[发明专利]一种用于风力发电机叶片裂纹的监测方法

说明书

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：

（1）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。

附图说明

图1是本发明的主动监测系统构成图；

图2是本发明的压电波动法工作原理图；

图3是本发明的压电传感器布置示意图；

图4是本发明的叶片损伤信号和健康信号时域对比图；

图5是本发明的叶片损伤信号和健康信号频域对比图；