CN103994032B - 一种远程监测风电叶片层间结构损伤方法 - Google Patents

Abstract

一种远程监测风电叶片层间结构损伤方法，用于风电叶片层间结构损伤位置和程度监测。本发明利用碳纤维智能层（6）的功能特性及复合材料特有的随形性，将其铺设到风电叶片（1）外蒙皮下梁帽（2）上面和外蒙皮下后缘梁（3）上面，在碳纤维智能层（6）与被测结构之间建立一个敏感场，碳纤维智能层（6）将被测结构的力场转换为易于检测的电场，结合ERT层析成像***（10），由敏感场的电阻率分布可获知被测结构应力、应变的情况，从而可判断被测结构出现损伤的位置及严重程度。本发明能远距离实时对风电叶片（1）使用过程进行监控，不需卸掉叶片，也不需要停机影响风力发电机的正常工作，可实时了解风电叶片（1）结构内部裂纹扩展情况以便及时预警。

Description

一种远程监测风电叶片层间结构损伤方法

技术领域

本发明属于结构无损检测技术领域，主要涉及一种远程监测风电叶片层间结构损伤方法。

背景技术

众所周知，迄今为止对产品结构件进行无损检测采用的主要手段有超声波无损检测、X光机、伽玛射线机、磁粉探伤仪等，也有一种在结构内部植入传感材料的方法对产品表面和内部结构进行检测。但是对风电叶片这种大型复合材料制品来说，上述检测手段中只有超声波无损检测方法适用于风电叶片的检测，采用便携式超声波快速扫描仪实施检测，但有一个前提是必须在风电叶片未装到风力发电机上之前进行。而无法进行远距离监测。申请号为：201210205204.X“基于无线声发射传感器网络的风电叶片损伤监测定位***”专利申请文献中所提出的风电叶片损伤监测与定位***，构建了一套应用于风电叶片裂纹感知灵敏的损伤监测与定位***。通过在每个叶片上部署多个裂纹数据采集无线声发射传感器节点用于采集数据；簇内节点通过D&S证据理论和三点定位法实现裂纹的位置定位，通过以太网或者GPRS/3G网络连接现场监测网络将裂纹数据存储入数据中心，实时了解裂纹扩展情况以便及时预警。该专利为能够全面检测叶身出现的裂纹，必须另外布置大量裂纹感知设备，但即使这样还是不具有连续性，此外还需要在叶身上布置采集传感器负责不间断采集数据，但不论是裂纹感知设备还是声发射传感节点不仅在运行过程中会受到风沙的侵蚀，极易损坏，而且对叶片的气动外形影响较大，从而减弱叶片的气动性能，减少发电效率等。此外采用声发射技术对风力发电机叶片裂纹进行监测，需要考虑复合材料的声发射信号特性。复合材料的声发射信号频率在100kHz以上。在对信号进行放大处理的过程中，普通的放大电路对低频信号有很好的放大作用，但对风电叶片产生裂纹时释放的高频信号的放大作用却不理想，输出信号会产生失真现象。

随着风电行业的快速发展，风电叶片质量要求的不断提高，要求叶片服役年限满足设计要求，如何在叶片自身缺陷还很小的情况下，及时发现缺陷类型、区域及范围，采取必要的维修和维护措施，对叶片使用年限的延长可起到明显的积极作用。同时由于风力机机舱距离地面极远，随着叶片长度的不同，距离从80米到200米不等，必须用特种设备安装，所以风电叶片的安装成本极高，如何能做到叶片免拆卸并在运转过程中实时监测，即需要一种远程监测叶片层间损伤的技术来实现。

发明内容

鉴于现有技术中所存在的问题，本发明提出一种利用碳纤维智能层传感特性，将其用于风电叶片层间结构损伤状况监测技术。利用碳纤维智能层的功能特性及复合材料特有的随形性，将其铺设到风电叶片主要结构件表面，在碳纤维智能层与被测结构之间建立一个敏感“场”，碳纤维智能层不同于离散型智能层或传感网络***的工作原理，它不是以“点”的检测信息来识别其邻域或结构区域的性能，而是通过以敏感“场”信息对服役结构特性进行诊断识别。而且理想的碳纤维智能层的传感极限能达到8500个微应变，检测范围非常广泛。智能层将被测结构的力场转换为易于检测的电场，结合ERT层析成像技术，由敏感场的电阻率分布可知被测结构应力、应变的情况，从而可判断结构出现损伤的位置及严重程度。

为实现上述发明目的，本发明所采取的具体技术方案是：一种远程监测风电叶片层间结构损伤方法，其具体监测方法是：

在风电叶片的结构件梁帽和后缘梁上铺放碳纤维智能层，碳纤维智能层分别铺放在风电叶片的外蒙皮下的梁帽上面和外蒙皮下的后缘梁上面；梁帽两侧采用芯材填充，后缘梁下面也采用芯材填充，风电叶片上下两个半面用胶黏剂粘接；碳纤维智能层覆盖区域两端装有电极，电极用导电银胶粘贴在碳纤维智能层上，碳纤维智能层上的铜导线一端连接电级，另一端连接锂电池，对结构表面进行电流、电压激励，建立敏感场，即电势分布；碳纤维智能层中间覆盖区域沿长度方向等间距设置有与铜导线连接的电极；铜导线的另一端分别与装在风电叶片内部的多通道数据采集仪相连，采集智能层的电势分布信号并发送给远端，通过远端的无线电压采集模块采集信号数据并传输ERT层析成像***和用于数据处理的计算机；碳纤维智能层的电阻对载荷变化有明显的响应，在风电叶片层间结构发生损伤时，会产生剧烈的应力释放，碳纤维智能层在载荷变化下会产生电阻率变化，当场内电阻率分布发生变化时，电流场的分布会随之变化，导致电势分布的变化，从而场域边界上的电位也要发生变化，测量得到的电压变化情况反映了电阻率的变化，用内置在叶片内部的多通道数据采集仪采集碳纤维智能层覆盖区域的网络电压信号并传输给远端的无线电压采集模块进行电压数据采集，同时将采集的数据输入计算机，再辅以ERT层析成像***建立碳纤维智能层结构中的电阻率分布，并转化为风电叶片结构中的应变分布，利用碳纤维智能层的力阻效应—电阻与应变存在线性对应关系，最终获得风电叶片结构层间结构出现损伤的位置和程度。

所述的一种远程监测风电叶片层间结构损伤方法，其中碳纤维智能层是采用环氧树脂基碳纤维毡制作，这样可以与叶片树脂体系完美切合；所述的ERT层析成像***是一套ERT含激励模块、多路复用切换开关、投影数据采集模块、图像重建模块及图像显示和数据存储模块等，首先ERT***依据被测结构件的电势分布及自身材料特性建立被测结构件的电阻率分布，并转化为其原始应变场，在结构件受力发生损伤情况下，其电阻率会发生明显的改变从而影响其原始应变场。所述的材料力阻效应是指当材料受外力作用产生应变时，材料电阻发生变化的现象，用单位应变条件下电阻的相对变化率，即材料灵敏度来进行表征，灵敏度越高表示碳纤维智能层对外力反应越敏感，越容易检测到结构层间损伤的位置及严重程度。

本发明的有益效果是：1. 实时监控，碳纤维智能层拥有非常高的灵敏度，能实时对叶片使用过程进行监控，在叶片结构出现层间损伤时，会导致碳纤维智能层覆盖区域电阻率发生变化，从而被远端监控采集设备接收到；2.叶片安装距离地面80～100m高空，可无需卸掉叶片，节省大量人力物力，而且不需停机不影响风力机正常工作；3.采用的碳纤维智能层本身就是一种复合材料，不仅与叶片原材料体系一致，可良好兼容，还可提供一定强度刚度，对叶片力学性能起到强化的作用。

附图说明

图1为梁帽和后缘梁在风电叶片上分布示意图；

图2为图1中梁帽的A－A截面图；

图3为图1中后缘梁的B－B截面图；

图4为碳纤维智能层覆盖区域连接示意图；

图5为多通道数据采集仪安装示意图；

图6为无线电压采集模块连接示意图。

图中：1、风电叶片；2、梁帽；3、后缘梁；4、芯材；5、外蒙皮；6、碳纤维智能层；7、胶黏剂；8、多通道数据采集仪；9、无线电压采集模块；10、ERT层析成像***；11、计算机；12、电极；13、铜导线；14、导电银胶；15、锂电池。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的具体实施方式如下：

如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，一种远程监测风电叶片层间结构损伤方法是：在风电叶片1的结构件梁帽2和后缘梁3上铺放一种随形性好、对载荷变化有明显响应、采用树脂基碳纤维复合材料制作的碳纤维智能层6；碳纤维智能层6分别铺放在风电叶片1的外蒙皮4下梁帽2上和外蒙皮5下后缘梁3上，梁帽2的两侧采用芯材4填充，后缘梁3的下面也采用芯材4填充，风电叶片1上下两个半面用胶黏剂粘接；在碳纤维智能层6与被测结构风电叶片1之间建立一个敏感“场”。利用树脂基碳纤维复合材料制作的碳纤维智能层6的传感极限可达到8500个徽应变这样一个检测范围非常广泛的特性，当风电叶片1层间结构发生损伤时，会产生剧烈的应力释放，碳纤维智能层6将在载荷变化下产生电阻率变化，从而引起的电压输出。碳纤维智能层6覆盖区域的两端装有电极12，电极12用导电银胶14粘贴在碳纤维智能层6上。碳纤维智能层6上的铜导线13一端与电极12连接，另一端与锂电池15连接。对结构表面进行电流、电压激励、建立敏感场，即电势分布；纤维智能层6中间覆盖区域沿长度方向等间距设有与铜导线13相互连接在一起的电极12，铜导线13的另一端与多通道数据采集仪8相连，多通道数据采集仪8通过无线数据传输技术与远端无线电压采集模块9、ERT层析成像***10和用于数据处理的计算机11进行数据传输。用环氧树脂基碳纤维选毡复合材料制作的碳纤维智能层6的电阻对于载荷变化有明显的响应，在风电叶片1层间结构发生损伤时，会产生剧烈的应力释放，这时碳纤维智能层6在载荷变化下产生电阻率变化，从而引起的电压变化在碳纤维智能层6的覆盖区域形成“网络电压”信号。利用多通道数据采集仪8采集碳纤维智能层6覆盖区域的“网络电压”并传输给远端的无线电压采集模块9进行电压数据采集并将采集的数据输入计算机11，再辅以ERT层析成像***10重建碳纤维智能层6结构中心的电阻率变化及风电叶片1结构中的应力、应变分布，与风电叶片1原始的应力、应变分布进行比对，在结构损伤区域会出现明显的应力、应变集中现象，最终得到风电叶片1结构层间出现的损伤位置及严重程度。

Claims (3)

1.一种远程监测风电叶片层间结构损伤方法，其特征是：远程监测风电叶片层间结构损伤方法具体如下：

在风电叶片的结构件梁帽（2）和后缘梁（3）上铺放碳纤维智能层（6），碳纤维智能层（6）分别铺放在风电叶片（1）的外蒙皮下的梁帽（2）上面和外蒙皮下的后缘梁（3）上面；梁帽（2）两侧采用芯材填充，后缘梁（3）下面也采用芯材填充，风电叶片（1）上下两个半面用胶黏剂（7）粘接；碳纤维智能层（6）覆盖区域两端装有电极（12），电极（12）用导电银胶（14）粘贴在碳纤维智能层（6）上，碳纤维智能层（6）上的铜导线（13）一端连接电级（12），另一端连接锂电池（15），对结构表面进行电流、电压激励，建立敏感场，即电势分布；碳纤维智能层（6）中间覆盖区域沿长度方向等间距设置有与铜导线（13）连接的电极（12）；铜导线（13）的另一端分别与装在风电叶片（1）内部的多通道数据采集仪（8）相连；碳纤维智能层（6）的电阻对载荷变化有明显的响应，在风电叶片（1）层间结构发生损伤时，会产生剧烈的应力释放，碳纤维智能层（6）在载荷变化下会产生电阻率变化，当场内电阻率分布发生变化时，电流场的分布会随之变化，导致电势分布的变化，从而场域边界上的电位也要发生变化，测量得到的电压变化情况反映了电阻率的变化，用内置在风电叶片（1）内部的多通道数据采集仪（8）采集碳纤维智能层（6）覆盖区域的网络电压信号并传输给远端的无线电压采集模块（9）进行电压数据采集，同时将采集的数据输入计算机（11），再辅以ERT层析成像***（10）建立碳纤维智能层（6）结构中的电阻率分布，并转化为风电叶片（1）结构中的应变分布，利用碳纤维智能层（6）的力阻效应，即电阻与应变存在线性对应关系，最终获得风电叶片结构层间结构出现损伤的位置和程度。

2.根据权利要求1所述的一种远程监测风电叶片层间结构损伤方法，其特征是：碳纤维智能层（6）采用环氧树脂基碳纤维毡制作。

3.根据权利要求1所述的一种远程监测风电叶片层间结构损伤方法，其特征是：ERT层析成像***（10）是一套ERT含激励模块、多路复用切换开关、投影数据采集模块、图像重建模块及图像显示和数据存储模块构成。