[发明专利]一种风机叶片模态参数的无线监测系统以及方法

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种风机叶片模态参数的无线监测系统以及方法。

背景技术

风机机组是将风能转化为电能的大型电力设备，而叶片是风机机组捕获风能的主要部件，风机机组在运行过程中要承受很大范围的载荷波动。由复合材料制造的水平轴风机机组的叶片，在风机机组的长期运行过程中，叶片的材料力学性能会发生变化，以致出现风机机组捕风能力下降，功率损失和叶片断裂的现象，造成巨大的经济损失。如果能对叶片的力学特性进行监测，则可以通过模态参数实时评估叶片的工作特性，避免叶片的疲劳损伤。

目前，对风机叶片进行模态测试局限于产品出厂前进行的非工况条件下的测试，此测试方法用台架固定叶片，由激振器发出激励信号，通过应变片阵列采集各部位的响应信号，再利用计算机仿真计算得到模态参数。也有技术人员利用激光测振技术对运行的风机叶片进行模态测试，但该测试方法要求风力机停机，将激光测振仪放置在塔筒周围一定距离内，确定好激光束仰角，将激光束阵列投射在叶片上，然后记录叶片振动的激光信号，通过对信号的分析计算，得到叶片的振动响应即模态参数。上述两种方法虽然能够较准确地测量叶片模态参数，但都存在一定缺陷。前者只能在实验环境下进行试验，不能实现工况下的模态测试；后者需要对风机进行停机，而且不便进行长期监测。

由此可见，现有的对叶片模态参数测试仪器及方法，在结构和使用上都存在明显的不足和缺陷，亟待进一步改进，因此，如何创设一种在风机机组运行过程中对叶片模态参数进行实时测量的无线监测系统以及方法，实属当前研发的重要课题之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种风机叶片模态参数的无线监测系统以及方法，使其可在工况下检测叶片振动获得叶片实时模态参数，利用无线传感器技术实现振动数据的传输，无需外接电源，安装简单，不影响风机正常运行，且对风机机组不构成电磁干扰，从而克服现有技术的不足。

为解决上述技术问题，本发明提供一种风机叶片模态参数的无线监测方法，包括以下步骤：A、按照周期，采集叶片的振动加速度信号；B、将步骤A采集的信号处理得到数字信号；C、对步骤B得到的数字信号进行处理得到叶片的模态参数，同时读取风机风速和变桨数据；D、储存步骤C得到的数据，并传输至远程分析终端；E、对数据进行分析计算，得到叶片固有频率和振型。

作为进一步的改进，所述步骤A的采样时间大于30s。

所述的加速度信号通过三个方向采集，分别为：垂直于叶片表面指向外侧的x轴方向，平行于叶片指向轮毂的y轴方向，以及z轴方向。

所述步骤A、B由传感器完成，步骤C、D由协调器完成，传感器与协调器之间采用ZigBee无线通信协议传输数据，并通过星形网络拓扑结构组网。

所述的传感器采用太阳能电池供电，当该电池电压不足时，协调器指令传感器进入休眠模式。

所述步骤C中，叶片的模态参数通过傅里叶变换计算得到。

所述步骤D中通过GPRS无线通信网络传输至远程分析终端。

所述步骤A的采样频率为50Hz-200Hz。

此外，本发明还提供一种风机叶片模态参数的无线监测系统，包括协调器和固定安装在叶片上的一个以上传感器，其中：传感器包括单片机，通过模数转化电路与单片机连接的加速度传感器，与模数转化电路、单片机连接的信号调理电路，与单片机连接的ZigBee模块、收发转换电路、电源电路，以及与收发转换电路、ZigBee模块连接的天线模块；协调器包括单片机，与单片机连接的ZigBee模块、存储装置、串口通信模块、收发转换电路、电源电路,与单片机、储存装置连接的GPRS模块，以及与收发转换电路、ZigBee模块连接的天线模块；传感器与协调器通过ZigBee模块通信连接。

作为进一步改进，所述传感器和协调器的天线模块均包括功率放大电路以及与功率放大电路连接的天线、阻抗匹配电路。

所述传感器的电源电路包括电源，与电源连接的稳压电路，以及与电源、单片机连接的电压监测电路。

所述电源采用太阳能电池。

所述协调器的电源电路包括电源以及与电源、单片机连接的稳压电路。

所述加速度传感器采用3轴低频电容式加速度传感器。

所述协调器的ZigBee模块中连接有低噪声功率放大电路和带通滤波电路。

采用以上设计后，本发明与现有技术比较有以下有益技术效果：