一种风机叶片健康监测系统

技术领域

本申请涉及风力发电机技术领域，具体而言，涉及一种风机叶片健康监测系统。

背景技术

近年来，风力发电作为一种清洁能源的重要形式，得到了广泛的发展和应用。随着风力发电装机容量的增加，风机叶片作为核心组件之一，承担着巨大的负荷和风力冲击，其安全性和可靠性成为关注的焦点。风机叶片在工作过程中不断受到外界风力、温度、湿度等环境因素的影响，同时还要承受机械负荷和自身的重力荷载。这些因素导致叶片容易出现疲劳裂纹、振动异常、结构变形和温度异常等问题，从而可能导致安全隐患和运行故障。

因此，如何准确而全面的监测风机叶片的健康状况，确保风机稳定运行就显得尤为重要。

发明内容

为了解决上述问题，本申请实施例提供了一种风机叶片健康监测系统。所述风机叶片健康监测系统包括：数据采集模块、数据传输模块、数据处理模块和数据展示模块；其中，

所述数据采集模块包括至少两类光纤光栅传感器，所述至少两类光纤光栅传感器分别安装在风机叶片的不同位置，用于采集所述风机叶片上不同位置的实时健康数据；

所述数据传输模块，用于将所述数据采集模块采集的所述实时健康数据进行传输；

所述数据处理模块，用于将所述实时健康数据进行解调与分析，确定所述风机叶片的整体健康状况；

所述数据展示模块，用于展示所述风机叶片的整体健康状况。

优选的，所述数据采集模块包括第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器、第三光纤光栅传感器和第四光纤光栅传感器；所述第一光纤光栅传感器、所述第二光纤光栅传感器、所述第三光纤光栅传感器和所述第四光纤光栅传感器沿所述风机叶片的截面均匀分布。

优选的，所述第一光纤光栅传感器安装在所述风机叶片的压力面，所述第二光纤光栅传感器安装在所述风机叶片上远离所述压力面的吸力面，所述第三光纤光栅传感器安装在所述风机叶片的前缘面，所述第四光纤光栅传感器安装在所述风机叶片的后缘面。

优选的，所述第一光纤光栅传感器、所述第二光纤光栅传感器、所述第三光纤光栅传感器和所述第四光纤光栅传感器分别与所述风机叶片的压力面、吸力面、前缘面和后缘面呈预设角度。

优选的，每类所述光纤光栅传感器包括一个或多个光纤光栅传感器。

优选的，所述光纤光栅传感器安装在所述风机叶片的表面和/或内部。

优选的，还包括电源模块，所述电源模块供电子模块和保护子模块；

所述供电子模块，用于为系统中的各模块进行供电；

所述保护子模块，用于在回路中出现过压或过流时切断所述供电子模块与其他模块之间的连接。

优选的，所述数据传输模块包括CAN通讯模块、以太网通讯模块和无线通讯模块中的至少之一。

优选的，还包括预警模块；所述预警模块用于在所述风机叶片的整体健康状况表现异常时发出预警。

优选的，还包括定位模块；所述定位模块用于对整体健康状况表现异常的风机叶片进行定位。

本发明的有益效果为：通过在风机叶片上的不同位置设置光纤光栅传感器，兼顾了风机叶片不同位置的工况差异，可以全面了解整个风机叶片结构的受力情况，从而可以准确地了解风机叶片的整体健康情况，及时发现问题，由此提供准确的故障预警和维护策略，确保风机的稳定运行。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种风机叶片健康监测系统的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的光纤光栅传感器的安装结构示意图a；

图3为本申请实施例提供的光纤光栅传感器的安装结构示意图b。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在下述介绍中，术语“第一”、“第二”仅为用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。下述介绍提供了本申请的多个实施例，不同实施例之间可以替换或者合并组合，因此本申请也可认为包含所记载的相同和/或不同实施例的所有可能组合。因而，如果一个实施例包含特征A、B、C，另一个实施例包含特征B、D，那么本申请也应视为包括含有A、B、C、D的一个或多个所有其他可能的组合的实施例，尽管该实施例可能并未在以下内容中有明确的文字记载。

下面的描述提供了示例，并且不对权利要求书中阐述的范围、适用性或示例进行限制。可以在不脱离本申请内容的范围的情况下，对描述的元素的功能和布置做出改变。各个示例可以适当省略、替代或添加各种过程或组件。例如所描述的方法可以以所描述的顺序不同的顺序来执行，并且可以添加、省略或组合各种步骤。此外，可以将关于一些示例描述的特征组合到其他示例中。

光纤光栅传感器是一种基于光纤光栅原理的传感器技术。光栅是一种具有周期性折射率变化的光纤结构，可以通过改变光纤中折射率的变化来实现对光的调制和传感。光纤光栅传感器的工作原理是利用光纤光栅对光信号的散射和衍射效应进行测量。当光信号通过FBG（Fiber Bragg Grating，光纤布拉格光栅）时，光信号会与光纤光栅内部的折射率周期变化相互作用，导致部分光信号被反射。FBG的衍射效应使得特定波长λ的光信号被衍射回原始的传输方向。光纤光栅的周期性折射率变化决定了布拉格波长的位置。当光信号波长与布拉格波长匹配时，反射信号达到最大值。如果光信号的波长发生变化，反射信号的强度会相应变化。

基于这一原理，通过测量反射信号的波长或强度，可以推断光纤光栅所处的环境参数的变化，例如温度、应变等。当被测量的参数发生变化时，光纤光栅的布拉格波长会发生移位，从而反映出环境参数的变化。

参见图1，图1是本申请实施例提供的一种风机叶片健康监测系统。在本申请实施例中，该风机叶片健康监测系统100包括：数据采集模块100、数据传输模块120、数据处理模块130和数据展示模块140；其中，

数据采集模块110包括至少两类光纤光栅传感器，至少两类光纤光栅传感器分别安装在风机叶片的不同位置，用于采集风机叶片上不同位置的实时健康数据；

数据传输模块120，用于将数据采集模块采集的实时健康数据进行传输；

数据处理模块130，用于将实时健康数据进行解调与分析，确定风机叶片的整体健康状况；

数据展示模块140，用于展示风机叶片的整体健康状况。

在本实施例中，通过光纤光栅传感器测量反射信号的波长或强度，可以获取风机叶片上不同位置上的实时健康数据，经数据传输模块120传输至数据处理模块130。数据处理模块130中可以包含传感解调电路，用于对风机叶片的实时健康数据进行解调，并最终确定风机叶片的整体健康状况。考虑到风机叶片上不同位置的环境存在差异，因此，汇集了风机叶片上不同位置的数据，从而可以降低出现偶然性误判的概率，全面而准确的了解风机叶片的整体健康状况。

在一种可实施方式中，数据采集模块110包括第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器、第三光纤光栅传感器和第四光纤光栅传感器；第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器、第三光纤光栅传感器和第四光纤光栅传感器沿风机叶片的截面均匀分布。

在本实施例中，光纤光栅传感器的类型可以是相同的，如均为光纤光栅传感器。这里，根据光纤光栅传感器的安装位置的不同对其进行分类。如将位于风机叶片上第一位置的光纤光栅传感器确定为第一光纤光栅传感器，将位于风机叶片上第二位置的光纤光栅传感器确定为第二光纤光栅传感器，第三光纤光栅传感器和第四光纤光栅传感器类似。

在一个示例中，以风机叶片的截面重心为中心点作十字形延长线，将该延长线与风机叶片边缘的交点确定为第一位置、第二位置、第三位置和第四位置，并在对应位置设置光纤光栅传感器，以对风机叶片的实时健康数据进行采集。

在一种可实施方式中，第一光纤光栅传感器安装在风机叶片的压力面，第二光纤光栅传感器安装在风机叶片上远离压力面的吸力面，第三光纤光栅传感器安装在风机叶片的前缘面，第四光纤光栅传感器安装在风机叶片的后缘面。

在本实施例中，风机叶片可以被划分为四个面，分别是：PS面（Pressure Surface，压力面）、SS面（Suction Surface，吸力面）、LE面（Leading Edge，前缘面）和TE面（TrailingEdge，后缘面）。其中，PS面是指压力面，也被称为正压面或上表面。相对于SS面，PS面是风流所压过的一侧，也是气流在叶片上产生正压力的一侧。SS面指的是吸力面，与PS面（压力面）相对。SS面是风机叶片的背面或下风面。它是与主动气流相背离的一侧，气流在该面上产生了负压力。背风面的设计和表面特性会影响气流的流动方式、速度和负压力分布。LE面是风机叶片的前缘面，即位于叶片前沿的部分。LE面通常是最前面的一部分，它用来引导气流并减小气流分离的可能性。LE面通常比其他部分更加圆润和厚实，以减小起动气流时的阻力。TE面是风机叶片的后缘面，即位于叶片尾部的部分TE面通常较薄且较尖锐，用于更好地剪断气流并减小尾迹损失。TE面的形状对于叶片的气动效能和噪音产生都有一定的影响。

在一个示例中，请参见图2，图2为本申请实施例提供的光纤光栅传感器的安装结构示意图a。其中，第一光纤光栅传感器111、第二光纤光栅传感器112、第三光纤光栅传感器113和第四光纤光栅传感器114分别安装在风机叶片的PS面、SS面、LE面和TE面。

通过在风机叶片上的不同位置设置光纤光栅传感器，兼顾了风机叶片不同位置的工况差异，降低了出现偶然性误判的概率，提高了对风机叶片的整体健康状况监测的准确性和全面性。

在一种可实施方式中，第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器、第三光纤光栅传感器和第四光纤光栅传感器分别与风机叶片的压力面、吸力面、前缘面和后缘面呈预设角度。

在一些应用场景下，风机叶片受环境影响长期弯曲变形过大，超出应变量程范围；或不能对0°点安装位置进行修改或加工，这种情况下，可以在与风机叶片的压力面、吸力面、前缘面和后缘面呈预设角度的位置安装对应的光纤光栅传感器。

在一个示例中，请参见图3，图3为本申请实施例提供的光纤光栅传感器的安装结构示意图b。其中，第一光纤光栅传感器111、第二光纤光栅传感器112、第三光纤光栅传感器113和第四光纤光栅传感器114分别安装在与风机叶片的PS面、SS面、LE面和TE面呈45°的位置，使安装的各光纤光栅传感器在解调范围内可以更准确的监测风机叶片的健康情况。需要说明的是，这里的45°仅为示例性的说明，该角度还可以是10°、30°，对此不进行限定。

在一种可实施方式中，每类光纤光栅传感器包括一个或多个光纤光栅传感器。

在本实施例中，每类光纤光栅传感器的数量可以仅为一个，但考虑到容错需求，可以在风机叶片上的同一位置安装两个或多个光纤光栅传感器。示例性的，每类光纤光栅传感器可以为3个，当其中1个光纤光栅传感器监测的数据出现异常，而另外2个光纤光栅传感器监测的数据依旧正常时，可以判断是其中一个光纤光栅传感器出现问题，而非风机叶片出现故障；相对的，若其中2个光纤光栅传感器监测的数据都出现异常，而仅有1个光纤光栅传感器监测的数据表征为正常，则可以判断风机叶片出现故障。

在一种可实施方式中，光纤光栅传感器安装在风机叶片的表面和/或内部。

在本实施例中，通过光纤光栅传感器可以监测风机叶片的振动、应变、温度等参数。考虑到风机叶片的表面和内部的参数可能存在的差异，因此，不仅可以将光纤光栅传感器安装在风机叶片的表面或内部，还可以在两处均安装，由此，确保对风机叶片的整体健康状况监测的准确性和全面性。

在一种可实施方式中，风机叶片健康监测系统还包括电源模块，电源模块供电子模块和保护子模块；

供电子模块，用于为系统中的各模块进行供电；

保护子模块，用于在回路中出现过压或过流时切断供电子模块与其他模块之间的连接。

在本实施例中，电源模块是用于提供稳定电力供应和保护电子设备免受电力故障和过电压等问题的组件。供电子模块负责将电力源（如电网或电池）的电能转换为传感解调机通讯组件所需的适当电压和电流，提供稳定而可靠的电力供应，以确保各设备正常运行。保护子模块用于提供过压和过流保护功能，一旦设备的电压和电流超过了预设的安全限制，它会自动切断电源来阻止电流超载，避免设备受损或发生火灾等危险。为了防止设备因短路故障而受损，保护子模块还具备短路保护功能。当设备出现短路时，它也会立即切断电源以保护设备和电路的完整性。

在一种可实施方式中，数据传输模块包括CAN通讯模块、以太网通讯模块和无线通讯模块中的至少之一。

在一个示例中，可以通过CAN通讯模块与主控制柜通讯，将应变偏移量传给主控制柜。通过以太网通讯与电脑进行通讯，使电脑可配置该设备，且接收设备解调出来的数据；通过无线通讯远程控制及配置该设备，这里，该无线通讯主要选用4G/5G方式通讯，还可以是WIFI、蓝牙等的通讯方式。

在一种可实施方式中，风机叶片健康监测系统还包括预警模块；预警模块用于在风机叶片的整体健康状况表现异常时发出预警。

在本实施例中，预警模块可以通过触发机制实现预警功能。示例性的，预先设置好振动参数阈值、应变参数阈值和温度参数阈值。若光纤光栅传感器监测得到的振动参数阈值、应变参数阈值和温度参数阈值中的至少之一超过上述对应的阈值，则预警模块发出预警，从而可以及时维修，降低损失。

在一种可实施方式中，风机叶片健康监测系统还包括定位模块；定位模块用于对整体健康状况表现异常的风机叶片进行定位。

在本实施例中，定位模块可以实时监测信息流的位置信息，当确定某项信息流对应的风机叶片的整体健康状况表现异常时，可以快速定位该风机叶片的位置，从而提供准确的故障维护策略。

在一些实施例中，风机叶片健康监测系统还可以包括与之对应的数据集控中心平台，该数据集控中心平台是一个用于管理和控制大规模数据集的集中化平台包括以下各项功能：

数据集管理：数据集控中心平台可以管理和组织大量的数据集。通过该平台可以创建、修改和删除数据集，为每个数据集设置访问权限，还可以对数据集进行分类、标记和描述，以便更好地组织和查找数据。数据集控中心平台通常建立在一个稳定可靠的数据库管理系统上，如MySQL、Oracle、Microsoft SQL Server等。这些数据库系统提供了数据存储、访问和管理的功能，并支持高效的数据查询和操作。

数据集监控：平台提供实时的数据集监控功能，能够跟踪数据集的状态和性能指标，监测数据集的容量、使用情况、存储位置等信息，以及数据集的访问频率和响应时间等指标，有助于优化数据集的使用和管理。

数据集备份与恢复：数据集控中心可以支持数据集的备份和恢复操作，可以用于定期备份数据集，以防止数据丢失或损坏。在出现数据故障或意外情况时，可以使用备份数据集进行快速恢复，保证数据的可靠性和连续性。

数据集安全性：平台提供严格的数据集安全措施，保护数据集免受未经授权的访问和恶意攻击，平台应具备强大的访问控制与权限管理机制，以确保数据集的安全性和隐私保护。它可以实施身份验证、访问控制、加密传输等安全机制，确保数据集的保密性、完整性和可用性。

数据集共享与协作：数据集控中心平台支持数据集的共享和协作。

数据集分析与挖掘：平台提供数据集分析和挖掘的功能，通过内置的工具或集成的第三方软件可以对数据集进行统计、可视化和挖掘，也可以对数据集分类和标记，以更好地进行搜索、过滤和排序。

通过数据集控中心平台集中管理和控制数据集，可以实现对数据集的管理、监控、备份与恢复、安全性、共享与协作、分析与挖掘等功能，提供高效、安全和可靠的数据集管理和使用环境。

本申请实施例通过在风机叶片上的不同位置设置光纤光栅传感器，兼顾了风机叶片不同位置的工况差异，可以全面了解整个风机叶片结构的受力情况，从而可以准确地了解风机叶片的健康情况，及时发现问题，由此提供准确的故障预警和维护策略，确保风机的稳定运行。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请实施例的技术方案可借助软件和/或硬件来实现。本说明书中的“单元”和“模块”是指能够独立完成或与其他部件配合完成特定功能的软件和/或硬件，其中硬件例如可以是现场可编程门阵列（Field－ProgrammableGate Array，FPGA）、集成电路（Integrated Circuit，IC）等。

本申请实施例的各处理单元和/或模块，可通过实现本申请实施例所述的功能的模拟电路而实现，也可以通过执行本申请实施例所述的功能的软件而实现。

需要说明的是，对于前述实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些服务接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储器中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储器中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可为个人计算机、服务器或者网络设备等）执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储器包括：U盘、只读存储器（Read-Only Memory， ROM）、随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。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记载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，本公开的范围和精神由权利要求限定。