本发明专利技术涉及风电叶片健康监测与安全评估领域，具体提供了一种基于无线声发射传感器网络的风电叶片损伤监测与定位系统。本发明专利技术一种基于无线声发射传感器网络的风电叶片损伤监测与定位系统，包括叶片裂纹数据采集无线声发射传感器节点(1)、对数据进行中继传输的簇头节点(2)、汇聚数据的网管汇聚节点(3)以及监控中心。本发明专利技术结合了无线传感器网络和声发射技术的优势，构建了一套应用于风电叶片的部署灵活、扩展性强、安装维护方便、裂纹感知灵敏的损伤监测与定位系统，克服了传统电缆布线时采集点安装难、维护难、成本高、扩展性差等问题，整个系统配置简单、安装灵活、使用便捷。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及风电叶片健康监测与安全评估领域，具体提供了一种基于无线声发射传感器网络的风电叶片损伤监测与定位系统。
技术介绍
近年来，随着国家大力支持可再生能源的发展，风电装机容量的迅猛增长和单机容量不断增大，对风电设备的安全可靠性、运行稳定性提出了极高的要求。风力发电机组是由叶片、传动系统、发电机、储能设备、塔架及电器系统等组成的发电装置。风力发电机叶片(简称风电叶片)是其中最重要的部件，其服役状态对整个风电机组的安全运行影响极大。由于我国的风力发电场主要分布在三北(东北、华北、西北)以及沿海地区，风电叶片在服役过程中需要长期承受强风载荷、雨雪、砂粒冲刷、紫外线照射、大气氧化与盐雾腐蚀等外界侵蚀，相对国外风电叶片的工作环境来说，我国的风电叶片服役环境更为复杂和恶劣，对风电叶片的服役安全造成了极大威胁。因此，为了保障我国风电叶片的服役安全，减少重大经济损失，避免灾难性事故的发生，合理维修、减少维护成本，采取有效的技术手段及方法对风电叶片进行健康监测具有十分重要的理论意义和实际意义。风电叶片具有尺寸和重量大、服役环境恶劣、外形和载荷复杂等特点，而且我国的风电叶片主要采用玻璃钢等复合材料，制作工艺受环境和人工影响很大，有一定的随机性和不确定性。目前，对风电叶片主要采用定期停机检修的方式进行维护，缺乏行之有效的健康监测与损伤预测方法，存在重大安全隐患。然而，考虑到风电叶片自身和服役特点，利用传统的有线、有源的在线监测方式对其进行健康监测将会面临布线施工难、后期维护难、可扩展性和可维护性差的问题。无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)是一种新兴的数据采集与传输技术，它利用无线通信的方式将大量的传感器节点形成一个多跳的、自组织的监控网络，具有无线通信传输、可靠性高、自组织、维护方便、扩展性好等特点，可以有效地解决风电叶片健康监测存在的问题。由于材料或构件在受到外力或内力作用时，内部的应变能以弹性波的形式迅速释放出来，声发射对材料或构件缺陷的起始和扩展具有特殊的敏感性，并且具有动态检测能力，是复合材料的损伤研究的最有效的方法之一。因此，结合无线传感器网络与声发射技术对风电叶片的损伤进行监测和定位，有利于建立实时、可靠、长期监测的风电叶片健康监测系统，为风电叶片的健康状态评价建立统一有效的标准提供理论依据和数据支持。目前，与本专利技术相关的公开文献如下 (I)中国专利(申请号201120265063. I)公开了一种风电机组智能预警应急系统无线传感器网络装置，包括传感器模块、数据处理控制模块、无线通信模块和供电模块。该装置可以对风电机舱和塔体内控制柜内的温度、烟雾、图像等物理信息进行感知和识别，实现对机舱内温度和空气中烟谱变化情况进行精确自动监测；可以对机舱内氧气浓度进行检测，进行环境安全抱紧，以确保人员的身体健康与生命安全。(2)北京化工大学的杨剑锋、韩敬宇研究了基于声发射技术的风电叶片裂纹无线监测系统，论文实现了基于CC2480与ATmegal28的硬件节点，而且可进行声发射数据的特征值计算，无线通信部分则负责把这三个特征参数进行传输。(3)中国专利(申请号CN200820165073.6)公开了一种植物检测装置。目的是提供的植物声发射信号检测装置应具有功耗低、可靠性强、安装及维护便利等特点，并且成本 较低。该方案包括随机部署在田间不同植株茎上的一组无线传感器网络节点，每个节点包括声发射传感器和及配套模块；所述的无线传感器网络节点通过一个或数个网关、基站与远程数据库服务器通信；数据传送的过程是每个无线传感器网络节点所采集的数据通过相邻节点接力传送的方式传送回网关，网关将数据处理后转发给基站，通过基站以卫星信道或者有线网络连接的方式传送给远程数据库服务器；其特征在于所述的每个声发射传感器设置在植物茎部，以直接感知植物的声发射信号。(4)中国专利(申请号CN201110065468. 5)公开了一种化工场景下人员定位监测系统及定位方法。现有的定位设备成本高、定位精度低。本专利技术包括RS-485总线、无线传感器网络、数据转换装置和分布在各车间的分站网关。RS-485总线网络中的数据按照RS-485总线通讯协议进行通讯；无线传感器网络中的数据按照串行通讯协议通过RS-232串口进行通讯；RS-485总线网络与无线传感器通过数据转换装置和各车间分站网关连接，用于将指令和参数传输给无线传感器网络。本专利技术能够精确获得工作人员在车间中的位置，并提供实时动态定位数据。(5)中国专利(申请号CN201010264833.0)公开了一种基于无线传感器网络的机场环境监控方法，通过搭建一个无线传感器网络和一个专用虚拟网络来实现机场环境的实时监控和预警处理，无线传感器网络由网络协调器、终端设备和监测节点构成，专用虚拟网络由监控中心、手持设备和安防系统构成，其显著效果是监控中心采用虚拟专用网，利于数据信息的保密性和安全性，无线传感器网络在不同情况下采用不同的无线信道接入机制，保证了紧急情况下监测节点实时向监控中心汇报有效环境信息，无线传感器网络与虚拟专业网络之间采用GPRS协议，扩大了数据传送距离，监控中心能够对上传的环境信息进行实时判断和预警处理，增强了机场安防体系的智能性和完善性，可准确而实时的制止事故发生。综上所述，目前围绕风电叶片损伤监测、损伤定位等问题的研究，在国内外仅有少量的专利和科技论文，但是这些研究成果只解决了部分问题，还存在很多领域尚未探索。具体体现在(I)现有的研究成果大多针对风电机组的机舱或者塔架等，没有考虑到风电叶片的特殊性；(2)研究成果涵盖内容较少，仅仅只是解决了前端数据采集的问题，而且研究内容只涉及数据采集的几个模块和功能，更没有对整个叶片的裂纹损伤监测的整体解决方案；(3)没有针对风电叶片裂纹损伤位置的实时定位系统，缺乏对裂纹扩展趋势的预警机制；(4)研究的无线数据采集节点处理能力有限，难以应对复杂的应用背景。本专利技术针对以上问题，提出了一种基于无线声发射传感器网络的风电叶片损伤监测与定位系统，克服了传统有线监测系统安装和维护成本高、扩展性差的问题，利用无线传感器网络和声发射技术，实现了一种易于安装维护、可靠性和稳定性高、适用性好、裂纹损伤位置定位准确的风电叶片裂纹损伤的监测的整体解决方案。
技术实现思路
本专利技术的目的是要提供基于无线声发射传感器网络的风电叶片损伤监测与定位系统，整个系统避免了电源线和数据线的铺设，主动侦听到的叶片裂纹损伤数据通过两级无线方式发送到远程的监控中心，可以实现叶片裂纹的实时监测，以及裂纹位置的实时定位。为实现上述目的，本专利技术包括 本专利技术的技术方案如下一种基于无线声发射传感器网络的风电叶片损伤监测与定位系统，包括叶片裂纹数据采集无线声发射传感器节点(I)、对数据进行中继传输的簇头节点(2)、汇聚数据的网管汇聚节点(3)以及监控中心，其特征在于 每个叶片上部署多个无线声发射传感器节点(I)用于采集数据，每个叶片上的无线声发射传感器节点构成一个簇，并为每个簇分配一个作为数据中继的簇头节点(2)，无线声发 射传感器节点在规定的时隙内向簇头节点发送数据，簇内节点通过D-S证据理论和三点定位方法实现裂纹的位置定位；簇头节点部署在叶片根部，采用电源/锂电池本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于无线声发射传感器网络的风电叶片损伤监测与定位系统，包括叶片裂纹数据采集无线声发射传感器节点(I)、对数据进行中继传输的簇头节点(2)、汇聚数据的网管汇聚节点(3)以及监控中心，其特征在于 每个叶片上部署多个无线声发射传感器节点(I)用于采集数据，每个叶片上的无线声发射传感器节点构成一个簇，并为每个簇分配一个作为数据中继的簇头节点(2)，无线声发射传感器节点在规定的时隙内向簇头节点发送数据，簇内节点通过D-S证据理论和三点定位方法实现裂纹的位置定位；簇头节点部署在叶片根部，采用电源/锂电池供电，不间断的监听簇内节点的数据，每个簇分配一个常用工作频率；簇头节点将数据发送到网管汇聚节点(3)，不间断的监听簇头节点发送的数据；网管汇聚节点(3)通过以太网或者GPRS/3G网络连接现场监测网络，将裂纹数据存储入数据中心；无线声发射传感器节点(I)、簇头节点(2)和汇聚节点(3)都具有自检模块，在节点启动或者根据用户指令完成节点自检，检测节点各模块是否正常工作；如果出现异常，将及时在客户端进行显示和预警；终端用户通过监控中心实时掌握风电叶片的服役状态，实时了解叶片裂纹的扩展情况，及时预警。2.根据权利要求I所述的系统，其特征在于安装于风电叶片上的无线声发射传感器节点(I)包括FPGA控制单元、数据缓存模块、电源管理模块、声发射传感器、数据高速采集模块、前置放大器、高速数据处理模块、无线射频单元；节点启动后实时监测叶片裂纹信息，利用数据采集模块可以实现声发射数据的高速采集，将采集的数据经过前置放大处理后，通过高速数据处理模块从采集的数据中提取声发射参数特征数据，然后利用2. 4G无线射频模块将特征参数数据打包发送至中继簇头节点；无线声发射传感器节点(I)采用锂电池独立供电，具有电压监测功能，在电池电压下降到阈值时，及时报警，提醒监控中心更换电池；无线声发射传感器节点的自检模块用于节点各模块的功能检测，防止由于节点出现故障而延误裂纹数据采集。3.根据权利要求I所述的系统，其特征在于汇聚节点(3)包括无线射频模块、以太网控制模块、数据通信模块、数据缓存模块、微控制单元、GPRS/3G网络模块、USB和串口通讯单元、自检模块、电源管理模块，使用220V电源供电，在电源出现问题时自动切换到电池供电功能，保证数据的存储和传输；数据缓存模块用于保存临时缓存中继节点发送的数据，或者突发网络中断情况下无法发送到监控中心的数据，保证网络数据的稳定传输；汇聚节点可以通过以太网或者GPRS/3G网络与风电场监控网络连接，将数据传输至监控中心；汇聚节点具有频率扫描功能，在簇头节点的使用的所有频率上进行扫描，接收来自簇头节点的数据；汇聚节点的自...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨斌，张卫冬，张利欣，艾一搏，张习文，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：
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