[发明专利]基于超声波多普勒效应的风电叶片弯曲测量装置及方法

摘要

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。

主权项

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＝r₁R4R0‑R4R2＝vΔt₂＝r₂R4R0‑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。