風機葉片結構的Lamb波損傷成像監(jiān)測

馬淑賢，華 杰，王曉輝，王 強

(南京郵電大學 自動化學院, 南京 210023)

風機葉片結構的Lamb波損傷成像監(jiān)測

馬淑賢，華 杰，王曉輝，王 強

(南京郵電大學 自動化學院, 南京 210023)

在分析主動Lamb波損傷監(jiān)測機理的基礎上，研究了面向實際風機葉片結構的Lamb波損傷成像監(jiān)測技術與系統(tǒng)。給出了監(jiān)測系統(tǒng)的基本框架和各模塊演示系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，采用壓電陣列以及主動Lamb波的RAPID層析成像技術，在真實葉片結構上研究典型結構損傷的在線監(jiān)測與評估，并進行了試驗驗證。結果表明，監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)現(xiàn)場在線監(jiān)測，同時能夠直觀地展現(xiàn)損傷的發(fā)生、定位等信息，在風機葉片結構的運用和維修中具有較好的應用前景。

風機葉片；Lamb波；監(jiān)測系統(tǒng)；壓電陣列；層析成像

風能作為新型清潔能源，近年來應用越來越廣泛。2016年年初，全球風能協(xié)會(GWEC)統(tǒng)計報告表明，截至2015年底，全球風能發(fā)電量首次超過核能發(fā)電，而我國的風電設備裝機量更是一舉成為世界第一。

風力發(fā)電機能夠將風能轉換為電能，其關鍵組成部件——風機葉片，在風力發(fā)電機的運行中發(fā)揮著重要的作用。為了使風力發(fā)電機運轉更有效，風力發(fā)電機常安裝于風能集中、空曠、偏遠的地區(qū)。由于運行環(huán)境惡劣，風機葉片極易出現(xiàn)裂紋、通孔、凹坑、脫層等不同形式的損傷。因此，風力發(fā)電需要解決的重大問題之一就是維護風機葉片的正常運行[1-4]。目前，主要依靠人工觀察與停機的方法來判斷風機葉片的損傷情況。這些方法效率低下，且需要消耗大量的人力物力。結構健康監(jiān)測技術[5]是一門涉及到智能材料結構概念的新興技術，它利用集成在結構表面的傳感/驅動元件，在線實時獲取結構健康狀態(tài)的相關信息(如溫度、應變、振動模態(tài)等)，采用先進的信號處理和材料結構力學建模方法，提取相應結構損傷參數(shù)，判斷并控制損傷蔓延，確保結構安全與減少維修費用。它可以在不破壞結構的正常運行條件下，即時高效地對結構的損傷進行監(jiān)測。筆者針對風機葉片結構的運用和維修問題，采用結構健康監(jiān)測技術對真實風機葉片進行在線損傷監(jiān)測，提高了葉片的安全性。

1 風機葉片在線監(jiān)測分析

風機葉片的結構不規(guī)則，類型多樣，受狂風、閃電、雷擊等因素的影響，易發(fā)生脫層、破裂、解體等損傷?，F(xiàn)有的風機葉片維護方法[6]主要有人工觀察、敲擊以及無損檢測技術。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，其使用工具對風機葉片進行不同程度的敲擊，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，但要準確判斷損傷的區(qū)域以及程度，則需打磨開涂層作進一步的分析判斷，過程較為繁瑣。與之比較，無損檢測技術的精確度及便捷性則要高一些。目前應用的無損檢測技術主要有超聲波與錯位散斑干涉兩種技術。其中，超聲波技術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行損傷檢測，但其要求被測結構能夠傳導超聲波且需要傳導介質，一般使用Lamb波進行檢測。錯位散斑干涉技術是20世紀末興起的技術，目前在海洋與航天方面有相關的應用。錯位散斑干涉技術能夠辨別風機葉片的褶皺、分層、孔隙等內部缺陷，且檢測結果能夠表明潛在危險范圍及應力結果;但由于剪切量、激勵時間、激勵方式等因素的影響，該技術在損傷大小的定量上尚未形成統(tǒng)一標準。

鑒于葉片結構缺陷及故障的在線診斷與監(jiān)測需求，需要第一時間監(jiān)測出缺陷的產(chǎn)生，診斷出缺陷區(qū)域，評估缺陷并預測損傷發(fā)展趨勢。Lamb波傳播過程中，結構內部的損傷會引起波信號發(fā)生散射和模式變換等，對微小損傷敏感。同時，主動Lamb波檢測技術成本低，可實現(xiàn)缺陷的定位和定量，有效檢測葉片內部脫層、裂紋、黏結等缺陷而有效降低葉片失效的風險。因此，筆者選用主動Lamb波檢測方法對風機葉片的損傷進行在線監(jiān)測。

2 Lamb波結構健康監(jiān)測原理

主動Lamb波結構健康監(jiān)測技術是目前結構損傷監(jiān)測中應用較為廣泛的一項技術。Lamb波是由橫波和縱波耦合而成的一種特殊形式的應力波，科學家H. Lamb是發(fā)現(xiàn)Lamb波的第一人[5]。在實際傳播過程中，Lamb波存在多模特性和頻散效應。Lamb波的傳播模式可分為對稱模式S0,S1,…,Sn和反對稱模式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?，F(xiàn)象及頻散效應。壓電元件在復雜結構的風機葉片中激勵出的超聲波波形模態(tài)較復雜，給后期信號的分析處理帶來一定的困難。已有成果表明[8]，可以通過調節(jié)激勵信號頻率(頻厚積)的大小，來實現(xiàn)Lamb波模式的調制。試驗中采用特定的激勵頻率，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Lamb波的結構健康監(jiān)測過程中，激勵元件、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。該壓電片結構中含有一個絕緣溝槽，故稱為“小島型壓電片”。相對于金屬，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的波信號在風機葉片結構中的傳播距離較小，需要通過調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。結構健康監(jiān)測過程中，小島型壓電片的正壓電效應一般用作傳感器，逆壓電效應一般用作激勵器。

主動Lamb波的結構健康監(jiān)測原理[10]：將特定的激勵信號施加給結構中預先設置的激勵器，激勵器在被測結構中激發(fā)的Lamb波信號隨之在材料中傳導；被測結構中的傳感器接收結構中不同位置的Lamb波響應信號；對比有損/無損情況下的結構響應信號，提取出損傷散射信號的相關信息，以便對損傷的區(qū)域、位置以及損傷的擴展進行判斷。

3 監(jiān)測系統(tǒng)的設計

考慮到風力發(fā)電場一般地處空曠、多風、偏遠的環(huán)境，具有分布廣、規(guī)模大、交通不便等特點，故風機葉片結構健康監(jiān)測系統(tǒng)設計主要由監(jiān)測前端模塊、網(wǎng)絡傳輸模塊、監(jiān)測終端模塊以及遠程客戶模塊四個部分組成。其中，監(jiān)測前端模塊采用主動Lamb波的結構健康監(jiān)測方法，實時在線檢測損傷，并采集葉片損傷時的數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡傳輸模塊是向遠程客戶傳輸損傷數(shù)據(jù)及損傷成像信息的媒介，由工作站、網(wǎng)關、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，對監(jiān)測前端所采集到的數(shù)據(jù)進行分析，同時直觀地展現(xiàn)損傷的情況；遠程客戶模塊用于相關人員及機構了解風機葉片的實時健康狀態(tài)。風機葉片監(jiān)測系統(tǒng)框架示意如圖1所示。

圖1 風機葉片監(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)絡分布的地方都能在線獲取風機葉片的相關監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了遠程客戶實時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)測前端的硬件設計

根據(jù)主動Lamb波的結構健康監(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)包含計算機(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象。

數(shù)據(jù)采集卡主要用來激勵Lamb波信號以及采集結構響應信號，試驗采用NI公司研發(fā)的NI USB-6366型號數(shù)據(jù)采集卡。

激勵信號的幅值較小，激勵信號在加載給壓電片之前需要對激勵信號進行功率放大。試驗中使用筆者所在實驗室開發(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。

壓電片的輸出信號較弱，需要對輸出的電壓信號放大或將電荷信號變成電壓信號后進行放大，使用筆者所在實驗室開發(fā)的八通道電荷放大器，放大倍數(shù)最大可達70倍。

在激勵器和傳感器的切換方面，使用了筆者所在實驗室開發(fā)的八通道繼電器板，其能夠實現(xiàn)激勵器與傳感器的功能和復用。

3.2 監(jiān)測前端的軟件設計

軟件部分，使用以圖形化語言為基礎的LabVIEW軟件。軟件設計過程中，利用數(shù)據(jù)采集卡的驅動程序與LabVIEW結合的方式，實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集、波形的激勵、結構響應信號的存儲等功能。數(shù)據(jù)采集和波形激勵的軟件設計流程如圖3所示。數(shù)據(jù)采集和波形激勵采集模塊的軟件界面如圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集和波形激勵流程

圖4 數(shù)據(jù)采集和波形激勵軟件界面

3.3 數(shù)據(jù)處理與損傷成像

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

RAPID概率重構算法由信號比較和圖像重構兩部分組成。信號比較部分利用信號差異系數(shù)(Signal Difference Coefficient，文中用SDC表示)來表征損傷信號和參考信號的統(tǒng)計特性差異。SDC值的定義[14]如式(3)所示：

式中：i為激勵器編號，j為傳感器編號；xij(t)，yij(t)分別為參考信號和損傷信號；t0為激勵器i-傳感器j路徑中信號的直達時間；μx為參考信號的平均值，μy為損傷信號的平均值；ΔT為時間窗，以激勵脈寬為準。

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-傳感路徑信號的相關性大小。如果信號完全相關，則SDC值為最小值0；反之，如果信號完全不相關，則SDC值為最大值1。

圖5 損傷概率分布圖

激勵器和傳感器工作時，任意一點(x,y)出現(xiàn)損傷缺陷概率的分布如圖5所示。在重構圖像中，橢圓的激勵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。像素點顏色由深至淺表明了損傷分布概率的連續(xù)衰減，像素點顏色越深，則損傷的概率越大。

結構中任意一點(x,y)出現(xiàn)損傷缺陷的概率為：

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

(5)

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

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

重構出的圖像，損傷所在的像素點值比正常像素點值大，采用二維概率密度函數(shù)和閾值化處理，就能夠重構出結構的缺陷，進而能夠評估缺陷的形狀以及位置。

4 試驗驗證

對監(jiān)測前端與監(jiān)測終端兩個模塊進行試驗驗證。試驗對象為真實風機葉片，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、傳感元件，其能方便用于兩極的引線和安裝。試驗中小島型壓電片的典型傳播距離最長為250 mm。風力發(fā)電機在實際運行時，葉片根部比較容易受到損傷。因此，對風機葉片的根部位置(長×寬約為400 mm×180 mm)進行損傷監(jiān)測試驗。

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機葉片，試驗使用的風機葉片為小型葉片，因此不太合適；分散陣列適用于復雜結構，且需要足夠的傳感器。經(jīng)過多次試驗對比，最終采用圖6所示的排布方式：1號和4號壓電片放置在測量范圍的兩端中央位置，2號、3號、5號、6號壓電片形成一個類似于矩形的陣列。該種布置方法，能夠很好地監(jiān)測損傷位置，各傳感器坐標如表1所示。

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

表1 壓電片傳感器的網(wǎng)絡坐標

圖6 真實風機葉片壓電片布置及損傷位置

圖7 監(jiān)測前端試驗設備外觀

有關資料表明[18]，試件尺寸、傳播距離的影響，可能導致激勵信號的最后一個波峰和反射信號的第一個波峰相互覆蓋，使信號發(fā)生混疊。激勵信號和接收信號重疊最小時，綜合時域和頻域兩方面，選擇5個波峰的激勵信號用以激發(fā)Lamb波更為合理。使用等幅(正弦)信號會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，從而導致分析信號的難度增加。為了能夠有效抑制頻散現(xiàn)象，將激勵信號限制在一定范圍的窄頻段內。所用的激勵波形一般為窗函數(shù)對正弦信號調制的信號[19]。該試驗使用漢寧窗函數(shù)調制的正弦波信號。Lamb波激勵信號如圖8所示。在監(jiān)測前端的數(shù)據(jù)采集過程中，信號頻率為100 kHz;經(jīng)過比對，選出合適的采樣頻率為1 MHz，采樣點數(shù)為1 000個點，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波激勵信號

按照圖7風機葉片結構健康監(jiān)測前端的搭建方式進行試驗。首先，以1號壓電片作為激勵器，其他壓電片(2～5號)作為傳感器，在無損情況下采集數(shù)據(jù)；再分別以2～5號壓電片作為激勵器進行數(shù)據(jù)的采集。接著，粘貼裂紋損傷，按照上述方法進行損傷情況下的數(shù)據(jù)采集。根據(jù)30組路徑的有損無損結構響應信號，進行SDC值的計算。圖9為典型傳感路徑的結構響應信號。

圖9 典型傳感路徑的結構響應信號

損傷前后激勵-傳感路徑信號的相關性越小，SDC值則越大。由圖9可以看出，損傷前后激勵-傳感路徑(A2-S6)信號的相關性很小，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 風機葉片的裂紋損傷區(qū)域重構圖

利用RAPID層析成像原理對風機葉片裂紋損傷區(qū)域進行初步性定位，經(jīng)過多次重復性試驗，最終得到的層析成像重構圖如圖11所示。由重構圖可以看出，2號壓電片和6號壓電片的路徑上存在裂紋損傷。

對風機葉片的裂紋損傷重構圖進行閾值，圖12是閾值化以后的結果,其中閾值出的橢圓形范圍為實際損傷的范圍。

圖12 閾值后的裂紋層析成像圖

實際損傷位置的網(wǎng)絡坐標為(125, 57.5)，即圖12中坐標為(125, 82.5)的位置，閾值出的損傷范圍中包含實際損傷位置。監(jiān)測前端與監(jiān)測終端的結果表明，在真實的風機葉片上，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層析成像技術處理后能夠很好地對風機葉片損傷區(qū)域進行成像。遠程客戶通過互聯(lián)網(wǎng)及時地下載風機葉片的相關數(shù)據(jù)，獲取葉片的損傷信息，并進行系列的修護措施，預防了重大事故的發(fā)生。

5 結語

研究了基于真實風機葉片的結構損傷成像，當葉片受到損傷時，可以利用所提方案對損傷情況進行定位成像，遠程客戶能夠方便地獲取葉片信息，從而及時了解葉片損傷情況并采取損傷修復的相關措施，有助于風力發(fā)電機更有效的運行。筆者研究的對象是小型風機葉片，對于大型的風機葉片，可以適當?shù)卣{整壓電陣列，從而更好地實現(xiàn)損傷的定位成像。該研究為維護風機葉片的結構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

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

馬淑賢(1993-)，女，主要從事風機葉片結構健康監(jiān)測的研究。

王 強(1980-)，副教授，主要從事結構健康監(jiān)測、先進智能傳感技術、信號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