【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于风电，具体涉及一种风力发电机在运叶片内部材料的早期损伤监测方法。
技术介绍
1、在运行环境下，风力发电机（以下简称为“风机”）叶片内部轻微材料损伤很容易随风机的继续运行迅速劣化，引起重大安全事故。而目前尚无有效监测手段。
2、两种频域能量分布不同的声信号具有不同的频谱特征。由于损坏异音具有突发性和瞬时性，在时域上不稳定，因此这里采用时频分析技术。时频分析即同时在时域和频域对信号进行分析。相较于传统的频谱分析（即将一段信号进行傅里叶变换得到其频谱）技术，时域分析法将完整信号按时间分割为若干短暂的片段，对每个片段计算其频谱，再将频谱沿时间拼接，即可得到信号的频谱随时间的变化情况。时频分析的具体技术手段包括短时傅里叶片换、小波变换等。
3、目前解决问题的技术方案包括相关技术方案1和相关技术方案2，相关技术方案1——超声探伤技术：超声探伤技术利用超声波在物体内部的传播和反射原理对物体内部缺陷进行无损检测。由于超声波在材料中的传播速度、折反射现象与材料密度、弹性、连续性等特性有关，如：缺陷材料的不均匀性会导致超声波的吸收和衰减、材料内部断面导致声波折反射等。通过调整发射的超声波参数与计算返回超声波的物理参量，就可以获知材料内部的缺陷情况。超声探伤仪主要包括发射器、接收器、控制单元、传感器和显示及记录设备几部分。使用时，首先需清洁待测物表面，涂抹耦合剂，使探头与材料紧密连接；设定合适的参数以发射和接收超声波；根据结果分析并得出结论。在风机叶片检测场景中，超声探伤仪已经成为叶片材料出厂前损伤检测的成熟方式
4、相关技术方案2——声发射技术：当材料内部发生微裂纹、位错滑移、裂纹扩展或其它形变过程时，部分能量以应力波的形式释放并传播到材料表面，形成可被探测到的声波。声发射现象产生的声波一般处于超声波段，通过选取合适频段的超声传感器，可以采集监测并采集被测物体的声发射信号，判断其是否产生内部缺陷甚至对缺陷进行定位。目前已有用声发射技术监测叶片损伤的尝试，然而由于叶片发生缺陷的位置不确定，而超声信号传播过程中易衰减，声发射传感器能监测的范围有限，或易遗漏异常信号，或因为密集部署严重增加成本和工程实施难度。
5、此外，基于光学和红外的叶片表面损伤检测技术中：
6、受环境因素限制大。光学技术仅能在白天和没有雨雪雾等天气的情况下才能检测；红外技术在盛夏、寒冬、有强烈日照时准确率会降低。难以实现实时检测。两种技术一般应用于终端设备上，由工人或无人机携带巡检。这种方式受巡检频次限制。检测深度有限，不能探测重要性更高的内部材料损伤。光学手段只能探测叶片表面异常，红外手段最多探测到叶片表面一下2至3毫米深度。而叶片外表面涂有保护漆层。一方面，叶片外表面异常多为漆层损伤或脏污，对叶片影响轻微；另一方面如浅层褶皱等缺陷，发展缓慢，危害小。此手段未能解决叶片材料早期损伤监测的关键需求。
7、超声探伤技术中：难以对在运叶片进行检测。首先，超声探伤技术对探头与表面的贴合度要求极高，需接触面光滑且涂抹耦合剂。在运叶片内部无法实现表面打磨、涂耦合剂等操作，极大的限制了超声探伤仪的检测效果。难以覆盖全部叶片内表面。由于叶片内空间狭小，当前的技术方案主要为检测小车携带超声探伤仪爬入叶片内部进行检测。由于超声探伤仪只能检测物体与探头接触的部分，因此无法检测小车不能到达的地方；且叶片连接处、腹板连接处等空间狭窄、有弯折的地方均难以测到。影响风机正常运行。采用上述方案要求风机停机、再将叶片待测内表面旋转至与地面水平方向。后续设备运送、安装、回收等过程工程难度极大，无法实现实时检测。
8、声发射技术中：无法持续监测已发生的损伤。声发射的kaiser效应指出，物体在加载、卸载后再次加载时，载荷在未超过前次加载的最大载荷时很少产生声发射信号。这意味着，同一损伤几乎只产生一次声发射信号。在运风机叶片在一定载荷下破损并产生一次声发射信号后，只有当载荷超过前次时才能再次产生声信号。在此期间，损伤对该手段而言一直是静默的，无法检测。而声发射信号极其短暂，形成复杂，且容易受外界因素干扰，对数据分析人员的经验和水平要求高，十分容易错过。
9、振动监测技术中：无法探知早期损伤，运维窗口极短。振动监测通过采集风机叶片的整体振动情况来判断其健康程度。然而，叶片内部材料的早期损伤不影响叶片的整体振动状态，此手段无效。当材料开裂等缺陷发展到振动手段可监测到时，损伤已经极其严重。在持续高载荷运行情况下，甚至几分钟内叶片就会整体断裂、掉落，即使产生报警，也无法采取措施。因此，尽管手段是风机叶片监测的常用方法，但效果不佳。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种风力发电机在运叶片内部材料的早期损伤监测方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
2、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种风力发电机在运叶片内部材料的早期损伤监测方法，包括以下步骤：
3、s1、安装拾音器：采用至少四个频响范围覆盖至少2000赫兹—20000 赫兹、灵敏度不低于40毫伏/分贝的拾音器，安装于风机叶片内部容易产生材料损伤的部位，每个拾音器检测所处空腔内的声信号；
4、s2、数据采集和传输：持续采集叶片内部声音，并将声信号通过无线网络传至存储设备；
5、s3、信号预处理：包括降噪步骤、切片步骤；
6、s4、特征提取：包括计算幅变因子步骤、计算频带能量比步骤；
7、s5、长期趋势监测和预警；
8、s6、自适应阈值和报警。
9、较佳的，所述s3中的降噪步骤为：对采集到的声信号进行巴特沃斯带通滤波，控制巴特沃斯带通范围为2000赫兹至20000赫兹，巴特沃斯带通滤波后得到的声信号集中于叶片损伤异音和部分正常运行声音的主要能量分布频段。
10、较佳的，所述s3中的切片步骤为：将连续声信号取0.3秒为间隔将信号切片为片段，分别计算其特征值，缺陷叶片在形变过程中产生的异音近似冲击信号。
11、较佳的，所述s4中的计算幅变因子步骤包括：计算幅变因子时利用风机叶片内部声信号的波形图进行计算，控制横坐标为时间，纵坐标为幅值，将叶片健康时的数据与叶片内部材料损伤时的数据绘制在一个坐标系中，当坐标系中的数据线出现了类冲击信号时则判定叶片异常；在进行幅变因子计算时，控制横坐标为片段沿时间顺序的编号，纵坐标为幅变因子的值进行图像绘制。
12、较佳的，所述s4中的计算频带能量比步骤包括：对每个信号片段加汉宁窗再进行傅里叶变换得到其频谱，取频谱2000—7000赫兹频段作为低频频段，当叶片正常时，叶片内部的声信号能量主要分布与此区间；取频谱7000—20000赫兹频段作为高频频段，当叶片内部材料发生早期缺陷时，声信号能量分布于此区间，对采集到的信号进行短时傅里叶变换，变换时采用区间为（0.1-2秒）的时域分辨率以免短暂的异音信号在时域上被平滑和淹没于本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种风力发电机在运叶片内部材料的早期损伤监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种风力发电机在运叶片内部材料的早期损伤监测方法，其特征在于：所述S3中的降噪步骤为：对采集到的声信号进行巴特沃斯带通滤波，控制巴特沃斯带通范围为2000赫兹至20000赫兹，巴特沃斯带通滤波后得到的声信号集中于叶片损伤异音和部分正常运行声音的主要能量分布频段。
3.根据权利要求2所述的一种风力发电机在运叶片内部材料的早期损伤监测方法，其特征在于：所述S3中的切片步骤为：将连续声信号取0.3秒为间隔将信号切片为片段，分别计算其特征值，缺陷叶片在形变过程中产生的异音近似冲击信号。
4.根据权利要求1所述的一种风力发电机在运叶片内部材料的早期损伤监测方法，其特征在于：所述S4中的计算幅变因子步骤包括：计算幅变因子时利用风机叶片内部声信号的波形图进行计算，控制横坐标为时间，纵坐标为幅值，将叶片健康时的数据与叶片内部材料损伤时的数据绘制在一个坐标系中，当坐标系中的数据线出现了类冲击信号时则判定叶片异常；在进行幅变因子计算时，控制横坐标为片段沿时间顺
5.根据权利要求4所述的一种风力发电机在运叶片内部材料的早期损伤监测方法，其特征在于：所述S4中的计算频带能量比步骤包括：对每个信号片段加汉宁窗再进行傅里叶变换得到其频谱，取频谱2000—7000赫兹频段作为低频频段，当叶片正常时，叶片内部的声信号能量主要分布与此区间；取频谱7000—20000赫兹频段作为高频频段，当叶片内部材料发生早期缺陷时，声信号能量分布于此区间，对采集到的信号进行短时傅里叶变换，变换时采用区间为0.1-2秒的时域分辨率以免短暂的异音信号在时域上被平滑和淹没于正常信号中。
6.根据权利要求5所述的一种风力发电机在运叶片内部材料的早期损伤监测方法，其特征在于：所述S5中的长期趋势监测和预警步骤包括：考察幅变因子、频带能量比随时间的长期变化趋势：当叶片正常时，幅变因子参量不超过4、频带能量比参量不超过1.5；当叶片内部材料出现缺陷时，幅变因子、频带能量比两参量波动上升，且上升速度与劣化速度正相关。
7.根据权利要求6所述的一种风力发电机在运叶片内部材料的早期损伤监测方法，其特征在于：所述S6中，在自适应阈值和报警时，将阈值设置为叶片内部产生缺陷时的特征值，当幅变因子或频带能量比超出该阈值时，则叶片内部缺陷较明显，及时干预并进行报警；同时采用自适应算法动态调整阈值。
8.根据权利要求7所述的一种风力发电机在运叶片内部材料的早期损伤监测方法，其特征在于：当采用自适应算法动态调整阈值时，在初始状态下，叶片健康，积累数据并统计幅变因子和频带能量比在不同工况下的分布，当叶片健康时，每种工况对应的特征参量值应符合正态分布，以正常数据正态分布右侧5个标准差距离的值作为阈值，报警时，根据实际检查结果调整阈值：若叶片发生异常，阈值不变；若叶片健康，产生误报，将报警数据标记为正常，纳入原正常数据，再根据新的数据分布情况更新对应工况下的阈值。
...【技术特征摘要】
1.一种风力发电机在运叶片内部材料的早期损伤监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种风力发电机在运叶片内部材料的早期损伤监测方法，其特征在于：所述s3中的降噪步骤为：对采集到的声信号进行巴特沃斯带通滤波，控制巴特沃斯带通范围为2000赫兹至20000赫兹，巴特沃斯带通滤波后得到的声信号集中于叶片损伤异音和部分正常运行声音的主要能量分布频段。
3.根据权利要求2所述的一种风力发电机在运叶片内部材料的早期损伤监测方法，其特征在于：所述s3中的切片步骤为：将连续声信号取0.3秒为间隔将信号切片为片段，分别计算其特征值，缺陷叶片在形变过程中产生的异音近似冲击信号。
4.根据权利要求1所述的一种风力发电机在运叶片内部材料的早期损伤监测方法，其特征在于：所述s4中的计算幅变因子步骤包括：计算幅变因子时利用风机叶片内部声信号的波形图进行计算，控制横坐标为时间，纵坐标为幅值，将叶片健康时的数据与叶片内部材料损伤时的数据绘制在一个坐标系中，当坐标系中的数据线出现了类冲击信号时则判定叶片异常；在进行幅变因子计算时，控制横坐标为片段沿时间顺序的编号，纵坐标为幅变因子的值进行图像绘制。
5.根据权利要求4所述的一种风力发电机在运叶片内部材料的早期损伤监测方法，其特征在于：所述s4中的计算频带能量比步骤包括：对每个信号片段加汉宁窗再进行傅里叶变换得到其频谱，取频谱2000—7000赫兹频段作为低频频段，当叶片正常时，叶片内部的声信号能量主要分布与此区间；取频...
【专利技术属性】
技术研发人员：张一，王雨微，朱光，陈双辉，
申请(专利权)人：南京土星视界科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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