风机浆叶在役超声波无损检测装置的制作方法

本实用新型涉及一种风机浆叶超声波无损检测装置，更具体的说是涉及一种采用超声波检测技术对风力发电机浆叶在役产生的破损及瑕疵进行无损检测的装置。

背景技术：

风力发电作为新能源领域中技术最成熟、最具规模化和商业化发展前景的发电方式，具有清洁、可再生、环境效益好等优点，是近些年来国际上发展速度最快的可再生能源。据《中国电力发展报告2016》显示，2016年中国风电规模达14864万千瓦，占比提高9％，稳居我国第三大电源。

随着风能的快速发展和风电机组的广泛安装使用，风电机组的运行故障问题日益突出。由于风电机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，常年经受风吹雨打、酷暑严寒和极端温差的影响，使得风电机组故障频发。风电机组的安全、稳定、无故障运转不仅可以提供稳定的电力供应，也可以大幅降低风电的成本，是整个产业链健康发展的关键环节。目前风场采取的维护方式多为定期维护及事后维修。由于风机多数布置在偏远地区，每次检修耗时耗力，使得风电机组的维护费用长期以来居高不下。

风电机组的事故统计数据(由风电场凯斯内斯信息论坛提供http://www.caithnesswindfarms.co.uk/AccidentStatistics.htm)显示每年的风电事故呈上升趋势(Figure 1)。凯斯内斯论坛指出该统计数据只是使用了有官方和新闻报道的事故，所以实际的事故数量可能比该数据要高很多。该统计数据表明，风电机组最常发生的事故是叶片损伤。从1996年至2017年,总共有370起由于叶片损伤引发的事故报道。风电机组叶片在运行中的损伤主要会表现为后缘开裂、表面开裂、后缘损伤、叶尖开裂等。其原因可能有雷击、疲劳载荷作用、结构原始缺陷等。大型风电机组的叶片长度可达60m，叶根直径达2m。叶片损伤经常表现为叶尖及叶尖附近的后缘的开裂。裂缝的初始宽度很小(约1mm)，但随着风机的运行，裂缝的长度很容易扩展。一些典型的开裂情况如Figure 2所示。所以叶片的健康监测尤为重要。本项目就是设计风机叶片在线的实时健康监测系统。

风电机组叶片监测的技术属于结构健康监测(Structural Health Monitoring,简称SHM)的一种。SHM是近十几年来在无损检测(Non Destructive Testing,简称NDT；或者Non Destructive Evaluation，简称NDE)的基础上发展起来的智能化监测手段。无损检测是在不损坏结构和材料的前提下，对被检验结构的表面和内部状态进行数据采集和评估的一种检测手段。

结构健康监测将网络式的传感器安装在监测结构(如飞机、火车等)上，形成类似于人体的神经感知系统，给予结构以真正的感知能力，实现在结构营运状态中获取数据。当出现异常状况时，系统能作出智能判断，实时发出预警信号，为结构维护及管理决策提供依据和指导。

结构健康监测系统可以提高系统的安全性能。在运行过程中实时准确地判定结构的状态，当出现异常状况时，提前发出预警，避免灾难事故的发生。而且减少人为因素造成的误诊断，从而大大提高了系统的可靠性。

智能结构健康监测系统可以优化系统的运维效率。智能结构健康监测在结构健康监测的基础上，进一步通过数据融合和强化学习算法为结构维护提供智能决策，把定期维修变为预见性检修。预见性维修可以大大提高运营效率，降低劳动成本，把意外的损坏降低到最小程度，避免过早修理或更换造成不必要的浪费，从而有效地延长结构的寿命。

结构健康监测技术大致经历了三个发展阶段：第一阶段在NDT的基础上，把传感器和数据采集集成在结构上，对诊断资讯作简单的数据处理，系统的体积比较大，数据处理相对简单；第二阶段则以把传感器和数据采集的体积缩小，提高了集成度，数据处理器的速度也有所提高，所以能够进行较复杂的信号处理或者建模，目前在工程中得到了广泛的应用；随着传感器技术的飞跃和体积不断缩小，机构健康监测进入了以多种传感器相结合，多种数据传输相结合，网络化数据处理、信号处理与与智能学习结合的第三个阶段。

在20世纪70年代和80年代，海洋平台开始研究基于振动的损伤识别方法。由于海洋平台结构到现场测量的成本很高，周期长，所以迫切需要能够在线进行健康监测。监测的基本方法是通过测量模拟信号产生的谐振频率的变化，把信号变化和结构的损伤相关联来进行测试。

结构健康监测近十几年来在多个行业开始有广泛的应用。桥梁、建筑，风电等民用工程行业采用多种被动式传感器，包括加速度计、风速风向仪、位移计、温度计、应变计、振动传感器等，通过采集的参数间接地推断结构的总体状况。

航空航天、轨道交通装备、管道、容器、轨道等，也开始采用被动式传感器和主动式传感器如超声技术对结构进行有目的的扫描。美国NASA将光纤传感器网络埋入碳纤维复合材料飞机蒙皮，使材料具有感知力和判断力。空中客车的新型长途飞机在飞机尾部配备了冗余传感器，并在飞行甲板安装了飞机尾部健康指示系统，提高整体的安全性。利用超声技术通过测量管壁的厚度可以有效地探测输油管道的腐蚀、破裂等损伤。

技术实现要素：

本实用新型的目的是，为在役的风机浆叶提供一种自动检测装置，可以实时的在役检测风机浆叶的损伤、孔洞、裂纹和皱褶情况，以保证风机浆叶的安全运转。

本实用新型是这样实现的：

风机浆叶在役超声波无损检测装置，包括超声波发送器、超声波接受器、数据采集器、后台数据处理器，其特征是超声波发送器和超声波接受器分别安装在风机浆叶空腔内侧呈网络化布局的布置点，超声波发送器与超声波接受器的间距与超声波发送器的有效发射距离相匹配，超声波接收器与数据采集器连接，数据采集器与后台数据处理连接。

进一步的，所述风机浆叶在役超声波无损检测装置，其特征是所述网络化布局的布置点是四边形网格形状的节点

进一步的，所述风机浆叶在役超声波无损检测装置，其特征是所述网络化布局的布置点是六边形网格形状的节点

进一步的，所述风机浆叶在役超声波无损检测装置，其特征是超声波发送器和超声波接受器同体安装在风机浆叶空腔内侧呈网络化布局的布置点处。

本实用新型风机桨叶在役超声波无损检测装置采用超声波探伤技术原理，是直接探测结构状况的最有效的一种检测方法。超声波探伤是利用超声波传播的时候波形反射和穿透的能量变化来检验材料内部和表面缺陷的无损检测方法。跟常规的目测探伤相比，超声波探伤可以监测到目测探伤监测不到的结构内部的状态。举例来讲，金属由于疲劳造成的内部裂纹，新型的复合材料内部的分层和裂缝，都可以用超声扫描有效的进行监测。跟X射线探伤相比，超声波探伤具有体积小、成本低、效率高，无污染、对人体无害等优点。

超声波在两种不同声阻抗的介质的界面上会发生反射。反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。脉冲反射式超声波探伤仪就是根据这个原理设计的。类似在结构中存在的缺陷，造成了缺一个不同介质之间的交界面，交界面之间的声阻抗不同，当发射的超声波遇到这个缺陷的时候，就会发生波形变形和反射。对于同一均匀介质，脉冲波的到达时间与距离成正比。因此可由缺陷信号的出现判断缺陷的存在；可由缺陷信号出现的时间来确定缺陷的位置；通过缺陷信号的幅度来判断缺陷的当量大小。

超声波信号不但产生表面波，还产生穿透波。将多个超声波激励源和接收器分布在结构表面或装嵌于结构内部，通过多个激励源产生超声波，在多个接受传感器接受发射的激励信号，就可以形成一个覆盖被监测结构的传感器网络。通过对超声的数据进行建模或者数据处理，就可以评估该结构表面和内部是否存在缺陷。

本实用新型可以直接应用到国内数万台已经在运行的风机上，包括海上风电，能够自动监测现有风机浆叶在役状态，一旦发现风机浆叶瑕疵，如裂纹、孔洞和皱褶等现象，可以提前预警，避免灾难事故的发生。减少了人力检修的周期，有效地降低了风电行业的运维成本。

本实用新型也可以直接安装在新风机上，作为新一代智慧风机的标准配置，不仅可以提高安全性能、优化运维效率、减低运维成本，还可以实时采集风机运行的各类参数，为风机的设计、生产、运维提供极有价值的参考数据。

作为清洁能源的重要组成部分，国外也在大力发展风电产业。本项目的研究成果，技术水平国际领先，有很大的潜力推广到国外市场。

附图说明

图1为脉冲回波超声波传输方式示意图；

图2为一发一收超声波传输方式及网络化布局示意图；

图3为超声波发送器和超声波接受器在风机浆叶上的网格布局示意图。

图中：11-超声波传感器，(21、22、23、24)-超声波发送器，(31、32、33)-超声波接收器，(41、42、43)-瑕疵。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型进一步说明。

本实用新型风机浆叶在役超声波无损检测装置，包括超声波发送器、超声波接受器、数据采集器、后台数据处理器，其特征是超声波发送器和超声波接受器分别安装在风机浆叶空腔内侧呈网络化布局的布置点，超声波发送器与超声波接受器的间距与超声波发送器的有效发射距离相匹配，超声波接收器与数据采集器连接，数据采集器与后台数据处理连接。

在监测风机浆叶在役工作状态时，超声波工作可以采用两种方式，一种方式叫做脉冲回波(Pulse-echo)，另一种方式叫做一发一收(Pitch-catch)。

脉冲回波(Pulse-echo)模式主要用来监测激励信号的反射波，如图1所示。在脉冲回波(Pulse-echo)模式下，可以使用单个超声传感器发射激励信号，同时用这个传感器接受响应，如图1(a)所示。还可以使用两个封装在一起的超声传感器，一个用来发射，一个用来接收,如图1((b)所示。两种方式各有优劣。当使用一个传感器自发自收时，成本可以降低，连线的数量要少，同时体积也小。缺点是发送的激励信号会对接收信号产生干扰，对接收电路的抗干扰能力要求高。当使用两个传感器的时候，可以较好的消除激励信号对接收信号的干扰，缺点则是增加传感器的成本，连线和体积。Pulse-echo(脉冲回波)靠信号反射，造成衰减较多，所以常用于离传感器较近方位的监测。

一发一收(Pitch-catch)模式则主要监视信号传输路径上的变化。在一发一收(Pitch-catch)模式下，两个超声传感器相隔一定距离，一个传感器用来发送，另外一个用来接收。Pitch-catch多用网络型分布，如图2所示。当在信号传输的路径上有损伤时，接收传感器的信号就会产生相应的变化。一发一收(Pitch-catch)方式下，接收传感器直接提取发射传感器的信号，不需要反射，所以传输距离更远，可以用于长距离的监测。

根据超声波传感器监测的两种方式，本实用新型提出的网格布局方案，可以同时采用两种监测工作方式综合布置超声波传感器，也可以单一采用一种监测工作方式。四边形的网格节点是纵横线的交叉点，六边形网格的节点是六边形的角点。

超声波传感器的网络化布局布置点的选择，可以按规则的形状布置，如四边形网格的节点，或六边形网格的节点，也可以按不规则的形状布置，其疏密程度也可以根据需要来选择。如在风机浆叶的迎风面和容易破损的部位可以较密集的设置布置点。

数据采集分析：超声波仪器数据采集以后，需要进行相应的分析处理。数据分析最常用的方法是能量比较。在风机浆叶正常的部位，超声波的接收波形会有一定的能量。在风机浆叶不正常的部位，，波形会跟正常的波形产生变化。通过计算变化能量的大小，跟历史经验的故障阈值相比对，就可以判断风机浆叶的状态。

以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。