[發明專利]一種風機葉片模態參數的無線監測系統以及方法

有效

• 申請號: 201310029710.2
• 申請日: 2013-01-25
• 公開（公告）號: CN103063428A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發明（設計）人: 于遲;董禮;王千;王海龍
• 申請（專利權）人: 國電聯合動力技術有限公司
• 主分類號: G01M13/00
• 分類號: G01M13/00;G01H11/06;G08C17/02
• 代理公司: 北京方韜法業專利代理事務所 11303
• 代理人: 遆俊臣

技術領域

本發明涉及風力發電技術領域，特別是涉及一種風機葉片模態參數的無線監測系統以及方法。

背景技術

風機機組是將風能轉化為電能的大型電力設備，而葉片是風機機組捕獲風能的主要部件，風機機組在運行過程中要承受很大范圍的載荷波動。由復合材料制造的水平軸風機機組的葉片，在風機機組的長期運行過程中，葉片的材料力學性能會發生變化，以致出現風機機組捕風能力下降，功率損失和葉片斷裂的現象，造成巨大的經濟損失。如果能對葉片的力學特性進行監測，則可以通過模態參數實時評估葉片的工作特性，避免葉片的疲勞損傷。

目前，對風機葉片進行模態測試局限于產品出廠前進行的非工況條件下的測試，此測試方法用臺架固定葉片，由激振器發出激勵信號，通過應變片陣列采集各部位的響應信號，再利用計算機仿真計算得到模態參數。也有技術人員利用激光測振技術對運行的風機葉片進行模態測試，但該測試方法要求風力機停機，將激光測振儀放置在塔筒周圍一定距離內，確定好激光束仰角，將激光束陣列投射在葉片上，然后記錄葉片振動的激光信號，通過對信號的分析計算，得到葉片的振動響應即模態參數。上述兩種方法雖然能夠較準確地測量葉片模態參數，但都存在一定缺陷。前者只能在實驗環境下進行試驗，不能實現工況下的模態測試；后者需要對風機進行停機，而且不便進行長期監測。

由此可見，現有的對葉片模態參數測試儀器及方法，在結構和使用上都存在明顯的不足和缺陷，亟待進一步改進，因此，如何創設一種在風機機組運行過程中對葉片模態參數進行實時測量的無線監測系統以及方法，實屬當前研發的重要課題之一。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種風機葉片模態參數的無線監測系統以及方法，使其可在工況下檢測葉片振動獲得葉片實時模態參數，利用無線傳感器技術實現振動數據的傳輸，無需外接電源，安裝簡單，不影響風機正常運行，且對風機機組不構成電磁干擾，從而克服現有技術的不足。

為解決上述技術問題，本發明提供一種風機葉片模態參數的無線監測方法，包括以下步驟：A、按照周期，采集葉片的振動加速度信號；B、將步驟A采集的信號處理得到數字信號；C、對步驟B得到的數字信號進行處理得到葉片的模態參數，同時讀取風機風速和變槳數據；D、儲存步驟C得到的數據，并傳輸至遠程分析終端；E、對數據進行分析計算，得到葉片固有頻率和振型。

作為進一步的改進，所述步驟A的采樣時間大于30s。

所述的加速度信號通過三個方向采集，分別為：垂直于葉片表面指向外側的x軸方向，平行于葉片指向輪轂的y軸方向，以及z軸方向。

所述步驟A、B由傳感器完成，步驟C、D由協調器完成，傳感器與協調器之間采用ZigBee無線通信協議傳輸數據，并通過星形網絡拓撲結構組網。

所述的傳感器采用太陽能電池供電，當該電池電壓不足時，協調器指令傳感器進入休眠模式。

所述步驟C中，葉片的模態參數通過傅里葉變換計算得到。

所述步驟D中通過GPRS無線通信網絡傳輸至遠程分析終端。

所述步驟A的采樣頻率為50Hz-200Hz。

此外，本發明還提供一種風機葉片模態參數的無線監測系統，包括協調器和固定安裝在葉片上的一個以上傳感器，其中：傳感器包括單片機，通過模數轉化電路與單片機連接的加速度傳感器，與模數轉化電路、單片機連接的信號調理電路，與單片機連接的ZigBee模塊、收發轉換電路、電源電路，以及與收發轉換電路、ZigBee模塊連接的天線模塊；協調器包括單片機，與單片機連接的ZigBee模塊、存儲裝置、串口通信模塊、收發轉換電路、電源電路,與單片機、儲存裝置連接的GPRS模塊，以及與收發轉換電路、ZigBee模塊連接的天線模塊；傳感器與協調器通過ZigBee模塊通信連接。

作為進一步改進，所述傳感器和協調器的天線模塊均包括功率放大電路以及與功率放大電路連接的天線、阻抗匹配電路。

所述傳感器的電源電路包括電源，與電源連接的穩壓電路，以及與電源、單片機連接的電壓監測電路。

所述電源采用太陽能電池。

所述協調器的電源電路包括電源以及與電源、單片機連接的穩壓電路。

所述加速度傳感器采用3軸低頻電容式加速度傳感器。

所述協調器的ZigBee模塊中連接有低噪聲功率放大電路和帶通濾波電路。

采用以上設計后，本發明與現有技術比較有以下有益技術效果：