CN103954209A - 一种基于压电材料的风机叶片覆冰监测系统及方法 - Google Patents
一种基于压电材料的风机叶片覆冰监测系统及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103954209A CN103954209A CN201410200743.3A CN201410200743A CN103954209A CN 103954209 A CN103954209 A CN 103954209A CN 201410200743 A CN201410200743 A CN 201410200743A CN 103954209 A CN103954209 A CN 103954209A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- piezoelectric
- signal
- wavelet
- fan blade
- icing
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Control Of Positive-Displacement Air Blowers (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于压电材料的风机叶片覆冰监测系统及方法，覆冰监测系统，包括固定在风机叶片上的压电驱动器和多个用于测量由所述压电驱动器传递来的应力波引起的电压感应信号的压电传感器，所述压电驱动器与用于激励压电驱动器的信号发生器电连接，所述多个压电传感器与用于采集所述压电传感器的电压测量信号的数据采集系统电连接，所述数据采集系统与用于分析所述电压测量信号小波包能量变化的计算机电连接。本发明实现了在寒冷地区冬季易遭遇覆冰灾害气候下运行的风力发电机叶片的覆冰监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种覆冰监测方法,特别是一种基于压电材料的风机叶片覆冰监测系统及方法。
背景技术
风电作为一种新型清洁可持续的能源方式，在世界范围内取得了快速的发展，我国对风能资源的开发利用在近年来发展十分迅速，新增装机容量位于世界前列。我国南方风资源丰富的地区多位于山区，山区冬季气候寒冷而湿度大，容易形成冰冻灾害。我国南方寒冷高湿地区风场容易遭受冰冻灾害的影响。风机叶片覆冰，不仅会造成发电效率的降低和停机，而且会导致发电设备负载的变化并导致机械故障和破坏，抛冰等现象会对人员和设备带来较大的风险。因此，对风机叶片的覆冰状况进行实时监测，基于监测结果对风力机叶片进行防冰和除冰处理，对维护风机的结构安全和运行效率，以及保障公众和维护人员的安全至关重要。为此，研究有效、可靠、经济而实施方便的覆冰监测方法具有重要的现实意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于压电材料的风机叶片覆冰监测系统及方法，实时监测风机叶片表面覆冰状况。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于压电材料的风机叶片覆冰监测系统，包括固定在风机叶片上的压电驱动器和多个用于测量从所述压电驱动器传递的应力波引的电压感应信号的压电传感器，所述压电驱动器与用于激励压电驱动器的信号发生器电连接，所述多个压电传感器与用于采集所述压电传感器的电压测量信号的数据采集系统电连接，所述数据采集系统与用于分析所述电压测量信号小波包能量变化的计算机电连接；所述计算机对任一压电传感器的电压测量信号进行N层小波包分解后，第k个压电传感器的电压测量信号小波包能量指标Ek定义为：其中，k＝1,…,K；i＝1,…,2N；K为风机叶片上压电传感器的总数量；ek,i是电压测量信号经小波分解后第i频段的能量，其中vk,i,j是第k个压电传感器的测量信号经小波包分解后，第i个频带上时域信号的第j个数据采集点的数值；；M是时域电压测量信号的采集数据点个数。
所述压电驱动器和压电传感器的材料均为压电陶瓷或者压电薄膜。
所述压电驱动器和压电传感器结构相同；所述压电驱动器包括经过防水绝缘处理的压电材料，所述压电材料的正极和负极之间通过分隔带隔离，所述压电材料的正极和负极均通过屏蔽导线与连接接头连接。
一种利用上述系统监测风机叶片覆冰状况的方法，该方法为：在风机叶片表面未覆冰的状态下，通过信号发生器对压电驱动器施加扫频激励信号，通过数据采集系统测量压电传感器的电压响应信号，对所述电压响应信号进行滤波处理后进行小波包能量分析，计算覆冰前的小波包能量值；当叶片表面覆冰后，通过信号发生器对压电驱动器施加扫频激励信号，通过数据采集系统测量压电传感器的电压响应信号，对所述电压响应信号进行滤波处理后进行小波包能量分析，计算覆冰后的小波包能量值；对比覆冰前后小波包能量值的变化，监测并判断风机叶片的覆冰状况。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明实现了在寒冷地区冬季易遭遇覆冰灾害气候下运行的风力发电机叶片的覆冰监测，能有效避免由于对叶片覆冰状况不了解或误判等状况所引起的系列问题，如覆冰所引起的抛冰风险、叶片覆冰不对称荷载下运行降低机组疲劳性能以及后续冰减灾系统的开启等，本发明具有重要的经济和社会效益。本发明所用压电材料制作的压电驱动器和压电传感器具有结构简单、信号响应速度快、频响范围宽、功耗小等优点，由其构成的覆冰监测系统能够灵敏地监测到覆冰后响应信号的变化。就成本而言，本发明所用压电材料成本低廉，消耗能源少。本发明所用压电材料安装简单，对风机叶片的空气动力性能没有影响。本发明覆冰监测系统可以将压电传感器安装在覆冰较为严重的叶片尖部位置，能够实现对整个叶片区域覆冰状况进行实时在线监测，简单易行、精确度高。
附图说明
图1为本发明所用压电驱动器和压电传感器实施例整体结构示意图；
图2为本发明实施例之压电驱动器与压电传感器在一模型叶片上布置示意图；
图3为本发明实施例之覆冰监测测量系统组成示意图；
图4为本发明实施例压电驱动器发射扫频激励信号，其中一个压电传感器利用图3所示监测系统测量的四种不同覆冰状态下的小波包能量的变化图；
图5为本发明实施例压电驱动器发射扫频激励信号，另一个压电传感器利用图3所示监测系统测量的四种不同覆冰状态下的小波包能量的变化图；
图6为某压电驱动器在风机叶片蒙皮表面布置剖面示意图；
图7为某压电驱动器在叶片蒙皮内部布置剖面示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明实施例压电驱动器或压电传感器包括经过防水绝缘处理的压电材料1、屏蔽导线5、连接接头6，所述压电材料1的同一面由分隔带3分隔为正极2和负极4，将屏蔽导线5一端的两根芯线分别焊接到正极2和负极4上，屏蔽导线5的另一端与连接接头6连接。
压电材料1的形状可为正方体形、圆形等，可以采用压电陶瓷片和压电薄膜片，翻边或不翻边均可。当选择将压电材料粘贴在叶片表面时，优先选择翻边压电陶瓷片，因为电极在同一面焊接导线后便于粘贴在叶片结构表面。当将压电材料嵌入叶片蒙皮中间时，可以采用翻边与不翻边的压电材料。同时对于已经焊接屏蔽导线5的压电材料1应该进行防水绝缘处理，可选用环氧树脂胶，处理时要求胶体要在压电材料1表面涂抹均匀并确保达到防水绝缘的效果。
参照图2，本发明压电驱动器与压电传感器在一模型叶片上布置示意图，按照图示尺寸将封装防水绝缘处理后的压电驱动器9、两个压电传感器10分别布置在图示位置，粘贴前首先应对布设位置处进行清洁处理，并在表面均匀涂胶，待其达到最佳粘结强度时将压电驱动器和压电传感器粘贴在叶片表面至完全凝固，要求接触面饱满无缝隙且与表面保持水平。实施例中，测试覆冰区域8的覆冰厚度分别为0mm、1mm、2mm和3mm四种覆冰状态，其他区域未覆冰，试验采用人工手段使得测试覆冰区域8出现覆冰并用标尺控制覆冰厚度。
参照图3，将位于模型叶片根部的压电驱动器9与信号发生器12连接，对压电驱动器9施加扫频激励信号，同时将设置在模型叶片7测试覆冰区域8内的两个压电传感器10与数据采集系统13连接，压电传感器10接收压电驱动器产生的扫频激励响应信号，并通过计算机14进行数据存储和分析。
本发明系统实现过程如下：制作压电驱动器和压电传感器并进行防水绝缘处理，将制作完成的压电驱动器和压电传感器外贴于叶片蒙皮16表面或者内嵌于风机叶片蒙皮内部，压电驱动器和压电传感器分别设置于靠近叶片的叶根(叶尖)和叶尖(叶根)部位，通过信号发生器对压电驱动器施加扫频激励信号，叶片蒙皮在扫频激励信号作用下产生应力波，应力波沿叶片蒙皮传播，压电传感器在应力波作用下产生电压输出，通过与压电传感器相连的数据采集系统测量压电传感器的输出信号。对压电传感器的测量信号进行小波包能量分析，计算在扫频响应激励下压电传感器测量信号的小波包能量值，根据在不同覆冰厚度下的测量信号的小波包能量值的变化，实现风机叶片覆冰监测的目的。
考虑风机叶片的结冰部位多为叶片前缘，压电驱动器和压电传感器的安装位置优先选择靠近叶片前缘。
将压电驱动器和压电传感器粘贴在风机叶片蒙皮表面时，首先要将设置位置处清洗干净并找平处理，通过绝缘粘结材料粘结于叶片蒙皮表面。压电驱动器和压电传感器也可以在叶片制作过程中直接嵌入叶片蒙皮内。信号发生器产生的扫频激励信号可以为正弦扫频、方波扫频及脉冲扫频等。
本发明基于压电材料的风机叶片覆冰监测过程如下：首先在叶片表面未覆冰的状态下，通过信号发生器对位于叶根(叶尖)的压电驱动器施加扫频激励信号，同时通过数据采集系统对位于叶尖(叶根)的压电传感器的响应信号进行测量，对测量信号进行滤波处理后进行小波包能量分析，计算相应的小波包能量值。当叶片表面覆冰后，运用同样的激励信号和测量分析方法，对压电传感器测量信号的小波包能量值进行计算分析。对比覆冰前后信号小波包能量值的变化即可对叶片的覆冰状况进行监测与判断。
利用数据采集系统采集传感器接收响应信号时，同一覆冰状态可同时测试两到三次，以保证数据的精度。
本发明的基本工作原理是：根据压电材料的正逆压电效应，利用压电材料在扫频信号作用下在叶片蒙皮中产生不同频率的应力波，应力波在叶片蒙皮中传播。由于叶片表面覆冰会影响叶片蒙皮的质量以及刚度，进而影响叶片蒙皮的动力特性，应力波在叶片蒙皮中的传播特性随之改变，利用同一压电传感器的逆压电效应对应力波进行测量，压电传感器测量信号的改变直接反应应力波传播特性的改变，进而反映出叶片表面的覆冰状况。应力波的改变通过应力波小波包能量值的改变来描述。本发明通过扫频激励信号作用下叶片蒙皮内应力波传播特性的变化来实现叶片的覆冰监测。
图4与图5为本发明实施例在扫频信号激励下，两个压电传感器10利用图3所示监测系统测量的四种覆冰状态下的小波包能量变化结果图。试验采用正弦扫频作为激励信号，利用图3所示测试系统分别对四种覆冰状态下两个压电传感器10的响应信号进行测量，采用数字滤波器对各状态下的信号进行滤波处理，然后对测量信号进行小波包分析并计算相应的小波包能量值。从结果可见，对于同一压电传感器而言，其小波包能量值随着覆冰厚度的增加而依次减少。因此，通过测量小波包能量值的变化便可实现对叶片覆冰监测的目的。
本发明基于压电材料的风机叶片覆冰监测系统与方法，所用压电驱动器和压电传感器制作简单，价格低廉，可以实现安装在寒冷高湿地区易遭遇覆冰灾害影响的风力发电机叶片覆冰的有效监测，可以有效避免由于对叶片覆冰状况不了解或误判等状况所引起的系列问题，如覆冰所引起的抛冰风险、叶片覆冰不对称荷载下运行降低机组疲劳性能和负载的影响，覆冰监测结果可以为叶片的防冰和除冰系统的启动提供支持。本发明通过对风机叶片的覆冰监测，保证叶片的正常使用和风机的正常运行，提高发电效率和减少覆冰造成的设备损坏和降低覆冰对人员的安全威胁，具有重要意义。
Claims (4)
1.一种基于压电材料的风机叶片覆冰监测系统，其特征在于，包括固定在风机叶片(7)上的压电驱动器(9)和多个用于测量从所述压电驱动器(9)传递的应力波引的电压感应信号的压电传感器(10)，所述压电驱动器(9)与用于激励压电驱动器(9)的信号发生器(12)电连接，所述多个压电传感器(10)与用于采集所述压电传感器(10)的电压测量信号的数据采集系统(13)电连接，所述数据采集系统(13)与用于分析所述电压测量信号小波包能量变化的计算机(14)电连接；所述计算机(14)对任一压电传感器的电压测量信号进行N层小波包分解后，第k个压电传感器的电压测量信号小波包能量指标Ek定义为：其中，k＝1,…,K，i＝1,…,2N；K为风机叶片上压电传感器的总数量；ek,i是电压测量信号经小波包分解后第i频段的能量，其中vk,i,j是第k个压电传感器的测量信号经小波包分解后，第i个频带上时域信号的第j个数据采集点的数值；M是时域电压测量信号的采集数据点个数。
2.根据权利要求1所述的基于压电材料的风机叶片覆冰监测系统，其特征在于，所述压电驱动器(9)和压电传感器(10)的材料均为压电陶瓷或者压电薄膜。
3.根据权利要求1所述的基于压电材料的风机叶片覆冰监测系统，其特征在于，所述压电驱动器(9)和压电传感器(10)结构相同；所述压电驱动器(9)包括经过防水绝缘处理的压电材料(1)，所述压电材料的正极(2)和负极(4)之间通过分隔带(3)隔离，所述压电材料的正极(2)和负极(4)均通过屏蔽导线(5)与连接接头(6)连接。
4.一种利用上述系统监测风机叶片覆冰状况的方法，其特征在于，该方法为：在风机叶片表面未覆冰的状态下，通过信号发生器对压电驱动器施加扫频激励信号，通过数据采集系统测量压电传感器的电压响应信号，对所述电压响应信号进行滤波处理后进行小波包能量分析，计算覆冰前的小波包能量值；当叶片表面覆冰后，通过信号发生器对压电驱动器施加扫频激励信号，通过数据采集系统测量压电传感器的电压响应信号，对所述电压响应信号进行滤波处理后进行小波包能量分析，计算覆冰后的小波包能量值；对比覆冰前后小波包能量值的变化，监测并判断风机叶片的覆冰状况。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410200743.3A CN103954209A (zh) | 2014-05-13 | 2014-05-13 | 一种基于压电材料的风机叶片覆冰监测系统及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410200743.3A CN103954209A (zh) | 2014-05-13 | 2014-05-13 | 一种基于压电材料的风机叶片覆冰监测系统及方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN103954209A true CN103954209A (zh) | 2014-07-30 |
Family
ID=51331519
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201410200743.3A Pending CN103954209A (zh) | 2014-05-13 | 2014-05-13 | 一种基于压电材料的风机叶片覆冰监测系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN103954209A (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107036692A (zh) * | 2015-07-15 | 2017-08-11 | 成都阜特科技股份有限公司 | 一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法 |
| CN108804841A (zh) * | 2018-06-15 | 2018-11-13 | 西安交通大学 | 一种风力发电机叶片结冰厚度定量评估方法 |
| CN109141210A (zh) * | 2018-09-27 | 2019-01-04 | 山东大学 | 一种半导体压阻结冰探测器及工作方法 |
| CN109211980A (zh) * | 2018-10-29 | 2019-01-15 | 哈尔滨工业大学 | 基于压电阻抗原理的覆冰监测装置及方法 |
| CN112270327A (zh) * | 2020-10-19 | 2021-01-26 | 西安工程大学 | 基于局部融合频域特征的输电导线覆冰分类方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1936186A2 (en) * | 2006-12-21 | 2008-06-25 | General Electric Company | Wind turbine and method of detecting asymmetric icing on a wind turbine |
| CN102928472A (zh) * | 2012-11-08 | 2013-02-13 | 沈阳建筑大学 | 一种用于风力发电机叶片裂纹的监测方法 |
| CN202900547U (zh) * | 2012-10-31 | 2013-04-24 | 无锡风电设计研究院有限公司 | 风力发电机组风轮叶片超声除冰装置 |
| CN103776903A (zh) * | 2014-01-15 | 2014-05-07 | 南京航空航天大学 | 一种风电叶片脱层检测方法及检测系统 |
-
2014
- 2014-05-13 CN CN201410200743.3A patent/CN103954209A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1936186A2 (en) * | 2006-12-21 | 2008-06-25 | General Electric Company | Wind turbine and method of detecting asymmetric icing on a wind turbine |
| CN202900547U (zh) * | 2012-10-31 | 2013-04-24 | 无锡风电设计研究院有限公司 | 风力发电机组风轮叶片超声除冰装置 |
| CN102928472A (zh) * | 2012-11-08 | 2013-02-13 | 沈阳建筑大学 | 一种用于风力发电机叶片裂纹的监测方法 |
| CN103776903A (zh) * | 2014-01-15 | 2014-05-07 | 南京航空航天大学 | 一种风电叶片脱层检测方法及检测系统 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 刘世涛: "超声导波技术及其在输电线结构健康监测中的应用研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》, 15 July 2012 (2012-07-15) * |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107036692A (zh) * | 2015-07-15 | 2017-08-11 | 成都阜特科技股份有限公司 | 一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法 |
| CN107036692B (zh) * | 2015-07-15 | 2019-11-08 | 成都阜特科技股份有限公司 | 一种风力发电机组叶片覆冰量测量方法 |
| CN108804841A (zh) * | 2018-06-15 | 2018-11-13 | 西安交通大学 | 一种风力发电机叶片结冰厚度定量评估方法 |
| CN109141210A (zh) * | 2018-09-27 | 2019-01-04 | 山东大学 | 一种半导体压阻结冰探测器及工作方法 |
| CN109141210B (zh) * | 2018-09-27 | 2019-10-15 | 山东大学 | 一种半导体压阻结冰探测器及工作方法 |
| WO2020063491A1 (zh) * | 2018-09-27 | 2020-04-02 | 山东大学 | 一种半导体压阻结冰探测器及工作方法 |
| CN109211980A (zh) * | 2018-10-29 | 2019-01-15 | 哈尔滨工业大学 | 基于压电阻抗原理的覆冰监测装置及方法 |
| CN112270327A (zh) * | 2020-10-19 | 2021-01-26 | 西安工程大学 | 基于局部融合频域特征的输电导线覆冰分类方法 |
| CN112270327B (zh) * | 2020-10-19 | 2023-03-14 | 西安工程大学 | 基于局部融合频域特征的输电导线覆冰分类方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103954209A (zh) | 一种基于压电材料的风机叶片覆冰监测系统及方法 | |
| CN102129466B (zh) | 基于实证示范建立光伏电站测试诊断和预测数据库的方法 | |
| CN102937646B (zh) | 一种用于混凝土结构的健康监测系统 | |
| CN101975822B (zh) | 一种用于输电线超声检测的损伤定位方法 | |
| CN202501916U (zh) | 基于振动检测的风力机叶片覆冰状态监测装置 | |
| CN107781118A (zh) | 基于多元传感信息的风力发电机叶片健康状态监测系统 | |
| CN207485607U (zh) | 一种风力机变桨轴承故障检测系统 | |
| CN108279294A (zh) | 用于钢结构桥梁健康监测的无损自动监测系统及方法 | |
| CN202305007U (zh) | 风力发电电机及叶片状态在线监测仪 | |
| CN107061185B (zh) | 一种基于振动检测与无线信号传输的风力机叶片状态监测方法及系统 | |
| CN203759052U (zh) | 输电线路微气象超声波式风速风向传感器 | |
| CN106706241B (zh) | 一种风力机叶片损伤主动自检装置及方法 | |
| CN103064131A (zh) | 一种多功能气象采集仪及其控制系统 | |
| CN102944581A (zh) | 一种导管海洋平台的结构损伤监测方法 | |
| CN104390710A (zh) | 输电线路导线温度在线检测系统和方法 | |
| CN103940893A (zh) | 一种拉索锚固段锈蚀缺陷监测装置及方法 | |
| CN205370863U (zh) | 一种风力发电机声振联合监测装置 | |
| CN103399364B (zh) | 一种包含两套测风装置的测风塔系统 | |
| CN107044388B (zh) | 风力发电机叶片健康状态监测系统及监测方法 | |
| CN207366507U (zh) | 风机浆叶在役超声波无损检测装置 | |
| CN203117440U (zh) | 一种气象采集装置 | |
| CN103994032B (zh) | 一种远程监测风电叶片层间结构损伤方法 | |
| CN101799464B (zh) | 一种空气密度检测装置和空气密度检测方法 | |
| CN110441707A (zh) | 一种锂离子电池健康状态声发射检测系统及方法 | |
| CN206369617U (zh) | 一种风力机叶片损伤主动自检装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20140730 |