風(fēng)力發(fā)電機組葉片的無損檢測系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種風(fēng)力發(fā)電機組葉片的無損檢測系統(tǒng)及方法。聲發(fā)射傳感器單元用于在風(fēng)機葉片材料在受載過程中檢測風(fēng)機葉片的內(nèi)部變形及裂紋擴展的損傷信號，并將檢測到的信號傳遞給聲發(fā)射前置放大及濾波單元。聲發(fā)射前置放大及濾波單元用于對檢測到的信號進行放大及濾波，然后將放大及濾波后的信號傳遞給聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集單元。聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集單元對聲發(fā)射前置放大及濾波單元傳遞過來的信號進行采集以產(chǎn)生聲發(fā)射信號，并將聲發(fā)射信號傳遞給數(shù)據(jù)處理顯示單元。數(shù)據(jù)處理顯示單元利用小波分析方法對聲發(fā)射信號進行去噪聲處理，并利用小波變換將造成處理后的信號進行重構(gòu)，對重構(gòu)后的信號進行分析以提取特征值及頻譜。
【專利說明】風(fēng)力發(fā)電機組葉片的無損檢測系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及風(fēng)電發(fā)電中的狀態(tài)檢測及故障診斷領(lǐng)域，更具體地說，本發(fā)明涉及一種風(fēng)力發(fā)電機組葉片的無損檢測系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)電是世界上增長最快的新能源，風(fēng)機葉片是風(fēng)電機組進行能量轉(zhuǎn)換的第一環(huán)節(jié)，也是重要環(huán)節(jié)，其性能直接影響到整個風(fēng)電系統(tǒng)的性能。葉片工作在高空，環(huán)境十分惡劣，葉片遭受著嚴(yán)格的考驗幾乎每時每刻都承受著侵蝕，春夏秋冬、酷暑嚴(yán)寒、雷電、冰雹、雨雪、沙塵隨時都有可能對風(fēng)機葉片產(chǎn)生損傷。據(jù)統(tǒng)計，葉片損傷產(chǎn)生的事故要占到總事故的三分之一，葉片發(fā)生損傷事故時電場必須停止發(fā)電，開始搶修，嚴(yán)重的還必須更換葉片，這必將導(dǎo)致高額的維修費用，也給風(fēng)電場帶來很大的經(jīng)濟損失。
[0003]因此，若能及時檢測葉片的損傷并進行維護，必能有效的將少風(fēng)機葉片造成停機故障，有效避免巨額損失的發(fā)生。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在上述缺陷，提供一種基于聲發(fā)射傳感器的風(fēng)力發(fā)電機組葉片的無損檢測系統(tǒng)及方法。
[0005]為了實現(xiàn)上述技術(shù)目的，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了 一種風(fēng)力發(fā)電機組葉片的無損檢測系統(tǒng)，其包括:聲發(fā)射傳感器單元、聲發(fā)射前置放大及濾波單元、聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理顯示單元；
[0006]聲發(fā)射傳感器單元與聲發(fā)射前置放大及濾波單元連接；聲發(fā)射前置放大及濾波單元與聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集單元連接；聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集單元與數(shù)據(jù)處理顯示單元連接；
[0007]聲發(fā)射傳感器單元用于在風(fēng)機葉片材料在受載過程中檢測風(fēng)機葉片的內(nèi)部變形及裂紋擴展的損傷信號，并將檢測到的信號傳遞給聲發(fā)射前置放大及濾波單元；
[0008]聲發(fā)射前置放大及濾波單元用于對檢測到的信號進行放大及濾波，然后將放大及濾波后的信號傳遞給聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集單元；
[0009]聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集單元用于對聲發(fā)射前置放大及濾波單元傳遞過來的信號進行采集以產(chǎn)生聲發(fā)射信號，并將聲發(fā)射信號傳遞給數(shù)據(jù)處理顯示單元；
[0010]數(shù)據(jù)處理顯示單元用于利用小波分析方法對聲發(fā)射信號進行去噪聲處理，并利用小波變換將造成處理后的信號進行重構(gòu)，對重構(gòu)后的信號進行分析以提取特征值及頻譜。
[0011]優(yōu)選地，所述聲發(fā)射傳感器單元包括與葉片根部相距葉片長度20%到40%處的部位處將聲發(fā)射傳感器布置成為分布式傳感器陣列。
[0012]優(yōu)選地，聲發(fā)射前置放大及濾波單元通過高頻同軸電纜與聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集單元連接。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種風(fēng)力發(fā)電機組葉片的無損檢測方法，其包括:[0014]在風(fēng)機葉片材料在受載過程中利用聲發(fā)射傳感器單元檢測風(fēng)機葉片的內(nèi)部變形及裂紋擴展的損傷信號，并將檢測到的信號傳遞給聲發(fā)射前置放大及濾波單元；
[0015]利用聲發(fā)射前置放大及濾波單元對檢測到的信號進行放大及濾波，然后將放大及濾波后的信號傳遞給聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集單元；
[0016]利用聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集單元對聲發(fā)射前置放大及濾波單元傳遞過來的信號進行采集以產(chǎn)生聲發(fā)射信號，并將聲發(fā)射信號傳遞給數(shù)據(jù)處理顯示單元；
[0017]利用數(shù)據(jù)處理顯示單元利用小波分析方法對聲發(fā)射信號進行去噪聲處理，并利用小波變換將造成處理后的信號進行重構(gòu)，對重構(gòu)后的信號進行分析以提取特征值及頻
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[0018]優(yōu)選地，所述聲發(fā)射傳感器單元包括與葉片根部相距葉片長度20%到40%處的部位處將聲發(fā)射傳感器布置成為分布式傳感器陣列。
[0019]【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]結(jié)合附圖，并通過參考下面的詳細(xì)描述，將會更容易地對本發(fā)明有更完整的理解并且更容易地理解其伴隨的優(yōu)點和特征，其中:
[0021]圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的風(fēng)力發(fā)電機組葉片的無損檢測系統(tǒng)。
[0022]圖2示意性地示出了凱塞(Kaiser)效應(yīng)。
[0023]圖3示意性地示出了突發(fā)信號參數(shù)。
[0024]需要說明的是，附圖用于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。注意，表示結(jié)構(gòu)的附圖可能并非按比例繪制。并且，附圖中，相同或者類似的元件標(biāo)有相同或者類似的標(biāo)號。
【具體實施方式】
[0025]為了使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚和易懂，下面結(jié)合具體實施例和附圖對本發(fā)明的內(nèi)容進行詳細(xì)描述。
[0026]圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的風(fēng)力發(fā)電機組葉片的無損檢測系統(tǒng)。
[0027]如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的風(fēng)力發(fā)電機組葉片的無損檢測系統(tǒng)包括:聲發(fā)射傳感器單元1、聲發(fā)射前置放大及濾波單元2、聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集單元3和數(shù)據(jù)處理顯示單元4。
[0028]聲發(fā)射傳感器單元I與聲發(fā)射前置放大及濾波單元2連接；聲發(fā)射前置放大及濾波單元2 (例如通過高頻同軸電纜)與聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集單元3連接；聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集單元3(例如通過電聯(lián)方式)與數(shù)據(jù)處理顯示單元4連接。
[0029]在風(fēng)機葉片材料在受載過程中，聲發(fā)射傳感器單元I能夠檢測到風(fēng)機葉片的內(nèi)部變形及裂紋擴展的損傷信號，并將檢測到的信號傳遞給聲發(fā)射前置放大及濾波單元2。
[0030]聲發(fā)射前置放大及濾波單元2對檢測到的信號進行放大及濾波，由此將聲發(fā)射信號進行初步處理，然后將放大及濾波后的信號傳遞給聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集單元3。比如，經(jīng)過前置放大器放大后的信號，一些小于IOOKHz的機械噪聲，進行頻率鑒別，然后前置濾波，經(jīng)過高頻同軸電纜傳輸給數(shù)據(jù)采集單元。
[0031]聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集單元3對聲發(fā)射前置放大及濾波單元2傳遞過來的信號進行采集以產(chǎn)生聲發(fā)射信號，并將聲發(fā)射信號傳遞給數(shù)據(jù)處理顯示單元4。優(yōu)選地，對于數(shù)據(jù)采集單元4，可以根據(jù)所選聲發(fā)射傳感器的有效采樣頻率選取合適的數(shù)據(jù)采樣頻率，然后選取合適的數(shù)據(jù)采集卡，在配套相應(yīng)的接口電路，嵌到總控制器內(nèi)，然后將總控制器與電腦相連，從而實現(xiàn)模擬信號的采集和數(shù)模轉(zhuǎn)換。
[0032]數(shù)據(jù)處理顯示單元4利用小波分析方法對聲發(fā)射信號進行去噪聲處理，并利用小波變換將造成處理后的信號進行重構(gòu)，對重構(gòu)后的信號進行分析以提取特征值及頻譜。經(jīng)過聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集單元3得到的信號，送入數(shù)據(jù)處理顯示單元4。數(shù)據(jù)處理顯示單元4是以智能計算機作為硬件基礎(chǔ)的，利用智能計算機，對信號進行處理、分析、判斷等，并將處理、分析、判斷結(jié)果顯示于屏幕上。
[0033]實際上，經(jīng)過聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集單元3采集到的信號，是一種非穩(wěn)定突發(fā)信號，需要采用諸如matlab數(shù)據(jù)分析軟件之類的軟件或模塊，利用小波分析對信號進行將噪，也就是噪聲消除，經(jīng)過噪聲消除后的信號，在經(jīng)過小波變換將信號重構(gòu)，以利于分析提取特征值及其頻率。
[0034]從而，可以利用特征值及頻譜來描述風(fēng)機葉片的裂紋可擴展破壞情況，實現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機葉片的實時檢測診斷，對實現(xiàn)風(fēng)機葉片工作時的監(jiān)測有著重大的意義。
[0035]作為聲發(fā)射傳感器單元I的具體示例的聲發(fā)射傳感器，是一種將應(yīng)力信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的傳感器?？梢罁?jù)不同風(fēng)機不同葉片，選取適合的聲發(fā)射傳感器；而且，可以在葉片受損率高的部位(例如:與葉片根部相距葉片長度20%到40%處的部位)，采用合理的密集的傳感器布置方案(優(yōu)選地，采用分布式傳感器陣列)，在葉片受損率低的部位，可以采用單個傳感器布置。而且，可以結(jié)合區(qū)域定位法確定破損范圍。
[0036]每個聲發(fā)射傳感器所采集的聲發(fā)射信號都會有一路數(shù)據(jù)線傳輸?shù)铰暟l(fā)射前置放大器，將信號進行放大處理。聲發(fā)射傳感器輸出的電壓信號有時低至幾微伏，這樣微弱的信號，若進過長距離的傳輸，強度必然要降低，所以必須將原始的傳感器信號放大數(shù)倍后傳輸，常用的放大倍數(shù)有34、40和60Db，在經(jīng)過高頻同軸電纜傳輸給數(shù)據(jù)采集單元。聲發(fā)射前置放大器的一個主要技術(shù)指標(biāo)是噪聲水平，一般應(yīng)小于10微伏。前置放大器需要具有阻抗匹配和變換的功能，為防止輸入信號過大造成影響，還應(yīng)該具有抗電壓沖擊的保護能力和抗阻塞現(xiàn)象的恢復(fù)能力，并且具有比較大的輸出動態(tài)范圍。
[0037]在小波分析中，面對這眾多的小波基，選取合適的小波基作為分析聲發(fā)射信號的工具，對于信號分析中的噪聲取出、關(guān)鍵信息的提取有著很重要的作用，對于聲發(fā)射信號，小波的選取需要考慮一下幾個方面:
[0038](I)離散小波分析相比連續(xù)小波分析更適合于聲發(fā)射信號的處理。
[0039](2)聲發(fā)射信號一般都是突發(fā)型信號，具有瞬時信號的特性，所以選取的小波基需要具有在時域上緊之性，需要小波基在頻域的頻帶上具有快速衰減的性質(zhì)。
[0040](3)由小波分析的公式可以得知，選取的小波基的性質(zhì)最好和被測信號近似。
[0041](4)對于信號的分析，最好選取對稱的小波基，或者盡量對稱的小波基以降低信號的失真。
[0042]經(jīng)過小波分析提取聲發(fā)射信號的特征值及其頻率后，結(jié)合凱塞(Kaiser)效應(yīng)和費利西蒂(Felicity)效應(yīng)，以及利用時差定位法和區(qū)域定位法,來確定破損的位置和大小。
[0043]如圖2所示,所謂的凱塞(Kaiser)效應(yīng)和費利西蒂(Felicity)效應(yīng)，是聲發(fā)射信號的兩個重要的特性。同一試件在同一條件下產(chǎn)生的聲發(fā)射只有一次，就是所謂的凱塞(Kaiser)效應(yīng)，即在第一次加載荷時葉片結(jié)構(gòu)會以聲發(fā)射的形式釋放能量，但恢復(fù)后重新加載時，當(dāng)載荷量沒有超過前一次載荷時不產(chǎn)生聲發(fā)射，只有當(dāng)超過前一次最大載荷量時葉片結(jié)構(gòu)才會發(fā)生聲發(fā)射，如圖2。
[0044]費利西蒂(Felicity)效應(yīng)是指在葉片結(jié)構(gòu)發(fā)生了損傷時，即回復(fù)后載荷量小雨前一次最大載荷量，葉片結(jié)構(gòu)仍會有聲發(fā)射產(chǎn)生。這兩個特性是判別葉片是否出現(xiàn)損傷的重要理論依據(jù)，當(dāng)葉片加載荷時，如果后一次的載荷量遞增但不超過前一次載荷量時，將不出現(xiàn)或出現(xiàn)少量的聲發(fā)射，此時符合凱塞(Kaiser)效應(yīng),則認(rèn)為葉片是健康的；反之,聲發(fā)射信號符合費利西蒂(Felicity)效應(yīng)，可以認(rèn)為葉片出現(xiàn)的損傷，如波擊技術(shù)、振鈴計數(shù)、幅度、能量、上升時間和持續(xù)時間等。波擊是指某一通道檢測到的過閾值的瞬時聲發(fā)射信號，圖3中過閾值的包絡(luò)線所形成的大信號就是一個波擊。對波擊進行計數(shù)，可以反映聲發(fā)射活動的總量，作為損傷發(fā)生和擴展的依據(jù)。
[0045]當(dāng)判斷出有損傷發(fā)生或擴展時,結(jié)合時差定位法和區(qū)域定位法,確定聲發(fā)射源,得到對應(yīng)的葉片損傷位置，實現(xiàn)發(fā)電機組葉片的無損檢測。
[0046]在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中，還提供相應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電機組葉片的無損檢測方法。
[0047]本發(fā)明至少具有如下優(yōu)點:
[0048]1、聲發(fā)射是一種動態(tài)的無損檢測方法，適用于風(fēng)電檢測領(lǐng)域，能夠降低風(fēng)力發(fā)電維護成本、延長使用壽命和確保安全供電。
[0049]2、聲發(fā)射檢測幾乎不受材料和構(gòu)件幾何形狀的限制，適用性很強。不論風(fēng)機葉片是何種設(shè)計規(guī)格，聲發(fā)射檢測方法都可以利用。
[0050]3、聲發(fā)射的敏感度高，可以精確的檢測出故障的發(fā)生情況。
[0051]4、該方法可以與風(fēng)力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)和剎車系統(tǒng)進行通信，在葉片處于風(fēng)險狀態(tài)下，控制風(fēng)機，停機保護設(shè)備。
[0052]此外，需要說明的是，除非特別說明或者指出，否則說明書中的術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”等描述僅僅用于區(qū)分說明書中的各個組件、元素、步驟等，而不是用于表示各個組件、元素、步驟之間的邏輯關(guān)系或者順序關(guān)系等。
[0053]可以理解的是，雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，然而上述實施例并非用以限定本發(fā)明。對于任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種風(fēng)力發(fā)電機組葉片的無損檢測系統(tǒng)，其特征在于包括:聲發(fā)射傳感器單元、聲發(fā)射前置放大及濾波單元、聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理顯示單元； 聲發(fā)射傳感器單元與聲發(fā)射前置放大及濾波單元連接；聲發(fā)射前置放大及濾波單元與聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集單元連接；聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集單元與數(shù)據(jù)處理顯示單元連接； 聲發(fā)射傳感器單元用于在風(fēng)機葉片材料在受載過程中檢測風(fēng)機葉片的內(nèi)部變形及裂紋擴展的損傷信號，并將檢測到的信號傳遞給聲發(fā)射前置放大及濾波單元； 聲發(fā)射前置放大及濾波單元用于對檢測到的信號進行放大及濾波，然后將放大及濾波后的信號傳遞給聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集單元； 聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集單元用于對聲發(fā)射前置放大及濾波單元傳遞過來的信號進行采集以產(chǎn)生聲發(fā)射信號，并將聲發(fā)射信號傳遞給數(shù)據(jù)處理顯示單元； 數(shù)據(jù)處理顯示單元用于利用小波分析方法對聲發(fā)射信號進行去噪聲處理，并利用小波變換將造成處理后的信號進行重構(gòu)，對重構(gòu)后的信號進行分析以提取特征值及頻譜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電機組葉片的無損檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述聲發(fā)射傳感器單元包括與葉片根部相距葉片長度20%到40%處的部位處將聲發(fā)射傳感器布置成為分布式傳感器陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的風(fēng)力發(fā)電機組葉片的無損檢測系統(tǒng)，其特征在于，聲發(fā)射前置放大及濾波單元通過高頻同軸電纜與聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集單元連接。
4.一種風(fēng)力發(fā)電機組葉片的無損檢測方法，其特征在于包括: 在風(fēng)機葉片材料在受載過程中利用聲發(fā)射傳感器單元檢測風(fēng)機葉片的內(nèi)部變形及裂紋擴展的損傷信號，并將檢測到的信號傳遞給聲發(fā)射前置放大及濾波單元； 利用聲發(fā)射前置放大及濾波單元對檢測到的信號進行放大及濾波，然后將放大及濾波后的信號傳遞給聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集單元； 利用聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集單元對聲發(fā)射前置放大及濾波單元傳遞過來的信號進行采集以產(chǎn)生聲發(fā)射信號，并將聲發(fā)射信號傳遞給數(shù)據(jù)處理顯示單元； 利用數(shù)據(jù)處理顯示單元利用小波分析方法對聲發(fā)射信號進行去噪聲處理，并利用小波變換將造成處理后的信號進行重構(gòu)，對重構(gòu)后的信號進行分析以提取特征值及頻譜。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的風(fēng)力發(fā)電機組葉片的無損檢測方法，其特征在于，所述聲發(fā)射傳感器單元包括與葉片根部相距葉片長度20%到40%處的部位處將聲發(fā)射傳感器布置成為分布式傳感器陣列。
【文檔編號】G01N29/14GK103901111SQ201410111073
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月24日
【發(fā)明者】王暉, 高桂革, 曾憲文, 袁靖, 肖浩, 尹萬杰 申請人:上海電機學(xué)院