CN218598303U - 一种风机叶片载荷监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种载荷监测装置，用于监测风机叶片的载荷，包括：测量装置底板和用于安装测量单元的U形支架；测量装置底板和风机叶片采用相同的材料制作，且所述测量装置底板粘接在所述风机叶片表面；所述测量装置底板的表面粘接有护罩，以将所述的测量单元密封在所述测量装置底板和护罩之间；所述的测量单元包括闪耀光栅芯片和准直器；所述U形支架用于安装所述的闪耀光栅芯片和准直器，所述准直器的入光侧接收光源信号，所述准直器的出光侧用于将准直后的光源信号输出至所述闪耀光栅芯片。本装置能够稳定捕捉叶片的形变，从而准确地、高精度地获得叶片的载荷变化；且适于在各种恶劣环境下工作，能够稳定的对风机叶片载荷进行长期跟踪。

Description

一种风机叶片载荷监测装置

技术领域

本实用新型涉及载荷测量技术领域，具体涉及一种风机叶片载荷监测装置。

背景技术

风机叶片是风力发电机组的关键组成部件之一，叶片健康是整个风力发电机组安全可靠运行的前提。由于风机运行自然环境严酷，叶片承受各种复杂交变的应力耦合作用，不可避免的会出现结构损伤等问题。由于风力发电机组通常安装在交通不变的区域，因此实时地、准确地监测其运行状态是有效降低其维护成本的途径。相关技术中的叶片测量装置安装时需要破坏叶片的完整性，从而导致叶片强度变低而影响寿命。更为严重的是，此类测量装置在长期监测过程中容易蠕变，而产生温度漂移与零点漂移等问题，稳定性差，难以准确监测风机叶片的状态。同时，此类测量装置的测量精度也难以符合使用要求。为此，需要设计一种能够稳定的、准确的、高精度的监测风机叶片的载荷测量装置。

实用新型内容

为了克服相关技术中诸多问题中的至少一者，本实用新型提供了一种风机叶片载荷监测装置。

所述的装置包括：测量装置底板和用于安装测量单元的U形支架；

所述测量装置底板和风机叶片采用相同的材料制作，且所述测量装置底板粘接在所述风机叶片表面；

所述测量装置底板的表面粘接有护罩，以将所述的测量单元密封在所述测量装置底板和护罩之间；

所述的测量单元包括闪耀光栅芯片和准直器；

所述U形支架用于安装所述的闪耀光栅芯片和准直器，所述准直器的入光侧接收光源信号，所述准直器的出光侧用于将准直后的光源信号输出至所述闪耀光栅芯片。

可选的一个实施例中，所述护罩的一个侧面上连接有出缆接口，一条光纤通过所述出缆接口伸入所述监测装置内并与所述准直器的入光侧连接以实现信号的传输。

可选的一个实施例中，所述的测量装置底板和风机叶片均采用玻璃钢制作。

可选的一个实施例中，所述的护罩采用TPV(英文名：ThermoplasticVulcanizate，中文名：热塑性硫化橡胶)材料制作。

可选的一个实施例中，所述U形支架的一条侧壁上形成有斜面，所述闪耀光栅芯片粘接在所述斜面上；所述闪耀光栅芯片上设置有若干微镜片，经过准直器的光源信号照射至所述微镜片，并经过所述微镜片对入射光波长选择性反射后进入准直器且被信号接收模块采集。

可选的一个实施例中，所述的U形支架上设置有多个强度弱化部，所述强度弱化部对称设置在U形支架的左右两侧。

可选的一个实施例中，所述U形支架的高度大致为10毫米，准直器装配后与U形支架间的距离大致为0.1毫米。

可选的一个实施例中，所述的准直器通过准直器支架安装在所述U形支架上，且可通过准直器支架调整准直器的位姿。

可选的一个实施例中，所述的准直器和准直器支架采用镀金处理，且准直器和准直器支架通过焊接连接。

可选的一个实施例中，所述护罩的内腔中还设置有软管，所述的软管套设在闪耀光栅芯片和准直器之间以密封两者之间的间隙。

本实用新型的技术方案具有如下优点或有益效果：

(1)所述的叶片载荷测量装置设置有U形支架，并在U形支架上集成有闪耀光栅芯片、准直器等器件，并采用光学测量原理以捕捉被测物体的变形量，极大的提高了测量精度和测量灵敏度。本实用新型的装置适用于各种强磁场环境，以及室外恶劣环境等特殊环境，而且适合长期工作，有效解决了风机叶片工作环境恶劣，无法准确测量其载荷的问题。所述测量装置底板和风机叶片采用相同的材料制作，可以使风机叶片在受力变形时，通过底板传输给U形支架的变形与叶片变形是完全一致的，提高了测量载荷的准确性。所述测量装置底板粘接在所述风机叶片表面，有效解决了测量装置安装复杂的问题，保证了叶片的完整性。所述测量装置底板的表面粘接有护罩，以将所述的测量单元密封在所述测量装置底板和护罩之间；其提高了对器件的密封性，避免水汽等污染物进入测量装置内；并且粘接材料能够有效填充护罩和底板间的间隙，所述粘接材料也不会影响底板的结构强度，使其能够稳定而准确的跟随叶片的形变而形变。

(2)一个实施例中闪耀光栅芯片为MEMS工艺制造芯片，其上设置有若干微镜片，经过准直器的光源信号照射至所述微镜片。由于采用MEMS微纳制造技术，将微小的反射镜面组成所述闪耀光栅芯片上，进一步使得本实用新型能够实现微小角度的测量，并通过角度量和载荷量的标定实现对载荷的精确测量。

(3)所述的护罩采用TPV材料，该材料具有优良的弹性与耐压缩变形性，耐温范围广，符合风机叶片的工作温度，软硬度适中，比重轻。因此，TPV材料制作的护罩不会影响U形支架跟随叶片变形的灵敏度，确保了装置对载荷的测量精度和准确度。

(4)通过在U形支架上预留安装闪耀光栅芯片的斜面，并通过粘接方式固定闪耀光栅芯片于所述斜面上，使的闪耀光栅芯片近似于与U形支架形成一体化结构，进而可以保证芯片与U形支架保持100％的跟随性，减小了迟滞性误差。

(5)将U形支架设置为10mm左右可以小型化测量装置，同时准直器与U型条间隙设置为0.1mm左右，可以使测量装置在测量范围内大大降低弯矩带来的影响，提高测量的准确性。

附图说明

附图用于更好地理解本实用新型，不构成对本实用新型的不当限定。其中：

图1是根据本实用新型实施例的载荷监测装置的剖视示意图；

图2是根据本实用新型实施例的载荷监测装置的轴测示意图；

图3是根据本实用新型实施例的载荷监测装置的俯视示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的示范性实施例做出说明，其中包括本实用新型实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本实用新型的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

为了解决背景技术中的至少一个问题，本公开实施例提供一种载荷监测装置，其用于监测风机叶片的载荷，包括：测量装置底板和用于安装测量单元的U形支架；所述测量装置底板和风机叶片采用相同的材料制作，且所述测量装置底板粘接在所述风机叶片表面；所述测量装置底板的表面粘接有护罩，以将所述的测量单元密封在所述测量装置底板和护罩之间；所述的测量单元包括闪耀光栅芯片和准直器；所述U形支架用于安装所述的闪耀光栅芯片和准直器，所述准直器的入光侧接收光源信号，所述准直器的出光侧用于将准直后的光源信号输出至所述闪耀光栅芯片。

风机叶片是风机组件的核心部件，其工作环境恶劣、严酷，叶片因承受各种复杂的交变应力耦合作用，常会存在各种损伤问题。因此，如何实时、准确的测量其载荷对监测叶片的健康非常重要。实践中，因为风机常安装在交通不便的地区，如果无法及时发现叶片的问题，将导致风力发电机组的损毁，最终影响工作效率和维修成本。现实中，常规的载荷测量装置在长期使用过程中会存在蠕变而产生温度漂移或零点漂移等问题，因此难以提供令人满意的测量精度，或者测量的灵敏度欠佳。并且，为了安装此类测量装置，常常需要在叶片上开设安装孔、槽等结构，其将极大的破坏叶片的完整性，进而导致叶片的结构强度降低，影响使用寿命。为此，本公开提供了一种采用光学测量原理的载荷测量装置，且不需要破坏叶片完整性即可完成安装，极大的提高了测量效果和安装难度。示例性的，如图1所示，所述的载荷监测装置包括：测量装置底板107和用于安装测量单元的U形支架101；所述的底板和U形支架构成了测量装置的主体框架结构，具体的，所述的底板为测量装置的主体支撑结构，而U形支架为各种测量元件提供支撑。所述测量装置底板和风机叶片采用相同的材料制作，且所述测量装置底板粘接在所述风机叶片表面。优选的，所述的测量装置底板和风机叶片均采用玻璃钢制作。需要说明的是，本公开的该实施例为了能够准确测量风机叶片的载荷，其需要敏锐捕捉叶片的形变。可以理解，本公开的底座用于安装测量装置，当其不能与被安装目标表面同步变形时，将极大的影响测量结果的准确性。因此，该实施例将叶片材料与测量装置的底板选用同种材料，可以使风机叶片在受力变形时，所述底板能够同步跟随叶片的形变，且保持变形的一致性，提高了测量载荷的准确性。另外，该实施例中进一步将底板粘接在所述叶片表面，从而有效避免了需要破坏叶片整体完整性的安装问题。并且，粘接材料的厚度小，其可以保证测量装置近乎直接安装风机叶片上，从而提高测量的准确性。进一步的，所述测量装置底板的表面粘接有护罩106，以将所述的测量单元密封在所述测量装置底板和护罩之间。示例性的，所述的护罩采用柔性材料制作，其能够在叶片变形时同步发生变形，避免其结构强度过大而影响载荷测量准确性。另外，考虑到风机叶片工作环境恶劣的问题，所述的护罩能够有效保护其内部元器件的安全性。所述的测量单元包括闪耀光栅芯片102和准直器103；所述U形支架101用于安装所述的闪耀光栅芯片102和准直器103，所述准直器的入光侧接收光源信号，所述准直器的出光侧用于将准直后的光源信号输出至所述闪耀光栅芯片。上述结构设置，使得通过底板传输给U形支架的变形与叶片变形是完全一致的，进而所述叶片的形变被闪耀光栅芯片捕捉，采用光学测量原理以捕捉被测物体的微小变形量，并通过标定变形量与载荷之间的映射关系即可得到所述叶片的实时载荷。通过试验测量，本实施例的载荷测量装置相较于传统的测量装置在灵敏度上可提高近一倍左右，并且精度提升50％左右。另外，本公开采用无源的光纤载荷测量单元，使得本实用新型的装置适用于各种强磁场环境，以及室外高湿度、高盐度等恶劣环境等特殊环境，而且适合长期工作。

可选的一个实施例中，所述护罩的一个侧面上连接有出缆接口104，所述的出缆结构可采用螺纹连接的方式与护罩连接，以降低两者之间的连接难度。一条光纤105通过所述出缆接口伸入所述监测装置内并与所述准直器103的入光侧连接以实现信号的传输。可选的，本公开的光源信号由扫描光源发出。

可选的一个实施例中，所述的U形支架的左右两侧分别设置有左侧固定支座和右侧固定支座，两个固定支座通过粘接或焊接方式安装于所述底板107上。此种连接方式有效增大粘贴或者焊接接触面，进而增强固定面的牢固性。优选的实施例中，所述U形支架与所述底板通过UHU胶水连接。

可选的一个实施例中，所述的护罩采用TPV材料制作。所述的TPV材料是一种硫化橡胶类材料。该材料具有优良的弹性与耐压缩变形性，不会影响U形支架跟随叶片变形的灵敏度。其耐温范围广为-60～150℃，符合测量装置的工作温度要求。该材料的软硬度适中，比重轻，是一款优良的密封材料。因此，将其应用在本公开的监测装置中，能够为内部的测量元器件提供良好的密封性能，且不影响测量的测量精度和灵敏度。

可选的一个实施例中，所述U形支架的一条侧壁上形成有斜面，如图1中所示的左侧壁上形成有斜面。所述闪耀光栅芯片粘接在所述斜面上，优选的实施例中，所述闪耀光栅芯片与所述U形支架通过353ND胶水粘接。所述闪耀光栅芯片上设置有若干微镜片，经过准直器的光源信号照射至所述微镜片，并经过所述微镜片对入射光波长选择性反射后进入准直器且被信号接收模块采集。一个示例中，为了实现对叶片载荷的高灵敏度、高精度测量效果，U形支架在设计时预留了MEMS闪耀光栅芯片的粘接斜面，当芯片粘接在所述斜面上时，可近似看做所述芯片与U形支架为一体化设计。此时，当U形支架接收载荷信号时，也即U形支架随叶片变形时，所述芯片可以保持100％的跟随性，减少了迟滞性误差。由此可见，通过在U形支架上预留斜面来安装所述芯片能够保证测量装置的灵敏度，同时配合所述芯片的光学测量原理能够保证测量装置的测量精度。本实用新型的一个实施例中采用MEMS闪耀光栅芯片。所述的MEMS闪耀光栅芯片(或称作MEMS工艺制造的闪耀光栅芯片)可通过对硅片的湿法腐蚀得到。光栅是最有效的色散分光器件，用于传感测量的闪耀光栅设计主要考虑光谱分辨率，输出线宽越窄越好，以便于后续信号解调获得更高的波长分辨率和波长精度。此外，为了在单个硅片一次批量制造出更多的MEMS敏感芯片从而降低单个芯片的成本，以及实现光纤MEMS传感器的微小型化封装，闪耀光栅需要具有毫米级的小尺寸。本公开一个实施例中采用的闪耀光栅具有高响应速率，长距离传输以及易复用的特点，适用于强电磁干扰环境及腐蚀环境等。因此，本公开展示的测量装置可广泛应用在分布传感、实时信号长距离传输、环境恶劣、电源供应受限等场合。实际使用时，光源信号经过准直器准直后照射至所述微镜片，并经过所述微镜片对入射光波长选择性反射后进入准直器且被信号接收模块采集。通过分析微镜片选择性反射的波长即可计算出对应的角度，进而获得被测物体的弯折角度。进一步的，通过标定测量装置的角度与载荷量之间的映射关系，即可通过MEMS闪耀光栅芯片测量角度而获得被测物体的受到的载荷。换言之，该实施例中公开了如何通过测量角度而获得被测物体的载荷。

可选的一个实施例中，所述的U形支架上设置有多个强度弱化部，所述强度弱化部对称设置在U形支架的左右两侧。实践中，当监测装置的结构强度较大，尤其是U形支架的结构强度较大时，所述的监测装置对微小角度变化量不敏感，难以捕捉到被测物体的细微变化。为此，本公开的一个实施例中，在U形支架的至少一个位置上设置有强度弱化结构以提高其对微小位移或角度的测量灵敏性。具体的，如图1所示，可在U形支架的各个弯折处设置强度弱化结构。设置所述的强度弱化结构的目的是降低U形支架的拉伸强度，进而在被测量物体的微小形变条件下，支撑梁就会发生较大的位移形变或角度形变。示例性的，所述的强度弱化结构可以是半圆形的凹陷结构，此处仅是一种举例，不对强度弱化结构的具体设计做限定。

可选的一个实施例中，所述U形支架的高度大致为10毫米，准直器装配后与U形支架间的距离大致为0.1毫米。通过降低U形支架的高度能够使测量装置的体积减小，达到器械小型化的目。一个实施例中，将U形支架的整体高度控制在10mm左右。进一步的，通过优化U形支架与准直器之间的距离，能够降低弯矩对测量结果的影响，提高测量精度。但考虑到装配难度而带来的生产成本提高的问题，本公开的一个示例中，将准直器与U形支架间的距离设置为0.1mm左右，以避免安装难度过大的问题。具体的，准直器支架在设计时，将开孔拉低，准直器与准直器支架调整好角度并焊接后，准直器与U形支架间的间隙可达到0.1mm左右。该间隙距离的设置可以使测量装置在测量范围内大大降低弯矩带来的影响，提高测量的准确性。

可选的一个实施例中，所述的准直器通过准直器支架108安装在所述U形支架上，且可通过准直器支架调整准直器的位姿。一个实施例中，为了精确采集被测量物体引起的光源信号传输的变化，而将准直器固定在U形支架的顶部。一个实施例中，通过在U形支架的顶部上设置安装位，然后将固定准直器的准直器支架装配于所述安装位处。另外，所述的准直器支架能够调整准直器的位姿，从而使准直器的出射光基本平行。可以理解的是，准直器支架极大的降低了准直器的安装和调整难度，使得测量装置易于生产。同时，通过合理设计准直器支架各个特征的尺寸和布局，能够使安装后的准直器与U形支架间具有较小的间距，从而降低了准直器的安装难度，并提高监测装置的测量精度。

可选的一个实施例中，所述的准直器和准直器支架采用镀金处理，且准直器和准直器支架通过焊接连接。在调节好准直器的角度和位置后，需要对其进行固定。当采用诸如胶水等温度系数较大粘性物质粘接准直器时，其会直接影响准直器的固定角度和位置，进而无法获得预期的安装姿态和位置。为此，本公开的一个实施例中，先对准直器支架和准直器进行镀金处理，再对两者进行焊接固定。所述的镀金材料可以为金属或者合金，所述的合金可以为可伐合金等。

可选的一个实施例中，所述护罩的内腔中还设置有软管，所述的软管套设在闪耀光栅芯片和准直器之间以密封两者之间的间隙。一个实施例中，为了避免芯片表面和准直器的表面被污染而影响测量精度，尤其是水汽进入芯片表面或者准直单元的表面而影响光信号的传输，而在U形支架的斜面和准直器之间设置软管。所述的软管具有足够的挠性，其能够随被测量物体的位移或角度的变化而变化，降低对U形支架形变的影响，确保测量装置的测量灵敏度和精度。

上述具体实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限制。本领域技术人员在考虑说明书及实践本申请公开的技术方案后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种载荷监测装置，其用于监测风机叶片的载荷，包括：测量装置底板和用于安装测量单元的U形支架；

其特征在于：

所述测量装置底板和风机叶片采用相同的材料制作，且所述测量装置底板粘接在所述风机叶片表面；

所述测量装置底板的表面粘接有护罩，以将所述的测量单元密封在所述测量装置底板和护罩之间；

所述的测量单元包括闪耀光栅芯片和准直器；

所述U形支架用于安装所述的闪耀光栅芯片和准直器，所述准直器的入光侧接收光源信号，所述准直器的出光侧用于将准直后的光源信号输出至所述闪耀光栅芯片。

2.根据权利要求1所述的载荷监测装置，其特征在于，

所述护罩的一个侧面上连接有出缆接口，一条光纤通过所述出缆接口伸入所述监测装置内并与所述准直器的入光侧连接以实现信号的传输。

3.根据权利要求1所述的载荷监测装置，其特征在于，

所述的测量装置底板和风机叶片均采用玻璃钢制作。

4.根据权利要求1所述的载荷监测装置，其特征在于，

所述的护罩采用TPV材料制作。

5.根据权利要求1所述的载荷监测装置，其特征在于，

所述U形支架的一条侧壁上形成有斜面，所述闪耀光栅芯片粘接在所述斜面上；所述闪耀光栅芯片上设置有若干微镜片，经过准直器的光源信号照射至所述微镜片，并经过所述微镜片对入射光波长选择性反射后进入准直器且被信号接收模块采集。

6.根据权利要求1所述的载荷监测装置，其特征在于，

所述的U形支架上设置有多个强度弱化部，所述强度弱化部对称设置在U形支架的左右两侧。

7.根据权利要求1所述的载荷监测装置，其特征在于，

所述U形支架的高度大致为10毫米，准直器装配后与U形支架间的距离大致为0.1毫米。

8.根据权利要求1所述的载荷监测装置，其特征在于，

所述的准直器通过准直器支架安装在所述U形支架上，且可通过准直器支架调整准直器的位姿。

9.根据权利要求8所述的载荷监测装置，其特征在于，

所述的准直器和准直器支架采用镀金处理，且准直器和准直器支架通过焊接连接。

10.根据权利要求1所述的载荷监测装置，其特征在于，

所述护罩的内腔中还设置有软管，所述的软管套设在闪耀光栅芯片和准直器之间以密封两者之间的间隙。

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