一种基于ZigBee技术的风机叶片模态无线监测装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术是有关于一种基于ZigBee技术的风机叶片模态无线监测装置，包括协调器和固定安装在叶片上的一个以上的传感器，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。本实用新型专利技术基于ZigBee技术的风机叶片无线监测装置通过监测叶片振动获得风机叶片的实时模态参数，测量方法、装置安装方式简单，不使用应变片，不需要对结果进行修正，且实施测试的过程与风机运行相独立，不必对风机停机。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及风力发电
，特别是涉及一种基于ZigBee技术的风机叶片模态无线监测装置。
技术介绍
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，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，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利用ZigBee技术对叶片模态参数进行实时测试的无线监测装置，实属当前研发的重要课题之一。
技术实现思路
本技术要解决的技术问题是提供一种风机叶片模态无线监测装置，使其可在工况下测试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，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技术提供一种基于ZigBee技术的风机叶片模态无线监测装置，包括协调器和固定安装在叶片上的一个以上的传感器，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；传感器和协调器通过ZigBee模块通信连接。作为进一步的改进，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，本技术与现有技术比较有以下有益技术效果:1、本技术基于ZigBee技术的风机叶片模态无线监测装置通过监测叶片振动获得风机叶片的实时模态参数，测量方法、装置安装方式简单，不使用应变片，不需要对结果进行修正，且实施测试的过程与风机运行相独立，不必对风机停机；2、本技术基于ZigBee技术的风机叶片模态无线监测装置采用了电容式振动传感器，体积小，使用寿命长；各组成装置可适应强，可满足_30°C至60°C的温度范围工作，经防水、防暴晒处理后可长期在野外环境下工作；3、本技术基于ZigBee技术的风机叶片模态无线监测装置采用了小型太阳能电池为每个传感器供电，无须外接电源，一次安装，使用寿命可长达数年，无特殊情况不需对其进行维护；4、本技术基于ZigBee技术的风机叶片模态无线监测装置应用ZigBee无线通信协议，实现了振动数据的传输，具有系统监测功耗低、无线信号频带集中、辐射低、对风机机组不构成电磁干扰的优点。下面通过附图和实施例，对本技术的技术方案做进一步的详细描述。`附图说明上述仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术，以下结合附图与具体实施方式对本技术作进一步的详细说明。图1是本技术基于ZigBee技术的风机叶片模态无线监测装置组成示意图。图2是本技术传感器电路原理图。图3是本技术传感器在叶片上安装示意图。图4是本技术协调器电路原理图。图5是本技术实施例一的传感器电路原理图。图6是本技术实施例二的协调器电路原理图。具体实施方式请参阅图1所示，本技术基于ZigBee技术的风机叶片模态无线监测装置，包括协调器2和固定安装在叶片3上的一个以上的传感器I。具体的讲，本技术传感器I设置在叶片3背风侧上，用于测量叶片叶尖或叶片某一位置的振动加速度，通过ZigBee无线传输协议将信号数据传输至协调器2，协调器2综合各传感器I位置的加速度信号计算出叶片3的模态参数，计算结果和数据通过GPRS无线通信发送到远程分析终端。进一步的，在风机叶片3外部靠近叶片尖部31位置背风面安装传感器I，可根据阶次分析的需求在每个叶片3上等间距设置2-4个传感器I ;传感器I外壳采用防水、防雷非金属材料制作，用强力粘接剂粘接在叶片3上。请参阅图2所示，本技术传感器I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。请参阅图3所示，本技术传感器采用一个3轴低频电容式加速度传感器，采集不同方向上的振动，传感器I的X轴垂直于叶片3表面指向外侧，y轴平行于叶片3表面正方向指向轮毂4。传感器输出3路模拟信号,分别代表X、y、z三个方向上的加速度。模数转化电路ADC分别连接单片机和信号调理电路，将3路模拟振动信号转化为数字量，方便单片机进行处理，信号调理电路对信号进行调理，按照传感器的输出范围和单片机进行处理的精度确定其增益系数。调理后的信号接入单片机的三个IO 口。其中，信号调理电路的增益值由加速度确定。单片机控制模数转化电路ADC对3路模拟加速度信号的采样，采样频率过低不能覆盖完整的叶片振动范围，过高则会增大电路的功耗，根据叶片振动频率，设定采样频率为50Hz-200Hz 范围内。3个通道的振动信号数据经过单片机的处理后，输入与单片机连接的ZigBee模块，被封装为一个数据包，ZigBee模块将振动信号调制到2.4GHz载波频段上，利用ZigBee协议实现无线传输。天线模块包括一个PCB式天线、功率放大电路以及一个与天线等效阻抗相同的匹配电路Balun电路。其中，天线为倒F型定向单极子天线，其等效阻抗为50欧姆，匹配电路等效阻抗也为50欧姆。接收 和发射的功放电路相互独立，并使用ZigBee模块的接收/发射位信号控制收发转换电路对两路功放电路的选择。ZigBee模块的输出端连接匹配电路Balun电路，然后经过信号放大电路，连接天线馈点，放大后的发射功率满足室外100米通信需求。天线最大增益方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于ZigBee技术的风机叶片模态无线监测装置，其特征在于包括协调器和固定安装在叶片上的一个以上的传感器，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；传感器和协调器通过ZigBee模块通信连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：于迟，董礼，王千，王海龙，
申请(专利权)人：国电联合动力技术有限公司，
类型：实用新型
国别省市：