专利名称：一种用于风力发电机叶片裂纹的监测方法
技术领域：
本发明涉及土木工程结构健康监测技术领域，具体涉及一种用于风力发电机叶片裂纹的监测方法。
背景技术：
当前，风能是最具有开发潜力的可再生能源之一，伴随着社会工业的迅速发展，能源消耗日益增大，而煤炭、石油等一些不可再生能源日益枯竭，太阳能、风能等可再生能源的开发在世界范围内受到高度重视并广泛利用。其中，风能是可再生能源中最具开发条件和前景的新能源，风力发电是开发风能中最重要的方式之一。风力发电机叶片是整个风力发电机组中最重要、最昂贵的部件，单个部件造价约占整个机组造价的20%左右，叶片也是风力发电机组系统中受力最复杂的部件之一。目前，绝大部分的叶片由复合材料制成。叶片的根部是整个叶片结构的关键截面，通常在叶根处承受的载荷最大。对于复合材料叶片，上述因素的作用可能使复合材料结构不可避免地产生诸如脱层、纤维断裂等各种损伤。研究风机叶片裂纹损伤利于及时发现问题，尽可能的避免经济损失。利用压电陶瓷波动法及小波包分析原理进行复合材料叶片的裂纹损伤识别与监测，通过损伤指数，得出利用小波包分析原理进行裂纹损伤识别的可行性、有效性，并通过了时间反转方法提高监测的精度。以前很多的监测方法往往需要假定一个健康信号，而实际中这些健康信号并不是很容易确定，并且随着时间的增长或外界环境的变化等，往往也会发生变化，给监测结果带来了一定的不确定性，造成结果的灵敏度或可靠度下降。通过时间反转法，把导波理论引用到叶片裂纹损伤监测中，解决了对于健康信号的依赖问题。

发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种用于风力发电机叶片裂纹的监测方法。该方法通过压电列阵传感器和压电波动法实现对叶片结构的裂缝损伤进行监测。本发明的技术方案是
基于压电波动法的主动健康监测技术实现对风力发电机叶片结构裂纹的监测。主要包括压电陶瓷风机裂纹损伤健康监测系统的搭建和风机叶片裂纹损伤的评价方法。所述压电陶瓷风机裂纹损伤健康监测系统主要包括压电陶瓷片、函数发生器以及示波器。压电陶瓷片作为驱动器和传感器以列阵的形式布置于风机叶片上，主要用于发射和采集信号；函数发生器作为监测信号的输出装置，可以根据实际需要提供各式各样的信号发射功能；示波器则是用于对监测信号的实时显示与存储。所述压电陶瓷风机裂纹损伤健康监测系统的工作原理是基于压电陶瓷波动法的主动监测技术实现的，其工作流程为
将压电陶瓷片以列阵的方式布置于待监测的风机叶片上，利用压电陶瓷的正逆压电效应，任何一个压电陶瓷片即时传感器又兼做驱动器。将函数发生器的输出端与压电陶瓷驱动器相连，将示波器输入端与压电陶瓷传感器相连，从而建立激励-传感通道。将通过MATLAB编写的信号程序导入函数发生器发射信号，同步开启示波器进行信号采集，即可实现对位于传感器-驱动器之间的风机叶片实现健康监测。所述的风机叶片裂纹损伤的评价方法主要是通过对压电陶瓷风机裂纹损伤健康监测系统获取的监测信号进行一系列的数据处理与分析实现对风机叶片裂纹损伤的识别与定位。其主要包括采集到的原始信号进行滤波消噪处理，根据实际需要进行时域、频域或时频分析，利用傅里叶频谱分析与定义的两个基于小波包分析的损伤指标进行计算，根据损伤指标DI (k)值大小判断损伤的程度。并用时间反转法进行验证。有益效果
(I)本发明将非稳定信号通过小波分析，利用小波包理论实现了利用压电陶瓷对叶片结构健康监测技术从实验室研究到工程应用的转化。 (2)本发明是在小波理论的基础上发展起来的，它弥补了信号在小波分解过程中对各分解尺度获得的高频分量不再进行分解，而在下一尺度的小波分解中只对低频分量进行小波变换所带来的分析信号高频部分频率分辨差，而低频分量信号却存在时间分辨不足的问题。(3)本发明通过时间反转法，把导波理论引用到裂纹损伤监测中，解决了对于健康信号的依赖问题。为更好的探讨风力发电机叶片结构裂纹损伤识别方法，提供了可靠的帮助。(4)本发明不仅仅限于风机叶片的裂纹监测，同样适用于其他类似的复合型板状材料的健康监测。


图I是本发明的主动监测系统构成 图2是本发明的压电波动法工作原理 图3是本发明的压电传感器布置示意 图4是本发明的叶片损伤信号和健康信号时域对比 图5是本发明的叶片损伤信号和健康信号频域对比 图6是本发明的有裂纹损伤叶片检测信号的EI值和DI值；
图7是本发明的有裂纹损伤叶片的时间反转信号。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施做进一步说明。本发明包括一种用于风力发电机叶片的健康监测系统，主要由压电陶瓷传感器、函数发射器、示波器以及待测构件构成。系统构成图如图I所示。压电陶瓷片作为驱动器和传感器以列阵的形式布置于风机叶片上，主要用于发射和采集信号；函数发生器作为监测信号的输出装置，可以根据实际需要提供各式各样的信号发射功能；示波器则是用于对监测信号的实时显示与存储。本发明的压电陶瓷风机裂纹损伤健康监测系统的工作原理是基于压电陶瓷波动法的主动监测技术实现的。如图2所示，压电波动法的基本原理是将压电传感器贴于结构表面或者埋入结构内部，从而使压电传感器和被监测结构构成压电智能结构系统，利用一个压电传感器发射应力波，另一个并接收应力波。通过分析结构前后传感器接收信号产生的差异来识别结构 存在的损伤及缺陷，如损伤和缺陷的出现将引起信号幅值的衰减、模态变化及传播时间的延迟等。本发明风力发电机叶片的健康监测系统的其工作流程为
第一步将压电陶瓷片以列阵的方式布置于待监测的风机叶片上，如图3所示，利用压电陶瓷的正逆压电效应，任何一个压电陶瓷片即时传感器又兼做驱动器。通过列阵的方式可在风机叶片上建立多个扫描通道，进而实现分区监测与损伤定位。第二步将函数发生器的输出端与压电陶瓷驱动器相连，将示波器输入端与压电陶瓷传感器相连，从而建立激励-传感通道。将通过MATLAB编写的信号程序导入函数发生器发射信号，同步开启示波器进行信号采集，即可实现对位于传感器-驱动器之间的风机叶片实现健康监测。第三步通过人工离线的方式对压电陶瓷风机裂纹损伤健康监测系统获取的监测信号进行一系列的数据处理与分析实现对风机叶片裂纹损伤的识别与定位。以本发明的一个具体实施实例为例，介绍一下本发明的具体实施过程。本例通过RIGOL DG1022双通道函数/任意波形发生器激励扫频波，频率范围为IOHZ至10KHZ，时间为10ms，幅值为5V，部分压电陶瓷片PZT作为作动器激发扫频波，其他的的PZT片作为传感器进行接收，PZT的布置需根据实际叶片形状，如图2所示，通过DS1000E系列数字示波器进行波形存储。信号的处理与分析主要包括对采集到的原始信号进行滤波消噪处理，根据实际需要进行时域、频域或时频分析，如图4和图5所示。假设待检测区域内分别布置了 Ns个PZT片传感器接收信号。对每一个接收的信号进行滤波处理后，进行N层小波包分解变成2N个信号单元，其表达式可以表述为
权利要求
1.本发明一种用于风力发电机叶片裂纹的监测方法，首先将粘贴式压电陶瓷片即正负极在一面的陶瓷片以列阵的方式布置于待监测的风机叶片上，利用压电陶瓷的逆压电效应，陶瓷片做传感器，正压电效应做驱动器，任何一个压电陶瓷片即时传感器又兼做驱动器，并用环氧树脂胶粘在叶片根部的表面，通过横纵两方向成排列阵的方式在风机叶片上建立多个扫描通道，进而实现分区监测与损伤定位，传感器布置尽量多，并保持3-4cm的等距离布置，将函数发生器的输出端与压电陶瓷驱动器相连，将示波器输入端与压电陶瓷传感器相连，从而建立激励-传感通道，驱动器激发由MATLAB编写扫频波，频率范围为IOHz至10kHz，时间为10ms，幅值为5V，根据实际需要进行滤波，并做时域、频域分析，主要比较幅值大小，通常裂纹损伤区幅值相对小于未损伤区域，然后将指定检测区域内每个传感器的能量水平与这一区域所有传感器接收到的信号能量平均水平的比较，通过万/、^/值的相对大小来实现,A/的值小于I. 0，表明此区域有裂纹损伤存在值相对大意味着损伤的程度越大，为便于验证，选用时间反转法，比较重构信号和原始信号的差异，选择合适的编制好的窄带信号波形五峰波，选用55kHZ作为激励频率，通过激发PZT片产生激励信号，波在叶片介质中传播，在其他PZT片接收后信号然后进行时间反转，并做归一化处理，应力波通过原来的路径传播，并在原来的激发点被接收到，得到重构信号，将原始接受信号和重构信号画入同一图中，对比波形，波在传播路径上遇到损伤等形式的干扰时重构信号的对称性会受到破坏，它与原始接收信号的主波峰位置会发生偏离。
全文摘要
本发明提供的是一种用于风力发电机叶片裂纹的监测方法，该方法主要包括压电陶瓷风机裂纹损伤健康监测系统的搭建和风机叶片裂纹损伤的评价方法。压电陶瓷风机裂纹损伤健康监测系统主要包括压电陶瓷片、函数发生器以及示波器。其工作原理是基于压电陶瓷波动法的主动监测技术，工作流程为在叶片表面粘贴压电陶瓷片作为传感器和驱动器，利用函数发生器发射正弦扫频信号，对示波器接收到的监测信号。风机叶片裂纹损伤的评价方法则是利用傅里叶频谱分析法与定义的两个基于小波包分析的损伤指标进行计算，能够成功的监测到的裂纹区域，并可用时间反转法进行验证。本发明操作简单，对风力发电机叶片的裂纹损伤识别效果明显。该方法具有通用性，后期也可用于其他类似于风机叶片的复合型材料的损伤监测之中。
文档编号G01N27/00GK102928472SQ20121044207
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月8日 优先权日2012年11月8日
发明者阎石, 吴晓旸, 孙威 申请人:沈阳建筑大学