CN116817808B - 一种基于空气耦合Lamb波的光伏板隐裂长度检测系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于空气耦合Lamb波的光伏板隐裂长度检测系统，属于太阳能光伏发电技术领域，包括：信号收发模块和信号处理模块；信号收发模块用于向被测光伏板发射Lamb波信号；信号处理模块用于将从被测光伏板反射的回波信号进行放大，得到放大后信号；信号收发模块还用于接收放大后信号；信号处理模块还用于基于放大后信号进行光伏板隐裂长度检测。本申请相较传统的检测方法，无需直接接触光伏板表面，非接触式检测，避免了可能对光伏板造成的额外损伤，实现对光伏板表面隐裂长度的高效、准确检测，提供及早维修和保养的可靠手段，为光伏板隐裂长度的准确检测和分析提供了一种高效的方法和系统，具有广泛的应用前景。

Description

一种基于空气耦合Lamb波的光伏板隐裂长度检测系统

技术领域

本申请属于太阳能光伏发电技术领域，具体涉及一种基于空气耦合Lamb波的光伏板隐裂长度检测系统。

背景技术

光伏板是一种将太阳能转换为电能的装置，并广泛应用于太阳能发电系统中。然而，光伏板在运行过程中，可能会受到环境因素和外力的影响，导致产生微小的隐裂。这些隐裂可能会导致光伏板性能下降、寿命缩短甚至完全失效。因此，及早检测光伏板上的隐裂，进行修复和维护至关重要。目前，常用的方法是通过观察光伏板表面是否有可见的裂纹来检测隐裂。然而，这种方法需要直接接触光伏板并进行目测，存在操作复杂、效率低下和无法准确测量细小隐裂等问题。因此，亟需一种非接触式的光伏板隐裂长度检测系统，能够高效、准确地测量光伏板隐裂长度。

发明内容

本申请旨在解决现有技术的不足，提出一种基于空气耦合Lamb波的光伏板隐裂长度检测系统，首先利用发射器产生Lamb波，通过空气耦合换能器发射至被测光伏板中，经过传输后，在被固定组间距离外的接收换能器采集，接收的回波经信号放大器放大后传回至Lamb波接收器，信号通过高速数据采集卡传送至上位机，最终根据回波信号，结合奇异值分解法（SVD）和Pearson相关系数法，构建光伏板隐裂长度检测模型。

为实现上述目的，本申请提供了如下方案：

一种基于空气耦合Lamb波的光伏板隐裂长度检测系统，包括：信号收发模块和信号处理模块；

所述信号收发模块用于向被测光伏板发射Lamb波信号；

所述信号处理模块用于将从所述被测光伏板反射的回波信号进行放大，得到放大后信号；

所述信号收发模块还用于接收所述放大后信号；

所述信号处理模块还用于基于所述放大后信号进行光伏板隐裂长度检测。

优选的，所述信号收发模块包括：Lamb波发射/接收器、空气耦合换能器、高速数据采集器和移动平台；

所述Lamb波发射/接收器用于向所述被测光伏板发射所述Lamb波信号，并接收返回的所述放大后信号；

所述空气耦合换能器用于消除所述Lamb波信号在传播时的声衰减现象；

所述高速数据采集器用于采集所述放大后信号；

所述移动平台用于承载Lamb波发射/接收器、所述空气耦合换能器，并延所述被测光伏板表面移动。

优选的，所述Lamb波信号的声衰减随声压变化的关系为：

其中，为声源处的声压，/>为检测目标处声压，/>为声源与检测目标之间的距离，为衰减系数。

优选的，所述衰减系数为：

其中，为Lamb波的中心频率，/>为空气中的实际声压，/>为空气中的参考声压，/>为空气中的实际温度，/>为空气中的参考温度，/>为空气中氧气的松弛频率，/>为空气中氮气的松弛频率。

优选的，所述空气耦合换能器的入射角度为：

其中，为Lamb波在空气中的传播速度，/>为Lamb波的相速度，/>和/>为空气耦合换能器的入射角度。

优选的，所述高速数据采集器的采样频率根据Nyquist采样定律获得，所述采样频率为3倍所述Lamb波信号的最高频率。

优选的，所述信号处理模块包括：信号放大器和上位机；

所述信号放大器用于将所述回波信号进行放大，得到放大后信号；

所述上位机用于基于所述放大后信号构建光伏板隐裂长度检测模型。

优选的，所述光伏板隐裂长度检测模型的构建方法包括：

利用SVD方法处理所述回波信号，得到处理后信号样本；

利用Pearson相关系数法将处理后信号样本进行系数数据处理，获得标准差，并对所述标准差进行归一化，得到归一化数据；

基于所述归一化数据构建所述光伏板隐裂长度检测模型：

其中，为隐裂长度，/>为标准差变化区域的初始和最终样本组，/>为样本组总数，/>为扫描距离。

优选的，所述长度检测系统的工作流程包括：

S1.将所述移动平台架于所述被测光伏板之上，将所述空气耦合换能器与所述Lamb波发射/接收器、所述高速数据采集器进行连接；

S2.调整接收端的所述空气耦合换能器的频率和衰减补偿系数，调整所述空气耦合换能器的入射角度和组间距离，调整所述高速数据采集器的采样频率；

S3.将所述移动平台以每秒步进长度1 mm的速度进行横向扫描和纵向扫描；

S4.记录所述放大后信号，重复S1-S3步骤。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

本申请解决了传统光伏板隐裂检测方法存在的接触式、低效率、不准确等问题。相较传统的检测方法，无需直接接触光伏板表面，非接触式检测，避免了可能对光伏板造成的额外损伤；光纤耦合器和空气耦合装置可灵活调节激光信号的耦合位置和角度，适应不同隐裂长度的检测需求；利用光电传感器高灵敏度的特性，能够准确捕捉到微小的Lamb波信号，并通过数据处理单元精确测量出隐裂长度，实现对光伏板表面隐裂长度的高效、准确检测，提供及早维修和保养的可靠手段，为光伏板隐裂长度的准确检测和分析提供了一种高效的方法和系统，具有广泛的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例的系统结构示意图；

图2为本申请实施例的Lamb波的横纵检测过程示意图，其中，图（a）为横向检测过程示意图，图（b）为纵向检测过程示意图；

图3为本申请实施例的扫描距离与归一化相关系数标准差曲线图；

图4为本申请实施例的系统工作流程示意图。

附图标记说明：

1、Lamb波发射/接收器；2、空气耦合换能器；3、高速数据采集器；4、移动平台；5、被测光伏板；6、信号放大器；7、上位机。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

在本实施例中，如图1-图4所示，一种基于空气耦合Lamb波的光伏板隐裂长度检测系统，包括：信号收发模块和信号处理模块。

信号收发模块用于向被测光伏板发射Lamb波信号，还用于接收放大后信号。

信号收发模块包括：Lamb波发射/接收器1、空气耦合换能器2、高速数据采集器3和移动平台4；Lamb波发射/接收器1用于向被测光伏板5发射Lamb波信号，并接收返回的放大后信号；空气耦合换能器2用于消除Lamb波信号在传播时的声衰减现象；高速数据采集器3用于采集放大后信号；移动平台4用于承载Lamb波发射/接收器1、空气耦合换能器2，并延被测光伏板5表面移动。其中，空气耦合换能器2包括：空气耦合换能器T和空气耦合换能器R。

进一步的，放大后信号的采集需要分别开展横、纵两个方向检测，以保证能够更好地获得隐裂处的开裂方向与回波信号的关系，其检测过程如图2所示。

Lamb波信号的声衰减随声压变化的关系为：

其中，为声源处的声压，/>为检测目标处声压，/>为声源与检测目标之间的距离，为衰减系数。

衰减系数为：

其中，为Lamb波的中心频率，/>为空气中的实际声压，/>为空气中的参考声压，/>为空气中的实际温度，/>为空气中的参考温度，/>为空气中氧气的松弛频率，/>为空气中氮气的松弛频率。

在本实施例中，将标准大气压力101.325 kPa、室温20 ℃代入上式，能够获得Lamb波中心频率与衰减系数的关系为：

其中，为衰减系数，/>为Lamb波的中心频率。

空气耦合换能器2的频率不同会导致Lamb波信号的振幅、频率和衰减性等方面发生变化，需要针对不同的换能器频率进行优化和调整。空气耦合换能器2频率对应的衰减系数如表1所示。

表1

空气耦合换能器2的组间距离根据被测光伏板5电池尺寸调整（0-1000mm）。

空气耦合换能器2的入射角度，根据Snell定律，可表示为：

其中，为Lamb波在空气中的传播速度，/>为Lamb波的相速度，/>为空气耦合换能器T的入射角度，/>为空气耦合换能器R的入射角度。

高速数据采集器3的采样频率根据Nyquist采样定律获得，采样频率为3倍Lamb波信号的最高频率。

信号处理模块用于将从被测光伏板反射的回波信号进行放大，得到放大后信号，用于基于放大后信号进行光伏板隐裂长度检测。

信号处理模块包括：信号放大器6和上位机7；信号放大器6用于将回波信号进行放大，得到放大后信号；上位机7用于基于放大后信号构建光伏板隐裂长度检测模型。

光伏板隐裂长度检测模型的构建方法包括：利用SVD方法处理回波信号，得到处理后信号样本；利用Pearson相关系数法将处理后信号样本进行系数数据处理，获得标准差，并对标准差进行归一化，得到归一化数据；在本实施例中，利用SVD方法处理回波信号后，将处理后波形的横、纵各100组数据按照带入到Pearson相关系数法中，通过对100组信号进行Pearson系数数据处理，获得其标准差并归一化，基于归一化数据构建光伏板隐裂长度检测模型：

其中，为隐裂长度，/>为标准差变化区域的初始和最终样本组，/>为样本组总数，/>为扫描距离。结果如图3所示。

在本实施例中的长度检测系统的工作流程如图4所示，包括：

S1. 将被测光伏板5放置在检测实验台上，在实验开始前对被测光伏板5表面进行清理，将移动平台4架于被测光伏板5之上，将空气耦合换能器2与Lamb波发射/接收器1、高速数据采集器3进行连接；

S2.调整接收端的空气耦合换能器2的频率（200 kHz）和衰减补偿系数（6.4 dB/m），调整空气耦合换能器2的入射角度（10°）和组间距离（60 mm），调整高速数据采集器3的采样频率（400 kHz）；

S3.将移动平台4以每秒步进长度1 mm的速度进行横向扫描和纵向扫描；

S4.记录放大后信号，重复S1-S3步骤。

以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于空气耦合Lamb波的光伏板隐裂长度检测系统，其特征在于，包括：信号收发模块和信号处理模块；

所述信号收发模块用于向被测光伏板发射Lamb波信号；

所述信号处理模块用于将从所述被测光伏板反射的回波信号进行放大，得到放大后信号；

所述信号收发模块还用于接收所述放大后信号；

所述信号处理模块还用于基于所述放大后信号进行光伏板隐裂长度检测；

所述信号收发模块包括：Lamb波发射/接收器、空气耦合换能器、高速数据采集器和移动平台；

所述Lamb波发射/接收器用于向所述被测光伏板发射所述Lamb波信号，并接收返回的所述放大后信号；

所述空气耦合换能器用于消除所述Lamb波信号在传播时的声衰减现象；

所述高速数据采集器用于采集所述放大后信号；

所述移动平台用于承载Lamb波发射/接收器、所述空气耦合换能器，并延所述被测光伏板表面移动；

所述信号处理模块包括：信号放大器和上位机；

所述信号放大器用于将所述回波信号进行放大，得到放大后信号；

所述上位机用于基于所述放大后信号构建光伏板隐裂长度检测模型；

所述光伏板隐裂长度检测模型的构建方法包括：

利用SVD方法处理所述回波信号，得到处理后信号样本；

利用Pearson相关系数法将处理后信号样本进行系数数据处理，获得标准差，并对所述标准差进行归一化，得到归一化数据；

基于所述归一化数据构建所述光伏板隐裂长度检测模型：

其中，/>为隐裂长度，/>为标准差变化区域的初始和最终样本组，/>为样本组总数，/>为扫描距离。

2.根据权利要求1所述一种基于空气耦合Lamb波的光伏板隐裂长度检测系统，其特征在于，所述Lamb波信号的声衰减随声压变化的关系为：

其中，/>为声源处的声压，/>为检测目标处声压，/>为声源与检测目标之间的距离，/>为衰减系数。

3.根据权利要求2所述一种基于空气耦合Lamb波的光伏板隐裂长度检测系统，其特征在于，所述衰减系数为：

其中，/>为Lamb波的中心频率，/>为空气中的实际声压，/>为空气中的参考声压，/>为空气中的实际温度，/>为空气中的参考温度，/>为空气中氧气的松弛频率，/>为空气中氮气的松弛频率。

4.根据权利要求1所述一种基于空气耦合Lamb波的光伏板隐裂长度检测系统，其特征在于，所述空气耦合换能器的入射角度为：

其中，/>为Lamb波在空气中的传播速度，/>为Lamb波的相速度，和/>为空气耦合换能器的入射角度。

5.根据权利要求1所述一种基于空气耦合Lamb波的光伏板隐裂长度检测系统，其特征在于，所述高速数据采集器的采样频率根据Nyquist采样定律获得，所述采样频率为3倍所述Lamb波信号的最高频率。

6.根据权利要求1所述一种基于空气耦合Lamb波的光伏板隐裂长度检测系统，其特征在于，所述长度检测系统的工作流程包括：

S1.将所述移动平台架于所述被测光伏板之上，将所述空气耦合换能器与所述Lamb波发射/接收器、所述高速数据采集器进行连接；

S2.调整接收端的所述空气耦合换能器的频率和衰减补偿系数，调整所述空气耦合换能器的入射角度和组间距离，调整所述高速数据采集器的采样频率；

S3.将所述移动平台以每秒步进长度1 mm的速度进行横向扫描和纵向扫描；

S4.记录所述放大后信号，重复S1-S3步骤。