CN106154273B - 基于超声波多普勒效应的风电叶片弯曲测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声波多普勒效应的风电叶片弯曲测量装置及方法，包括2套测量装置，一套位于风电叶片的一侧，另一套位于风电叶片的另一侧，所述的测量装置包括一个超声波发射装置和四个超声波接收装置，所述的超声波发射装置为双晶探头构成的超声波发射装置，所述的超声波接收装置为单晶探头构成的超声波接收装置，所述超声波接收装置包括超声传感器接收装置、信号放大调理装置、F/V变换装置、相位测量装置和数值计算装置，本发明能够通过超声波测量叶片的弯曲程度，从而为风电的监测和检修提供数据支持，从而减少风电的安全事故。

Description

基于超声波多普勒效应的风电叶片弯曲测量装置及方法

技术领域

本发明涉及技术领域，具体为一种基于超声波多普勒效应的风电叶片弯曲测量装置及方法。

背景技术

风电叶片长度可达上百米，在运转工作过程中，因风力作用会发生不同程度的弯曲变形，叶片的弯曲变形会影响叶片的受力状态，从而降低叶片的使用寿命，严重时会产生断裂，因此需要监测风电叶片上不同位置点的变形情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于超声波多普勒效应的风电叶片弯曲测量装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于超声波多普勒效应的风电叶片弯曲测量装置，包括2套测量装置，一套位于风电叶片的一侧，另一套位于风电叶片的另一侧，所述的测量装置包括一个超声波发射装置和四个超声波接收装置，所述的超声波发射装置为双晶探头构成的超声波发射装置，所述的超声波接收装置为单晶探头构成的超声波接收装置。

优选的，所述超声波发射装置的双晶探头与超声波接收装置的单晶探头前均设有锥形共振盘，锥形共振盘安装的高度为风电电机轴承高度和风电叶片长度两者积的0.5倍。

优选的，所述超声波接收装置包括超声传感器接收装置、信号放大调理装置、F/V变换装置、相位测量装置和数值计算装置，所述的超声传感器接收装置将超声波的声强时间特性转换为电压时间特性以及频率时间特性，通过信号放大调理装置将超声传感器接收装置输出的信号放大调理，滤除干扰，经过F/V变换装置调理输出的频率信号变换成电压时间特性，实现频率电压的变换。

一种基于超声波多普勒效应的风电叶片弯曲测量方法，包括以下步骤：

S1：记录测量点的位置，在风电叶片表面涂覆吸声材料，在测量点上不涂吸声材料，并记录测量点在风电叶片上的位置；

S2：安装测量装置，风电叶片下方地面上在相对位置处安装两套测量装置，一套位于风电叶片的一侧，另一套位于风电叶片的另一侧，其中每套测量装置包括一个超声波发射装置和四个超声波接收装置，超声波发射装置均设置在风电下方的地面上，且四个超声波接收装置均安装在以风电立柱为圆心，风电叶片长度为半径的圆外侧，所述测量装置中的超声波发射装置在频率的选择上，应该满足以下条件：其中之一的超声波发射装置发射频率为f时，另一超声波发射装置发射频率应该大于，从而保证了两个测量装置互不干扰；

S3：根据频率确定超声波信号来自于哪个测量点，其中测量点的线速度为，超声波接收装置到测量点的连线与测量点线速度之间的夹角为，根据多普勒效应，则超声波接收装置接收的各个测量点反射的超声波频率为：

式中为超声波在空气中的速度，f为的超声波发射装置的发射频率，当测量点离电机轴承中心点的距离越大时，越大，接收端可以根据频率的不同确定超声波信号来自于哪个测量点；

S4：四个超声传感器接收装置将超声波的声强时间特性转换为电压时间特性以及频率时间特性，并通过信号放大调理装置将超声传感器接收装置输出的信号放大调理，滤除干扰，即A_j（j=1,2,3,4）点声压代表的电信号为，这里θ _j为初相角，

，其中a>>b；

S5：计算测量点到超声波接受装置的距离差，得到测量点三维坐标，令R0、R1、R2和R3为超声波接收装置，Ry为超声波发射装置，R4为风电叶片上的测量点，则各点的坐标为：

R0（0，0，0），

R1（-1，0，0），

R2（1，0，0），

R3（0，0，-1），

R4（x，y，z），

Ry（x₀，y₀，z₀），

通过信号放大调理装置将超声传感器接收装置输出的信号放大调理，即A_j（j=1,2,3,4），经过F/V变换装置将放大调理输出的频率信号变换成电压时间特性即B_i（i=1,2,3,4），通过相位测量装置测量B_i的突变位置及相位的整体偏移规律，从而得出相位差Δt_i，即时差，再根据时差可以计算出测量点到R0、R1、R2、R3的距离差，即为R4到R0、R1、R2、R3的距离差如下：

式中v为声波在空气中的传播速度，f ₀为声波的频率，代入各点的坐标得：

求解这三个方程，可以得到：

；

S6：确定风电叶片另一侧的测量点坐标，通过安装在风电叶片另一侧的测量装置对测量点测量并通过上述步骤得出该侧的测量点的三维坐标，此测量点的数量与风电叶片另一侧的数量相同，且测量点的连线与风电叶片的中轴线垂直，并所有的测量点在同一平面上；

S7：计算弯曲半径，令风电叶片上一侧的相邻测量点为 、 ，风电叶片上另一侧的相邻测量点为 、 ，由结构工程中的平截面假定可知，在发生弯曲后仍然与风电叶片的中轴线垂直，通过、作直线，通过、作直线，假定相邻两组测量点之间的弯曲半径相同，则相邻两组测量点连线的延长线必然相交于弯曲圆的圆心即直线与直线相交于点O，点O与的距离，即为 内的弯曲半径，具体算法如下：

直线的方程为：

直线的方程为：

两条直线的交点为： ，

）

弯曲半径

根据风电叶片的弯曲半径就可以知道风电叶片的弯曲程度了，即风电叶片的弯曲半径越大，风电叶片的弯曲越小。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用超声传感器上的探头测量计算风电叶片上测量点的坐标，通过几何计算获得叶片局部弯曲半径，判断叶片变形情况，这种非接触式的测量不会对叶片本身的运行产生影响，通过计算机处理，可以同时测量多点的叶片形变，为风电的监测和检修提供数据支持，从而减少风电安全事故；而且不需要在叶片上安装测试设备，简化设备的维护。

附图说明

图1为本发明超声波接收装置的安装示意图；

图2为超声波接收和发射装置的安装位置示意；

图3为本发明的系统框图；

图4为超声波接收和发射装置的收发模型；

图5为本发明弯曲半径的计算示意图；

图6为本发明风电叶片上的测量点的分布的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-6，本发明提供一种通过求相邻被测点间距的风电叶片弯曲测量装置及方法的技术方案：

一种基于超声波多普勒效应的风电叶片弯曲测量装置，包括2套测量装置，一套位于风电叶片的一侧，另一套位于风电叶片的另一侧，所述的测量装置包括一个超声波发射装置和四个超声波接收装置，所述的超声波发射装置为双晶探头构成的超声波发射装置，所述的超声波接收装置为单晶探头构成的超声波接收装置；所述超声波接收装置包括超声传感器接收装置、信号放大调理装置、F/V变换装置、相位测量装置和数值计算装置，所述的超声传感器接收装置将超声波的声强时间特性转换为电压时间特性以及频率时间特性，通过信号放大调理装置将超声传感器接收装置输出的信号放大调理，滤除干扰，经过F/V变换装置调理输出的频率信号变换成电压时间特性，实现频率电压的变换。

一种基于超声波多普勒效应的风电叶片弯曲测量方法，包括以下步骤：

S1：记录测量点的位置，在风电叶片表面涂覆吸声材料，在测量点上不涂吸声材料，并记录测量点在风电叶片上的位置。

S2：安装测量装置，叶片下方地面上在相对位置处安装两套测量装置，一套位于风电叶片的一侧，另一套位于风电叶片的另一侧，其中每套测量装置包括一个超声波发射装置和四个超声波接收装置，超声波发射装置均设置在风电下方的地面上，且四个超声波接收装置均安装在以风电立柱为圆心，叶片长度为半径的圆外侧；（图1中大圆外侧），假设，测量点用A标记，风电叶片以风电电机轴承中心点O为圆心，以角速度 （为固定值，取决于电机的磁极对数P ）转动，则对于空间上的任意一测量点的A线速度为（图2中），其中r为该测量点A到风电电机轴承的中心线的距离，安装时需要保证与测量点A运动的圆相切的平面和测量点A到超声波接收装置的连线之间的夹角α随着测量点A离电机轴承中心O的距离增大而减小，即图1中叶片上各点到轴承中心O的距离OA₁>OA₂>…>OA_i，对应的夹角α₁<α₂<…<α_i。

S3：根据频率确定超声波信号来自于哪个测量点，如图1所示，其中测量点的线速度为，超射波接收装置到测量点的连线与测量点线速度之间的夹角为，、，根据多普勒效应，则超声波接收装置接收的各个测量点反射的超声波频率为：

式中为超声波在空气中的速度（取340m/s），f为的超声波发射装置的发射频率，当测量点离电机轴承中心点的距离越大时，越大，接收端可以根据频率的不同确定超声波信号来自于哪个测量点。

本发明中，超声波发射装置的双晶探头与超声波接收装置的单晶探头前均设有锥形共振盘，使得发射的超声波集中在风电电机安装立柱的单侧，且高度为电机轴承高度上下0.5L（L为风电叶片的长度）的区域内，从而保证在对一个叶片进行测量时，不会受到其他叶片的影响。

S4：四个超声传感器接收装置如图3所示，将超声波的声强时间特性转换为电压时间特性以及频率时间特性，并通过信号放大调理装置将超声传感器接收装置输出的信号放大调理，滤除干扰，将信号调理输出为A1、A2、A3和A4，即A_j（j=1,2,3,4）点声压代表的电信号为，这里θ _j为初相角，

，其中a>>b

为超声传感器接收装置接收到各个测量点反射的超声波频率，其中为测量点的线速度，为超声传感器接收装置到测量点的连线与测量点线速度之间的夹角，f为超声波频率。

S5：计算测量点到超声波接受装置的距离差，得到测量点三维坐标，图4中，令R0、R1、R2和R3为超声波接收装置，Ry为超声波发射装置，R4为风电叶片上的测量点，则各点的坐标为：

R0（0，0，0），

R1（-1，0，0），

R2（1，0，0），

R3（0，0，-1），

R4（x，y，z），

Ry（x₀，y₀，z₀），

通过信号放大调理装置将超声传感器接收装置输出的信号放大调理，将信号调理输出为A1、A2、A3和A4，经过F/V变换装置再将再将A1、A2、A3和A4的频率信号变换成电压时间特性即B_i（i=1,2,3,4），通过相位测量装置测量B_i的突变位置及相位的整体偏移规律，从而得出相位差Δt_i，即时差，再根据时差可以计算出测量点到R0、R1、R2、R3的距离差，即为R4到R0、R1、R2、R3的距离差如下：

式中v为声波在空气中的传播速度，f ₀为声波的频率，代入各点的坐标得：

求解这三个方程，可以得到：

。

S6：确定风电叶片另一侧的测量点坐标，通过安装在风电叶片另一侧的测量装置对测量点测量并通过上述步骤得出该侧的测量点的三维坐标，此测量点的数量与风电叶片另一侧的数量相同，且测量点的连线与风电叶片的中轴线垂直，并所有的测量点在同一平面上。

S7：计算弯曲半径，如图5所示，令风电叶片上一侧的相邻测量点为 、 ，风电叶片上另一侧的相邻测量点为 、 ，由结构工程中的平截面假定可知，在发生弯曲后仍然与风电叶片的中轴线垂直，通过、作直线，通过、作直线，假定相邻两组测量点之间的弯曲半径相同，则相邻两组测量点连线的延长线必然相交于弯曲圆的圆心即直线与直线相交于点O，点O与的距离，即为 内的弯曲半径，具体算法如下：

直线的方程为：

直线的方程为：

两条直线的交点为： ，

）

弯曲半径

根据风电叶片的弯曲半径就可以知道风电叶片的弯曲程度了，即风电叶片的弯曲半径越大，风电叶片的弯曲越小 。

在整个风电叶片上，如图6所示，为了避免两侧的频率发生干扰，在频率的选择上，应该满足以下条件：当一侧的频率选择了f时，另一侧的频率应该大于，从而保证两个测量装置中的超声波发射装置在频率的选择互不干扰。

本发明能够通过超声波测量叶片的弯曲程度，从而为风电的监测和检修提供数据支持，从而减少风电的安全事故。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种基于超声波多普勒效应的风电叶片弯曲测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：记录测量点的位置，在风电叶片表面涂覆吸声材料，在测量点上不涂吸声材料，并记录测量点在风电叶片上的位置；

S2：安装测量装置，风电叶片下方地面上在相对位置处安装两套测量装置，一套位于风电叶片的一侧，另一套位于风电叶片的另一侧，其中每套测量装置包括一个超声波发射装置和四个超声波接收装置，超声波发射装置均设置在风电下方的地面上，且四个超声波接收装置均安装在以风电立柱为圆心，风电叶片长度为半径的圆外侧；

S3：根据频率确定超声波信号来自于哪个测量点，其中测量点的线速度为v_i，超声波接收装置到测量点的连线与测量点线速度之间的夹角为α_i，根据多普勒效应，则超声波接收装置接收的各个测量点反射的超声波频率为：

式中c为超声波在空气中的速度，f为的超声波发射装置的发射频率，当测量点离电机轴承中心点的距离越大时，f′越大，接收端可以根据频率的不同确定超声波信号来自于哪个测量点；

S4：四个超声传感器接收装置将超声波的声强时间特性转换为电压时间特性以及频率时间特性，并通过信号放大调理装置将超声传感器接收装置输出的信号放大调理，滤除干扰，即A_j(j＝1,2,3,4)点声压代表的电信号为f_j(t)＝A(t)cos(2πf't+θ_j)，这里θ_j为初相角，

其中a>>b；

S5：计算测量点到超声波接受装置的距离差，得到测量点三维坐标，令R0、R1、R2和R3为超声波接收装置，Ry为超声波发射装置，R4为风电叶片上的测量点，则各点的坐标为：

R0(0，0，0)，

R1(-1，0，0)，

R2(1，0，0)，

R3(0，0，-1)，

R4(x，y，z)，

Ry(x₀，y₀，z₀)，

通过信号放大调理装置将超声传感器接收装置输出的信号放大调理，即A_j(j＝1,2,3,4)，经过F/V变换装置将放大调理输出的频率信号变换成电压时间特性即B_i(i＝1,2,3,4)，通过相位测量装置测量B_i的突变位置及相位的整体偏移规律，从而得出相位差Δt_i，即时差Δt₁,Δt₂,Δt₃，再根据时差可以计算出测量点到R0、R1、R2、R3的距离差，即为R4到R0、R1、R2、R3的距离差如下：

R4R0-R4R1＝vΔt₁＝r₁

R4R0-R4R2＝vΔt₂＝r₂

R4R0-R4R3＝vΔt₃＝r₃

式中v为声波在空气中的传播速度，f₀为声波的频率，代入各点的坐标得：

求解这三个方程，可以得到：

S6：确定风电叶片另一侧的测量点坐标，通过安装在风电叶片另一侧的测量装置对测量点测量并通过上述步骤得出该侧的测量点的三维坐标，此测量点的数量与风电叶片另一侧的数量相同，且测量点的连线与风电叶片的中轴线垂直，并且所有的测量点在同一平面上；

S7：计算弯曲半径，令风电叶片上一侧的相邻测量点为a_i(x₁,y₁,z₁)、a_i+1(x₃,y₃,z₃)，风电叶片上另一侧的相邻测量点为b_i(x₂,y₂,z₂)、b_i+1(x₄,y₄,z₄)，由结构工程中的平截面假定可知，在发生弯曲后a_ib_i仍然与风电叶片的中轴线垂直，通过a_i、b_i作直线l_i，通过a_i+1、b_i+1作直线l_i+1，假定相邻两组测量点之间的弯曲半径相同，则相邻两组测量点连线的延长线必然相交于弯曲圆的圆心即直线l_i与直线l_i+1相交于点O，点O与b_i的距离，即为b_i b_i+1内的弯曲半径，具体算法如下：

直线l_i的方程为：

直线l_i+1的方程为：

两条直线的交点为：

弯曲半径

根据风电叶片的弯曲半径就可以知道风电叶片的弯曲程度了，即风电叶片的弯曲半径越大，风电叶片的弯曲越小。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声波多普勒效应的风电叶片弯曲测量方法，其特征在于：所述步骤S2中测量装置中的超声波发射装置在频率的选择上，应该满足以下条件：其中之一的超声波发射装置发射频率为f时，另一超声波发射装置发射频率应该大于从而保证了两个测量装置互不干扰；其中ω为风电叶片工作时旋转的角速度，L为测量点到风机中心轴的距离。