风力发电机组叶片远程自动测量装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种风力发电机组叶片远程自动测量装置，其包括：用于独立采集三个叶片加速度信号的振动加速度传感器(1)；接于所述振动加速度传感器的信号调理电路(2)，该信号调理电路接于电压调整及控制模块(3)；接于信号调理电路的电平平移电路(4)；接于所述电平平移电路的主控模块(5)，该主控模块连接有无线通信模块(6)。本实用新型的有益效果是：成功实现了风力发电机组叶片远程自动检测，同时保证了系统的可靠性，也低了系统的待机功耗。
【专利说明】
风力发电机组叶片远程自动测量装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种风力发电机组叶片远程自动测量装置。【背景技术】
[0002]叶片作为风力发电机组最关键的部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。但是，通过对大量损坏了的风力发电机进行调查，叶片的损坏率最大，主要原因如下:
[0003]1、叶片的工作但由于叶片工作在自然环境中，工作环境特别恶劣，而且长期不停地工作，时刻受外界环境中各种介质的损害，雷电、冰雹、雨雪、沙尘等长期对风机产生损害，因此隐患随时可能变成事故。
[0004]2、在外界交变载荷作用下，风机叶片更容易出现疲劳损伤，塔架系统更易损坏。
[0005]3、在叶片服役期间复合材料的损坏或老化是一个随时间而渐变的过程，特别是风电场环境恶劣、复杂，除了机械力学的作用，外部化学元素与叶片材料还会发生物理化学作用，从而可能导致材料的劣化与结构失效。
[0006]叶片发生事故时风电场必须停止发电进行抢修，事故严重时还必须更换叶片，由此产生高额的维修费用，给风电场带来极大的经济损失。所以研究叶片的载荷对于研究整个风力发电机的载荷具有重大的意义，叶片的载荷数据也会很有代表性。
[0007]依据风电机组叶片标准，叶片主要检测项目包括:固有频率和疲劳试验，也就是加速度信号，主要难点在于:
[0008]1、由于风电叶片的实际运行状态是一种低频状态，频率响应范围在0.3Hz?5Hz之间，传统的加速度传感器的频率响应范围一般是1 〇Hz?1000Hz，满足不了风电叶片测试的要求。
[0009]2、即便有低频加速度传感器，也只能在没有干扰噪声的情况下获取所需要的信号，而对于野外运行的具有较多信号干扰的风电叶片而言，几乎是无法获得所需要的有效信号数据的。[0〇1〇]3、国外的很多第三方检验机构(美国NREL、Clemson Uin.、英国NAREC、丹麦L0RC、德国IWES等)依据标准IEC61400-23(即国内翻译版本GB/T 25384-2010风力发电机组风轮叶片全尺寸结构试验)，斥资上亿建造MW级风电机组大型叶片试验系统，对风电叶片进行预制缺陷、模拟加载，采用传感器采集叶片关键部位的载荷加速度信息，最终建立叶片载荷信息“经验库”，其价值在500万元以上。但这种方式投资大耗时长，在国内很难具有实际操作性。
[0011]风力发电机组叶片远程自动测量装置专用于叶片载荷测试的低频加速度信号采集系统，该系统可以通过硬件的方式剔除信号干扰，在野外获取有效的加速度信号数据，并利用采集积累的“叶片损伤_载荷信息对应关系经验库”，提前在特大事故出现之前就对故障征兆进行预警，指导维护人员进行风电机组的维护，避免特大故障的发生。【实用新型内容】
[0012]本实用新型的目的就是为了解决上述问题，提供一种风力发电机组叶片远程自动测量装置。
[0013]为解决上述技术问题，本实用新型的实施方式提供了一种风力发电机组叶片远程自动测量装置，其包括:
[0014]用于独立采集三个叶片加速度信号的振动加速度传感器(1);
[0015]接于所述振动加速度传感器的信号调理电路(2)，该信号调理电路接于电压调整及控制模块(3);
[0016]接于信号调理电路的电平平移电路(4);
[0017]接于所述电平平移电路的主控模块(5)，该主控模块连接有无线通信模块(6)。 [〇〇18] 进一步，所述振动加速度传感器为LIS344ALH加速度传感器。[〇〇19]进一步，所述信号调理电路包括:[〇〇2〇] 接于LIS344ALH加速度传感器主控芯片U5中12脚的电阻R2,电阻R2接于电阻R3,该电阻R3接于LM324N四运算放大器U4A的正相输入端，电阻R3与LM324N四运算放大器U4A的正相输入端之间设置有接地的电容C5，LM324N四运算放大器U4A的负电源端接于电容C4，电容 C4另一端接于电阻R2和电阻R3之间；[〇〇21] 接于LIS344ALH加速度传感器主控芯片U5中10脚的电阻R7,电阻R7接于电阻R8,该电阻R8接于LM324N四运算放大器U4B的正相输入端，电阻R8与LM324N四运算放大器U4B的正相输入端之间设置有接地的电容C9，LM324N四运算放大器U4B的负电源端接于电容C8，电容 C8另一端接于电阻R7和电阻R8之间；[〇〇22] 接于LIS344ALH加速度传感器主控芯片U5中8脚的电阻R12,电阻R12接于电阻R13， 该电阻R13接于LM324N四运算放大器U4C的正相输入端，电阻R13与LM324N四运算放大器U4C 的正相输入端之间设置有接地的电容Cl 5，LM324N四运算放大器U4C的负电源端接于电容 C14,电容C14另一端接于电阻R12和电阻R13之间。
[0023]进一步，所述电压调整及控制模块(3)包括:[〇〇24]由XC622133芯片构成的主控芯片U1，其2脚、3脚接于连接器P1，该主控芯片U1的1 脚接于由XC622133芯片构成的主控芯片U2,所述主控芯片U1的5脚接有另一端接地的电容 C1；[〇〇25] 所述主控芯片U1的5脚、主控芯片U2的3脚接于主控模块(5)。[〇〇26]进一步，所述电平平移电路(4)包括:[〇〇27] 接于LM324N四运算放大器U4A的AD627放大器U3;[〇〇28] 接于LM324N四运算放大器U4B的AD627放大器U7;[〇〇29] 接于LM324N四运算放大器U4C的AD627放大器U8;[〇〇3〇] 所述AD627放大器U3的第二引脚、AD627放大器U7的第二引脚、AD627放大器U8的第二引脚接于电阻R4和电阻R6之间，电阻R4接于振动加速度传感器(1)，电阻R6另一端接地； [〇〇31]AD627放大器U3的第一引脚与第八引脚之间接有电阻R1，AD627放大器U7的第一引脚与第八引脚之间接有电阻R5，AD627放大器U8的第一引脚与第八引脚之间接有电阻R11; [〇〇32]AD627放大器U3的第四引脚、第五引脚接地，AD627放大器U7的第四引脚、第五引脚接地，AD627放大器U8的第四引脚、第五引脚接地；[〇〇33] AD627放大器U3的第七引脚接于电源VCC，AD627放大器U7的第七引脚接于电源 VCC，AD627放大器U8的第七引脚接于电源VCC;[〇〇34] AD627放大器U3的第六引脚、AD627放大器U7的第六引脚、AD627放大器U8的第六引脚接于主控模块。[〇〇35]进一步，所述主控模块采用MSP430F135IPM芯片。
[0036]本实用新型具有如下有益效果:成功实现了风力发电机组叶片远程自动检测，同时保证了系统的可靠性，也低了系统的待机功耗。利用采集积累的“叶片损伤-载荷信息对应关系经验库”，提前在特大事故出现之前就对故障征兆进行预警，指导维护人员进行风电机组的维护，避免特大故障的发生。该检测系统已开始应用于风力发电机组叶片检测监控领域，取得了较好的使用效果【附图说明】[〇〇37]图1为风力发电机组叶片远程自动测量装置的原理框图；[〇〇38]图2为风力发电机组叶片远程自动测量装置的电路图；[〇〇39]图2a为信号调理电路详图；
[0040]图2b为电压调整及控制模块电路详图；[〇〇41 ]图2c为电平平移电路详图；[〇〇42]图2d为主控模块电路详图；
[0043]图3为接于主控模块的连接器P2的电路图；
[0044]图4为接于主控模块的连接器P3的电路图；
[0045]图5为接于主控模块的连接器P4的电路图。【具体实施方式】
[0046]为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。[〇〇47]如图1所示，一种风力发电机组叶片远程自动测量装置，其包括:用于独立采集三个叶片加速度信号的振动加速度传感器1;接于所述振动加速度传感器的信号调理电路2， 该信号调理电路接于电压调整及控制模块3;接于信号调理电路的电平平移电路4;接于所述电平平移电路的主控模块5,该主控模块连接有无线通信模块6。[〇〇48] 其中，所述振动加速度传感器为LIS344ALH加速度传感器。
[0049]风力发电机组叶片远程自动测量装置的整体电路图参见图2,下面针对各模块的电路详图对每个部分加以描述。
[0050]参见图2a，所述信号调理电路包括:接于LI S344ALH加速度传感器主控芯片U5中12 脚的电阻R2，电阻R2接于电阻R3，该电阻R3接于LM324N四运算放大器U4A的正相输入端，电阻R3与LM324N四运算放大器U4A的正相输入端之间设置有接地的电容C5，LM324N四运算放大器U4A的负电源端接于电容C4,电容C4另一端接于电阻R2和电阻R3之间；接于LIS344ALH 加速度传感器主控芯片U5中10脚的电阻R7,电阻R7接于电阻R8,该电阻R8接于LM324N四运算放大器U4B的正相输入端，电阻R8与LM324N四运算放大器U4B的正相输入端之间设置有接地的电容C9，LM324N四运算放大器U4B的负电源端接于电容C8，电容C8另一端接于电阻R7和电阻R8之间；接于LIS344ALH加速度传感器主控芯片U5中8脚的电阻R12,电阻R12接于电阻 R13,该电阻R13接于LM324N四运算放大器U4C的正相输入端，电阻R13与LM324N四运算放大器U4C的正相输入端之间设置有接地的电容C15，LM324N四运算放大器U4C的负电源端接于电容C14,电容C14另一端接于电阻R12和电阻R13之间。[〇〇511由于LIS344ALH加速度传感器输出含有高频成分，为避免模数转换时产生混叠效应必须对信号进行低通滤波。低通滤波器的截止频率设计在80Hz。[〇〇52]参见图2b，所述电压调整及控制模块3包括:由XC622133芯片构成的主控芯片U1，其2脚、3脚接于连接器P1，该主控芯片U1的1脚接于由XC622133芯片构成的主控芯片U2,所述主控芯片U1的5脚接有另一端接地的电容C1;所述主控芯片U1的5脚、主控芯片U2的3脚接于主控模块5。[〇〇53]电压调整及控制模块将锂电池电压稳定在3.3V，一路输出为+3.3Vout供CPU及无线通信模块使用，另一路Vcc供振动加速度传感器、信号调理电路、信号电平位移电路使用。 为减少功率损耗+3.3Vout始终供电，Vcc在进入测量后由CPU控制命令开启，这样设计可以很大程度上减少检测电路的功耗，延长系统的使用寿命。[〇〇54]参见图2c，所述电平平移电路4包括:接于LM324N四运算放大器U4A的AD627放大器U3;接于LM324N四运算放大器U4B的AD627放大器U7;接于LM324N四运算放大器U4C的 AD627放大器U8;所述AD627放大器U3的第二引脚、AD627放大器U7的第二引脚、AD627放大器 U8的第二引脚接于电阻R4和电阻R6之间，电阻R4接于振动加速度传感器1，电阻R6另一端接地;AD627放大器U3的第一引脚与第八引脚之间接有电阻R1，AD627放大器U7的第一引脚与第八引脚之间接有电阻R5，AD627放大器U8的第一引脚与第八引脚之间接有电阻R11;AD627 放大器U3的第四引脚、第五引脚接地，AD627放大器U7的第四引脚、第五引脚接地，AD627放大器U8的第四引脚、第五引脚接地;AD627放大器U3的第七引脚接于电源VCC，AD627放大器 U7的第七引脚接于电源VCC，AD627放大器U8的第七引脚接于电源VCC;AD627放大器U3的第六引脚、AD627放大器U7的第六引脚、AD627放大器U8的第六引脚接于主控模块。
[0055]由于LIS344ALH加速度传感器在零加速度的情况下有Vcc/2的电压，在本项目的应用中应在输出电压中减去Vcc/2，输出电压直接反映了加速度的数值。[〇〇56] 本案中，所述主控模块采用MSP430F135IPM芯片，而主控模块电路详图参见图2d所不。
[0057]在下位机部分中，单片机主要是实现对采集到的振动信号进行A/D转换并将转换之后的数字信号传送给无线发射模块，同时为了满足系统的低功耗，需要选用一款功耗较低的单片机，MSP430系列单片机是美国德州仪器公司(TI)的一款16位超低功耗的混合信号处理器(Mixed Signal Processor)的单片机，这款单片机主要针对低功耗的要求，将众多的模拟、数字电路和微处理器集成于一块芯片上，为用户提供了“单片”解决方案，特点是超低功耗、强大的处理能力、高性能模拟技术及丰富的片上外围模块、系统工作稳定、方便高效的开发环境。[〇〇58] MSP430的电源电压仅为1.8_3.6V，通常供电使用3.3V，处于RAM数据保持工作模式中耗电量仅为0.lyA，在活动工作模式下耗电250pA/MIPS，I/0输入端口的泄漏电流最大值只有50I1AJSP430有特殊的时钟系统，包含两个不同的时钟系统:基本时钟系统和DC0数字振荡器时钟系统。这两个时钟系统为CPU和其他模块提供所需要的时钟，同时可通过编程实现时钟的打开或关闭，来控制总体功耗。MSP430单片机有活动工作模式和5种低功耗工作模式(LPM(TLPM4)。此外，MSP430系列单片机支持矢量中断，有十多个中断源，各中断可实现随意嵌套。中断发出请求时唤醒CPU只需要6iis，不仅可以降低单片机系统功耗，而且还可以快速响应外部请求。MSP430单片机是目前市场上单片机中功耗最低的，可以达到一枚电池使用多年的程度。
[0059]振动检测系统是安放固定在风机的叶片上的，振动信号通过有线的方式传输是很困难的。本项目中采用的无线传输的方法，将加速度振动信号无线传输至上位机，在上位机对信号进行进一步分析处理。
[0060]无线发射模块和无线接收模块承担着信号的发送和接收，因此选用合适的无线模块对于信号的传输非常重要。SV610是高集成的无线数据传输模块，采用的是性能的 Silicon Lab Si4432射频芯片，具有极好的接收灵敏度，功耗非常低，具有业界领先的 100mW的输出功率，扩大了通信范围和保证了链路性能。模块提供了多频段多信道以及网络 ID来降低传输过程中的干扰以提高传输性能，传输距离达到10千米。用户可以通过PC软件或在线修改设置串口以及RF的相关参数，在小体积、远距离传输、宽范围的工作电压乃至丰富便捷的编程设置使之得到非常广泛的应用。故采用SV610无线模块作为上、下位机的无线模块，工作电压为2.8-6.0V，由锂电池直接供电，工作频段选为433MHz，蓝色灯闪表示接收数据，红色灯闪表示发送数据。
[0061]本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本实用新型的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本实用新型的精神和范围。
【主权项】
1.风力发电机组叶片远程自动测量装置，其特征在于，其包括:用于独立采集三个叶片加速度信号的振动加速度传感器(1);接于所述振动加速度传感器的信号调理电路(2)，该信号调理电路接于电压调整及控 制模块(3);接于信号调理电路的电平平移电路(4);接于所述电平平移电路的主控模块(5)，该主控模块连接有无线通信模块(6)。2.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片远程自动测量装置，其特征在于，所述振动 加速度传感器为LIS344ALH加速度传感器。3.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片远程自动测量装置，其特征在于，所述信号 调理电路包括:接于LIS344ALH加速度传感器主控芯片U5中12脚的电阻R2，电阻R2接于电阻R3，该电阻 R3接于LM324N四运算放大器U4A的正相输入端，电阻R3与LM324N四运算放大器U4A的正相输 入端之间设置有接地的电容C5，LM324N四运算放大器U4A的负电源端接于电容C4，电容C4另 一端接于电阻R2和电阻R3之间；接于LIS344ALH加速度传感器主控芯片U5中10脚的电阻R7，电阻R7接于电阻R8，该电阻 R8接于LM324N四运算放大器U4B的正相输入端，电阻R8与LM324N四运算放大器U4B的正相输 入端之间设置有接地的电容C9，LM324N四运算放大器U4B的负电源端接于电容C8，电容C8另 一端接于电阻R7和电阻R8之间；接于LIS344ALH加速度传感器主控芯片U5中8脚的电阻R12,电阻R12接于电阻R13,该电 阻R13接于LM324N四运算放大器U4C的正相输入端，电阻R13与LM324N四运算放大器U4C的正 相输入端之间设置有接地的电容Cl5，LM324N四运算放大器U4C的负电源端接于电容C14，电 容C14另一端接于电阻R12和电阻R13之间。4.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片远程自动测量装置，其特征在于，所述电压 调整及控制模块(3)包括:由XC622133芯片构成的主控芯片U1，其2脚、3脚接于连接器P1，该主控芯片U1的1脚接 于由XC622133芯片构成的主控芯片U2,所述主控芯片U1的5脚接有另一端接地的电容C1;所述主控芯片U1的5脚、主控芯片U2的3脚接于主控模块(5)。5.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片远程自动测量装置，其特征在于，所述电平 平移电路(4)包括:接于LM324N四运算放大器U4A的AD627放大器U3;接于LM324N四运算放大器U4B的AD627放大器U7;接于LM324N四运算放大器U4C的AD627放大器U8;所述AD627放大器U3的第二引脚、AD627放大器U7的第二引脚、AD627放大器U8的第二引 脚接于电阻R4和电阻R6之间，电阻R4接于振动加速度传感器(1)，电阻R6另一端接地；AD627放大器U3的第一引脚与第八引脚之间接有电阻R1，AD627放大器U7的第一引脚与 第八引脚之间接有电阻R5，AD627放大器U8的第一引脚与第八引脚之间接有电阻R11;AD627放大器U3的第四引脚、第五引脚接地，AD627放大器U7的第四引脚、第五引脚接 地，AD627放大器U8的第四引脚、第五引脚接地；AD627放大器U3的第七引脚接于电源VCC，AD627放大器U7的第七引脚接于电源VCC，AD627放大器U8的第七引脚接于电源VCC;AD627放大器U3的第六引脚、AD627放大器U7的第六引脚、AD627放大器U8的第六引脚接 于主控模块。6.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片远程自动测量装置，其特征在于，所述主控 模块采用MSP430F135IPM芯片。
【文档编号】F03D17/00GK205618309SQ201620399405
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年5月5日
【发明人】庄骏, 朱皓, 王磊
【申请人】上海中认尚科新能源技术有限公司