本发明涉及一种裂纹预警方法和裂纹预警系统，更具体地讲，涉及一种风力发电机组的金属构件的裂纹预警方法和裂纹预警系统。
背景技术：
随着能源危机的日益严重，风能作为清洁能源，正在逐渐受到世界各国的重视。风力发电机组的长期、稳定运行是持续提供稳定电力的前提保障。
然而，由于风力发电机组的金属构件的质量问题、现场工况环境以及长期运行发生疲劳破坏等因素，可能会导致风力发电机组的金属构件在运行过程中断裂而造成重大财产损失和严重后果。
现阶段在风力发电领域还没有成熟稳定的裂纹预警技术，现有的应变片、导电漆和锡箔纸裂纹预警可操作性差、运行稳定性差，且存在接触式破坏和人工成本高等诸多问题，并且在现场测试过程中存在很多不便。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术中的以上缺陷。
根据本发明的一方面，提供一种风力发电机组的金属构件的裂纹预警方法，该裂纹预警方法可包括：利用超声波传感器模块采集与经金属构件传输的超声波对应的初始信号和当前信号；对初始信号和当前信号进行处理，并输出与当前裂纹状态对应的反馈信号；根据反馈信号输出正常信号和预警信号之一。
优选地，反馈信号可包括当前信号的波形与初始信号的波形之间的偏移量，根据反馈信号输出正常信号和预警信号之一的步骤可包括：根据偏移量输出正常信号和预警信号之一。
优选地，当偏移量大于或等于第一预定值时可输出预警信号。
优选地，反馈信号可包括初始信号的波形的波峰值与当前信号的波形的波峰值之间的峰值差，根据反馈信号输出正常信号和预警信号之一的步骤可包括：根据峰值差，输出正常信号和预警信号之一。
优选地，当峰值差与初始信号的波形的波峰值之比大于或等于第一预定百分比时可输出预警信号。
优选地，反馈信号还可包括初始信号的波形的波峰值与当前信号的波形的波峰值之间的峰值差，根据反馈信号输出正常信号和预警信号之一的步骤还可包括：根据偏移量以及峰值差两者，输出正常信号和预警信号之一。
优选地，当偏移量在第一预定范围且峰值差与初始信号的波形的波峰值之比在第二预定范围时，可输出预警信号。
优选地，裂纹预警方法还可包括测量金属构件的温度，以进行温度补偿。
根据本发明的另一方面，提供一种风力发电机组的金属构件的裂纹预警系统，该裂纹预警系统可包括：超声波传感器模块，超声波传感器模块包括超声波传感器和超声设备，超声波传感器安装在金属构件的表面；数据采集模块，数据采集模块利用超声波传感器模块采集与经金属构件传输的超声波对应的初始信号和当前信号；信号处理模块，信号处理模块对初始信号和当前信号进行处理，并输出与当前裂纹状态对应的反馈信号；裂纹预警模块，根据反馈信号输出正常信号和预警信号之一。
优选地，反馈信号可包括当前信号的波形与初始信号的波形之间的偏移量，裂纹预警模块可根据偏移量输出正常信号和预警信号之一。
优选地，当偏移量大于或等于第一预定值时，裂纹预警模块可输出预警信号。
优选地，反馈信号可包括初始信号的波形的波峰值与当前信号的波形的波峰值之间的峰值差，裂纹预警模块可根据峰值差输出正常信号和预警信号之一。
优选地，当峰值差与初始信号的波形的波峰值之比大于或等于第一预定百分比时，裂纹预警模块可输出预警信号。
优选地，反馈信号还可包括初始信号的波形的波峰值与当前信号的波形的波峰值之间的峰值差，裂纹预警模块可根据偏移量以及峰值差两者，输出正常信号和预警信号之一。
优选地，当偏移量在第一预定范围且峰值差与初始信号的波形的波峰值之比在第二预定范围时，裂纹预警模块可输出预警信号。
优选地，裂纹预警系统还可包括温度测量传感器，温度测量传感器可用于测量金属构件的温度以进行温度补偿。
优选地，超声波传感器模块还可包括压电陶瓷片，压电陶瓷片可贴附在金属构件的表面上，并可位于超声波传感器与金属构件之间。
优选地，超声波传感器模块可包括至少两个超声波传感器模块，其中第一超声波传感器模块可用作发送超声波的发送端，第二超声波传感器模块可用作接收超声波的接收端。
根据本发明的实施例的裂纹预警方法预警可靠性和准确性高。
根据本发明的实施例的裂纹预警系统对风力发电机组的金属构件接触式破坏小，人工操作少。
附图说明
通过结合附图对下面的实施例的描述，本发明的这些和/或其它方面及优点将会变得更清楚，并且更易于理解，其中：
图1是根据本发明的实施例的裂纹预警系统的框图；
图2是根据本发明的实施例的裂纹预警系统的示意图；
图3是示出初始信号以及在金属构件没有裂纹时采集的当前信号的波形图；
图4是图3中的波形图的局部放大图；
图5是示出初始信号以及在金属构件具有裂纹时采集的当前信号的波形图；
图6是图5的波形图的局部放大图；
图7是示出初始信号以及在裂纹的不同时期所采集的当前信号的波形图的局部放大图；
图8至图10是示出根据本发明的实施例的裂纹预警方法的流程图。
附图标记说明：
100：超声波传感器模块；200：数据采集模块；300：信号处理模块；400：裂纹预警模块；10：疲劳试验机；20：样本；101：超声设备；102：超声波传感器；600：波形显示模块。
具体实施方式
本发明利用超声波(例如，表面横波)测试技术进行风力发电机组的金属构件的裂纹预警，对风力发电机组的金属构件的表面裂纹具有较好的预警效果。测试过程及应用结果表明，与现有技术通常采用的应变片、导电漆和锡箔纸等检测方式相比，本发明的超声波裂纹检测技术人为干扰因素小，工程可操作性高，人工成本低并且对风力发电机组的金属构件接触式破坏很小。
下面将结合附图对本发明的风力发电机组的金属构件的裂纹预警系统和裂纹预警方法进行详细描述。在整个具体实施方式中，相同的标号始终表示相同的部件。
图1是根据本发明的实施例的裂纹预警系统的框图，图2是根据本发明的实施例的裂纹预警系统的示意图。本发明的裂纹预警系统可用于对风力发电机组的金属构件的裂纹进行监测和预警。
如图1和图2所示，本发明的裂纹预警系统可包括超声波传感器模块100，超声波传感器模块100可包括超声波传感器102和超声设备101，超声波传感器102安装在风力发电机组的金属构件的表面。
可选地，超声波传感器102自身可包括压电转换器件，也可另外提供压电转换器件。例如，超声波传感器模块100还可包括压电陶瓷片(未示出)，压电陶瓷片可贴附在风力发电机组的金属构件的表面上，超声波传感器102可安装在压电陶瓷片上，即，压电陶瓷片可以位于超声波传感器102和金属构件之间。本发明的超声波传感器模块与风力发电机组的金属构件直接接触，这一接触式的检测方式可以降低环境噪声对超声波的影响，提高检测的精度。
超声设备101可发出超声信号，超声波传感器102可用于发送和接收与超声信号对应的超声波，超声波传感器102发出的超声波可通过粘贴在金属构件表面上的压电陶瓷片来实现超声波和机械波双向转换。
虽然本发明的超声波传感器模块100优选采用一端发送另一端接收的工作模式，但鉴于发送超声波可通过周围的裂纹而反射回波信号，因此也可采用单端收发的工作模式。
以一端发送另一端接收的工作模式为例，超声波传感器(例如，发送端的超声波发送传感器)发送超声波，该超声波经过压电陶瓷片转换成机械波，机械波沿着金属构件(例如，风力发电机组的变桨轴承、偏航轴承或主轴承)的表面进行周向水平传播，传播至接收端的压电陶瓷片，再将机械波转换成超声波，由超声波传感器接收再转变为电信号输出。
本发明的裂纹预警系统还可包括数据采集模块200，数据采集模块200可利用超声波传感器模块100采集与经金属构件传输的超声波对应的初始信号和当前信号。
这里，初始信号可以是原始标定信号，即，风力发电机组初次运行时利用超声波传感器模块100采集的初始信号。
在图2中，以风力发电机组的金属构件作为样品(例如，样本20)来进行相关测试，通过疲劳试验机10向样本20施加交变载荷进行裂纹预警。在未施加交变载荷之前采集与经过样本20传输的超声波对应的初始信号，并在施加交变载荷之后采集与经过样本20传输的超声波对应的当前信号。
本发明的裂纹预警系统还可包括信号处理模块300，信号处理模块300可对上述初始信号和当前信号进行处理，并输出与当前裂纹状态对应的反馈信号。这里，反馈信号可以包括上述当前信号的波形与上述初始信号的波形之间的偏移量和/或上述初始信号的波形的波峰值与上述当前信号的波形的波峰值之间的峰值差。
本发明的裂纹预警系统还可包括裂纹预警模块400，裂纹预警模块400可根据反馈信号输出正常信号和预警信号之一。
如图2所示，本发明的裂纹预警系统还可包括波形显示模块600，波形显示模块600可同时显示已标定的初始信号和变化的当前信号对应的波形。波形显示模块600可以与裂纹预警模块400和信号处理模块300集成为一体。
如图2所示，在将样本20(例如，变桨轴承的一部分)的待测位置两侧处分别打磨清洁处理并各粘贴一个压电陶瓷片，并分别在其上安装超声波传感器102之后，如果发送端(其中第一超声波传感器模块)和接收端(第二超声波传感器模块)之间的传输路径(例如，两个超声波传感器或两个压电陶瓷片的连接线)上没有裂纹，则所采集的初始信号与当前信号的波形偏移量接近于零，即，不存在偏移，且初始信号的波形的波峰值((例如，电压峰值))与当前信号的波形的波峰值之间的峰值差接近于零。这里，第一超声波传感器模块和第二超声波传感器模块可视为一组超声波传感器模块。
为了监测更大范围内的裂纹，可调节发送端和接收端之间的距离，也可在金属构件的表面贴附多个压电陶瓷片并在多个压电陶瓷片上分别安装多个超声波传感器，在检测时，选择其中的两个超声波传感器使用即可。
需要说明的是，这里的偏移量是指波形的水平偏移量，并可通过超声波在该金属构件中的传播速度(v)与初始信号和当前信号的收发时间差之间的差值(t1-t0)的乘积(v×(t1-t0))进行计算，其中，t0表示初始信号从发送端传输到接收端的时间间隔，t1表示当前信号从发送端传输到接收端的时间间隔。
具体如图3和图4所示，图3是示出初始信号以及在金属构件没有裂纹时采集的当前信号的波形图；图4是图3中的波形图的局部放大图。
图3和图4中的实线表示与初始信号对应的波形，虚线表示与当前信号对应的波形，从图4中可以看出，初始信号波形与当前信号波形基本重合，这表明发送端和接收端之间的金属构件的表面不存在裂纹。在这种情况下，裂纹预警模块400输出正常信号，风力发电机组的金属构件能够正常使用。
虽然本发明利用表面横波进行裂纹预警和监测，但也可以通过90°剪切波、45°纵波倾斜波、声发射、超声波麦克风等进行裂纹预警和监测。
图5是示出初始信号以及在金属构件具有裂纹时采集的当前信号的波形图；图6是图5的波形图的局部放大图。
当发送端和接收端之间的传输路径上存在裂纹时，会阻碍波信号的传递，使得超声波传感器接收到的当前信号减弱，当前信号的波形会相对于初始信号的波形滞后，发生偏移，并且当前信号的波形的波峰值相对于初始信号的波形的波峰值因信号的减弱而减小。因此，裂纹预警模块400可根据当前信号的波形与初始信号的波形之间的偏移量输出正常信号和预警信号之一。
如图6所示，当前信号的波形相对于初始信号的波形的偏移量可通过上述计算方式进行计算。例如，当偏移量大于或等于第一预定值时，裂纹预警模块400可输出预警信号。例如，可将预警信号输出到总控制台，从而控制疲劳试验机10停止运行。在将本发明的裂纹预警系统直接用于在役的风力发电机组的情况下，可将预警信号通过无线信号传输至放置在机舱的无线监测网关，无线监测网关通过网线，将预警信号传输至风力发电机组的主控系统，则可控制风力发电机组停止运行。另外，第一预定值可根据金属构件所能承受的裂纹极限等因素预先确定。
另外，在利用多个超声波传感器模块监测裂纹的情况下，可以判断裂纹的位置。例如，可选择多个超声波传感器模块的第三超声波传感器模块，然后分别选择处于不同位置的第四超声波传感器模块和第五超声波传感器模块，第三超声波传感器模块分别与第四超声波传感器模块和第五超声波传感器模块形成两组超声波传感器模块，如果根据利用两组超声波传感器模块获得的波形的“偏移量”以及下文将描述的“峰值差”均判断存在裂纹，则可确定该裂纹存在于第三和第四超声波传感器模块之间的路径以及第三和第五超声波传感器模块之间的路径上。即，本发明可利用多个超声波传感器模块中的至少两组超声波传感器模块获得的波形的“偏移量”和“峰值差”中的至少一个确定裂纹的位置。
参照图6，除了当前信号的波形相对于初始信号的波形发生偏移之外，当前信号波形的波峰值(例如，电压峰值)会减小，即，在发生裂纹的情况下，在金属构件的表面传输的超声波会发生衰减。
如图6所示，与经由样本20传输的超声波对应的初始信号的波峰值(例如，电压峰值)大约为3700mv，与经由样本20传输的超声波对应的当前信号的波峰值大约为3300mv。当初始信号的波形的波峰值与当前信号的波形的波峰值之间的峰值差与初始信号的波形的波峰值之比大于或等于第一预定百分比时，裂纹预警模块400可输出预警信号，这里的第一预定百分比可根据金属构件所能承受的裂纹极限等因素进行预先设定。
图7是示出初始信号以及在裂纹的不同时期时所采集的当前信号的波形图的局部放大图。
在图7中，实线表示初始信号的波形，虚线表示不同时期当前信号的波形，其中幅值较大的虚线代表的波形表示金属构件的表面还不存在裂纹，随着疲劳试验机10对样品20(金属构件)持续地施加交变载荷，金属构件的表面出现裂纹。从图7可以看出，初始信号的波形与当前信号的波形的偏移量逐渐变大，当前信号的峰值逐渐减小(如幅值较小的虚线代表的波形)，即，偏移以及衰减同时进行。
因此，根据本发明的实施例可利用偏移量和峰值差两个标准中的一个进行金属构件表面裂纹的预警，还可同时利用这两个标准进行裂纹预警，以提高裂纹监测的准确性。
具体地，反馈信号可包括上述偏移量以及初始信号的波形的波峰值与当前信号的波形的波峰值之间的峰值差两者，裂纹预警模块400可根据偏移量以及峰值差两者而输出正常信号和预警信号之一。例如，当偏移量在第一预定范围且峰值差与初始信号的波形的波峰值之比在第二预定范围时，裂纹预警模块400可输出预警信号，类似地，第一预定范围以及第二预定范围可根据金属构件所能承受的裂纹极限等因素预先确定。
再者，为了降低温度变化对金属构件的表面裂纹监测和预警的影响，可在压电陶瓷片的附近区域设置温度测量传感器以进行温度补偿，从而消除金属构件因温度的改变对其伸缩量的影响。具体地，可通过温度测量传感器测量金属构件的温度，并计算出在该温度下金属构件的伸缩形变量，并将偏移量减去计算的金属构件的伸缩形变量(即，温度补偿)，从而提高监测的准确性和预警可靠性。
根据本发明的实施例的裂纹预警系统可以对金属构件的表面的裂纹的不同阶段进行全生命周期监测，即监测金属构件的表面从未出现裂纹到断裂的全部时间内所输出的信号，经数据采集模块200采集，信号处理模块300对标定的初始信号和在后的不同时间的当前信号的处理分析，输出与当前金属构件的表面状态对应的反馈信号，通过设定的裂纹预警阈值判断，输出正常信号或报警信号，以判断当前金属构件的表面是否有裂纹出现或产生裂纹的不同程度，从而确保风力发电机的正常运行。该方法系统可靠性高，并且对金属构件的破坏性很小。根据本发明的实施例的裂纹预警系统利用信号波形的偏移量和峰值差两个标准中的至少一个进行裂纹预警，可靠性高。在同时利用波形的偏移量和峰值差这两个标准进行裂纹预警时，可大大降低环境噪声及其他因素对波形监测的影响，从而可大幅提高预警系统的可靠性。
图8至图10是示出根据本发明的实施例的裂纹预警方法的流程图。
如图8所示，在操作801中，对初始信号进行标定，即，利用超声波传感器模块采集与经金属构件传输的超声波对应的初始信号。如上所述，初始信号是指未通过疲劳试验机施加交变载荷之前所检测的信号，或风力发电机组首次运行之前检测的信号。
在操作802中，利用超声波传感器模块采集与经金属构件传输的超声波对应的当前信号，在金属构件的表面裂纹延伸至两个超声波传感器模块之间的传输路径上的情况下，该当前信号的波形相对于初始信号的波形发生偏移。
在操作803中，对初始信号和当前信号进行处理，并输出与当前裂纹状态对应的反馈信号。这里的反馈信号可指初始信号与当前信号之间的波形偏移量和/或初始信号与当前信号的波形的波峰值之间的峰值差。
在操作804，根据反馈信号输出正常信号和预警信号之一。
如图9所示，根据反馈信号输出正常信号和预警信号之一的步骤可包括根据当前信号的波形与初始信号的波形之间的偏移量输出正常信号和预警信号之一。当偏移量大于或等于第一预定值时输出预警信号，否则输出正常信号，进行当前信号的持续监测。
如上所述，本发明的裂纹预警方法还可包括温度补偿的步骤，即，可检测金属构件的温度，并将偏移量减去温度变化导致的金属构件伸缩形变量，然后再根据偏移量与金属构件的伸缩量之差所处的范围输出正常信号或预警信号。
如图10所示，根据反馈信号输出正常信号和预警信号之一的步骤可包括：根据初始信号的波形的波峰值与当前信号的波形的波峰值之间的峰值差，输出正常信号和预警信号之一。例如，当峰值差与初始信号的波形的波峰值之比大于或等于第一预定百分比时输出预警信号，否则输出正常信号，进行当前信号的持续监测。
虽然附图中没有示出，但是根据反馈信号输出正常信号和预警信号之一的步骤还可包括：根据偏移量以及初始信号的波形的波峰值与当前信号的波形的波峰值之间的峰值差两者，输出正常信号和预警信号之一。
具体地，当偏移量在第一预定范围且峰值差与初始信号的波形的波峰值之比在第二预定范围时，输出预警信号。例如，可将预警信号输出到总控制台，从而控制疲劳试验机停止运行。在将该裂纹预警系统直接用于在役的风力发电机组的情况下，可将预警信号通过无线信号传输至放置在机舱的无线监测网关，无线监测网关通过网线，将预警信号传输至风力发电机组的主控系统，以控制风力发电机组停止运行。
根据本发明的实施例的裂纹预警方法采用超声波测试技术，其可靠性高，对金属构件的破坏性很小，并利用信号波形的偏移量和峰值差两个标准中的至少一个进行裂纹预警，通过接触式的检测方式可以降低环境噪声及其他因素对波形监测的影响，从而可大幅提高预警系统的可靠性。通过检测金属构件的温度以进行温度补偿，具有较高的准确性。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内容易想到的改变或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。