羅少軒，喬愛民，王艷春

(蚌埠學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233030)

風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)力帶動(dòng)轉(zhuǎn)子葉片旋轉(zhuǎn)，然后通過增速機(jī)將轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度提升，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電[1]。轉(zhuǎn)子葉片的作用是將風(fēng)力傳送到轉(zhuǎn)子軸心，500 kW左右的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片的長度約為20米，由于葉片自身的重量很大，而且捕獲風(fēng)能時(shí)承受的載荷也很大，因此每個(gè)葉片需要用幾十個(gè)螺栓與聯(lián)接部件進(jìn)行緊固，才能保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行[2-4]。螺栓預(yù)緊力是螺栓在擰緊過程中，螺栓與聯(lián)接部件之間的沿螺栓軸心線方向的作用力。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片在旋轉(zhuǎn)過程中，葉片振動(dòng)、載荷突變和螺栓老化等原因都可能會(huì)使螺栓松動(dòng)，繼而引起聯(lián)接部件松動(dòng)脫落并引發(fā)安全事故，因此螺栓的預(yù)緊力測量對于風(fēng)電設(shè)備的安全可靠運(yùn)行非常重要[5]。目前螺栓的預(yù)緊力測量主要采用扭矩扳手和環(huán)形傳感器，扭矩扳手采用人工方式把螺栓預(yù)緊到固定力值，但是不能實(shí)時(shí)檢測某個(gè)螺栓是否松動(dòng)，只能采用定期逐個(gè)排查的方式，檢測效率和實(shí)時(shí)性較低[6]；環(huán)形傳感器安裝在螺栓和聯(lián)接部件之間，可以實(shí)時(shí)檢測螺栓預(yù)緊力，檢測效率和實(shí)時(shí)性比較高，但是由于環(huán)形傳感器和顯示儀表之間采用有線連接方式，因此被測螺栓所在的部件不能連續(xù)自由旋轉(zhuǎn)，因?yàn)榫€纜在連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生纏繞甚至拉斷，因此在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片等需要連續(xù)旋轉(zhuǎn)的聯(lián)接部件上使用就有很大的局限性。本設(shè)計(jì)中，為了精確檢測螺栓的預(yù)緊力，傳感器的彈性體采用了中間帶通孔的輪輻式結(jié)構(gòu)；為了解決傳感器隨轉(zhuǎn)子葉片連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)線纜的纏繞和繃斷等問題，在傳感器內(nèi)部設(shè)計(jì)了一個(gè)腔體，用于在傳感器的內(nèi)部增加鋰電池供電、信號(hào)處理和無線發(fā)射電路，這樣傳感器和監(jiān)控儀表之間就不再需要供電線纜和信號(hào)傳輸線纜，使得傳感器能夠在隨轉(zhuǎn)子葉片連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)對螺栓預(yù)緊力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

1 測量方案設(shè)計(jì)

螺栓預(yù)緊力測量方案如圖1所示，螺栓預(yù)緊力施加在傳感器上，傳感器內(nèi)部集成了彈性體、應(yīng)變片、信號(hào)調(diào)理電路、單片機(jī)、AD轉(zhuǎn)換電路和無線發(fā)射電路，能夠?qū)⒙菟A(yù)緊力的變化轉(zhuǎn)換先轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過無線發(fā)射電路發(fā)射出去。監(jiān)控端再通過無線接收電路接收此信號(hào)，并在顯示終端上實(shí)時(shí)顯示螺栓預(yù)緊力數(shù)值，方便操作人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖1 螺栓預(yù)緊力測量方案

2 傳感器設(shè)計(jì)

2.1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了準(zhǔn)確測量螺栓的預(yù)緊力，傳感器的彈性體采用中通的輪輻式結(jié)構(gòu)，如圖2所示。這樣傳感器就可以安裝在螺栓和墊片之間，直接承受螺栓的預(yù)緊壓力，如圖3所示，有利于準(zhǔn)確測量。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

圖3 傳感器結(jié)構(gòu)剖視圖

輪輻式傳感器的8個(gè)孔輻的輻條是敏感梁，可以將每對孔輻的輻條看成是一根兩端固定的梁，然后進(jìn)行計(jì)算。設(shè)F為傳感器上加載的力值大小，那么每對孔輻的輻條構(gòu)成的梁的受力就等于F/8，對于這種梁，中性面成45°方向的剪應(yīng)變是最大的，而且剪應(yīng)力呈拋物線形分布，最大剪應(yīng)變?nèi)绻?1)所示：

εmax=3F(1+μ)/16hEB

(1)

上式中，h為孔輻梁的高度，B為孔輻梁的寬度。

由公式(1)可得，孔輻梁與中性面成45°方向的最大剪應(yīng)力為：

τmax=3F/16hB

(2)

因此，由公式(1)和公式(2)可知，在輪輻條中間截面的中性層處粘貼電阻應(yīng)變片，并采用恒壓電橋電路，就可以測量輪輻彈性體受到的預(yù)緊力。

傳感器在安裝時(shí)，螺栓穿過墊片、傳感器的中心通孔、轉(zhuǎn)子葉片的中心通孔，然后緊固在聯(lián)接部件上，如圖4所示。傳感器的頂部凸臺(tái)為受力部位，螺栓擰緊時(shí)，傳感器的頂部凸臺(tái)受到墊片的擠壓，引起傳感器內(nèi)部彈性體的微形變，進(jìn)而引起粘貼在彈性體上的電阻應(yīng)變片的阻值發(fā)生變化，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成了電信號(hào)，可以用于進(jìn)一步的處理和測量。

圖4 傳感器安裝示意圖

2.2 傳感器信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

傳感器的輸出信號(hào)為電阻式應(yīng)變計(jì)組成的等臂電橋的輸出信號(hào)，等臂電橋的信號(hào)在直流電源激勵(lì)下，隨彈性體的微形變而發(fā)生變化，因此變化量很小，為mV級(jí)的差分信號(hào)，容易受到干擾，因此需要首先對其進(jìn)行濾波，去除高頻干擾信號(hào)，信號(hào)處理電路如圖5所示。電阻R1和C1，電阻R2和C2，分別組成了兩個(gè)無源低通濾波器，對傳感器中的恒壓電橋的輸出信號(hào)進(jìn)行前置低通濾波。由于應(yīng)變式傳感器的輸出信號(hào)響應(yīng)頻率一般低于500 Hz，因此用10 kΩ電阻和0.1 uF陶瓷電容組成的低通濾波器電路簡單且能非常有效地濾除高頻噪聲。

圖5 信號(hào)處理電路圖

電橋信號(hào)預(yù)處理完之后，需要進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，才能計(jì)算出傳感器的壓力值。本設(shè)計(jì)中，采用C8051F350內(nèi)部的24位AD轉(zhuǎn)換器，這樣做的好處是可以縮減電路板的尺寸，更加容易放入傳感器內(nèi)部的空腔中，而且24位AD轉(zhuǎn)換器的分辨率也完全可以滿足測量要求。另外，C8051F350這種增強(qiáng)型51單片機(jī)具有低功耗模式，用于鋰電池供電的傳感器上，能夠根據(jù)使用條件和環(huán)境，設(shè)置低功耗模式，節(jié)約電量，增長電池的使用時(shí)間，AD轉(zhuǎn)換及單片機(jī)電路如圖6所示。

圖6 AD轉(zhuǎn)換及單片機(jī)電路

2.3 無線通信電路設(shè)計(jì)

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片在工作時(shí)是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的，因此不能采用線纜傳輸信號(hào)，所以只能采用無線通信方式傳輸信號(hào)?？紤]到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片離地面高度比較高，因此無線傳輸?shù)木嚯x不能太短；而無線發(fā)送的距離越長，發(fā)射功率越大，鋰電池的使用周期就越短。傳輸距離和電池使用周期之間必須相互平衡才能滿足設(shè)計(jì)要求，最后選用低功耗的433 MHz工業(yè)頻段的無線傳輸模塊RS630進(jìn)行信號(hào)傳輸，接口電路如圖7所示。這種通信模塊可以用串口直接驅(qū)動(dòng)，使用時(shí)只需將RXD和TXD信號(hào)線與圖5中C8051F350單片機(jī)的19、20號(hào)引腳連接即可，模塊發(fā)射功率50 mW，睡眠電流約為3 uA，可視傳輸距離最大1800米，安裝在風(fēng)機(jī)葉片上實(shí)測傳輸距離大于或等于600米，完全能夠滿足使用要求。

圖7 無線模塊接口電路

傳感器的通信協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議格式，上行數(shù)據(jù)協(xié)議主要是連續(xù)發(fā)送模式中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信號(hào)上傳協(xié)議，Modbus協(xié)議中采用03功能碼；下行數(shù)據(jù)協(xié)議主要包括：傳感器零點(diǎn)校準(zhǔn)、傳感器數(shù)值校準(zhǔn)和傳感器模式設(shè)置三種協(xié)議，Modbus協(xié)議中采用06功能碼對寄存器進(jìn)行設(shè)置。正常情況下，傳感器如果不處于休眠模式，默認(rèn)每5秒鐘向上位機(jī)發(fā)送一次預(yù)緊力數(shù)據(jù)，鋰電池電量低于20%時(shí)，也會(huì)每5秒向上位機(jī)發(fā)送一次低電量警示信息。上位機(jī)也可以遠(yuǎn)程設(shè)置傳感器的上傳數(shù)據(jù)間隔時(shí)間，最長支持每60分鐘上傳一次數(shù)據(jù)，節(jié)省電量，延長連續(xù)工作時(shí)間。通信協(xié)議中，還設(shè)置了零點(diǎn)校準(zhǔn)模式和數(shù)值校準(zhǔn)模式，可以隨時(shí)對傳感器的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，保證測量精度。

3 測量結(jié)果與分析

傳感器和信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)完成以后，為了驗(yàn)證傳感器能否準(zhǔn)確地測量風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片上螺栓的預(yù)緊力，在緊固螺栓上進(jìn)行了加載0-30 kN的預(yù)緊力實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，等臂電橋的激勵(lì)電壓為5 VDC，傳感器的靈敏度調(diào)整為2 mV/V，測試環(huán)境溫度為20 ℃恒溫，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 20 ℃恒溫條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，恒溫條件下，預(yù)緊力的測量綜合誤差低于±0.3%FS?？紤]到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)際工作環(huán)境溫度變化范圍較大，因此需要對傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償[7-8]。補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ窃诘缺垭姌蛑性黾右欢毋~鎳合金絲作為溫度補(bǔ)償電阻，其電阻溫度系數(shù)為正值[9-10]。將預(yù)緊力傳感器置于恒溫箱中，調(diào)節(jié)恒溫箱的溫度從-40 ℃變化至60 ℃，沒有做溫度補(bǔ)償?shù)膫鞲衅鞯募虞d實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8(a)所示，做溫度補(bǔ)償后的傳感器加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8(b)所示。從圖8中可以看出，傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償后，環(huán)境溫度對傳感器輸出結(jié)果的影響減小了。

圖8 傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償前后輸出信號(hào)對比

4 結(jié)論

輪輻式彈性體結(jié)構(gòu)的力傳感器用于檢測風(fēng)力發(fā)電機(jī)螺栓預(yù)緊力效果較好，恒溫條件下的測量綜合誤差≤±(0.3)%FS。

實(shí)際工作環(huán)境中，溫度變化對傳感器的輸出影響較大，因此必須對傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，補(bǔ)償后的傳感器測量綜合誤差≤(±0.5)%FS。

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片在工作時(shí)是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的，因此不能采用線纜給傳感器供電和傳輸信號(hào)，鋰電池供電和無線通信方式是一種可行的解決方案。