一種基于音頻信號的風(fēng)電葉片損傷監(jiān)測方法及監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于音頻信號的風(fēng)電葉片損傷監(jiān)測方法及監(jiān)測系統(tǒng)，通過巡回采集風(fēng)電場各風(fēng)力發(fā)電機在運行過程中葉片發(fā)出的音頻信號，計算音頻信號的特征值，分析各機組音頻信號特征值的變化，根據(jù)特征值的變化情況判斷葉片狀態(tài)的改變，對可能產(chǎn)生的損傷發(fā)出警示信號，提醒工作人員進(jìn)行進(jìn)一步的檢查，使得葉片的損傷和缺陷在發(fā)生發(fā)展的早期得到及時的發(fā)現(xiàn)并采取修復(fù)措施，提高葉片的運行質(zhì)量，同時防止葉片斷裂墜落等重大事故的發(fā)生。本發(fā)明監(jiān)測系統(tǒng)包括全向麥克風(fēng)、定向麥克風(fēng)、采集放大電路、調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、連接器、數(shù)據(jù)采集卡和計算機，本發(fā)明監(jiān)測系統(tǒng)以葉片損傷的不可逆性為工作基礎(chǔ)，結(jié)果準(zhǔn)確，可靠性高。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電機葉片損傷監(jiān)測技術(shù)，具體涉及在風(fēng)力發(fā)電機運行過程中對 葉片表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)中損傷的監(jiān)測，屬于復(fù)合材料無損檢測領(lǐng)域。 -種基于音頻信號的風(fēng)電葉片損傷監(jiān)測方法及監(jiān)測系統(tǒng)

【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)力發(fā)電機葉片（以下簡稱"葉片"）是風(fēng)電系統(tǒng)中的重要組成部分。葉片在風(fēng)電 塔架上呈對稱布置，在風(fēng)力作用下繞軸轉(zhuǎn)動，帶動發(fā)電機產(chǎn)生電能，其正常運行是發(fā)電機工 作的基礎(chǔ)。葉片采用復(fù)合材料和整體成型工藝制造，隨著風(fēng)能開發(fā)事業(yè)的發(fā)展，風(fēng)電機組大 型化的特征越來越明顯，結(jié)構(gòu)尺寸的增大導(dǎo)致出現(xiàn)損傷和缺陷的幾率增大，也使得單根葉 片受損后對風(fēng)電場整體發(fā)電量影響的增大，同時葉片的運輸、更換也更加困難。
[0003] 葉片被安裝于風(fēng)電塔架，風(fēng)沙等硬質(zhì)物體長時間作用于葉片表面，其表面在風(fēng)沙、 腐蝕性氣體、雷擊、大范圍溫差等的作用下，容易產(chǎn)生面層剝蝕、局部脫落、成片沙眼、表面 開裂等缺陷或損傷，材料的性質(zhì)也會在烈日、高溫、雷擊、嚴(yán)寒、腐蝕性環(huán)境等因素的作用下 發(fā)生變化，局部出現(xiàn)裂紋等缺陷的可能性很大，這些缺陷或損傷一方面嚴(yán)重破壞了表面原 有的空氣動力學(xué)特性，局部氣流不暢，產(chǎn)生氣動嘯聲；另一方面破壞了葉片結(jié)構(gòu)的動平衡， 產(chǎn)生周期性振動，從而形成與正常狀態(tài)下不同的氣動噪聲。
[0004] 葉片在風(fēng)電塔架頂端運行，維護人員不易接近，日常巡查以地面遠(yuǎn)距離（80?100 米）觀察為主，葉片缺陷和損傷在產(chǎn)生較大程度的外形變化前不易發(fā)現(xiàn)，待被發(fā)現(xiàn)時一般 已難以采取原位修復(fù)措施，影響了風(fēng)力發(fā)電機的正常運行。
[0005] 目前，國內(nèi)外采用了包括超聲、X射線透視、熱成像等在內(nèi)的方法檢測葉片的缺陷 和損傷，這些方法在葉片生產(chǎn)階段的質(zhì)量控制中發(fā)揮了積極的重要，使得葉片出廠時的質(zhì) 量得到提高。但葉片被安裝到數(shù)十米高的風(fēng)電塔架后，工作環(huán)境條件惡劣，容易產(chǎn)生缺陷和 損傷并得以擴展。前述無損檢測方法很難被應(yīng)用于在塔葉片的檢測，使得在塔葉片的缺陷 和損傷得不到及時的發(fā)現(xiàn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 發(fā)明目的：針對上述現(xiàn)有技術(shù)，提供一種在葉片運行過程中的缺陷和損傷監(jiān)測方 法和系統(tǒng)，能夠在不影響葉片正常運轉(zhuǎn)的情況下，通過傳感器獲得葉片運行時產(chǎn)生的音頻 信號，計算多個特征參數(shù)并與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而判斷是否出現(xiàn)缺陷和損傷。
[0007] 技術(shù)方案：一種風(fēng)力發(fā)電機葉片損傷監(jiān)測方法，包括以下步驟：
[0008] (1)，采集單臺風(fēng)力發(fā)電機在運行過程中的環(huán)境噪聲信號，同時采集該臺風(fēng)力發(fā)電 機在運行過程中的葉片聲場信號；
[0009] (2)，根據(jù)獲得的所述環(huán)境噪聲信號和葉片聲場信號，經(jīng)過自適應(yīng)低通濾波獲得該 臺風(fēng)力發(fā)電機葉片在運行過程中所發(fā)出的音頻信號；
[0010] (3)，計算該臺風(fēng)力發(fā)電機葉片發(fā)出音頻信號的時域特征值；
[0011] (4)，將該臺風(fēng)力發(fā)電機葉片發(fā)出的音頻信號進(jìn)行傅里葉變換，轉(zhuǎn)換成頻域信號；
[0012] (5)，根據(jù)步驟（4)得到的所述頻域信號，計算頻域特征值；
[0013] (6)，將步驟（3)和（5)得到的所述時域特征值以及頻域特征值與該臺風(fēng)力發(fā)電機 葉片的歷史時域特征值以及頻域特征值數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果判斷是否出現(xiàn)損傷及 其程度。
[0014] 進(jìn)一步的，包括若干風(fēng)力發(fā)電機音頻信號采集器、連接器、數(shù)據(jù)采集卡、計算機以 及控制單元；其中：所述若干風(fēng)力發(fā)電機音頻信號采集器用于分別采集單臺風(fēng)力發(fā)電機在 運行過程中的葉片聲場信號以及環(huán)境噪聲信號，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后發(fā)送到連接器的輸入 端；所述連接器的輸出端通過數(shù)據(jù)采集卡連接到計算機；所述控制單元分別與連接器和計 算機相連，用于控制計算機依次接收各風(fēng)力發(fā)電機音頻信號采集器發(fā)出的數(shù)字信號。
[0015] 進(jìn)一步的，所述控制單元控制接收單臺風(fēng)力發(fā)電機音頻信號采集器發(fā)出的數(shù)字信 號的時長大于10倍風(fēng)力發(fā)電機葉片旋轉(zhuǎn)周期。
[0016] 進(jìn)一步的，所述風(fēng)力發(fā)電機音頻信號米集器包括全向麥克風(fēng)、定向麥克風(fēng)、米集放 大電路、調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路；其中，所述全向麥克風(fēng)用于采集臺風(fēng)力發(fā)電機在運行過 程中的環(huán)境噪聲信號，所述定向麥克風(fēng)用于采集單臺風(fēng)力發(fā)電機在運行過程中的葉片聲場 信號；所述全向麥克風(fēng)和定向麥克風(fēng)分別與采集放大電路的輸入端相連，所述采集放大電 路的輸出端與調(diào)理電路的輸入端相連，所述調(diào)理電路的輸出端和A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端相 連，所述A/D轉(zhuǎn)換電路的輸出端與連接器的輸入端相連。
[0017] 有益效果：與現(xiàn)有的檢測方法先比，本發(fā)明具有以下突出優(yōu)點：
[0018] 1、可以實現(xiàn)對風(fēng)電場各風(fēng)力發(fā)電機葉片運行狀態(tài)的全天候?qū)崟r監(jiān)測，避免了人工 觀察的人為因素影響，更加客觀準(zhǔn)確；
[0019] 2、葉片產(chǎn)生異常后，在人工干預(yù)前此異常的嚴(yán)重程度不可降低且會進(jìn)一步提高， 相應(yīng)的音頻異常信號也不會消失，只會加強。以此為特征的監(jiān)測結(jié)果更為準(zhǔn)確可信；
[0020] 3、葉片運行時的音頻信號對缺陷和損傷較敏感，可以及時發(fā)現(xiàn)早期的缺陷和損 傷，及時采取措施，避免葉片狀態(tài)惡化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明風(fēng)力發(fā)電機葉片損傷監(jiān)測方法流程圖；
[0022] 圖2為本發(fā)明監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意框圖；
[0023] 圖3為本發(fā)明監(jiān)測系統(tǒng)中單臺風(fēng)力發(fā)電機音頻信號采集器的的結(jié)構(gòu)示意框圖；
[0024] 圖中示出：全向麥克風(fēng)1，定向麥克風(fēng)2,采集放大電路3,調(diào)理電路4, A/D轉(zhuǎn)換電 路5,數(shù)據(jù)采集卡6,計算機8,單臺風(fēng)力發(fā)電機音頻信號采集器10,風(fēng)電場葉片損傷監(jiān)測中 央控制單元11。

【具體實施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。
[0026] 如圖1所示，一種風(fēng)力發(fā)電機葉片損傷監(jiān)測方法，包括以下步驟：
[0027] (1)，通過全向麥克風(fēng)獲得單臺風(fēng)力發(fā)電機在運行過程中的環(huán)境噪聲信號，同時通 過定向麥克風(fēng)獲得該臺風(fēng)力發(fā)電機在運行過程中的葉片聲場信號；
[0028] (2)，根據(jù)獲得的環(huán)境噪聲信號和葉片聲場信號，經(jīng)過自適應(yīng)低通濾波獲得該臺風(fēng) 力發(fā)電機葉片在運行過程中所發(fā)出的音頻信號；
[0029] (3)，計算該臺風(fēng)力發(fā)電機葉片發(fā)出音頻信號的時域特征值；
[0030] (4)，將該臺風(fēng)力發(fā)電機葉片發(fā)出的音頻信號進(jìn)行傅里葉變換，轉(zhuǎn)換成頻域信號；
[0031] (5)，根據(jù)步驟（4)得到的頻域信號，計算頻域特征值；
[0032] (6)，將步驟（3)和（5)得到的時域特征值以及頻域特征值與該臺風(fēng)力發(fā)電機葉片 的歷史時域特征值以及頻域特征值數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果判斷是否出現(xiàn)損傷及其程 度。
[0033] 如圖2所示，一種風(fēng)力發(fā)電機葉片損傷監(jiān)測系統(tǒng)，包括若干風(fēng)力發(fā)電機音頻信號 采集器10、連接器6、數(shù)據(jù)采集卡7、計算機8以及控制單元11。其中：若干風(fēng)力發(fā)電機音頻 信號采集器10用于分別采集單臺風(fēng)力發(fā)電機在運行過程中的葉片聲場信號以及環(huán)境噪聲 信號，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后發(fā)送到連接器6的輸入端；連接器6的輸出端通過數(shù)據(jù)采集卡7 連接到計算機8 ;控制單元11分別與連接器6和計算機8相連，用于控制計算機8依次接 收各風(fēng)力發(fā)電機音頻信號采集器10發(fā)出的數(shù)字信號，并控制接收單臺風(fēng)力發(fā)電機音頻信 號采集器10發(fā)出的數(shù)字信號的時長大于10倍風(fēng)力發(fā)電機葉片旋轉(zhuǎn)周期。
[0034] 其中如圖3所示，，風(fēng)力發(fā)電機音頻信號采集器10包括全向麥克風(fēng)1、定向麥克風(fēng) 2、采集放大電路3、調(diào)理電路4、A/D轉(zhuǎn)換電路5。全向麥克風(fēng)1和定向麥克風(fēng)2分別與采集 放大電路3的輸入端相連，采集放大電路3的輸出端與調(diào)理電路4的輸入端相連，調(diào)理電路 4的輸出端和A/D轉(zhuǎn)換電路5的輸入端相連，A/D轉(zhuǎn)換電路5的輸出端與連接器6的輸入端 相連。
[0035] 該風(fēng)力發(fā)電機葉片損傷監(jiān)測系統(tǒng)首先通過全向麥克風(fēng)和定向麥克風(fēng)采集單臺風(fēng) 力發(fā)電機在運行過程中的環(huán)境噪聲信號和該臺風(fēng)力發(fā)電機在運行過程中的葉片聲場信號， 采集到的環(huán)境噪聲信號和葉片聲場信號經(jīng)采集放大電路放大后，經(jīng)調(diào)理電路調(diào)理后傳輸?shù)?A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換并得到環(huán)境噪聲信號和葉片聲場信號的數(shù)字信號。多臺風(fēng)力發(fā)電機 音頻信號采集器將采集并轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送到計算機。計算機根據(jù)接 收到的數(shù)字信號，首先計算該臺風(fēng)力發(fā)電機葉片發(fā)出音頻信號的時域特征值；然后將該臺 風(fēng)力發(fā)電機葉片發(fā)出的音頻信號進(jìn)行傅里葉變換，轉(zhuǎn)換成頻域信號并計算頻域特征值；最 后將得到的時域特征值以及頻域特征值與該臺風(fēng)力發(fā)電機葉片的歷史時域特征值以及頻 域特征值數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果判斷是否出現(xiàn)損傷及其程度并顯示。其中，控制單元 控制接收單臺風(fēng)力發(fā)電機音頻信號采集器發(fā)出的數(shù)字信號的時長大于10倍風(fēng)力發(fā)電機葉 片旋轉(zhuǎn)周期，風(fēng)電場音頻信號較復(fù)雜，葉片的損傷或缺陷所產(chǎn)生的音頻信號在較長的采集 時間內(nèi)一直存在，一些干擾信號（如車輛、陣風(fēng)等產(chǎn)生的信號）持續(xù)時間較短，所以用10倍 以上旋轉(zhuǎn)周期作為采集周期有助于背景噪聲的去除。
[0036] 該風(fēng)力發(fā)電機葉片損傷監(jiān)測系統(tǒng)提不增加工作人員勞動強度，能夠方便、快速、準(zhǔn) 確地發(fā)現(xiàn)葉片異常，可以在葉片缺陷和損傷的早期采取相關(guān)措施，以提高葉片的使用可靠 性。
[0037] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種風(fēng)力發(fā)電機葉片損傷監(jiān)測方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) ，采集單臺風(fēng)力發(fā)電機在運行過程中的環(huán)境噪聲信號，同時采集該臺風(fēng)力發(fā)電機在 運行過程中的葉片聲場信號； (2) ，根據(jù)獲得的所述環(huán)境噪聲信號和葉片聲場信號，經(jīng)過自適應(yīng)低通濾波獲得該臺風(fēng) 力發(fā)電機葉片在運行過程中所發(fā)出的音頻信號； (3) ，計算該臺風(fēng)力發(fā)電機葉片發(fā)出音頻信號的時域特征值； (4) ，將該臺風(fēng)力發(fā)電機葉片發(fā)出的音頻信號進(jìn)行傅里葉變換，轉(zhuǎn)換成頻域信號； (5) ，根據(jù)步驟（4)得到的所述頻域信號，計算頻域特征值； (6) ，將步驟（3)和（5)得到的所述時域特征值以及頻域特征值與該臺風(fēng)力發(fā)電機葉片 的歷史時域特征值以及頻域特征值數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果判斷是否出現(xiàn)損傷及其程 度。
2. -種實現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的風(fēng)力發(fā)電機葉片損傷監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括 若干風(fēng)力發(fā)電機音頻信號采集器（10)、連接器￠)、數(shù)據(jù)采集卡（7)、計算機（8)以及控制 單元（11);其中：所述若干風(fēng)力發(fā)電機音頻信號采集器（10)用于分別采集單臺風(fēng)力發(fā)電機 在運行過程中的葉片聲場信號以及環(huán)境噪聲信號，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后發(fā)送到連接器（6) 的輸入端；所述連接器（6)的輸出端通過數(shù)據(jù)采集卡（7)連接到計算機（8);所述控制單元 (11)分別與連接器（6)和計算機（8)相連，用于控制計算機（8)依次接收各風(fēng)力發(fā)電機音 頻信號采集器（10)發(fā)出的數(shù)字信號。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的風(fēng)力發(fā)電機葉片損傷監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述控制單元 (11)控制接收單臺風(fēng)力發(fā)電機音頻信號采集器（10)發(fā)出的數(shù)字信號的時長大于10倍風(fēng)力 發(fā)電機葉片旋轉(zhuǎn)周期。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的風(fēng)力發(fā)電機葉片損傷監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述風(fēng)力發(fā)電 機音頻信號采集器（10)包括全向麥克風(fēng)（1)、定向麥克風(fēng)（2)、采集放大電路（3)、調(diào)理電路 (4)、A/D轉(zhuǎn)換電路（5);其中，所述全向麥克風(fēng)（1)用于采集臺風(fēng)力發(fā)電機在運行過程中的 環(huán)境噪聲信號，所述定向麥克風(fēng)（2)用于采集單臺風(fēng)力發(fā)電機在運行過程中的葉片聲場信 號；所述全向麥克風(fēng)（1)和定向麥克風(fēng)（2)分別與采集放大電路（3)的輸入端相連，所述采 集放大電路（3)的輸出端與調(diào)理電路（4)的輸入端相連，所述調(diào)理電路（4)的輸出端和A/D 轉(zhuǎn)換電路（5)的輸入端相連，所述A/D轉(zhuǎn)換電路（5)的輸出端與連接器（6)的輸入端相連。
【文檔編號】G01N29/12GK104101652SQ201410328876
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月10日
【發(fā)明者】周克印, 姚恩濤, 曹榮美, 田裕鵬, 徐萍 申請人:南京航空航天大學(xué)