CN207080318U - 基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测系统，其包括：传感器，安装在风力机叶片的表面，用来采集风力机叶片的振动信号；数据采集器，传感器采集的叶片振动信号经过电荷放大器的放大后送入数据采集器，以获得振动信号的数字信号；WiFi信号发射器，用来将数据采集器得到的振动信号转换为无线信号并发送；信号接收器，用来接收到振动信号的WiFi信号，并发送给处理单元；处理单元，用来对风力机叶片的振动数字信号进行处理与变换，并通过通信模块传输至监测中心。本实用新型具有原理简单、易于实现、无损、动态、可实施实时监测等优点。

Description

基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测系统

技术领域

本实用新型主要涉及到风力发电设备领域，特指一种基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测系统，主要是基于叶片模态频率变化来完成叶片材料寿命损耗的在线监测。

背景技术

风力发电机组单机容量不断发展，所以对其设备进行在线监测变得尤其重要。其中，叶片是整个风力发电机组最脆弱的地方，而成本约占风力发电机组总成本的15％-20％，所以对风力机叶片材料的寿命损耗及其剩余寿命的在线监测是非常有必要的。风力机叶片的材料大部分为树脂基复合材料，叶片一旦投入运行，在各种外界因素和载荷的影响、作用下，叶片材料会发生老化，叶片材料寿命发生损耗，剩余寿命逐渐缩短。在已有的检测叶片材料寿命损耗的方法中，要么需要停机对叶片材料进行检测，要么需要从叶片上切割部分材料做为试件返回实验室进行分析检测。这些方法的检测成本高，且可能造成叶片本身的损伤。工程中需要找到一种既不影响风力机组运行又不对叶片造成损伤的叶片材料寿命损耗在线监测方法，实时评价叶片材料的寿命损耗情况，对叶片的剩余寿命做出预测与评估的新方法。

已有研究成果表明，风力机叶片材料全部损耗的寿命中，先天因素、环境因素、运行因素和维护因素造成的寿命损耗均占一定的比例。研究复合材料寿命损耗的途径主要是通过探索疲劳损伤的微观机理，通过宏观表象来描述损伤。从唯象的角度考虑，剩余强度、剩余刚度和其他机械量的退化可以描述材料的寿命损伤。在循环应力作用下，随着循环次数的增加，材料的刚度会下降，强度降低。特别是，刚度随材料的损伤而单调下降，因此能够用刚度来描述材料的损伤状态。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提供一种原理简单、易于实现、无损、动态、可实施实时监测的基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测系统，主要是基于叶片模态频率变化来完成叶片材料寿命损耗的在线监测。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种基于叶片模态频率变化检测的叶片材料寿命损耗在线监测装置，其包括：

传感器，安装在风力机叶片的表面，用来采集风力机叶片的振动信号；

数据采集器，传感器采集的叶片振动信号经过电荷放大器的放大后送入数据采集器，以获得振动信号的数字信号；

WiFi信号发射器，用来将数据采集器得到的振动信号转换为无线信号并发送；

信号接收器，用来接收到振动信号的WiFi信号，并发送给处理单元；

处理单元，用来对风力机叶片的振动数字信号进行处理与变换，并通过通信模块传输至监测中心。

作为本实用新型的进一步改进，所述传感器为压电加速度传感器。

作为本实用新型的进一步改进，所述信号接收器安装在风力机机舱内。

作为本实用新型的进一步改进，所述叶片中的WiFi信号发射器的供电取自风力机叶片的变桨系统。

作为本实用新型的进一步改进，所述风力机为小型风力机时，每根叶片安装2～3个振动测点。

作为本实用新型的进一步改进，所述风力机为中型风力机时，每根叶片安装3～5个振动测点。

作为本实用新型的进一步改进，所述风力机为大型风力机时，每根叶片安装5～7个振动测点。

作为本实用新型的进一步改进，所述风力机叶片的叶尖部位安装一个传感器，且该传感器的信号将作为其它传感器的信号的参考信号。

作为本实用新型的进一步改进，所述传感器为多个且在风力机叶片上等距离安装。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1、本实用新型的基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测系统，主要是基于叶片模态频率变化来完成叶片材料寿命损耗的在线监测，原理简单、易于实现，通过检测叶片模态参数的变化来反推叶片材料刚度的变化，通过叶片材料刚度的变化反推叶片材料寿命损耗量。

2、本实用新型的基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测系统，所需振动传感器测点数量少，成本低、易实现。

3、本实用新型的基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测系统，是一种无损、动态、实时监测方法，由于采用叶片的随机振动信号，因此无需测量风力机其它运行参数信号，也无需测量其它环境参数信号。同时，本实用新型可以实现风力机叶片寿命损耗的无损检测，不会对叶片造成新的损伤。

4、本实用新型的基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测系统，通过建立叶片结构模态参数变化量与叶片材料寿命损耗量之间的关系，借助材料技术、计算机技术、信号分析技术、网络技术，找到一种实时监测风力机叶片材料可靠性的方法与技术措施，实现实时监测风力机叶片材料的寿命损耗和剩余寿命的目的。

5、本实用新型的基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测系统，该方法利用 风力机叶片上已经安装的振动传感器输出的振动信号，通过理论计算模型和计算机软硬件系统共同组成的提取叶片前3阶模态参数，计算前3阶模态频率的变化量，推算出叶片的刚度变化量，然后推算出叶片材料寿命损耗量及叶片材料当前剩余寿命。本实用新型提出的方法，不仅传感器布置简单方便，而且可在风力发电机组运行过程中对其叶片的寿命损耗和剩余寿命进行实时监测与评估，能够及时准确地反映出叶片的运行可靠性情况，为风力发电机组的可靠运行提供有力保障。

附图说明

图1是本实用新型的拓扑结构示意图。

图2是本实用新型在具体应用时系统工作原理示意图。

图3是本实用新型在具体应用中处理单元的处理流程示意图。

图例说明：

1、风力机叶片；2、传感器；3、数据采集器；4、处理单元；5、WiFi信号发射器；6、电荷放大器；7、信号接收器；8、监测中心；9、通信模块。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型进一步提供一种基于叶片模态频率变化检测的叶片材料寿命损耗在线监测系统，主要是基于叶片模态频率变化来完成叶片材料寿命损耗的在线监测，包括：

传感器2，安装在风力机叶片1的表面，用来采集风力机叶片的振动信号；在具体应用实例中，传感器2可以根据实际需要采用压电加速度传感器。

数据采集器3，传感器2采集的叶片振动信号经过电荷放大器6的放大后送入数据采集器3，以获得振动信号的数字信号。

WiFi信号发射器5，用来将数据采集器3得到的振动信号转换为无线信号并发送。

信号接收器7，用来接收到振动信号的WiFi信号，并发送给处理单元4；在具体应用实例中，信号接收器7也可以根据实际需要安装在风力机机舱内。

处理单元4，用来对风力机叶片1的振动数字信号进行一系列处理与变换，并通过通信模块传输至监测中心。在具体应用实例中，处理单元4可以根据实际需要直接选用计算机。

本实用新型上述技术方案的功能实现关键在于信号的采集与传输。其中采集设备由放置在叶根部位的数据采集器3(NI 9205)代替传统的数据采集卡进行A/D转换，用来减少线路的浪费，然后将转换后的数据传输给WiFi信号发射器5。信号传输部分分为WiFi信号发射器5(NI cDAQ-9191)与信号接收器7(无线网卡)，通过这两个模块解决采集叶片信号时发生线缠绕的问题。

在具体应用过程中，本实用新型通过压电式加速度传感器(Bz1106)拾取叶片振动信号，将振动加速度信号转换为电信号，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

在具体应用过程中，本实用新型选择与传感器2(Bz1106)配套的(BZ2666)系列程控电荷放大器6将传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、隔离噪音来提高信号的精度，变成标准的电流信号或标准的电压信号输出，确保信号在从风力机传输到控制室时不失真和衰减。

在具体应用过程中，本实用新型选用NI公司生产的数据采集器3(NI9205)将电荷放大器6输出的标准范围的模拟振动信号转换为数字信号，然后通过WiFi信号发射器5以数字信号进行无线传输。

在具体应用过程中，本实用新型通过WiFi信号发射器5(NI cDAQ-9191)将采集获得的振动数字信号转换成无线信号发出；再通过信号接收器7接收到无线数字信号，然后再传输到上位机。

在具体应用过程中，本实用新型将监检测到的叶片振动信号通过通信模块9传输至监测中心8，用户可以在风电场局域网内或在能访问Internet的任何地方，通过Web方式进入风力机叶片状态监测与故障诊断系统，监视风力机叶片1的运行情况，分析叶片的健康状况、寿命损耗情况。

在具体应用过程中，本实用新型通过数据采集器3(NI9205)将模拟信号转换成数字信号，再通过WiFi信号发射器5进行信号调制转换成无线信号发出。信号调制就是用一个信号(调制信号)去控制另一作为载体的信号(载波信号)，让后者的某一参数(幅值、频率、相位、脉冲宽度等)按前者的值变化。信号调制中常以一个高频正弦信号作为载波信号。再通过信号接收器7接收到无线数字信号，在这个过程中也需要通过解调器将调制在高频数字信号中的低频数字信号进行还原，然后再传输到上位机。且本实用新型通过RS485电缆实现机舱到风场主控室的数据传输，解决远距离传输信号衰减的问题，实现用户多路同时通讯，增强系统的稳定性。基于Wi-Fi技术的无线设备虽能提供更高的数据传输率，但会带来较大的功耗。因为在Wi-Fi网络中，接入点往往需要电源驱动。但从工程实际考虑，目前，在大型风力机组中的变桨系统中有24V控制电源、单相UPS电源和三相动力电源。叶片中的无线采集设备的供电可取自风力机叶片的变桨系统。

进一步，本实用新型只需提取风力机叶片1的最低三阶模态频率，且不需要提取具体的模态振型，所以，安装在风力机叶片1上振动传感器2的数量大为减少，一般来讲：小型风力机每根叶片安装2～3个振动测点，中型风力机每根叶片安装3～5个振动测点，大型风力机每根叶片安装5～7个振动测点。其中，叶尖部位需要安装一个振动加速度传感器2，该传 感器2的信号将作为其它传感器的信号的参考信号。振动传感器2可在风力机叶片1上等距离安装。

如图2所示，本实用新型的工作流程为：

(1)用户登陆：用户通过设定密码登入系统。

(2)帮助：系统中关于数据采集中各通道的采样参数该如何设置进行解释。

(3)显示：该功能模块主要是呈现各个后台分析模块的分析结果，包括：叶片当前各振动测点的振动时域波形、振动信号功率谱显示、振动信号趋势显示，等。

(4)操作：可以对数据采集的相关参数进行设置；对无线设备所采集的叶片振动数据进行存储。

(5)诊断：主要负责完成叶片寿命损耗率诊断分析，材料剩余寿命诊断分析，叶片当前风险评估。

如图3所示，在处理单元4中，其对于信号的处理过程为：

S1：检测和采集风力机叶片的振动加速度信号；

S2：利用采集的叶片振动加速度信号，计算叶片的实际低阶模态频率；

S3：计算出实际叶片低阶模态频率的平方与新机组投运时同一运行工况下的模态频率的平方差；

S4：利用模态频率的平方差的相对变化量得出叶片挥舞方向的模态刚度相对变化量；

S5：利用叶片挥舞方向模态刚度的相对变化量得出叶片材料的寿命损耗率。

本实用新型在实际应用时，其系统的动能实现是通过结合虚拟仪器labview进行程序设计而成，根据所需要采集的信号信息对采集参数进行设置，通过时域分析、功率谱分析、互功率谱分析等提取叶片模态参数及其变化量，再推算出叶片材料的刚度变化量，然后推算出叶片材料的寿命损耗量，通过历史数据分析对叶片的运行风险进行评估。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测系统，其特征在于，包括：

传感器，安装在风力机叶片的表面，用来采集风力机叶片的振动信号；

数据采集器，传感器采集的叶片振动信号经过电荷放大器的放大后送入数据采集器，以获得振动信号的数字信号；

WiFi信号发射器，用来将数据采集器得到的振动信号转换为无线信号并发送；

信号接收器，用来接收到振动信号的WiFi信号，并发送给处理单元；

处理单元，用来对风力机叶片的振动数字信号进行处理与变换，并通过通信模块传输至监测中心。

2.根据权利要求1所述的基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测系统，其特征在于，所述传感器为压电加速度传感器。

3.根据权利要求1所述的基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测系统，其特征在于，所述信号接收器安装在风力机机舱内。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测系统，其特征在于，所述叶片中的WiFi信号发射器的供电取自风力机叶片的变桨系统。

5.根据权利要求1～3中任意一项所述的基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测系统，其特征在于，所述风力机为小型风力机时，每根叶片安装2～3个振动测点。

6.根据权利要求1～3中任意一项所述的基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测系统，其特征在于，所述风力机为中型风力机时，每根叶片安装3～5个振动测点。

7.根据权利要求1～3中任意一项所述的基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测系统，其特征在于，所述风力机为大型风力机时，每根叶片安装5～7个振动测点。

8.根据权利要求1～3中任意一项所述的基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测系统，其特征在于，所述风力机叶片的叶尖部位安装一个传感器，且该传感器的信号将作为其它传感器的信号的参考信号。

9.根据权利要求8所述的基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测系统，其特征在于，所述传感器为多个且在风力机叶片上等距离安装。