本發(fā)明涉及技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于求測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)的風(fēng)電葉片彎曲測(cè)量方法，尤其是一種基于方向角超聲傳感器接收裝置求測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)的風(fēng)電葉片彎曲測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

風(fēng)電葉片長(zhǎng)度可達(dá)上百米，在運(yùn)轉(zhuǎn)工作過(guò)程中，因風(fēng)力作用會(huì)發(fā)生不同程度的彎曲變形，葉片的彎曲變形會(huì)影響葉片的受力狀態(tài)，從而降低葉片的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生斷裂，因此需要監(jiān)測(cè)風(fēng)電葉片上不同位置點(diǎn)的變形情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于方向角超聲傳感器求測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)的風(fēng)電葉片彎曲測(cè)量方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種基于方向角超聲傳感器求測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)的風(fēng)電葉片彎曲測(cè)量裝置，包括2套測(cè)量裝置，一套位于風(fēng)電葉片的一側(cè)，另一套位于風(fēng)電葉片的另一側(cè)，所述的測(cè)量裝置包括一個(gè)超聲波發(fā)射裝置和兩個(gè)超聲波接收裝置，所述的超聲波發(fā)射裝置為雙晶探頭構(gòu)成的超聲波發(fā)射裝置，所述的超聲波接收裝置為單晶探頭構(gòu)成的超聲波接收裝置。

優(yōu)選的，所述超聲波發(fā)射裝置的雙晶探頭與超聲波接收裝置的單晶探頭前均設(shè)有錐形共振盤(pán)，錐形共振盤(pán)安裝的高度為風(fēng)電電機(jī)軸承高度和風(fēng)電葉片長(zhǎng)度兩者積的0.5倍。

優(yōu)選的，所述兩個(gè)超聲波接收裝置，其中之一包括方向角超聲傳感器接收裝置、信號(hào)放大調(diào)理裝置、方向角測(cè)量及F/V變換裝置、相位測(cè)量裝置和數(shù)值計(jì)算裝置，其中另一包括全向超聲傳感器接收裝置、信號(hào)放大調(diào)理裝置、F/V變換裝置、相位測(cè)量裝置和數(shù)值計(jì)算裝置；所述的方向角超聲傳感器接收裝置既能測(cè)量聲壓的大小也能測(cè)量聲壓的方向，將超聲波的聲強(qiáng)時(shí)間特性轉(zhuǎn)換為電壓時(shí)間特性以及頻率時(shí)間特性，通過(guò)信號(hào)放大調(diào)理裝置將超聲傳感器接收裝置輸出的信號(hào)放大調(diào)理，濾除干擾，結(jié)合吸聲材料以及電壓時(shí)間特性測(cè)量出吸聲材料位置到各個(gè)超聲傳感器接收裝置的相位差。

一種基于方向角超聲傳感器求測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)的風(fēng)電葉片彎曲測(cè)量方法，包括以下步驟：

S1：記錄測(cè)量點(diǎn)的位置，在風(fēng)電葉片表面涂覆吸聲材料，在測(cè)量點(diǎn)上不涂吸聲材料，并記錄測(cè)量點(diǎn)在風(fēng)電葉片上的位置；

S2：安裝測(cè)量裝置，風(fēng)電葉片下方地面上在相對(duì)位置處安裝兩套測(cè)量裝置，一套位于風(fēng)電葉片的一側(cè)，另一套位于風(fēng)電葉片的另一側(cè)，其中每套測(cè)量裝置包括一個(gè)超聲波發(fā)射裝置和兩個(gè)超聲波接收裝置，兩個(gè)超聲波接收裝置中，一個(gè)能測(cè)量方向角，一個(gè)是普通的超聲傳感器，超聲波發(fā)射裝置均設(shè)置在風(fēng)電葉片下方的地面上，且超聲波接收裝置均安裝在以風(fēng)電立柱為圓心，風(fēng)電葉片長(zhǎng)度為半徑的圓外側(cè)，所述測(cè)量裝置中的超聲波發(fā)射裝置在頻率的選擇上，應(yīng)該滿(mǎn)足以下條件：其中之一的超聲波發(fā)射裝置發(fā)射頻率為f時(shí)，另一超聲波發(fā)射裝置發(fā)射頻率應(yīng)該大于，從而保證了兩個(gè)測(cè)量裝置互不干擾；

S3：根據(jù)頻率確定超聲波信號(hào)來(lái)自于哪個(gè)測(cè)量點(diǎn)，其中測(cè)量點(diǎn)的線速度為，超聲波接收裝置到測(cè)量點(diǎn)的連線與測(cè)量點(diǎn)線速度之間的夾角為，根據(jù)多普勒效應(yīng)，則超聲波接收裝置接收的各個(gè)測(cè)量點(diǎn)反射的超聲波頻率為：

式中為超聲波在空氣中的速度，f為的超聲波發(fā)射裝置的發(fā)射頻率，當(dāng)測(cè)量點(diǎn)離電機(jī)軸承中心點(diǎn)的距離越大時(shí)，越大，接收端可以根據(jù)頻率的不同確定超聲波信號(hào)來(lái)自于哪個(gè)測(cè)量點(diǎn)；

S4：在風(fēng)電葉片下方，在小尺寸范圍內(nèi)以某點(diǎn)O為中心放置兩個(gè)聲壓感知方向垂直的超聲傳感器接收裝置即方向角超聲傳感器接收裝置和全向超聲傳感器接收裝置，在三維坐標(biāo)方向設(shè)OA、OB和OC為坐標(biāo)軸建立坐標(biāo)系，則A、B、C接收到的聲壓對(duì)應(yīng)的電流大小為Pa，Pb和Pc，聲音矢量的方向?yàn)?Pa，Pb，Pc)，則直線方程為，全向聲壓值為，

超聲傳感器接收裝置將超聲波的聲強(qiáng)時(shí)間特性轉(zhuǎn)換為電壓時(shí)間特性以及頻率時(shí)間特性，并通過(guò)信號(hào)放大調(diào)理裝置將超聲傳感器接收裝置輸出的信號(hào)放大調(diào)理，濾除干擾，即A_j（j=1,2）點(diǎn)聲壓代表的電信號(hào)為，這里θ_j為初相角，

，其中a>>b

i=2時(shí)設(shè)方向角超聲傳感器接收裝置的值為(Pa(t)，Pb(t)，Pc(t))，

則對(duì)應(yīng)的；

S5：計(jì)算測(cè)量點(diǎn)到超聲波接受裝置的距離差，得到測(cè)量點(diǎn)三維坐標(biāo)，令R0、R1、為超聲波接收裝置，Ry為超聲波發(fā)射裝置，R4為風(fēng)電葉片上的測(cè)量點(diǎn)，則各點(diǎn)的坐標(biāo)為：

R0（0，0，0），

R1（-1，0，0），

R4（x，y，z），

Ry（x₀，y₀，z₀），

通過(guò)信號(hào)放大調(diào)理裝置將超聲傳感器接收裝置輸出的信號(hào)放大調(diào)理，即A_j（j=1,2），經(jīng)過(guò)F/V變換裝置將放大調(diào)理輸出的頻率信號(hào)變換成電壓時(shí)間特性即B_i（i=1,2），通過(guò)相位測(cè)量裝置測(cè)量B_i的突變位置及相位的整體偏移規(guī)律，從而得出相位差Δt_i，即時(shí)差，再根據(jù)時(shí)差可以計(jì)算出測(cè)量點(diǎn)到R0、R1的距離差，即為R4到R0、R1的距離差如下：

突變處R4R0的矢量方向（Pa，Pb，Pc）

式中v為聲波在空氣中的傳播速度，f₀為聲波的頻率，代入各點(diǎn)的坐標(biāo)得：

解出

；

S6：確定風(fēng)電葉片另一側(cè)的測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)安裝在風(fēng)電葉片另一側(cè)的測(cè)量裝置對(duì)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量并通過(guò)上述步驟得出該側(cè)的測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)，此測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量與風(fēng)電葉片另一側(cè)的數(shù)量相同，且測(cè)量點(diǎn)的連線與風(fēng)電葉片的中軸線垂直，并且所有的測(cè)量點(diǎn)在同一平面上；

S7：計(jì)算彎曲半徑，令風(fēng)電葉片上一側(cè)的相鄰測(cè)量點(diǎn)為、，風(fēng)電葉片上另一側(cè)的相鄰測(cè)量點(diǎn)為、，由結(jié)構(gòu)工程中的平截面假定可知，在發(fā)生彎曲后仍然與風(fēng)電葉片的中軸線垂直，通過(guò)、作直線，通過(guò)、作直線，假定相鄰兩組測(cè)量點(diǎn)之間的彎曲半徑相同，則相鄰兩組測(cè)量點(diǎn)連線的延長(zhǎng)線必然相交于彎曲圓的圓心即直線與直線相交于點(diǎn)O，點(diǎn)O與的距離，即為內(nèi)的彎曲半徑，具體算法如下：

直線的方程為：

直線的方程為：

兩條直線的交點(diǎn)為： ，

）

彎曲半徑；

根據(jù)風(fēng)電葉片的彎曲半徑就可以知道風(fēng)電葉片的彎曲程度了，即風(fēng)電葉片的彎曲半徑越大，風(fēng)電葉片的彎曲越小。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明利用方向角超聲傳感器上的探頭測(cè)量計(jì)算風(fēng)電葉片上測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)，通過(guò)幾何計(jì)算獲得葉片局部彎曲半徑，判斷葉片變形情況，這種非接觸式的測(cè)量不會(huì)對(duì)葉片本身的運(yùn)行產(chǎn)生影響，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理，可以同時(shí)測(cè)量多點(diǎn)的葉片形變，為風(fēng)電的監(jiān)測(cè)和檢修提供數(shù)據(jù)支持，從而減少風(fēng)電安全事故；而且不需要在葉片上安裝測(cè)試設(shè)備，簡(jiǎn)化設(shè)備的維護(hù)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明超聲波接收裝置的安裝示意圖；

圖2為超聲波接收裝置的安裝位置示意；

圖3為本發(fā)明的系統(tǒng)框圖；

圖4為本發(fā)明的相位測(cè)量模型；

圖5為本發(fā)明彎曲半徑的計(jì)算示意圖；

圖6為本發(fā)明風(fēng)電葉片上的測(cè)量點(diǎn)的分布的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請(qǐng)參閱圖1-6，本發(fā)明提供一種基于方向角傳感器求測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)的風(fēng)電葉片彎曲測(cè)量方法的技術(shù)方案：

一種基于方向角傳感器求測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)的風(fēng)電葉片彎曲測(cè)量裝置，包括2套測(cè)量裝置，一套位于風(fēng)電葉片的一側(cè)，另一套位于風(fēng)電葉片的另一側(cè)，所述的測(cè)量裝置包括一個(gè)超聲波發(fā)射裝置和兩個(gè)超聲波接收裝置，所述的超聲波發(fā)射裝置為雙晶探頭構(gòu)成的超聲波發(fā)射裝置，所述的超聲波接收裝置為單晶探頭構(gòu)成的超聲波接收裝置；所述兩個(gè)超聲波接收裝置，其中之一包括方向角超聲傳感器接收裝置、信號(hào)放大調(diào)理裝置、方向角測(cè)量及F/V變換裝置、相位測(cè)量裝置和數(shù)值計(jì)算裝置，其中另一包括全向超聲傳感器接收裝置、信號(hào)放大調(diào)理裝置、F/V變換裝置、相位測(cè)量裝置和數(shù)值計(jì)算裝置；所述的方向角超聲傳感器接收裝置既能測(cè)量聲壓的大小也能測(cè)量聲壓的方向，將超聲波的聲強(qiáng)時(shí)間特性轉(zhuǎn)換為電壓時(shí)間特性以及頻率時(shí)間特性，通過(guò)信號(hào)放大調(diào)理裝置將超聲傳感器接收裝置輸出的信號(hào)放大調(diào)理，濾除干擾，結(jié)合吸聲材料以及電壓時(shí)間特性測(cè)量出吸聲材料位置到各個(gè)超聲傳感器接收裝置的相位差。

一種基于方向角傳感器求測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)的風(fēng)電葉片彎曲測(cè)量方法，包括以下步驟：

S1：記錄測(cè)量點(diǎn)的位置，在風(fēng)電葉片表面涂覆吸聲材料，在測(cè)量點(diǎn)上不涂吸聲材料，并記錄測(cè)量點(diǎn)在風(fēng)電葉片上的位置。

S2：安裝測(cè)量裝置，葉片下方地面上在相對(duì)位置處安裝兩套測(cè)量裝置，一套位于風(fēng)電葉片的一側(cè)，另一套位于風(fēng)電葉片的另一側(cè)，其中每套測(cè)量裝置包括一個(gè)超聲波發(fā)射裝置和兩個(gè)超聲波接收裝置，兩個(gè)超聲波接收裝置中，一個(gè)能測(cè)量方向角，一個(gè)是普通的超聲傳感器，超聲波發(fā)射裝置均設(shè)置在風(fēng)電下方的地面上，且超聲波接收裝置均安裝在以風(fēng)電立柱為圓心，葉片長(zhǎng)度為半徑的圓外側(cè)；（圖1中大圓外側(cè)），假設(shè)，測(cè)量點(diǎn)用A標(biāo)記，風(fēng)電葉片以風(fēng)電電機(jī)軸承中心點(diǎn)O為圓心，以角速度 （為固定值，取決于電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)P ）轉(zhuǎn)動(dòng)，則對(duì)于空間上的任意一測(cè)量點(diǎn)的A線速度為，其中r為該測(cè)量點(diǎn)A到風(fēng)電電機(jī)軸承的中心線的距離，安裝時(shí)需要保證與測(cè)量點(diǎn)A運(yùn)動(dòng)的圓相切的平面和測(cè)量點(diǎn)A到超聲波接收裝置的連線之間的夾角α隨著測(cè)量點(diǎn)A離電機(jī)軸承中心O的距離增大而減小，即圖1中葉片上各點(diǎn)到軸承中心O的距離OA₁>OA₂>…>OA_i，對(duì)應(yīng)的夾角α₁<α₂<…<α_i。

S3：根據(jù)頻率確定超聲波信號(hào)來(lái)自于哪個(gè)測(cè)量點(diǎn)，如圖1所示，其中測(cè)量點(diǎn)的線速度為，超射波接收裝置到測(cè)量點(diǎn)的連線與測(cè)量點(diǎn)線速度之間的夾角為，每個(gè)超聲波接收裝置收到的信號(hào)滿(mǎn)足、，根據(jù)多普勒效應(yīng)，則超聲波接收裝置接收的各個(gè)測(cè)量點(diǎn)反射的超聲波頻率為：

式中為超聲波在空氣中的速度（取340m/s），f為的超聲波發(fā)射裝置的發(fā)射頻率，當(dāng)測(cè)量點(diǎn)離電機(jī)軸承中心點(diǎn)的距離越大時(shí)，越大，接收端可以根據(jù)頻率的不同確定超聲波信號(hào)來(lái)自于哪個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

本發(fā)明中，超聲波發(fā)射裝置的雙晶探頭與超聲波接收裝置的單晶探頭前均設(shè)有錐形共振盤(pán)，使得發(fā)射的超聲波集中在風(fēng)電電機(jī)安裝立柱的單側(cè)，且高度為電機(jī)軸承高度上下0.5L（L為風(fēng)電葉片的長(zhǎng)度）的區(qū)域內(nèi)，從而保證在對(duì)一個(gè)葉片進(jìn)行測(cè)量時(shí)，不會(huì)受到其他葉片的影響。

S4：如圖2所示，在風(fēng)電葉片下方，在小尺寸范圍內(nèi)以某點(diǎn)O為中心放置兩個(gè)聲壓感知方向垂直的超聲傳感器接收裝置即方向角超聲傳感器接收裝置和全向超聲傳感器接收裝置，在三維坐標(biāo)方向設(shè)OA、OB和OC為坐標(biāo)軸建立坐標(biāo)系，則A、B、C接收到的聲壓對(duì)應(yīng)的電流大小為Pa，Pb和Pc，聲音矢量的方向?yàn)?Pa，Pb，Pc)，則直線方程為，全向聲壓值為，

如圖3所示，超聲傳感器接收裝置將超聲波的聲強(qiáng)時(shí)間特性轉(zhuǎn)換為電壓時(shí)間特性以及頻率時(shí)間特性，并通過(guò)信號(hào)放大調(diào)理裝置將超聲傳感器接收裝置輸出的信號(hào)放大調(diào)理，濾除干擾，即A_j（j=1,2）點(diǎn)聲壓代表的電信號(hào)為，這里θ_j為初相角，

，其中a>>b

i=2時(shí)設(shè)方向角超聲傳感器接收裝置的值為(Pa(t)，Pb(t)，Pc(t))，

則對(duì)應(yīng)的。

S5：計(jì)算測(cè)量點(diǎn)到超聲波接受裝置的距離差，得到測(cè)量點(diǎn)三維坐標(biāo)，如圖4所示，令R0、R1、為超聲波接收裝置，Ry為超聲波發(fā)射裝置，R4為風(fēng)電葉片上的測(cè)量點(diǎn)，則各點(diǎn)的坐標(biāo)為：

R0（0，0，0），

R1（-1，0，0），

R4（x，y，z），

Ry（x₀，y₀，z₀），

通過(guò)信號(hào)放大調(diào)理裝置將超聲傳感器接收裝置輸出的信號(hào)放大調(diào)理，即A_j（j=1,2），經(jīng)過(guò)F/V變換裝置將放大調(diào)理輸出的頻率信號(hào)變換成電壓時(shí)間特性即B_i（i=1,2），通過(guò)相位測(cè)量裝置測(cè)量B_i的突變位置及相位的整體偏移規(guī)律，從而得出相位差Δt_i，即時(shí)差，再根據(jù)時(shí)差可以計(jì)算出測(cè)量點(diǎn)到R0、R1的距離差，即為R4到R0、R1的距離差如下：

突變處R4R0的矢量方向（Pa，Pb，Pc）

式中v為聲波在空氣中的傳播速度，f₀為聲波的頻率，代入各點(diǎn)的坐標(biāo)得：

解出

。

S6：確定風(fēng)電葉片另一側(cè)的測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)安裝在風(fēng)電葉片另一側(cè)的測(cè)量裝置對(duì)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量并通過(guò)上述步驟得出該側(cè)的測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)，此測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量與風(fēng)電葉片另一側(cè)的數(shù)量相同，且測(cè)量點(diǎn)的連線與風(fēng)電葉片的中軸線垂直，并且所有的測(cè)量點(diǎn)在同一平面上。

S7：計(jì)算彎曲半徑，如圖5所示，令風(fēng)電葉片上一側(cè)的相鄰測(cè)量點(diǎn)為、，風(fēng)電葉片上另一側(cè)的相鄰測(cè)量點(diǎn)為、，由結(jié)構(gòu)工程中的平截面假定可知，在發(fā)生彎曲后仍然與風(fēng)電葉片的中軸線垂直，通過(guò)、作直線，通過(guò)、作直線，假定相鄰兩組測(cè)量點(diǎn)之間的彎曲半徑相同，則相鄰兩組測(cè)量點(diǎn)連線的延長(zhǎng)線必然相交于彎曲圓的圓心即直線與直線相交于點(diǎn)O，點(diǎn)O與的距離，即為內(nèi)的彎曲半徑，具體算法如下：

直線的方程為：

直線的方程為：

兩條直線的交點(diǎn)為： ，

）

彎曲半徑

根據(jù)風(fēng)電葉片的彎曲半徑就可以知道風(fēng)電葉片的彎曲程度了，即風(fēng)電葉片的彎曲半徑越大，風(fēng)電葉片的彎曲越小 。

在整個(gè)風(fēng)電葉片上，如圖6所示，為了避免兩側(cè)的頻率發(fā)生干擾，在頻率的選擇上，應(yīng)該滿(mǎn)足以下條件：當(dāng)一側(cè)的頻率選擇了f時(shí)，另一側(cè)的頻率應(yīng)該大于，從而保證兩個(gè)測(cè)量裝置中的超聲波發(fā)射裝置在頻率的選擇互不干擾。

本發(fā)明能夠通過(guò)超聲波測(cè)量葉片的彎曲程度，從而為風(fēng)電的監(jiān)測(cè)和檢修提供數(shù)據(jù)支持，從而減少風(fēng)電的安全事故。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。