本發(fā)明涉及技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于超聲波多普勒效應(yīng)的風(fēng)電葉片彎曲測(cè)量裝置及方法。

背景技術(shù)：

風(fēng)電葉片長(zhǎng)度可達(dá)上百米，在運(yùn)轉(zhuǎn)工作過(guò)程中，因風(fēng)力作用會(huì)發(fā)生不同程度的彎曲變形，葉片的彎曲變形會(huì)影響葉片的受力狀態(tài)，從而降低葉片的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生斷裂，因此需要監(jiān)測(cè)風(fēng)電葉片上不同位置點(diǎn)的變形情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于超聲波多普勒效應(yīng)的風(fēng)電葉片彎曲測(cè)量裝置及方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種基于超聲波多普勒效應(yīng)的風(fēng)電葉片彎曲測(cè)量裝置，包括2套測(cè)量裝置，一套位于風(fēng)電葉片的一側(cè)，另一套位于風(fēng)電葉片的另一側(cè)，所述的測(cè)量裝置包括一個(gè)超聲波發(fā)射裝置和四個(gè)超聲波接收裝置，所述的超聲波發(fā)射裝置為雙晶探頭構(gòu)成的超聲波發(fā)射裝置，所述的超聲波接收裝置為單晶探頭構(gòu)成的超聲波接收裝置。

優(yōu)選的，所述超聲波發(fā)射裝置的雙晶探頭與超聲波接收裝置的單晶探頭前均設(shè)有錐形共振盤(pán)，錐形共振盤(pán)安裝的高度為風(fēng)電電機(jī)軸承高度和風(fēng)電葉片長(zhǎng)度兩者積的0.5倍。

優(yōu)選的，所述超聲波接收裝置包括超聲傳感器接收裝置、信號(hào)放大調(diào)理裝置、F/V變換裝置、相位測(cè)量裝置和數(shù)值計(jì)算裝置，所述的超聲傳感器接收裝置將超聲波的聲強(qiáng)時(shí)間特性轉(zhuǎn)換為電壓時(shí)間特性以及頻率時(shí)間特性，通過(guò)信號(hào)放大調(diào)理裝置將超聲傳感器接收裝置輸出的信號(hào)放大調(diào)理，濾除干擾，經(jīng)過(guò)F/V變換裝置調(diào)理輸出的頻率信號(hào)變換成電壓時(shí)間特性，實(shí)現(xiàn)頻率電壓的變換。

一種基于超聲波多普勒效應(yīng)的風(fēng)電葉片彎曲測(cè)量方法，包括以下步驟：

S1：記錄測(cè)量點(diǎn)的位置，在風(fēng)電葉片表面涂覆吸聲材料，在測(cè)量點(diǎn)上不涂吸聲材料，并記錄測(cè)量點(diǎn)在風(fēng)電葉片上的位置；

S2：安裝測(cè)量裝置，風(fēng)電葉片下方地面上在相對(duì)位置處安裝兩套測(cè)量裝置，一套位于風(fēng)電葉片的一側(cè)，另一套位于風(fēng)電葉片的另一側(cè)，其中每套測(cè)量裝置包括一個(gè)超聲波發(fā)射裝置和四個(gè)超聲波接收裝置，超聲波發(fā)射裝置均設(shè)置在風(fēng)電下方的地面上，且四個(gè)超聲波接收裝置均安裝在以風(fēng)電立柱為圓心，風(fēng)電葉片長(zhǎng)度為半徑的圓外側(cè)，所述測(cè)量裝置中的超聲波發(fā)射裝置在頻率的選擇上，應(yīng)該滿足以下條件：其中之一的超聲波發(fā)射裝置發(fā)射頻率為f時(shí)，另一超聲波發(fā)射裝置發(fā)射頻率應(yīng)該大于，從而保證了兩個(gè)測(cè)量裝置互不干擾；

S3：根據(jù)頻率確定超聲波信號(hào)來(lái)自于哪個(gè)測(cè)量點(diǎn)，其中測(cè)量點(diǎn)的線速度為，超聲波接收裝置到測(cè)量點(diǎn)的連線與測(cè)量點(diǎn)線速度之間的夾角為，根據(jù)多普勒效應(yīng)，則超聲波接收裝置接收的各個(gè)測(cè)量點(diǎn)反射的超聲波頻率為：

式中為超聲波在空氣中的速度，f為的超聲波發(fā)射裝置的發(fā)射頻率，當(dāng)測(cè)量點(diǎn)離電機(jī)軸承中心點(diǎn)的距離越大時(shí)，越大，接收端可以根據(jù)頻率的不同確定超聲波信號(hào)來(lái)自于哪個(gè)測(cè)量點(diǎn)；

S4：四個(gè)超聲傳感器接收裝置將超聲波的聲強(qiáng)時(shí)間特性轉(zhuǎn)換為電壓時(shí)間特性以及頻率時(shí)間特性，并通過(guò)信號(hào)放大調(diào)理裝置將超聲傳感器接收裝置輸出的信號(hào)放大調(diào)理，濾除干擾，即A_j（j=1,2,3,4）點(diǎn)聲壓代表的電信號(hào)為，這里θ_j為初相角，

，其中a>>b；

S5：計(jì)算測(cè)量點(diǎn)到超聲波接受裝置的距離差，得到測(cè)量點(diǎn)三維坐標(biāo)，令R0、R1、R2和R3為超聲波接收裝置，Ry為超聲波發(fā)射裝置，R4為風(fēng)電葉片上的測(cè)量點(diǎn)，則各點(diǎn)的坐標(biāo)為：

R0（0，0，0），

R1（-1，0，0），

R2（1，0，0），

R3（0，0，-1），

R4（x，y，z），

Ry（x₀，y₀，z₀），

通過(guò)信號(hào)放大調(diào)理裝置將超聲傳感器接收裝置輸出的信號(hào)放大調(diào)理，即A_j（j=1,2,3,4），經(jīng)過(guò)F/V變換裝置將放大調(diào)理輸出的頻率信號(hào)變換成電壓時(shí)間特性即B_i（i=1,2,3,4），通過(guò)相位測(cè)量裝置測(cè)量B_i的突變位置及相位的整體偏移規(guī)律，從而得出相位差Δt_i，即時(shí)差，再根據(jù)時(shí)差可以計(jì)算出測(cè)量點(diǎn)到R0、R1、R2、R3的距離差，即為R4到R0、R1、R2、R3的距離差如下：

式中v為聲波在空氣中的傳播速度，f₀為聲波的頻率，代入各點(diǎn)的坐標(biāo)得：

求解這三個(gè)方程，可以得到：

；

S6：確定風(fēng)電葉片另一側(cè)的測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)安裝在風(fēng)電葉片另一側(cè)的測(cè)量裝置對(duì)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量并通過(guò)上述步驟得出該側(cè)的測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)，此測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量與風(fēng)電葉片另一側(cè)的數(shù)量相同，且測(cè)量點(diǎn)的連線與風(fēng)電葉片的中軸線垂直，并所有的測(cè)量點(diǎn)在同一平面上；

S7：計(jì)算彎曲半徑，令風(fēng)電葉片上一側(cè)的相鄰測(cè)量點(diǎn)為、，風(fēng)電葉片上另一側(cè)的相鄰測(cè)量點(diǎn)為、，由結(jié)構(gòu)工程中的平截面假定可知，在發(fā)生彎曲后仍然與風(fēng)電葉片的中軸線垂直，通過(guò)、作直線，通過(guò)、作直線，假定相鄰兩組測(cè)量點(diǎn)之間的彎曲半徑相同，則相鄰兩組測(cè)量點(diǎn)連線的延長(zhǎng)線必然相交于彎曲圓的圓心即直線與直線相交于點(diǎn)O，點(diǎn)O與的距離，即為內(nèi)的彎曲半徑，具體算法如下：

直線的方程為：

直線的方程為：

兩條直線的交點(diǎn)為： ，

彎曲半徑

根據(jù)風(fēng)電葉片的彎曲半徑就可以知道風(fēng)電葉片的彎曲程度了，即風(fēng)電葉片的彎曲半徑越大，風(fēng)電葉片的彎曲越小。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明利用超聲傳感器上的探頭測(cè)量計(jì)算風(fēng)電葉片上測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)，通過(guò)幾何計(jì)算獲得葉片局部彎曲半徑，判斷葉片變形情況，這種非接觸式的測(cè)量不會(huì)對(duì)葉片本身的運(yùn)行產(chǎn)生影響，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理，可以同時(shí)測(cè)量多點(diǎn)的葉片形變，為風(fēng)電的監(jiān)測(cè)和檢修提供數(shù)據(jù)支持，從而減少風(fēng)電安全事故；而且不需要在葉片上安裝測(cè)試設(shè)備，簡(jiǎn)化設(shè)備的維護(hù)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明超聲波接收裝置的安裝示意圖；

圖2為超聲波接收和發(fā)射裝置的安裝位置示意；

圖3為本發(fā)明的系統(tǒng)框圖；

圖4為超聲波接收和發(fā)射裝置的收發(fā)模型；

圖5為本發(fā)明彎曲半徑的計(jì)算示意圖；

圖6為本發(fā)明風(fēng)電葉片上的測(cè)量點(diǎn)的分布的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請(qǐng)參閱圖1-6，本發(fā)明提供一種通過(guò)求相鄰被測(cè)點(diǎn)間距的風(fēng)電葉片彎曲測(cè)量裝置及方法的技術(shù)方案：

一種基于超聲波多普勒效應(yīng)的風(fēng)電葉片彎曲測(cè)量裝置，包括2套測(cè)量裝置，一套位于風(fēng)電葉片的一側(cè)，另一套位于風(fēng)電葉片的另一側(cè)，所述的測(cè)量裝置包括一個(gè)超聲波發(fā)射裝置和四個(gè)超聲波接收裝置，所述的超聲波發(fā)射裝置為雙晶探頭構(gòu)成的超聲波發(fā)射裝置，所述的超聲波接收裝置為單晶探頭構(gòu)成的超聲波接收裝置；所述超聲波接收裝置包括超聲傳感器接收裝置、信號(hào)放大調(diào)理裝置、F/V變換裝置、相位測(cè)量裝置和數(shù)值計(jì)算裝置，所述的超聲傳感器接收裝置將超聲波的聲強(qiáng)時(shí)間特性轉(zhuǎn)換為電壓時(shí)間特性以及頻率時(shí)間特性，通過(guò)信號(hào)放大調(diào)理裝置將超聲傳感器接收裝置輸出的信號(hào)放大調(diào)理，濾除干擾，經(jīng)過(guò)F/V變換裝置調(diào)理輸出的頻率信號(hào)變換成電壓時(shí)間特性，實(shí)現(xiàn)頻率電壓的變換。

一種基于超聲波多普勒效應(yīng)的風(fēng)電葉片彎曲測(cè)量方法，包括以下步驟：

S1：記錄測(cè)量點(diǎn)的位置，在風(fēng)電葉片表面涂覆吸聲材料，在測(cè)量點(diǎn)上不涂吸聲材料，并記錄測(cè)量點(diǎn)在風(fēng)電葉片上的位置。

S2：安裝測(cè)量裝置，葉片下方地面上在相對(duì)位置處安裝兩套測(cè)量裝置，一套位于風(fēng)電葉片的一側(cè)，另一套位于風(fēng)電葉片的另一側(cè)，其中每套測(cè)量裝置包括一個(gè)超聲波發(fā)射裝置和四個(gè)超聲波接收裝置，超聲波發(fā)射裝置均設(shè)置在風(fēng)電下方的地面上，且四個(gè)超聲波接收裝置均安裝在以風(fēng)電立柱為圓心，葉片長(zhǎng)度為半徑的圓外側(cè)；（圖1中大圓外側(cè)），假設(shè)，測(cè)量點(diǎn)用A標(biāo)記，風(fēng)電葉片以風(fēng)電電機(jī)軸承中心點(diǎn)O為圓心，以角速度 （為固定值，取決于電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)P ）轉(zhuǎn)動(dòng)，則對(duì)于空間上的任意一測(cè)量點(diǎn)的A線速度為（圖2中），其中r為該測(cè)量點(diǎn)A到風(fēng)電電機(jī)軸承的中心線的距離，安裝時(shí)需要保證與測(cè)量點(diǎn)A運(yùn)動(dòng)的圓相切的平面和測(cè)量點(diǎn)A到超聲波接收裝置的連線之間的夾角α隨著測(cè)量點(diǎn)A離電機(jī)軸承中心O的距離增大而減小，即圖1中葉片上各點(diǎn)到軸承中心O的距離OA₁>OA₂>…>OA_i，對(duì)應(yīng)的夾角α₁<α₂<…<α_i。

S3：根據(jù)頻率確定超聲波信號(hào)來(lái)自于哪個(gè)測(cè)量點(diǎn)，如圖1所示，其中測(cè)量點(diǎn)的線速度為，超射波接收裝置到測(cè)量點(diǎn)的連線與測(cè)量點(diǎn)線速度之間的夾角為，、，根據(jù)多普勒效應(yīng)，則超聲波接收裝置接收的各個(gè)測(cè)量點(diǎn)反射的超聲波頻率為：

式中為超聲波在空氣中的速度（取340m/s），f為的超聲波發(fā)射裝置的發(fā)射頻率，當(dāng)測(cè)量點(diǎn)離電機(jī)軸承中心點(diǎn)的距離越大時(shí)，越大，接收端可以根據(jù)頻率的不同確定超聲波信號(hào)來(lái)自于哪個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

本發(fā)明中，超聲波發(fā)射裝置的雙晶探頭與超聲波接收裝置的單晶探頭前均設(shè)有錐形共振盤(pán)，使得發(fā)射的超聲波集中在風(fēng)電電機(jī)安裝立柱的單側(cè)，且高度為電機(jī)軸承高度上下0.5L（L為風(fēng)電葉片的長(zhǎng)度）的區(qū)域內(nèi)，從而保證在對(duì)一個(gè)葉片進(jìn)行測(cè)量時(shí)，不會(huì)受到其他葉片的影響。

S4：四個(gè)超聲傳感器接收裝置如圖3所示，將超聲波的聲強(qiáng)時(shí)間特性轉(zhuǎn)換為電壓時(shí)間特性以及頻率時(shí)間特性，并通過(guò)信號(hào)放大調(diào)理裝置將超聲傳感器接收裝置輸出的信號(hào)放大調(diào)理，濾除干擾，將信號(hào)調(diào)理輸出為A1、A2、A3和A4，即A_j（j=1,2,3,4）點(diǎn)聲壓代表的電信號(hào)為，這里θ_j為初相角，

，其中a>>b

為超聲傳感器接收裝置接收到各個(gè)測(cè)量點(diǎn)反射的超聲波頻率，其中為測(cè)量點(diǎn)的線速度，為超聲傳感器接收裝置到測(cè)量點(diǎn)的連線與測(cè)量點(diǎn)線速度之間的夾角，f為超聲波頻率。

S5：計(jì)算測(cè)量點(diǎn)到超聲波接受裝置的距離差，得到測(cè)量點(diǎn)三維坐標(biāo)，圖4中，令R0、R1、R2和R3為超聲波接收裝置，Ry為超聲波發(fā)射裝置，R4為風(fēng)電葉片上的測(cè)量點(diǎn)，則各點(diǎn)的坐標(biāo)為：

R0（0，0，0），

R1（-1，0，0），

R2（1，0，0），

R3（0，0，-1），

R4（x，y，z），

Ry（x₀，y₀，z₀），

通過(guò)信號(hào)放大調(diào)理裝置將超聲傳感器接收裝置輸出的信號(hào)放大調(diào)理，將信號(hào)調(diào)理輸出為A1、A2、A3和A4，經(jīng)過(guò)F/V變換裝置再將再將A1、A2、A3和A4的頻率信號(hào)變換成電壓時(shí)間特性即B_i（i=1,2,3,4），通過(guò)相位測(cè)量裝置測(cè)量B_i的突變位置及相位的整體偏移規(guī)律，從而得出相位差Δt_i，即時(shí)差，再根據(jù)時(shí)差可以計(jì)算出測(cè)量點(diǎn)到R0、R1、R2、R3的距離差，即為R4到R0、R1、R2、R3的距離差如下：

式中v為聲波在空氣中的傳播速度，f₀為聲波的頻率，代入各點(diǎn)的坐標(biāo)得：

求解這三個(gè)方程，可以得到：

。

S6：確定風(fēng)電葉片另一側(cè)的測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)安裝在風(fēng)電葉片另一側(cè)的測(cè)量裝置對(duì)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量并通過(guò)上述步驟得出該側(cè)的測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)，此測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量與風(fēng)電葉片另一側(cè)的數(shù)量相同，且測(cè)量點(diǎn)的連線與風(fēng)電葉片的中軸線垂直，并所有的測(cè)量點(diǎn)在同一平面上。

S7：計(jì)算彎曲半徑，如圖5所示，令風(fēng)電葉片上一側(cè)的相鄰測(cè)量點(diǎn)為、，風(fēng)電葉片上另一側(cè)的相鄰測(cè)量點(diǎn)為、，由結(jié)構(gòu)工程中的平截面假定可知，在發(fā)生彎曲后仍然與風(fēng)電葉片的中軸線垂直，通過(guò)、作直線，通過(guò)、作直線，假定相鄰兩組測(cè)量點(diǎn)之間的彎曲半徑相同，則相鄰兩組測(cè)量點(diǎn)連線的延長(zhǎng)線必然相交于彎曲圓的圓心即直線與直線相交于點(diǎn)O，點(diǎn)O與的距離，即為內(nèi)的彎曲半徑，具體算法如下：

直線的方程為：

直線的方程為：

兩條直線的交點(diǎn)為： ，

）

彎曲半徑

根據(jù)風(fēng)電葉片的彎曲半徑就可以知道風(fēng)電葉片的彎曲程度了，即風(fēng)電葉片的彎曲半徑越大，風(fēng)電葉片的彎曲越小 。

在整個(gè)風(fēng)電葉片上，如圖6所示，為了避免兩側(cè)的頻率發(fā)生干擾，在頻率的選擇上，應(yīng)該滿足以下條件：當(dāng)一側(cè)的頻率選擇了f時(shí)，另一側(cè)的頻率應(yīng)該大于，從而保證兩個(gè)測(cè)量裝置中的超聲波發(fā)射裝置在頻率的選擇互不干擾。

本發(fā)明能夠通過(guò)超聲波測(cè)量葉片的彎曲程度，從而為風(fēng)電的監(jiān)測(cè)和檢修提供數(shù)據(jù)支持，從而減少風(fēng)電的安全事故。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。