一种基于超声波实现风电叶片缺陷自动检测的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于超声波实现风电叶片缺陷自动检测的方法，包括如下步骤：S1、使巡检车行驶至需要缺陷检测的风电叶片内；S2、随着巡检车的移动，超声波信号激励单元和阵列超声传感器的发射端向风电叶片输入振动能量，产生超声波；阵列超声传感器的接收端采集声波回波信号并将其传输给超声波信号接收单元，超声波信号接收单元接受回波信号并对信号进行预处理，并将预处理后的回波信号传递给工业计算机；S3、由计算机采用MATLAB软件对接收的信号进行数据存储和信号处理，依据逆时偏移成像算法进行成像处理，实现风电叶片缺陷检测。本发明专利技术可对风电叶片的缺陷实现自动化检测，并能对缺陷位置进行定位，具有检测速度快、检测精度高等优点。高等优点。高等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超声波实现风电叶片缺陷自动检测的方法


[0001]本专利技术涉及一种基于超声波实现风电叶片缺陷自动检测的方法，属于风电叶片缺陷检 测


技术介绍

[0002]在传统能源如煤、石油等严重告急以及全球生态环境遭受到严重破坏的双重压力下,可 再生资源如风能、太阳能等具有取之不尽、用之不竭、清洁、无污染等特点,而得到广泛地 开发和应用。风能作为一种绿色新能源,故认为是国家未来电力的一个发展方向。据国家能 源局数据显示，截至2020年12月底，全国并网风电装机2.81亿千瓦，同比增长33.1％。
[0003]随着风机安装容量的持续增长，其安全性能也越来越成为关注的焦点，风电叶片作为 风电机组的重要组成部件之一，其是否存在安全隐患是我们应该重要考虑的问题，当风电 叶片出现质量问题时，不仅会揽坏叶片，而且还会对整个风电机组造成一定程度的损坏， 大部分叶片在制作完成后都可能存在一些缺陷，较大尺寸的缺陷可以采用目视法检测出来， 而一些内部不明显的缺陷很难用肉眼检测到。另外，目测法具有人为主观性，而且对人员 的经验要求很高，它提供的检测结果不够准确且效率也比较低。而且，叶片在制造、运输、 安装和运行过程中，不可避免地会发生分层、脱粘、缺胶和断裂等缺陷，如果不能及时对 这些缺陷进行检测并修复，在短期内缺陷累积会最终导致叶片失效，影响风电机组正常运 行。虽然一些物理机械方法可以检测叶片的缺陷，但检测后会对叶片造成一定程度上的破 坏，因此，在不破坏风电叶片的情况下，对叶片缺陷进行无损检测是风电行业的一个重要 研究方向。
[0004]近年来许多无损检测技术被提出，如合成孔径聚焦技术，声发射分析和光纤传感器技 术等用于损伤检测，其中超声检测技术有其自身的优点，在各类结构检测中得到了广泛应 用，与其他无损检测相比，超声检测技术具有能量传播快、穿透性强、检测速度快、安全 监测等优点，尽管超声检测在损伤检测方面取得了很大成就，但仍有一定的局限性，例如， 其对垂直或陡峭缺陷的检测灵敏度低，且检测结果易受外界条件干扰，导致检测精度差。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的上述问题，本专利技术的目的是提供一种基于超声波实现风电叶片缺 陷自动检测的方法，以实现高效、无损、实时检测出风电叶片的缺陷，为风电叶片的安全 使用提供及时预警和有力保障。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种基于超声波实现风电叶片缺陷自动检测的方法，包括如下步骤：
[0008]S1、使巡检车行驶至需要缺陷检测的风电叶片内，所述巡检车包括车架和对称设于车 架左右两侧的车轮，各车轮分别通过各自的轮轴与车架转动连接，所述车架的前端设
有摄 像机，所述车架的顶部设有超声波发射接收仪，所述超声波发射接收仪包括超声波信号激 励单元和超声波信号接收单元，所述车架的底部设有安装槽，所述安装槽内设有可竖直方 向伸缩的电动伸缩架，所述电动伸缩架的底部设有阵列超声传感器，所述阵列超声传感器 通过电动伸缩架与车架相连，所述阵列超声传感器的发射端与超声波信号激励单元信号连 接，阵列超声传感器的接收端与超声波信号接收单元信号连接，且所述超声波信号接收单 元信号连接有工业计算机；
[0009]S2、随着巡检车的移动，超声波发射接收仪的超声波信号激励单元产生超声波脉冲信 号并通过阵列超声传感器的发射端向风电叶片输入振动能量，使产生频率为20～100kHz范 围内的超声波；阵列超声传感器的接收端采集声波回波信号并将其传输给超声波发射接收 仪的超声波信号接收单元，超声波信号接收单元接受回波信号并对信号进行预处理，并将 预处理后的回波信号传递给工业计算机；
[0010]S3、由计算机采用MATLAB软件对接收的散射回波信号进行数据存储和信号处理，然 后依据逆时偏移成像算法进行成像处理，得到检测区域的风电叶片的内部图像，将获取的 图像与标准图像比较以判断风电叶片是否存在缺陷，当判断结果显示存在缺陷时，巡检车 停止行驶，摄像机对缺陷位置进行拍照，从而完成风电叶片缺陷的自动化检测并对缺陷位 置进行定位。
[0011]一种实施方案，步骤S3中，所述逆时偏移成像算法具体如下：
[0012]所述阵列超声传感器是由若干超声传感器呈阵列组成，所述阵列超声传感器采用一发 多收的模式，由一组超声传感器发射超声波，其余超声传感器接收超声波，将发射超声波 的传感器称之为发射传感器，也相当于阵列超声传感器的发射端，把接收超声波的传感器 称之为接收传感器，也相当于阵列超声传感器的接收端；
[0013]假设风电叶片存在一个缺陷，则由超声波信号激励单元和发射传感器发射的超声波在 缺陷位置处会发生散射，从而产生散射源，我们将散射源位置定义为缺陷位置A，将非散射 源位置定义为非缺陷位置B，将接收传感器R的位置定义为O，将超声波在缺陷位置散射 后产生的散射源定义为波源S；
[0014]所述逆时偏移成像算法基于惠更斯原理，即波阵面上所有的点都视作球面波的第二波 源，波源S出发的波阵面信号在时刻t传播至接收传感器R并被记录下来，再利用记录的散 射波信号向波源S回传，声波速度为v，经过时间Δt沿声波传播方向回传vΔt距离至t
‑
Δt时 刻波阵面；
[0015]设A的位移场经路径AO传播至O处的位移场为：
[0016][0017]公式(1)中，表示波源S出发的波阵面信号从散射源A处经路径AO传播至O 处的位移场，表示散射源A的位移场，^表示时域声位移场的傅里叶变换， 为传递函数，A
AO
(ω)表示幅值，ρ
AO
表示AO的长度，k表示为波数；
[0018]则O位置处位移场时间反转后，经路径OA传播至A处的位移场为：
[0019][0020]公式(2)中符号*表示复共轭，AO与OA路径相同，则ρ
AO
＝ρ
OA
，G
OA
(ω)＝G
AO
(ω)， 公式中G
AO*
(ω)G
AO
(ω)一项是实、偶、正函数，它在时间零点的傅里叶反变换是同相迭加的， 会得到主相关峰值，这样回传出的波形幅值上得到增强；
[0021]则O位置处位移场时间反转后，经路径OB传播至B处的位移场为：
[0022][0023]公式(3)中，表示相移分量，在时间零点傅里叶反变换并不能同相迭加，不 能得到主相关峰值，幅值不会得到聚焦；
[0024]假设由一对发射
‑
接收传感器沿时间长度(0,T)记录的散射场经由逆向外推后的位 移场为：
[0025][0026]公式(4)中，ρ
j
＝|x
‑
X
j
|，代表由X
j
接收传感器位 置，t＝0时刻的时域格林函数，τ＝T
‑
t表示信号的时间反转，x表示成像区域中各点的位置， ρ
j
表示传感器X
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超声波实现风电叶片缺陷自动检测的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、使巡检车行驶至需要缺陷检测的风电叶片内，所述巡检车包括车架和对称设于车架左右两侧的车轮，各车轮分别通过各自的轮轴与车架转动连接，所述车架的前端设有摄像机，所述车架的顶部设有超声波发射接收仪，所述超声波发射接收仪包括超声波信号激励单元和超声波信号接收单元，所述车架的底部设有安装槽，所述安装槽内设有可竖直方向伸缩的电动伸缩架，所述电动伸缩架的底部设有阵列超声传感器，所述阵列超声传感器通过电动伸缩架与车架相连，所述阵列超声传感器的发射端与超声波信号激励单元信号连接，阵列超声传感器的接收端与超声波信号接收单元信号连接，且所述超声波信号接收单元信号连接有工业计算机；S2、随着巡检车的移动，超声波发射接收仪的超声波信号激励单元产生超声波脉冲信号并通过阵列超声传感器的发射端向风电叶片输入振动能量，使产生频率为20～100kHz范围内的超声波；阵列超声传感器的接收端采集声波回波信号并将其传输给超声波发射接收仪的超声波信号接收单元，超声波信号接收单元接受回波信号并对信号进行预处理，并将预处理后的回波信号传递给工业计算机；S3、由计算机采用MATLAB软件对接收的散射回波信号进行数据存储和信号处理，然后依据逆时偏移成像算法进行成像处理，得到检测区域的风电叶片的内部图像，将获取的图像与标准图像比较以判断风电叶片是否存在缺陷，当判断结果显示存在缺陷时，巡检车停止行驶，摄像机对缺陷位置进行拍照，从而完成风电叶片缺陷的自动化检测并对缺陷位置进行定位。2.根据权利要求1所述的基于超声波实现风电叶片缺陷自动检测的方法，其特征在于：步骤S3中，所述逆时偏移成像算法具体如下：所述阵列超声传感器是由若干超声传感器呈阵列组成，所述阵列超声传感器采用一发多收的模式，由一组超声传感器发射超声波，其余超声传感器接收超声波，将发射超声波的传感器称之为发射传感器，也相当于阵列超声传感器的发射端，把接收超声波的传感器称之为接收传感器，也相当于阵列超声传感器的接收端；假设风电叶片存在一个缺陷，则由超声波信号激励单元和发射传感器发射的超声波在缺陷位置处会发生散射，从而产生散射源，我们将散射源位置定义为缺陷位置A，将非散射源位置定义为非缺陷位置B，将接收传感器R的位置定义为O，将超声波在缺陷位置散射后产生的散射源定义为波源S；所述逆时偏移成像算法基于惠更斯原理，即波阵面上所有的点都视作球面波的第二波源，波源S出发的波阵面信号在时刻t传播至接收传感器R并被记录下来，再利用记录的散射波信号向波源S回传，声波速度为v，经过时间Δt沿声波传播方向回传vΔt距离至t
‑
Δt时刻波阵面；设A的位移场经路径AO传播至O处的位移场为：公式(1)中，表示波源S出发的波阵面信号从散射源A处经路径AO传播至O处的位
移场，表示散射源A的位移场，^表示时域声位移场的傅里叶变换，为传递函数，A
AO
(ω)表示幅值，ρ
AO
表示AO的长度，k表示为波数；则O位置处位移场时间反转后，经路径OA传播至A处的位移场为：公式(2)中符号*表示复共轭，AO与OA路径相同，则ρ
AO
＝ρ
OA
，G
OA
(ω)＝G
AO
(ω)，公式中G
AO*
(ω)G
AO
(ω)一项是实、偶、正函数，它在时间零点的傅里叶反变换是同相迭加的，会得到主相...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱鲁斌，范国鹏，张梦可，朱文发，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：