本發(fā)明涉及技術領域，具體為一種基于求測量點坐標的風電葉片彎曲測量方法，尤其是一種基于方向角超聲傳感器接收裝置求測量點坐標的風電葉片彎曲測量方法。

背景技術：

風電葉片長度可達上百米，在運轉工作過程中，因風力作用會發(fā)生不同程度的彎曲變形，葉片的彎曲變形會影響葉片的受力狀態(tài)，從而降低葉片的使用壽命，嚴重時會產生斷裂，因此需要監(jiān)測風電葉片上不同位置點的變形情況。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于方向角超聲傳感器求測量點坐標的風電葉片彎曲測量方法，以解決上述背景技術中提出的問題。

為實現上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：

一種基于方向角超聲傳感器求測量點坐標的風電葉片彎曲測量裝置，包括2套測量裝置，一套位于風電葉片的一側，另一套位于風電葉片的另一側，所述的測量裝置包括一個超聲波發(fā)射裝置和兩個超聲波接收裝置，所述的超聲波發(fā)射裝置為雙晶探頭構成的超聲波發(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有錐形共振盤，錐形共振盤安裝的高度為風電電機軸承高度和風電葉片長度兩者積的0.5倍。

優(yōu)選的，所述兩個超聲波接收裝置，其中之一包括方向角超聲傳感器接收裝置、信號放大調理裝置、方向角測量及F/V變換裝置、相位測量裝置和數值計算裝置，其中另一包括全向超聲傳感器接收裝置、信號放大調理裝置、F/V變換裝置、相位測量裝置和數值計算裝置；所述的方向角超聲傳感器接收裝置既能測量聲壓的大小也能測量聲壓的方向，將超聲波的聲強時間特性轉換為電壓時間特性以及頻率時間特性，通過信號放大調理裝置將超聲傳感器接收裝置輸出的信號放大調理，濾除干擾，結合吸聲材料以及電壓時間特性測量出吸聲材料位置到各個超聲傳感器接收裝置的相位差。

一種基于方向角超聲傳感器求測量點坐標的風電葉片彎曲測量方法，包括以下步驟：

S1：記錄測量點的位置，在風電葉片表面涂覆吸聲材料，在測量點上不涂吸聲材料，并記錄測量點在風電葉片上的位置；

S2：安裝測量裝置，風電葉片下方地面上在相對位置處安裝兩套測量裝置，一套位于風電葉片的一側，另一套位于風電葉片的另一側，其中每套測量裝置包括一個超聲波發(fā)射裝置和兩個超聲波接收裝置，兩個超聲波接收裝置中，一個能測量方向角，一個是普通的超聲傳感器，超聲波發(fā)射裝置均設置在風電葉片下方的地面上，且超聲波接收裝置均安裝在以風電立柱為圓心，風電葉片長度為半徑的圓外側，所述測量裝置中的超聲波發(fā)射裝置在頻率的選擇上，應該滿足以下條件：其中之一的超聲波發(fā)射裝置發(fā)射頻率為f時，另一超聲波發(fā)射裝置發(fā)射頻率應該大于，從而保證了兩個測量裝置互不干擾；

S3：根據頻率確定超聲波信號來自于哪個測量點，其中測量點的線速度為，超聲波接收裝置到測量點的連線與測量點線速度之間的夾角為，根據多普勒效應，則超聲波接收裝置接收的各個測量點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，當測量點離電機軸承中心點的距離越大時，越大，接收端可以根據頻率的不同確定超聲波信號來自于哪個測量點；

S4：在風電葉片下方，在小尺寸范圍內以某點O為中心放置兩個聲壓感知方向垂直的超聲傳感器接收裝置即方向角超聲傳感器接收裝置和全向超聲傳感器接收裝置，在三維坐標方向設OA、OB和OC為坐標軸建立坐標系，則A、B、C接收到的聲壓對應的電流大小為Pa，Pb和Pc，聲音矢量的方向為(Pa，Pb，Pc)，則直線方程為，全向聲壓值為，

超聲傳感器接收裝置將超聲波的聲強時間特性轉換為電壓時間特性以及頻率時間特性，并通過信號放大調理裝置將超聲傳感器接收裝置輸出的信號放大調理，濾除干擾，即A_j（j=1,2）點聲壓代表的電信號為，這里θ_j為初相角，

，其中a>>b

i=2時設方向角超聲傳感器接收裝置的值為(Pa(t)，Pb(t)，Pc(t))，

則對應的；

S5：計算測量點到超聲波接受裝置的距離差，得到測量點三維坐標，令R0、R1、為超聲波接收裝置，Ry為超聲波發(fā)射裝置，R4為風電葉片上的測量點，則各點的坐標為：

R0（0，0，0），

R1（-1，0，0），

R4（x，y，z），

Ry（x₀，y₀，z₀），

通過信號放大調理裝置將超聲傳感器接收裝置輸出的信號放大調理，即A_j（j=1,2），經過F/V變換裝置將放大調理輸出的頻率信號變換成電壓時間特性即B_i（i=1,2），通過相位測量裝置測量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，即時差，再根據時差可以計算出測量點到R0、R1的距離差，即為R4到R0、R1的距離差如下：

突變處R4R0的矢量方向（Pa，Pb，Pc）

式中v為聲波在空氣中的傳播速度，f₀為聲波的頻率，代入各點的坐標得：

解出

；

S6：確定風電葉片另一側的測量點坐標，通過安裝在風電葉片另一側的測量裝置對測量點測量并通過上述步驟得出該側的測量點的三維坐標，此測量點的數量與風電葉片另一側的數量相同，且測量點的連線與風電葉片的中軸線垂直，并且所有的測量點在同一平面上；

S7：計算彎曲半徑，令風電葉片上一側的相鄰測量點為、，風電葉片上另一側的相鄰測量點為、，由結構工程中的平截面假定可知，在發(fā)生彎曲后仍然與風電葉片的中軸線垂直，通過、作直線，通過、作直線，假定相鄰兩組測量點之間的彎曲半徑相同，則相鄰兩組測量點連線的延長線必然相交于彎曲圓的圓心即直線與直線相交于點O，點O與的距離，即為內的彎曲半徑，具體算法如下：

直線的方程為：

直線的方程為：

兩條直線的交點為： ，

）

彎曲半徑；

根據風電葉片的彎曲半徑就可以知道風電葉片的彎曲程度了，即風電葉片的彎曲半徑越大，風電葉片的彎曲越小。

與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明利用方向角超聲傳感器上的探頭測量計算風電葉片上測量點的坐標，通過幾何計算獲得葉片局部彎曲半徑，判斷葉片變形情況，這種非接觸式的測量不會對葉片本身的運行產生影響，通過計算機處理，可以同時測量多點的葉片形變，為風電的監(jiān)測和檢修提供數據支持，從而減少風電安全事故；而且不需要在葉片上安裝測試設備，簡化設備的維護。

附圖說明

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為本發(fā)明的相位測量模型；

圖5為本發(fā)明彎曲半徑的計算示意圖；

圖6為本發(fā)明風電葉片上的測量點的分布的示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

請參閱圖1-6，本發(fā)明提供一種基于方向角傳感器求測量點坐標的風電葉片彎曲測量方法的技術方案：

一種基于方向角傳感器求測量點坐標的風電葉片彎曲測量裝置，包括2套測量裝置，一套位于風電葉片的一側，另一套位于風電葉片的另一側，所述的測量裝置包括一個超聲波發(fā)射裝置和兩個超聲波接收裝置，所述的超聲波發(fā)射裝置為雙晶探頭構成的超聲波發(fā)射裝置，所述的超聲波接收裝置為單晶探頭構成的超聲波接收裝置；所述兩個超聲波接收裝置，其中之一包括方向角超聲傳感器接收裝置、信號放大調理裝置、方向角測量及F/V變換裝置、相位測量裝置和數值計算裝置，其中另一包括全向超聲傳感器接收裝置、信號放大調理裝置、F/V變換裝置、相位測量裝置和數值計算裝置；所述的方向角超聲傳感器接收裝置既能測量聲壓的大小也能測量聲壓的方向，將超聲波的聲強時間特性轉換為電壓時間特性以及頻率時間特性，通過信號放大調理裝置將超聲傳感器接收裝置輸出的信號放大調理，濾除干擾，結合吸聲材料以及電壓時間特性測量出吸聲材料位置到各個超聲傳感器接收裝置的相位差。

一種基于方向角傳感器求測量點坐標的風電葉片彎曲測量方法，包括以下步驟：

S1：記錄測量點的位置，在風電葉片表面涂覆吸聲材料，在測量點上不涂吸聲材料，并記錄測量點在風電葉片上的位置。

S2：安裝測量裝置，葉片下方地面上在相對位置處安裝兩套測量裝置，一套位于風電葉片的一側，另一套位于風電葉片的另一側，其中每套測量裝置包括一個超聲波發(fā)射裝置和兩個超聲波接收裝置，兩個超聲波接收裝置中，一個能測量方向角，一個是普通的超聲傳感器，超聲波發(fā)射裝置均設置在風電下方的地面上，且超聲波接收裝置均安裝在以風電立柱為圓心，葉片長度為半徑的圓外側；（圖1中大圓外側），假設，測量點用A標記，風電葉片以風電電機軸承中心點O為圓心，以角速度 （為固定值，取決于電機的磁極對數P ）轉動，則對于空間上的任意一測量點的A線速度為，其中r為該測量點A到風電電機軸承的中心線的距離，安裝時需要保證與測量點A運動的圓相切的平面和測量點A到超聲波接收裝置的連線之間的夾角α隨著測量點A離電機軸承中心O的距離增大而減小，即圖1中葉片上各點到軸承中心O的距離OA₁>OA₂>…>OA_i，對應的夾角α₁<α₂<…<α_i。

S3：根據頻率確定超聲波信號來自于哪個測量點，如圖1所示，其中測量點的線速度為，超射波接收裝置到測量點的連線與測量點線速度之間的夾角為，每個超聲波接收裝置收到的信號滿足、，根據多普勒效應，則超聲波接收裝置接收的各個測量點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，當測量點離電機軸承中心點的距離越大時，越大，接收端可以根據頻率的不同確定超聲波信號來自于哪個測量點。

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有錐形共振盤，使得發(fā)射的超聲波集中在風電電機安裝立柱的單側，且高度為電機軸承高度上下0.5L（L為風電葉片的長度）的區(qū)域內，從而保證在對一個葉片進行測量時，不會受到其他葉片的影響。

S4：如圖2所示，在風電葉片下方，在小尺寸范圍內以某點O為中心放置兩個聲壓感知方向垂直的超聲傳感器接收裝置即方向角超聲傳感器接收裝置和全向超聲傳感器接收裝置，在三維坐標方向設OA、OB和OC為坐標軸建立坐標系，則A、B、C接收到的聲壓對應的電流大小為Pa，Pb和Pc，聲音矢量的方向為(Pa，Pb，Pc)，則直線方程為，全向聲壓值為，

如圖3所示，超聲傳感器接收裝置將超聲波的聲強時間特性轉換為電壓時間特性以及頻率時間特性，并通過信號放大調理裝置將超聲傳感器接收裝置輸出的信號放大調理，濾除干擾，即A_j（j=1,2）點聲壓代表的電信號為，這里θ_j為初相角，

，其中a>>b

i=2時設方向角超聲傳感器接收裝置的值為(Pa(t)，Pb(t)，Pc(t))，

則對應的。

S5：計算測量點到超聲波接受裝置的距離差，得到測量點三維坐標，如圖4所示，令R0、R1、為超聲波接收裝置，Ry為超聲波發(fā)射裝置，R4為風電葉片上的測量點，則各點的坐標為：

R0（0，0，0），

R1（-1，0，0），

R4（x，y，z），

Ry（x₀，y₀，z₀），

通過信號放大調理裝置將超聲傳感器接收裝置輸出的信號放大調理，即A_j（j=1,2），經過F/V變換裝置將放大調理輸出的頻率信號變換成電壓時間特性即B_i（i=1,2），通過相位測量裝置測量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，即時差，再根據時差可以計算出測量點到R0、R1的距離差，即為R4到R0、R1的距離差如下：

突變處R4R0的矢量方向（Pa，Pb，Pc）

式中v為聲波在空氣中的傳播速度，f₀為聲波的頻率，代入各點的坐標得：

解出

。

S6：確定風電葉片另一側的測量點坐標，通過安裝在風電葉片另一側的測量裝置對測量點測量并通過上述步驟得出該側的測量點的三維坐標，此測量點的數量與風電葉片另一側的數量相同，且測量點的連線與風電葉片的中軸線垂直，并且所有的測量點在同一平面上。

S7：計算彎曲半徑，如圖5所示，令風電葉片上一側的相鄰測量點為、，風電葉片上另一側的相鄰測量點為、，由結構工程中的平截面假定可知，在發(fā)生彎曲后仍然與風電葉片的中軸線垂直，通過、作直線，通過、作直線，假定相鄰兩組測量點之間的彎曲半徑相同，則相鄰兩組測量點連線的延長線必然相交于彎曲圓的圓心即直線與直線相交于點O，點O與的距離，即為內的彎曲半徑，具體算法如下：

直線的方程為：

直線的方程為：

兩條直線的交點為： ，

）

彎曲半徑

根據風電葉片的彎曲半徑就可以知道風電葉片的彎曲程度了，即風電葉片的彎曲半徑越大，風電葉片的彎曲越小 。

在整個風電葉片上，如圖6所示，為了避免兩側的頻率發(fā)生干擾，在頻率的選擇上，應該滿足以下條件：當一側的頻率選擇了f時，另一側的頻率應該大于，從而保證兩個測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)明能夠通過超聲波測量葉片的彎曲程度，從而為風電的監(jiān)測和檢修提供數據支持，從而減少風電的安全事故。

盡管已經示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，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這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權利要求及其等同物限定。