(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011385374.1
(22)申请日 2020.12.01
(71)申请人 新疆大学
地址 830046 新疆维吾尔自治区乌鲁木齐
市天山区延安路1230号机械工程学院
(72)发明人 孙文磊 徐甜甜 王宏伟 王炳楷
万云发 曾宪旺 林含笑
(74)专利代理机构 乌鲁木齐合纵专利商标事务
所 65105
代理人 周星莹 汤洁
(51)Int.Cl.
F03D 17/00(2016.01)
(54)发明名称风力发电机主轴承状态监测装置及其监测方法(57)摘要本发明涉及风力发电机技术领域，是一种风力发电机主轴承状态监测装置及其监测方法，包括安装固定板、悬臂梁、质量块、光发射单元、光扫描滤波单元、光纤耦合器、信号转换模块、数据采集卡、上位机、用于安装主轴承的轴承座和用于监测主轴承状态相关数据的状态监测单元；安装固定板的一侧与轴承座外侧固定连接在一起。本发明结构合理而紧凑，使用方便，通过设置状态监测单元为多个FBG传感器串联组成，具有布线简单、不易受电磁干扰以及稳定性强的特点，从而解决了现有的风力发电机主轴承监测存在的布线复杂、易受电磁干扰以及稳定性差的问题，保证了风力发电机健康安全的运行，提高了 风力发电机的运行寿命。权利要求书2页 说明书6页 附图1页CN 112459972 A 2021.03.09
C N 112459972
A
1.一种风力发电机主轴承状态监测装置，其特征在于包括安装固定板、悬臂梁、质量块、光发射单元、光扫描滤波单元、光纤耦合器、信号转换模块、数据采集卡、上位机、用于安装主轴承的轴承座和用于监测主轴承状态相关数据的状态监测单元；
安装固定板的一侧与轴承座外侧固定连接在一起，安装固定板的另一侧与悬臂梁的一端固定连接在一起，悬臂梁远离安装固定板的一端外侧固定设有质量块；
光发射单元与光扫描滤波单元连接，光扫描滤波单元分别与光纤耦合器和数据采集卡连接，光纤耦合器分别与状态检测单元和信号转换模块连接，信号转换模块与数据采集卡连接，数据采集卡与上位机连接；
状态监测单元包括单根光纤和刻在单根光纤上的温度监测模块、应变监测模块和振动监测模块，温度监测模块、应变监测模块和振动监测模块之间设有间距，温度监测模块和应变监测模块设置在主轴承外圈上，振动监测模块设置在悬臂梁外侧，温度监测模块、应变监测模块和振动监测模块均为FBG传感器，单根光纤与光纤耦合器连接。
2.根据权利要求1所述的风力发电机主轴承状态监测装置，其特征在于光发射单元包括电源、宽带光源和光纤隔离器，电源、宽带光源和光纤隔离器依次连接，光纤隔离器与光扫描滤波单元连接。
3.根据权利要求2所述的风力发电机主轴承状态监测装置，其特征在于光扫描滤波单元包括可调滤波器和功放模块，可调滤波器分别与光纤隔离器、光纤耦合器和功放模块连接，功放模块与数据采集卡连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的风力发电机主轴承状态监测装置，其特征在于信号转换模块包括光电转换元件、运算放大器和信号输出端子，光电转换元件分别与光纤耦合器和运算放大器连接，信号输出端子分别与运算放大器和数据采集卡连接。
5.一种根据权利要求1至4所述的风力发电机主轴承状态监测方法，其特征在于包括：
光扫描滤波单元接收光发射单元发出的光信号进行扫描滤波，并将扫描滤波之后的光信号通过光纤耦合器输出至状态监测单元；
风力机主轴承工作时，温度监测模块、应变监测模块和振动监测模块分别监测工作时主轴承的温度、应变和振动状态信号，具体包括：
1、风机主轴承工作时，主轴承温度变化引起温度监测模块的中心波长发生相应变化，温度监测模块通
过反射光信号的方式将中心波长的变化输出至光纤耦合器；
2、风机主轴承工作时，主轴承应变变化引起应变监测模块的中心波长发生相应改变，应变监测模块通过反射光信号的方式将中心波长的变化输出至光纤耦合器；
3、风机主轴承工作时，主轴承振动引起振动监测模块的中心波长发生相应改变，振动监测模块通过反射光信号的方式将中心波长的变化输出至光纤耦合器；
光纤耦合器将温度监测模块、应变监测模块和振动监测模块反射的光信号输出至信号转换模块，信号转换模块将接收到的光信号转换为电信号输出至数据采集卡，数据采集卡将电信号输出至上位机进行分析处理。
6.根据权利要求5所述的风力发电机主轴承状态监测方法，其特征在于光扫描滤波单元接收光发射单元发出的光信号进行扫描滤波包括：
上位机通过数据采集卡向功放模块发送电信号，功放模块将接收到的电信号进行放大后输出至可调滤波器，驱动可调滤波器对接收到的光信号进行扫描滤波。
7.根据权利要求5所述的风力发电机主轴承状态监测方法，其特征在于信号转换模块将接收到的光信号转换为电信号输出至数据采集卡包括：
光纤耦合器将温度监测模块、应变监测模块和振动监测模块反射的光信号输出至光电转换元件，光电转换元件将光信号转换为电信号输出至运算放大器，运算放大器将电信号转换为放大倍数的电信号输出至数据采集卡。
风力发电机主轴承状态监测装置及其监测方法
技术领域
[0001]本发明涉及风力发电机技术领域，是一种风力发电机主轴承状态监测装置及其监测方法。
背景技术
[0002]风力发电机由于具有运行工况复杂、环境恶劣、保养周期长及维修成本高等特点，要求其机械系统具有较高的可靠性，在风力机的各组成部件中，主轴承是传动系统中最重要，也是最容易损坏的部件之一，若风力机的主轴承出现故障，将会影响整个风力机的运行，甚至造成严重的安全事故，因此，就需要及时有效地对风力机主轴承进行状态监测，而现有的风力机主轴承监测都是基于电类传感器进行的，存在布线复杂、易受电磁干扰以及稳定性差的问题，从而不能保证风力机健康安全运行，使风力机的运行寿命降低。
发明内容
[0003]本发明提供了一种风力发电机主轴承状态监测装置及其监测方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有风力发电机主轴承监测存在的布线复杂、易受电磁干扰以及稳定性差的问题。
[0004]本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：一种风力发电机主轴承状态监测装置，包括安装固定板、悬臂梁、质量块、光发射单元、光扫描滤波单元、光纤耦合器、信号转换模块、数据采集卡、上位机、用于安装主轴承的轴承座和用于监测主轴承状态相关数据的状态监测单元；
安装固定板的一侧与轴承座外侧固定连接在一起，安装固定板的另一侧与悬臂梁的一端固定连接在一起，悬臂梁远离安装固定板的一端外侧固定设有质量块；
光发射单元与光扫描滤波单元连接，光扫描滤波单元分别与光纤耦合器和数据采集卡连接，光纤耦合器分别与状态检测单元和信号转换模块连接，信号转换模块与数据采集卡连接，数据采集卡与上位机连接；
状态监测单元包括单根光纤和刻在单根光纤上的温度监测模块、应变监测模块和振动监测模块，温度监测模块、应变监测模块和振动监测模块之间设有间距，温度监测模块和应变监测模块设置在主轴承外圈上，振动监测模块设置在悬臂梁外侧，温度监测模块、应变监测模块和振动监测模块均为FBG传感器，单根光纤与光纤耦合器连接。
[0005]下面是对上述发明技术方案之一的进一步优化或/和改进：
上述光发射单元可包括电源、宽带光源和光纤隔离器，电源、宽带光源和光纤隔离器依次连接，光纤隔离器与光扫描滤波单元连接。
[0006]上述光扫描滤波单元可包括可调滤波器和功放模块，可调滤波器分别与光纤隔离器、光纤耦合器和功放模块连接，功放模块与数据采集卡连接。
[0007]上述信号转换模块可包括光电转换元件、运算放大器和信号输出端子，光电转换元件分别与光纤耦合器和运算放大器连接，信号输出端子分别与运算放大器和数据采集卡
连接。
[0008]本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种风力发电机主轴承状态监测方法，包括：
光扫描滤波单元接收光发射单元发出的光信号进行扫描滤波，并将扫描滤波之后的光信号通过光纤耦合器输出至状态监测单元；
风力机主轴承工作时，温度监测模块、应变监测模块和振动监测模块分别监测工作时主轴承的温度、应变和振动状态信号，具体包括：
1、风机主轴承工作时，主轴承温度变化引起温度监测模块的中心波长发生相应变化，温度监测模块通过反射光信号的方式将中心波长的变化输出至光纤耦合器；
2、风机主轴承工作时，主轴承应变变化引起应变监测模块的中心波长发生相应改变，应变监测模块通过反射光信号的方式将中心波长的变化输出至光纤耦合器；
3、风机主轴承工作时，主轴承振动引起振动监测模块的中心波长发生相应改变，振动监测模块通过反射光信号的方式将中心波长的变化输出至光纤耦合器；
光纤耦合器将温度监测模块、应变监测模块和振动监测模块反射的光信号输出至信号转换模块，信号转换模块将接收到的光信号转换为电信号输出至数据采集卡，数据采集卡将电信号输出至上位机进行分析处理。
[0009]下面是对上述发明技术方案之二的进一步优化或/和改进：
上述光扫描滤波单元接收光发射单元发出的光信号进行扫描滤波包括：
上位机通过数据采集卡向功放模块发送电信号，功放模块将接收到的电信号进行放大后输出至可调滤波器，驱动可调滤波器对接收到的光信号进行扫描滤波。
[0010]上述信号转换模块将接收到的光信号转换为电信号输出至数据采集卡包括：光纤耦合器将温度监测模块、应变监测模块和振动监测模块反射的光信号输出至光电转换元件，光电转换元件将光信号转换为电信号输出至运算放大器，运算放大器将电信号转换为放大倍数的电信号输出至数据采集卡。
[0011]本发明结构合理而紧凑，使用方便，通过设置状态监测单元为多个FBG传感器串联组成，具有布线简单、不易受电磁干扰以及稳定性强的特点，从而解决了现有的风力发电机主轴承监测存在的布线复杂、易受电磁干扰以及稳定性差的问题，保证了风力发电机健康安全的运行，提高了风力发电机的运行寿命。
附图说明
[0012]附图1为本发明的电路连接示意图。
[0013]附图2为本发明的主视结构示意图。
[0014]附图中的编码分别为：1为安装固定板，2为悬臂梁，3为质量块，4为数据采集卡，5为上位机，6为轴承座，7为单根光纤，8为温度监测模块，9为应变监测模块，10为振动监测模块，11为电源，12为宽带光源，13为光纤隔离器，14为光纤耦合器，15为可调滤波器，16为光电转换元件，17为运算放大器，18为信号输出端子，19为信号转换模块，20为主轴承，21为功放模块。
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