风速。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：模拟开关，所述模拟开关设置于超声波换能器控制电路中，用于控制第一超声波换能器组、第二超声波换能器组、第三超声波换能器组和第四超声波换能器组，使得同一时刻只有四组超声波换能器组中的其中一组超声波换能器组进行超声波的发射和接收工作。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据控制处理模块具体用于：

获取第一换能器发射超声波、第二换能器接收超声波的第一信号传输时间，和第二换能器发射超声波、第一换能器接收超声波的第二信号传输时间；

获取第三换能器发射超声波、第四换能器接收超声波的第三信号传输时间和第四换能器发射超声波，第三换能器接收超声波的第四信号传输时间；

获取第五换能器发射超声波、第六换能器接收超声波的第五信号传输时间和第六换能器发射超声波，第五换能器接收超声波的第六信号传输时间；

获取第七换能器发射超声波、第八换能器接收超声波的第七信号传输时间和第八换能器发射超声波，第七换能器接收超声波的第八信号传输时间；

基于所述第一信号传输时间、第二信号传输时间和所述第一换能器与所述第二换能器的距离计算获取第一换能器组方向的第一风速；

基于所述第三信号传输时间、第四信号传输时间和所述第三换能器与所述第四换能器的距离计算获取第二换能器组方向的第二风速；

基于所述第五信号传输时间、第六信号传输时间和所述第五换能器与所述第六换能器的距离计算获取第三换能器组方向的第三风速；

基于所述第七信号传输时间、第八信号传输时间和所述第七换能器与所述第八换能器的距离计算获取第四换能器组方向的第四风速；

基于所述第一风速、所述第二风速、所述第三风速、所述第四风速，获得目标风速和目标风向。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一应变传感器组包括第一机械形变应变片、第二机械形变的应变片、第一温度补偿片和第二温度补偿片；所述第一机械形变应变片和所述第二机械形变应变片沿叶片轴向固定安装在叶片根部内侧，所述第一温度补偿片和所述第二温度补偿片垂直于叶片轴向固定安装于叶片根部内侧，所述第一温度补偿片靠近第一机械形变应变片固定安装，所述第二温度补偿片靠近所述第二机械形变应变片固定安装，受到外力作用时，第一机械形变应变片和第二机械形变应变片产生形变电阻值发生变化，基于第一机械形变应变片和第二机械形变应变片电阻值变化得到第一输出电压变化值；

所述第二应变传感器组包括第三机械形变应变片、第四机械形变应变片、第三温度补偿片和第四温度补偿片；所述第三机械形变应变片和所述第四机械形变应变片沿叶片轴向固定安装在安装于叶片根部内侧，所述第三温度补偿片和所述第四温度补偿片垂直于叶片轴向固定安装于叶片根部内侧，所述第三温度补偿片靠近第三机械形变应变片固定安装，所述第四温度补偿片靠近所述第四机械形变应变片固定安装，受到外力作用时，第三机械形变应变片和第四机械形变应变片产生形变电阻值发生变化，基于第三机械形变应变片和第四机械形变应变片电阻值变化得到第二输出电压变化值。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一应变传感器组和所述第二应变传感器组是基于惠斯通直流电桥原理进行搭建的，以叶片根部横切面中心点为原点，将四组成90度夹角布置的应变片和温度补偿片组布置在叶片根部内侧，正对的两组应变片和温度补偿片组构成所述第一应变传感器组和所述第二应变传感器组。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：信号放大模块和信号转换模块；

所述信号放大模块与所述信号转换模块电气连接，所述信号放大模块用于对所述第一输出电压变化值和所述第二输出电压变化值的电压信号进行放大处理后传输给所述信号转换模块；

所述信号转换模块与所述数据控制处理模块电气连接，所述信号转换模块用于将接收到的电压信号转换成数字信号，并将所述数字信号传输给所述数据控制处理模块，所述数据控制处理模块对所述数字信号进行计算处理，得到应力值。