許 諾，黃登華

（1．北京安心易維科技有限公司，北京 101403；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無錫 214035）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)特別是海上風(fēng)電機(jī)組大多工作在復(fù)雜惡劣環(huán)境下，機(jī)組運(yùn)行過程中受到風(fēng)速變化、海浪波動及塔影效應(yīng)等因素影響，這些因素會在葉片上產(chǎn)生周期性疲勞載荷，長時間周期性載荷加上極端天氣極可能導(dǎo)致葉片損傷與故障。葉片作為風(fēng)電機(jī)組捕獲風(fēng)能部件，故障輕則使風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏離原來的設(shè)計(jì)指標(biāo)造成捕風(fēng)效率下降，降低經(jīng)濟(jì)效益，重則造成風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中意外停機(jī)，降低風(fēng)機(jī)的可靠性，甚至可能會發(fā)生葉片折斷、倒塔等嚴(yán)重事故。葉片狀態(tài)監(jiān)測不僅涉及機(jī)組安全運(yùn)行問題，在機(jī)組的控制中如果能考慮葉片狀態(tài)及載荷，采用相應(yīng)的優(yōu)化控制手段，不僅極大避免運(yùn)行風(fēng)險，還可提升機(jī)組傳動鏈大部件的運(yùn)行效率，延遲葉片壽命，但目前大部分風(fēng)電機(jī)組對葉片的狀態(tài)監(jiān)測缺乏有效手段。

1 風(fēng)電機(jī)組葉片狀態(tài)檢測的主要技術(shù)手段

目前，國內(nèi)外對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測方式主要有：人工巡檢、圖像識別、聲發(fā)射監(jiān)測、預(yù)埋光纖傳感器和基于運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測等。

人工定期目視：風(fēng)電場運(yùn)行檢測人員對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行定期巡檢，通過肉眼觀察葉片狀態(tài)，利用經(jīng)驗(yàn)對葉片狀態(tài)進(jìn)行判斷。該監(jiān)測方式實(shí)現(xiàn)麻煩、效率低下、安全隱患大。

圖像識別處理方式：利用無人機(jī)攜帶攝像頭或者在機(jī)艙頂端固定位置安裝高清攝像機(jī)拍攝葉片圖像，對葉片不同部分的照片運(yùn)用圖像處理方法，判斷葉片狀態(tài)。這類無損檢測手段雖然實(shí)現(xiàn)了對葉片破損的非接觸測量，但需要使用無人機(jī)采集葉片圖像，拍攝過程中需要無人機(jī)對飛行軌跡、拍攝角度等參數(shù)進(jìn)行提前規(guī)劃確定，系統(tǒng)復(fù)雜，難度大且易受環(huán)境因素干擾。這類方法若要實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)采集與監(jiān)測，設(shè)備的安裝難度較大，費(fèi)用也較高，因此現(xiàn)階段更適合于葉片的定期檢測與檢修。

聲發(fā)射監(jiān)測：利用超聲波發(fā)生裝置向葉片發(fā)射聲波，采用超聲波檢測裝置接收返回的聲波，超聲回?fù)茉谌~片內(nèi)傳播時，會疊加葉片內(nèi)部狀態(tài)信息。分析超聲波回波信號，可以獲取葉片內(nèi)部的一些狀態(tài)信息如斷裂、疲勞破損等狀態(tài)。該方式需額外的聲發(fā)射源，導(dǎo)致聲發(fā)監(jiān)測裝置體型較大，適合葉片還未裝機(jī)前的檢測，不適宜對正在運(yùn)行的葉片進(jìn)行檢測。

光纖傳感器：在葉片制造時，在葉片中預(yù)先埋入光纖傳感器如布拉格光柵、布里淵光纖等，當(dāng)葉片在運(yùn)行時，葉片的應(yīng)變會疊加到光線傳感器上，光纖內(nèi)傳播的的激光信號會疊加相應(yīng)的應(yīng)變信號，通過對光信號的解調(diào)獲取葉片運(yùn)行的應(yīng)變信息，進(jìn)而獲取葉片狀態(tài)信息。

振動監(jiān)測方式：當(dāng)葉片發(fā)生故障時，通常表現(xiàn)為運(yùn)行時振動異常。通過在葉片或者傳動鏈上安裝振動傳感器，采集機(jī)組運(yùn)行過程中的振動信號，振動信號內(nèi)包含了葉片各類故障所產(chǎn)生的狀態(tài)信息，對葉片運(yùn)行的振動信號進(jìn)行特征提取，時頻域特征參數(shù)及特征頻率計(jì)算獲取葉片運(yùn)行狀態(tài)。

SCADA 數(shù)據(jù)診斷方式：風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身具有監(jiān)視控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以通過數(shù)據(jù)挖掘等方式對風(fēng)機(jī)狀態(tài)進(jìn)行檢測。但SCADA 是通過風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速、功率等其他信號間接反映葉片的運(yùn)行狀態(tài)，對葉片早期故障難以及時發(fā)現(xiàn)。

因此，根據(jù)是否安裝葉片傳感器和所安裝傳感器的種類，可以分為3 類葉片狀態(tài)監(jiān)測方法。第一類方法基于SCADA 數(shù)據(jù)對葉片破損進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，該類方法主要對風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和建模，無需為葉片安裝任何傳感器，技術(shù)上易于實(shí)現(xiàn)，但因?qū)θ~片無直接監(jiān)視參數(shù)，多采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，計(jì)算量大且模型復(fù)雜，容易造成模型個體針對性強(qiáng)而泛化能力差。第二類方法是通過紅外、可見光等攝像機(jī)獲取葉片外表圖像，再經(jīng)圖像處理進(jìn)行葉片故障檢測。這些檢測手段雖然實(shí)現(xiàn)了對葉片破損的非接觸測量，但容易受環(huán)境因素干擾，同時難以實(shí)現(xiàn)葉片狀態(tài)的在線測量。另一方面，通過在風(fēng)機(jī)葉片上安裝各類傳感器，通過傳感器監(jiān)測葉片運(yùn)行過程中產(chǎn)生的各類狀態(tài)信號，并對信號進(jìn)行分析，提取故障信息。此類方法主要采用的傳感器種類有聲發(fā)射、應(yīng)變、振動等傳感器。這些方法根據(jù)傳感器及葉片信號特點(diǎn)各有優(yōu)點(diǎn)，但絕大多數(shù)檢測手段價格昂貴、安裝復(fù)雜、使用不便，難以推廣應(yīng)用。

2 風(fēng)電機(jī)組葉片檢測裝置需求分析

葉片作為風(fēng)電機(jī)組捕獲風(fēng)能的重要部件，傳感器的安裝不能改變?nèi)~片的氣動外形，否則將導(dǎo)致發(fā)電效率的下降。葉片狀態(tài)檢測傳感器不僅僅能發(fā)現(xiàn)表面破損，還需要對葉片內(nèi)部裂紋、疲勞損傷、螺栓松動等狀態(tài)進(jìn)行及時檢測。振動傳感器常應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障檢測，常應(yīng)用于風(fēng)機(jī)傳動鏈設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測，目前風(fēng)電機(jī)組齒輪箱及發(fā)電機(jī)等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測主要采用振動監(jiān)測。葉片在運(yùn)行過程中也屬于旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備，葉片振動信號通常是葉片旋轉(zhuǎn)過程中機(jī)械縫隙和各類故障信息綜合產(chǎn)生的信息，能直接反映葉片內(nèi)在狀態(tài)信息。當(dāng)葉片故障時，表現(xiàn)出振動信號與正常工況特征參數(shù)的異常，通過各類時頻域特征參數(shù)的判斷，可以實(shí)現(xiàn)葉片狀態(tài)的在線監(jiān)測。因此，基于振動的故障檢測是故障監(jiān)測最直接有效的方法之一，采用振動傳感器是對葉片狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測的理想手段。

同時由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片工作時相對于機(jī)艙在不斷運(yùn)動，葉片傳感器在設(shè)計(jì)時必須考慮如何實(shí)現(xiàn)電源供給、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸及安裝等問題。考慮到葉片特殊測量環(huán)境，比較理想的傳感器應(yīng)該是無線無源方式。葉片檢測裝置可采用電池或者太陽能方式實(shí)現(xiàn)自供電。葉片傳感器采用無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對于無線傳輸需要考慮功耗、傳輸距離、天線布置、通信速率和通信穩(wěn)定性等問題。

為了在安裝傳感裝置后不影響葉片的氣動外形，需要對傳感裝置的外形裝置進(jìn)行薄膜化，貼片式。同時裝置的設(shè)計(jì)尺寸和安裝位置要根據(jù)葉片工況進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)。

針對上述背景技術(shù)中描述的問題與缺陷，本文設(shè)計(jì)了一種基于無線振動傳感器的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片監(jiān)測裝置。針對監(jiān)測裝置安裝問題，采用柔性薄膜貼片式電路，針對裝置供電與能耗問題，采用太陽能電池?zé)o線供電方式與低功耗策略；針對監(jiān)測系統(tǒng)通信問題，采用LORA 無線技術(shù)與星型無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3 風(fēng)電機(jī)組葉片檢測裝置設(shè)計(jì)

3.1 傳感器選擇與設(shè)計(jì)

葉片運(yùn)行旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的振動信號包含不同類型不同頻段的故障信號，基于振動的葉片狀態(tài)監(jiān)測是成熟可行的方法，由于加速度振動傳感器技術(shù)成熟度高，頻帶范圍寬，很適合于葉片狀態(tài)監(jiān)測。目前成熟的加速度傳感器有模擬式和數(shù)字式2 種，傳統(tǒng)的模擬加速度振動傳感器一般呈現(xiàn)圓柱形，尺寸較大，不但難以安裝在葉片表面，還容易改變?nèi)~片氣動外形，并且還需信號處理電路，系統(tǒng)復(fù)雜，不適合于葉片狀態(tài)監(jiān)測。新型的數(shù)字加速度計(jì)不需要額外的信號調(diào)理與ADC 電路，通過I2C 或SPI 與控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，基于數(shù)字加速度及的葉片傳感器可以做到結(jié)構(gòu)簡單、體型小。

MPU9250 是一種數(shù)字九軸半導(dǎo)體傳感器芯片，其內(nèi)部不僅集成了三軸加速度計(jì)，還集成了三軸陀螺儀、三軸磁力計(jì)等，可以通過通訊接口直接輸出各個參數(shù)的數(shù)字量。MPU9250 用作葉片傳感器可以方便測出葉片不同方向上的加速度，根據(jù)磁力計(jì)還可判斷葉片所處姿態(tài)，方便對不同維度的信號進(jìn)行分解。芯片外觀采用QFN24 封裝，大小3 mm×3 mm×1 mm，體積足夠小巧，非常適合貼片安裝。數(shù)字九軸半導(dǎo)體傳感器芯片具有I2C 和SPI 接口，可以通過I2C 和SPI 接口直接與控制芯片通信，使得整體系統(tǒng)簡潔輕巧。MPU9250 是一種低功耗傳感器，平時可以在休眠模式下工作，可根據(jù)情況定期喚醒工作，最小電流可低至8 μA，滿足系統(tǒng)功耗要求。

3.2 控制器選擇與設(shè)計(jì)

由于采集裝置需要安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片上，葉片傳感器通訊裝置距離較遠(yuǎn)，需要采用無線通信方式。目前流行的無線通信方式主要有：NFC 近場通信、藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee、Sub-1Ghz、LoRa 和GPRS 等?？紤]通信距離和通信速率以及功耗問題，Sub-1Ghz、LoRa 兩種方式都能滿足葉片環(huán)境下的無線通信要求。由于風(fēng)電機(jī)組葉片旋轉(zhuǎn)速度較低，振動信號的采樣率無需太高，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)量及速率要求較低，但系統(tǒng)對信號傳輸距離及低功耗要求較高。LoRa 是一種遠(yuǎn)距離、低功耗的無線通信技術(shù)，LoRa 技術(shù)在節(jié)點(diǎn)設(shè)置、運(yùn)行成本、傳輸距離和信號接收強(qiáng)度等方面很適合于葉片狀態(tài)條件要求。

本系統(tǒng)采用STM32WLE5CBU6 芯片，該芯片將無線通信與微控制器集成到一塊芯片，集成了LoRa 相關(guān)協(xié)議。主控制器體積小，接口豐富，功耗低，支持低功耗和睡眠方式，可以同時實(shí)現(xiàn)LoRa 通信及傳感器芯片數(shù)據(jù)采集和處理及異常判斷功能。主控制器不僅能滿足無線通信的，尺寸大小、低功耗的要求，同時本身自帶的I2C 通訊接口可以直接與MPU9250 通信，無需其他外圍電路，2 個芯片就可以滿足傳感器數(shù)據(jù)采集，信號處理，數(shù)據(jù)通信方面的設(shè)計(jì)要求，整體系統(tǒng)體積小，功耗低。系統(tǒng)主控芯片工作溫度-40~105 ℃，非常適合葉片惡劣工作自然環(huán)境條件。

3.3 電源系統(tǒng)計(jì)

為了解決電源供給問題，本系統(tǒng)使用太陽能電池結(jié)合鋰電池組合方式實(shí)現(xiàn)電源供給。白天陽光充足時，太陽能電池提供電源，在滿足系統(tǒng)相關(guān)芯片工作耗能的同時，將多余能量存儲到鋰電池。夜間，太陽能電池不能為系統(tǒng)供給電壓時，由鋰電池提供系統(tǒng)電源。為了使傳感裝置正常工作，系統(tǒng)必須能提供一定范圍內(nèi)穩(wěn)定的電壓，但太陽能電池由于光照強(qiáng)度的變化，輸出電壓也有較大變化，必須采用穩(wěn)壓模塊實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定及變換功能，滿足信號無線傳感器的供電及鋰電池充電電壓要求。根據(jù)STM32WLE5CBU6 和MPU9250 的電氣參數(shù)，芯片工作電壓范圍在1.8~3.8 V，本系統(tǒng)選擇3.3 V 作為工作電壓。STM32WLE5CBU6 在發(fā)送數(shù)據(jù)時功耗最大，在TX（+13 dBm）典型電流值可達(dá)幾十毫安。MPU9250 在正常工作模式下，電流值可達(dá)8 mA。系統(tǒng)加上其他器件的功率損耗，整體工作的最大極限功率在0.15 W 以內(nèi)。

供電方式選擇易于安裝在葉片表面的薄膜、柔性太陽能板，根據(jù)需求選擇2 W、9 V 型號。由于光照強(qiáng)度的變化，太陽能薄膜電池的輸出電壓也會發(fā)生變化，傳感器系統(tǒng)電源系統(tǒng)必須將太陽能電池電壓穩(wěn)定在STM32WLE5CBU6 和MPU9250 需要的工作電壓3.3 V。這里首先選擇lm2940-5.0 穩(wěn)壓芯片將太陽能電池信號穩(wěn)定在5 V。lm2940-5.0 具有較寬的輸入電壓范圍，在5~12 V 的輸入電壓范圍內(nèi)都可以將輸出電壓穩(wěn)定在5 V，非常適合于太陽能薄膜電池輸出電壓的特性要求（圖1）。由于傳感器系統(tǒng)工作電壓是3.3 V，還需要3.3 V 電壓轉(zhuǎn)換與穩(wěn)壓芯片，這里選擇Mic5255-3.3轉(zhuǎn)換芯片，在輸入3.4~6 V 的電壓范圍內(nèi)，都可穩(wěn)定輸出3.3 V，滿足系統(tǒng)對電源電壓和功率的要求。可以看出，當(dāng)太陽能電池板輸出在4.1 V 以上時，就可以為整個系統(tǒng)提供滿足要求的電壓電源，并可為系統(tǒng)備用蓄電池充電，滿足夜間設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測要求。

圖1 電壓變換關(guān)系圖

3.4 系統(tǒng)外觀及電路設(shè)計(jì)

為了滿足葉片狀態(tài)監(jiān)測安裝環(huán)境，系統(tǒng)采用無線無源傳感柔性貼片式設(shè)計(jì)方式。貼片式傳感器裝置主要包括電源管理單元、數(shù)據(jù)采集處理與通信單元、半導(dǎo)體傳感器，系統(tǒng)將各部分電路采用薄膜電路設(shè)計(jì)和封裝，整個傳感裝置體積小、重量輕。系統(tǒng)由無線主控制器模塊，電源模塊和傳感器模塊構(gòu)成。電源模塊由太陽能薄膜電池結(jié)合電壓變換與穩(wěn)壓裝置為鋰電池充放電并為系統(tǒng)提供供電電源。傳感器模塊主要利用九軸半導(dǎo)體傳感器采集葉片多軸振動加速度等數(shù)字信息并利用通信接口傳輸給主控制器。無線主控制器采用帶無線功能的微處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、低功耗管理及LoRa無線數(shù)據(jù)傳輸。無線傳感器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 無線傳感器結(jié)構(gòu)

4 無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)

針對葉片狀態(tài)監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過研究傳感器極端條件下的能耗管理及適合葉片狀態(tài)監(jiān)控的傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及通信可靠性，從而實(shí)現(xiàn)不同工況及氣象條件下傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用可靠性及適應(yīng)性；設(shè)計(jì)并制造采用薄膜化、低功耗寬參數(shù)設(shè)計(jì)，滿足風(fēng)電機(jī)組多變工況及復(fù)雜氣象條件下的葉片傳感器；根據(jù)風(fēng)機(jī)葉片故障特點(diǎn)及設(shè)計(jì)位置在實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)上按設(shè)計(jì)工藝安裝無線傳感器并組建傳感器監(jiān)測網(wǎng)。

系統(tǒng)在風(fēng)電機(jī)組每個葉片上根據(jù)需要按裝若干無線傳感器，由于貼片工藝設(shè)計(jì)和太陽能薄膜電池供電，系統(tǒng)無需其他額外部件，只需粘貼安裝到葉片指定位置即可。無線傳感器外形如圖3 所示。每個測量節(jié)點(diǎn)自動按照采用規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)組網(wǎng)傳輸。實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組葉片24 小時在線狀態(tài)監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可通過集中無線通信節(jié)點(diǎn)傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)可對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，采用諸如模態(tài)分局、雨流計(jì)數(shù)法等高級算法實(shí)現(xiàn)葉片狀態(tài)、葉片疲勞、載荷分析等相關(guān)功能。

圖3 無線傳感器外形

5 結(jié)束語

本文研究了一種基于太陽能薄膜電池的無線貼片式振動傳感器，在分析了葉片狀態(tài)監(jiān)測需求及特點(diǎn)基礎(chǔ)上，對各種狀態(tài)監(jiān)測方法進(jìn)行了分析對比。根據(jù)葉片狀態(tài)監(jiān)測特點(diǎn)和要求，分別進(jìn)行了傳感器選擇、電源設(shè)計(jì)、控制器設(shè)計(jì)和通信方式設(shè)計(jì)等工作。通過研究傳感器極端條件下的能耗管理及適合葉片狀態(tài)監(jiān)控的傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及通信可靠性，從而實(shí)現(xiàn)不同工況及氣象條件下傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用可靠性及適應(yīng)性；設(shè)計(jì)并制造采用薄膜化、低功耗寬參數(shù)設(shè)計(jì)，滿足風(fēng)電機(jī)組多變工況及復(fù)雜氣象條件下的葉片傳感器。