風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的Lamb波損傷成像監(jiān)測

馬淑賢，華 杰，王曉輝，王 強(qiáng)

(南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 南京 210023)

風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的Lamb波損傷成像監(jiān)測

馬淑賢，華 杰，王曉輝，王 強(qiáng)

(南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 南京 210023)

在分析主動(dòng)Lamb波損傷監(jiān)測機(jī)理的基礎(chǔ)上，研究了面向?qū)嶋H風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的Lamb波損傷成像監(jiān)測技術(shù)與系統(tǒng)。給出了監(jiān)測系統(tǒng)的基本框架和各模塊演示系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，采用壓電陣列以及主動(dòng)Lamb波的RAPID層析成像技術(shù)，在真實(shí)葉片結(jié)構(gòu)上研究典型結(jié)構(gòu)損傷的在線監(jiān)測與評(píng)估，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場在線監(jiān)測，同時(shí)能夠直觀地展現(xiàn)損傷的發(fā)生、定位等信息，在風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的運(yùn)用和維修中具有較好的應(yīng)用前景。

風(fēng)機(jī)葉片；Lamb波；監(jiān)測系統(tǒng)；壓電陣列；層析成像

風(fēng)能作為新型清潔能源，近年來應(yīng)用越來越廣泛。2016年年初，全球風(fēng)能協(xié)會(huì)(GWEC)統(tǒng)計(jì)報(bào)告表明，截至2015年底，全球風(fēng)能發(fā)電量首次超過核能發(fā)電，而我國的風(fēng)電設(shè)備裝機(jī)量更是一舉成為世界第一。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠?qū)L(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，其關(guān)鍵組成部件——風(fēng)機(jī)葉片，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行中發(fā)揮著重要的作用。為了使風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更有效，風(fēng)力發(fā)電機(jī)常安裝于風(fēng)能集中、空曠、偏遠(yuǎn)的地區(qū)。由于運(yùn)行環(huán)境惡劣，風(fēng)機(jī)葉片極易出現(xiàn)裂紋、通孔、凹坑、脫層等不同形式的損傷。因此，風(fēng)力發(fā)電需要解決的重大問題之一就是維護(hù)風(fēng)機(jī)葉片的正常運(yùn)行[1-4]。目前，主要依靠人工觀察與停機(jī)的方法來判斷風(fēng)機(jī)葉片的損傷情況。這些方法效率低下，且需要消耗大量的人力物力。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)[5]是一門涉及到智能材料結(jié)構(gòu)概念的新興技術(shù)，它利用集成在結(jié)構(gòu)表面的傳感/驅(qū)動(dòng)元件，在線實(shí)時(shí)獲取結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的相關(guān)信息(如溫度、應(yīng)變、振動(dòng)模態(tài)等)，采用先進(jìn)的信號(hào)處理和材料結(jié)構(gòu)力學(xué)建模方法，提取相應(yīng)結(jié)構(gòu)損傷參數(shù)，判斷并控制損傷蔓延，確保結(jié)構(gòu)安全與減少維修費(fèi)用。它可以在不破壞結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)行條件下，即時(shí)高效地對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)行監(jiān)測。筆者針對(duì)風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的運(yùn)用和維修問題，采用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)對(duì)真實(shí)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行在線損傷監(jiān)測，提高了葉片的安全性。

1 風(fēng)機(jī)葉片在線監(jiān)測分析

風(fēng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)不規(guī)則，類型多樣，受狂風(fēng)、閃電、雷擊等因素的影響，易發(fā)生脫層、破裂、解體等損傷。現(xiàn)有的風(fēng)機(jī)葉片維護(hù)方法[6]主要有人工觀察、敲擊以及無損檢測技術(shù)。人工觀察是低成本、簡單、直接的方法，也是葉片檢查的第一步。通過觀察，可初步確定葉片是否存在損傷。敲擊是判斷損傷的另一種有效方法，其使用工具對(duì)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行不同程度的敲擊，依據(jù)敲擊的聲音可以判斷脫層、缺膠以及部分隱性缺陷。盡管人工觀察和敲擊的方法比較簡單，但要準(zhǔn)確判斷損傷的區(qū)域以及程度，則需打磨開涂層作進(jìn)一步的分析判斷，過程較為繁瑣。與之比較，無損檢測技術(shù)的精確度及便捷性則要高一些。目前應(yīng)用的無損檢測技術(shù)主要有超聲波與錯(cuò)位散斑干涉兩種技術(shù)。其中，超聲波技術(shù)能夠檢測葉片表面和淺距離涂層下的缺陷，并可以替代傳統(tǒng)的敲擊方法，能夠更方便有效地進(jìn)行損傷檢測，但其要求被測結(jié)構(gòu)能夠傳導(dǎo)超聲波且需要傳導(dǎo)介質(zhì)，一般使用Lamb波進(jìn)行檢測。錯(cuò)位散斑干涉技術(shù)是20世紀(jì)末興起的技術(shù)，目前在海洋與航天方面有相關(guān)的應(yīng)用。錯(cuò)位散斑干涉技術(shù)能夠辨別風(fēng)機(jī)葉片的褶皺、分層、孔隙等內(nèi)部缺陷，且檢測結(jié)果能夠表明潛在危險(xiǎn)范圍及應(yīng)力結(jié)果;但由于剪切量、激勵(lì)時(shí)間、激勵(lì)方式等因素的影響，該技術(shù)在損傷大小的定量上尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

鑒于葉片結(jié)構(gòu)缺陷及故障的在線診斷與監(jiān)測需求，需要第一時(shí)間監(jiān)測出缺陷的產(chǎn)生，診斷出缺陷區(qū)域，評(píng)估缺陷并預(yù)測損傷發(fā)展趨勢(shì)。Lamb波傳播過程中，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷會(huì)引起波信號(hào)發(fā)生散射和模式變換等，對(duì)微小損傷敏感。同時(shí)，主動(dòng)Lamb波檢測技術(shù)成本低，可實(shí)現(xiàn)缺陷的定位和定量，有效檢測葉片內(nèi)部脫層、裂紋、黏結(jié)等缺陷而有效降低葉片失效的風(fēng)險(xiǎn)。因此，筆者選用主動(dòng)Lamb波檢測方法對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的損傷進(jìn)行在線監(jiān)測。

2 Lamb波結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測原理

主動(dòng)Lamb波結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是目前結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測中應(yīng)用較為廣泛的一項(xiàng)技術(shù)。Lamb波是由橫波和縱波耦合而成的一種特殊形式的應(yīng)力波，科學(xué)家H. Lamb是發(fā)現(xiàn)Lamb波的第一人[5]。在實(shí)際傳播過程中，Lamb波存在多模特性和頻散效應(yīng)。Lamb波的傳播模式可分為對(duì)稱模式S0,S1,…,Sn和反對(duì)稱模式A0,A1,…,An，頻散方程可以使用下述方程表示[7]：

式中：ω為角頻率；cl為縱波波速(常數(shù))；ct為橫波波速(常數(shù))；k為Lamb波波數(shù);h為板厚;cp為Lamb波傳播相速度。

根據(jù)式(1)求解，可以看出Lamb波具有多模現(xiàn)象及頻散效應(yīng)。壓電元件在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)葉片中激勵(lì)出的超聲波波形模態(tài)較復(fù)雜，給后期信號(hào)的分析處理帶來一定的困難。已有成果表明[8]，可以通過調(diào)節(jié)激勵(lì)信號(hào)頻率(頻厚積)的大小，來實(shí)現(xiàn)Lamb波模式的調(diào)制。試驗(yàn)中采用特定的激勵(lì)頻率，以此減少激發(fā)出的Lamb波模式，一般選取基本模式S0和A0[7, 9]。

在主動(dòng)Lamb波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測過程中，激勵(lì)元件、傳感元件均使用小島型壓電片。小島型壓電片是圓形壓電陶瓷片，能避免由外形尖角引起的方向敏感性，其由壓電陶瓷和鍍膜電極組成。該壓電片結(jié)構(gòu)中含有一個(gè)絕緣溝槽，故稱為“小島型壓電片”。相對(duì)于金屬，超聲波在玻璃纖維葉片中的傳播衰減較大，因此小島型壓電片激勵(lì)的波信號(hào)在風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)中的傳播距離較小，需要通過調(diào)整陣列的位置而使得壓電片更好地發(fā)揮作用。

壓電片的壓電常數(shù)大、成本低且具有正逆壓電效應(yīng)。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測過程中，小島型壓電片的正壓電效應(yīng)一般用作傳感器，逆壓電效應(yīng)一般用作激勵(lì)器。

主動(dòng)Lamb波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測原理[10]：將特定的激勵(lì)信號(hào)施加給結(jié)構(gòu)中預(yù)先設(shè)置的激勵(lì)器，激勵(lì)器在被測結(jié)構(gòu)中激發(fā)的Lamb波信號(hào)隨之在材料中傳導(dǎo)；被測結(jié)構(gòu)中的傳感器接收結(jié)構(gòu)中不同位置的Lamb波響應(yīng)信號(hào)；對(duì)比有損/無損情況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)，提取出損傷散射信號(hào)的相關(guān)信息，以便對(duì)損傷的區(qū)域、位置以及損傷的擴(kuò)展進(jìn)行判斷。

3 監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

考慮到風(fēng)力發(fā)電場一般地處空曠、多風(fēng)、偏遠(yuǎn)的環(huán)境，具有分布廣、規(guī)模大、交通不便等特點(diǎn)，故風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由監(jiān)測前端模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、監(jiān)測終端模塊以及遠(yuǎn)程客戶模塊四個(gè)部分組成。其中，監(jiān)測前端模塊采用主動(dòng)Lamb波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法，實(shí)時(shí)在線檢測損傷，并采集葉片損傷時(shí)的數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊是向遠(yuǎn)程客戶傳輸損傷數(shù)據(jù)及損傷成像信息的媒介，由工作站、網(wǎng)關(guān)、互聯(lián)網(wǎng)/無線網(wǎng)組成；監(jiān)測終端模塊作為數(shù)據(jù)處理部分，利用Lamb波損傷成像監(jiān)測技術(shù)，對(duì)監(jiān)測前端所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)直觀地展現(xiàn)損傷的情況；遠(yuǎn)程客戶模塊用于相關(guān)人員及機(jī)構(gòu)了解風(fēng)機(jī)葉片的實(shí)時(shí)健康狀態(tài)。風(fēng)機(jī)葉片監(jiān)測系統(tǒng)框架示意如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)葉片監(jiān)測系統(tǒng)框架示意

該系統(tǒng)采用了物聯(lián)網(wǎng)[11]技術(shù)思想，將監(jiān)測前端和監(jiān)測終端連接到互聯(lián)網(wǎng)中。互聯(lián)網(wǎng)具備信息傳播的互通性，因此，在網(wǎng)絡(luò)分布的地方都能在線獲取風(fēng)機(jī)葉片的相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程客戶實(shí)時(shí)了解葉片健康狀況的功能。

圖2 監(jiān)測前端硬件示意

3.1 監(jiān)測前端的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)主動(dòng)Lamb波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測原理，搭建監(jiān)測前端的硬件系統(tǒng)，如圖2所示。監(jiān)測前端的硬件系統(tǒng)包含計(jì)算機(jī)(PC)、數(shù)據(jù)采集板卡、功率放大器、電荷放大器、繼電器板以及帶有壓電傳感陣列的被測對(duì)象。

數(shù)據(jù)采集卡主要用來激勵(lì)Lamb波信號(hào)以及采集結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)，試驗(yàn)采用NI公司研發(fā)的NI USB-6366型號(hào)數(shù)據(jù)采集卡。

激勵(lì)信號(hào)的幅值較小，激勵(lì)信號(hào)在加載給壓電片之前需要對(duì)激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行功率放大。試驗(yàn)中使用筆者所在實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的前置功率放大器，放大倍數(shù)最大為22倍，輸出值為80 V。

壓電片的輸出信號(hào)較弱，需要對(duì)輸出的電壓信號(hào)放大或?qū)㈦姾尚盘?hào)變成電壓信號(hào)后進(jìn)行放大，使用筆者所在實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的八通道電荷放大器，放大倍數(shù)最大可達(dá)70倍。

在激勵(lì)器和傳感器的切換方面，使用了筆者所在實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的八通道繼電器板，其能夠?qū)崿F(xiàn)激勵(lì)器與傳感器的功能和復(fù)用。

3.2 監(jiān)測前端的軟件設(shè)計(jì)

軟件部分，使用以圖形化語言為基礎(chǔ)的LabVIEW軟件。軟件設(shè)計(jì)過程中，利用數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)程序與LabVIEW結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集、波形的激勵(lì)、結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)的存儲(chǔ)等功能。數(shù)據(jù)采集和波形激勵(lì)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。數(shù)據(jù)采集和波形激勵(lì)采集模塊的軟件界面如圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集和波形激勵(lì)流程

圖4 數(shù)據(jù)采集和波形激勵(lì)軟件界面

3.3 數(shù)據(jù)處理與損傷成像

RAPID概率重構(gòu)算法(Reconstruction algorithm for probabilistic inspection of damage)基于相關(guān)性分析[12-13]，利用損傷信號(hào)的差異進(jìn)行損傷識(shí)別，即對(duì)比參考信號(hào)(即無損信號(hào))。RAPID算法會(huì)將監(jiān)測數(shù)據(jù)中的每一條激勵(lì)-傳感路徑中出現(xiàn)損傷的部分提取出來，同時(shí)，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)中任意一點(diǎn)出現(xiàn)損傷的概率以及損傷程度和損傷對(duì)應(yīng)的傳感路徑距離進(jìn)行重構(gòu)。該方法受系統(tǒng)噪聲的影響相對(duì)較小，且比較可靠，因此筆者采用該方法對(duì)損傷進(jìn)行成像與定位。

RAPID概率重構(gòu)算法由信號(hào)比較和圖像重構(gòu)兩部分組成。信號(hào)比較部分利用信號(hào)差異系數(shù)(Signal Difference Coefficient，文中用SDC表示)來表征損傷信號(hào)和參考信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性差異。SDC值的定義[14]如式(3)所示：

式中：i為激勵(lì)器編號(hào)，j為傳感器編號(hào)；xij(t)，yij(t)分別為參考信號(hào)和損傷信號(hào)；t0為激勵(lì)器i-傳感器j路徑中信號(hào)的直達(dá)時(shí)間；μx為參考信號(hào)的平均值，μy為損傷信號(hào)的平均值；ΔT為時(shí)間窗，以激勵(lì)脈寬為準(zhǔn)。

根據(jù)式(3)很容易看出SDC值的取值范圍為[0, 1]，該值在一定程度上反映了損傷前后激勵(lì)-傳感路徑信號(hào)的相關(guān)性大小。如果信號(hào)完全相關(guān)，則SDC值為最小值0；反之，如果信號(hào)完全不相關(guān)，則SDC值為最大值1。

圖5 損傷概率分布圖

激勵(lì)器和傳感器工作時(shí)，任意一點(diǎn)(x,y)出現(xiàn)損傷缺陷概率的分布如圖5所示。在重構(gòu)圖像中，橢圓的激勵(lì)器與傳感器連線處是像素值最大的區(qū)域，橢圓的邊緣部分像素值為0。像素點(diǎn)顏色由深至淺表明了損傷分布概率的連續(xù)衰減，像素點(diǎn)顏色越深，則損傷的概率越大。

結(jié)構(gòu)中任意一點(diǎn)(x,y)出現(xiàn)損傷缺陷的概率為：

式中：N為傳感陣列中激勵(lì)-傳感路徑的總數(shù)。sij(x,y)為SDC空間分布函數(shù)，表達(dá)式為：

(5)

式中：β為用于控制橢圓大小的參數(shù)，且值大于1，一般試驗(yàn)中取β值為1.05[15]。

Rij(x,y)是結(jié)構(gòu)中點(diǎn)(x,y)到激勵(lì)器(xik,yik)的距離和到傳感器(xjk,yjk)的距離之和與激勵(lì)器到傳感器之間距離的比值，如式(6)所示：

重構(gòu)出的圖像，損傷所在的像素點(diǎn)值比正常像素點(diǎn)值大，采用二維概率密度函數(shù)和閾值化處理，就能夠重構(gòu)出結(jié)構(gòu)的缺陷，進(jìn)而能夠評(píng)估缺陷的形狀以及位置。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)監(jiān)測前端與監(jiān)測終端兩個(gè)模塊進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)對(duì)象為真實(shí)風(fēng)機(jī)葉片，其材料為玻璃纖維，葉片尺寸(長×寬)大約為1 300 mm×180 mm；使用小島型壓電片作為激勵(lì)、傳感元件，其能方便用于兩極的引線和安裝。試驗(yàn)中小島型壓電片的典型傳播距離最長為250 mm。風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，葉片根部比較容易受到損傷。因此，對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的根部位置(長×寬約為400 mm×180 mm)進(jìn)行損傷監(jiān)測試驗(yàn)。

壓電片布置方式[16]有很多，如線性陣列、分散陣列、圓形陣列。線性陣列對(duì)監(jiān)測傳感路徑上的損傷比較有限，如果損傷不在傳感路徑上，將無法監(jiān)測損傷，成像效果差；圓形陣列適用于表面積較大的風(fēng)機(jī)葉片，試驗(yàn)使用的風(fēng)機(jī)葉片為小型葉片，因此不太合適；分散陣列適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，且需要足夠的傳感器。經(jīng)過多次試驗(yàn)對(duì)比，最終采用圖6所示的排布方式：1號(hào)和4號(hào)壓電片放置在測量范圍的兩端中央位置，2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)、6號(hào)壓電片形成一個(gè)類似于矩形的陣列。該種布置方法，能夠很好地監(jiān)測損傷位置，各傳感器坐標(biāo)如表1所示。

使用開槽的方式模擬裂紋無法進(jìn)行不同損傷位置的重復(fù)試驗(yàn)，且易縮短試驗(yàn)用葉片的使用壽命。而粘貼質(zhì)量塊用于改變局部區(qū)域的結(jié)構(gòu)阻尼特性[17]，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響類似于裂紋對(duì)結(jié)構(gòu)的影響;其能夠多次循環(huán)試驗(yàn)，延長試驗(yàn)材料的壽命。在該試驗(yàn)中粘貼長為1.3 cm的窄金屬鋁條模擬1.3 cm深裂紋引起的開裂損傷，真實(shí)葉片的壓電片編號(hào)與布置以及損傷位置如圖6所示，監(jiān)測前端的硬件試驗(yàn)設(shè)備如圖7所示。

表1 壓電片傳感器的網(wǎng)絡(luò)坐標(biāo)

圖6 真實(shí)風(fēng)機(jī)葉片壓電片布置及損傷位置

圖7 監(jiān)測前端試驗(yàn)設(shè)備外觀

有關(guān)資料表明[18]，試件尺寸、傳播距離的影響，可能導(dǎo)致激勵(lì)信號(hào)的最后一個(gè)波峰和反射信號(hào)的第一個(gè)波峰相互覆蓋，使信號(hào)發(fā)生混疊。激勵(lì)信號(hào)和接收信號(hào)重疊最小時(shí)，綜合時(shí)域和頻域兩方面，選擇5個(gè)波峰的激勵(lì)信號(hào)用以激發(fā)Lamb波更為合理。使用等幅(正弦)信號(hào)會(huì)使不同頻率的波形由于不同的傳播速度出現(xiàn)波形失真的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致分析信號(hào)的難度增加。為了能夠有效抑制頻散現(xiàn)象，將激勵(lì)信號(hào)限制在一定范圍的窄頻段內(nèi)。所用的激勵(lì)波形一般為窗函數(shù)對(duì)正弦信號(hào)調(diào)制的信號(hào)[19]。該試驗(yàn)使用漢寧窗函數(shù)調(diào)制的正弦波信號(hào)。Lamb波激勵(lì)信號(hào)如圖8所示。在監(jiān)測前端的數(shù)據(jù)采集過程中，信號(hào)頻率為100 kHz;經(jīng)過比對(duì)，選出合適的采樣頻率為1 MHz，采樣點(diǎn)數(shù)為1 000個(gè)點(diǎn)，幅值為4 V，功率放大器的輸出值是80 V，電荷放大器的放大倍數(shù)是70倍。

圖8 Lamb波激勵(lì)信號(hào)

按照?qǐng)D7風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測前端的搭建方式進(jìn)行試驗(yàn)。首先，以1號(hào)壓電片作為激勵(lì)器，其他壓電片(2～5號(hào))作為傳感器，在無損情況下采集數(shù)據(jù)；再分別以2～5號(hào)壓電片作為激勵(lì)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。接著，粘貼裂紋損傷，按照上述方法進(jìn)行損傷情況下的數(shù)據(jù)采集。根據(jù)30組路徑的有損無損結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)，進(jìn)行SDC值的計(jì)算。圖9為典型傳感路徑的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)。

圖9 典型傳感路徑的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)

損傷前后激勵(lì)-傳感路徑信號(hào)的相關(guān)性越小，SDC值則越大。由圖9可以看出，損傷前后激勵(lì)-傳感路徑(A2-S6)信號(hào)的相關(guān)性很小，因此SDC值很大，圖10為每組路徑的SDC值折線圖。

圖10 每組路徑的SDC值

圖11 風(fēng)機(jī)葉片的裂紋損傷區(qū)域重構(gòu)圖

利用RAPID層析成像原理對(duì)風(fēng)機(jī)葉片裂紋損傷區(qū)域進(jìn)行初步性定位，經(jīng)過多次重復(fù)性試驗(yàn)，最終得到的層析成像重構(gòu)圖如圖11所示。由重構(gòu)圖可以看出，2號(hào)壓電片和6號(hào)壓電片的路徑上存在裂紋損傷。

對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的裂紋損傷重構(gòu)圖進(jìn)行閾值，圖12是閾值化以后的結(jié)果,其中閾值出的橢圓形范圍為實(shí)際損傷的范圍。

圖12 閾值后的裂紋層析成像圖

實(shí)際損傷位置的網(wǎng)絡(luò)坐標(biāo)為(125, 57.5)，即圖12中坐標(biāo)為(125, 82.5)的位置，閾值出的損傷范圍中包含實(shí)際損傷位置。監(jiān)測前端與監(jiān)測終端的結(jié)果表明，在真實(shí)的風(fēng)機(jī)葉片上，監(jiān)測前端采集的有損和無損數(shù)據(jù)，經(jīng)監(jiān)測終端的RAPID層析成像技術(shù)處理后能夠很好地對(duì)風(fēng)機(jī)葉片損傷區(qū)域進(jìn)行成像。遠(yuǎn)程客戶通過互聯(lián)網(wǎng)及時(shí)地下載風(fēng)機(jī)葉片的相關(guān)數(shù)據(jù)，獲取葉片的損傷信息，并進(jìn)行系列的修護(hù)措施，預(yù)防了重大事故的發(fā)生。

5 結(jié)語

研究了基于真實(shí)風(fēng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)損傷成像，當(dāng)葉片受到損傷時(shí)，可以利用所提方案對(duì)損傷情況進(jìn)行定位成像，遠(yuǎn)程客戶能夠方便地獲取葉片信息，從而及時(shí)了解葉片損傷情況并采取損傷修復(fù)的相關(guān)措施，有助于風(fēng)力發(fā)電機(jī)更有效的運(yùn)行。筆者研究的對(duì)象是小型風(fēng)機(jī)葉片，對(duì)于大型的風(fēng)機(jī)葉片，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整壓電陣列，從而更好地實(shí)現(xiàn)損傷的定位成像。該研究為維護(hù)風(fēng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)健康提供了一些可行的思路。

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Lamb Wave Damage Imaging and Monitoring of Wind Turbine Blade Structure

MA Shu-xian, HUA Jie, WANG Xiao-hui, WANG Qiang

(College of Automation, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210023, China)

Lamb wave based damage imaging monitoring technique was studied for real-world wind turbine blade structure based on the mechanism of active Lamb wave damage monitoring. The basic framework of the monitoring system and the module demonstration system implementation scheme were given in which the piezoelectric array and the RAPID tomography technique were adopted to realize real-world blade structure online monitoring and evaluation. The results of the experiments showed that the monitoring system could detect the damage online and directly show the appearance, location and other information of the damage. It indicated that the proposed system should be helpful for the operation and maintenance of the wind turbine blade structure.

Wind turbine blade; Lamb wave; Monitoring system; Piezoelectric array; Tomography

2016-08-05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11202107)；中國博士后基金資助項(xiàng)目(2015M570401)；互聯(lián)網(wǎng)+眾創(chuàng)培育工程資助項(xiàng)目(sj213003);南京郵電大學(xué)科研資助項(xiàng)目(NY215093)

馬淑賢(1993-)，女，主要從事風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的研究。

王 強(qiáng)(1980-)，副教授，主要從事結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、先進(jìn)智能傳感技術(shù)、信號(hào)與信息處理等方面的研究。E-mail: wangqiang@njupt.edu.cn。

10.11973/wsjc201702010

TG115.28;TN911.7; TB332

A

1000-6656(2017)02-0038-06