本發(fā)明涉及一種在線檢測裝置及其檢測方法，特別是一種基于激光測距的風機葉片在線檢測裝置及其檢測方法。

背景技術：

風力發(fā)電作為清潔能源，近年來得到了世界各國大力研究和開發(fā)。大型風力發(fā)電機組因地處寬闊邊遠地域，如近海和戈壁灘、草原等邊遠地區(qū)，受其惡劣的自然環(huán)境，以及風電機葉片復合材料及制作工藝等因素影響，風力發(fā)電機葉片很容易遭破壞，影響電力生產。

在風力發(fā)電機組運行時，風電葉片復合材料難免會產生纖維斷裂、基體開裂等細觀結構缺陷，這些缺陷在實際靜/動載荷、疲勞等條件作用下，將加劇風電葉片結構損傷的產生、擴展與積累，最終導致其失穩(wěn)破壞。為此，準確診斷其初期裂紋故障，是監(jiān)測風電機組葉片健康狀態(tài)的關鍵問題。風機葉片檢測可避免葉片在運行過程中可能出現的故障，降低由于突發(fā)事故產生的不必要損失及停機維護檢修帶來的發(fā)電損失，減少葉片維修維護成本，直接影響著機組的整體可靠穩(wěn)定與綜合效益。

目前針對風力發(fā)電機葉片的狀態(tài)檢測方法分為結構損傷檢測與運行工況診斷，其中葉片結構損傷檢測方法包括復型法、電位法、顯微鏡直接觀測法以及各種無損檢測方法等；葉片運行工況診斷主要是通過檢測風力發(fā)電機組運行時產生的震動、沖擊和噪聲信號，用機組的各種動力學性能參數來進行描述，從中提取故障信息，并將其作為診斷依據，確定故障類型、位置以及原因等。相比復位法、電位法以及顯微鏡直接觀測法等其他傳統(tǒng)檢測手段，無損檢測手段無需使機組停運，檢測成本較低，便于工程運用。而無損檢測方法有聲發(fā)射檢測、紅外檢測、光纖光柵檢測、超聲波檢測、電阻應變檢測、激光超聲檢測等手段。

現有的風電機組葉片檢測技術，通常采用在葉片上嵌入各種傳感器，如加速度傳感器、光纖傳感器等進行檢測，這些檢測技術需要對葉片進行改造，在葉片上安裝傳感器，屬于接觸式檢測技術。由于葉片工作時處于高速運動狀態(tài)，這些接觸式檢測技術應用受到極大的限制。

國內對風電機組監(jiān)測技術研究剛剛開始，尚不成熟，已成為國內風電發(fā)展的一個“瓶頸”。就一般性的性能檢測而言，各風電企業(yè)自備了一些檢測設備，但還沒有形成風電機組測試標準。對于風電機組運行狀態(tài)和葉片的在線監(jiān)測與診斷還是空白，因此建立和完善國內風電監(jiān)測具有自主知識產權的監(jiān)測與診斷裝備體系和標準勢在必行，迫在眉睫。

技術實現要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種基于激光測距的風機葉片在線檢測裝置及其檢測方法，它無需對葉片進行改造并且能夠實時監(jiān)測葉片狀態(tài)。

為解決上述技術問題，本發(fā)明所采用的技術方案是：

一種基于激光測距的風機葉片在線檢測裝置，其特征在于：包含三維激光測距傳感器、風速傳感器和數據處理及控制單元，風速傳感器和三維激光測距傳感器均固定在風電機組機箱上，風速傳感器和三維激光測距傳感器均與數據處理及控制單元連接，數據處理及控制單元通過風速傳感器的風速信號控制三維激光測距傳感器工作，并處理分析三維激光測距傳感器的數據。

進一步地，所述三維激光測距傳感器為連續(xù)激光測距傳感器或脈沖激光測距傳感器。

進一步地，所述脈沖激光測距傳感器的激光脈沖頻率遠遠大于風機葉片旋轉頻率。

一種基于激光測距的風機葉片在線檢測裝置的檢測方法，其特征在于包含以下步驟：

步驟一：風速傳感器保持對風速的在線監(jiān)測，當風速達到葉片滿載并網風速時，數據處理及控制單元控制三維激光測距傳感器啟動對葉片進行掃描；

步驟二：三維激光測距傳感器對葉片進行掃描，測量出葉片不同位置到三維激光測距傳感器的距離，并將距離數據輸送至數據處理及控制單元；

步驟三：數據處理及控制單元對距離數據進行分析，三維激光測距傳感器相對于水平位置角度為α_i，葉片距離為L_i；

步驟四：數據處理及控制單元對某一時間段內的葉片距離L_i進行對比計算，得到這一時段內的最大距離L_{i max}和最小距離L_{i min}；

步驟五：根據角度α_i和最大距離L_{i max}和最小距離L_{i min}繪制一天內葉片滿載并網風速時擺動幅度最大時的葉片邊緣輪廓曲線圖，并通過曲線圖分析葉片故障損傷情況。

進一步地，所述步驟一中葉片滿載并網風速具體為葉片滿載的額定風速的±10％。

進一步地，所述步驟四中某一時間段為某一次風速達到葉片滿載并網風速開始直至達不到葉片滿載并網風速的時間段。

進一步地，所述葉片邊緣輪廓曲線圖包含最大距離L_{i max}和最小距離L_{i min}的兩幅曲線圖。

本發(fā)明與現有技術相比，具有以下優(yōu)點和效果：采用三維激光測距傳感器，進行非接觸式的檢測技術，適合用于風電機組葉片擺幅檢測，不需要對葉片進行改造，并且通過對葉片的擺幅進行統(tǒng)計分析，能夠有效監(jiān)測葉片的情況，及時發(fā)現故障。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的三維激光測距傳感器的掃描圖。

圖2是本發(fā)明的葉片最大距離L_{i max}的示意圖。

圖3是本發(fā)明的葉片最小距離L_{i min}的示意圖。

圖4是本發(fā)明的葉片對應角度最大距離曲線圖。

圖5是本發(fā)明的葉片對應角度最小距離曲線圖。

具體實施方式

下面結合附圖并通過實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明，以下實施例是對本發(fā)明的解釋而本發(fā)明并不局限于以下實施例。

如圖所示，本發(fā)明一種基于激光測距的風機葉片在線檢測裝置，包含三維激光測距傳感器、風速傳感器和數據處理及控制單元，風速傳感器和三維激光測距傳感器均固定在風電機組機箱上，風速傳感器和三維激光測距傳感器均與數據處理及控制單元連接，數據處理及控制單元通過風速傳感器的風速信號控制三維激光測距傳感器工作，并處理分析三維激光測距傳感器的數據。如圖1所示，在線檢測裝置1固定在風電機組機箱2上側，三維激光測距傳感器對葉片3進行掃描，圖1中陰影部分4為掃描區(qū)域。

三維激光測距傳感器為連續(xù)激光測距傳感器或脈沖激光測距傳感器。脈沖激光測距傳感器的激光脈沖頻率遠遠大于風機葉片旋轉頻率。

一種基于激光測距的風機葉片在線檢測裝置的檢測方法，包含以下步驟：

步驟一：風速傳感器保持對風速的在線監(jiān)測，當風速達到葉片滿載并網風速時，數據處理及控制單元控制三維激光測距傳感器啟動對葉片進行掃描；其中葉片滿載并網風速具體為葉片滿載的額定風速的±10％；

步驟二：三維激光測距傳感器對葉片進行掃描，測量出葉片不同位置到三維激光測距傳感器的距離，并將距離數據輸送至數據處理及控制單元；

步驟三：數據處理及控制單元對距離數據進行分析，三維激光測距傳感器相對于水平位置角度為α_i，葉片距離為L_i；

步驟四：數據處理及控制單元對某一時間段內的葉片距離L_i進行對比計算，得到這一時段內的最大距離L_{i max}和最小距離L_{i min}；其中某一時間段為某一次風速達到葉片滿載并網風速開始直至達不到葉片滿載并網風速的時間段；

步驟五：根據角度α_i和最大距離L_{i max}和最小距離L_{i min}繪制一天內葉片滿載并網風速時擺動幅度最大時的葉片邊緣輪廓曲線圖，并通過曲線圖分析葉片故障損傷情況。

本發(fā)明的基于激光測距的風機葉片在線檢測裝置及其檢測方法的工作原理：當風速較低時，葉片吸收的能量會被阻尼消耗而不發(fā)生顫振，而當氣流速度大于顫振速度時，葉片晃動會越來越明顯，這會對葉片結構造成破壞甚至會折斷葉片。當葉片滿載并網風速運行時，風速和槳距角基本保持恒定。因此，判斷葉片扭轉顫振強弱的一個較好的依據是知道葉片滿載并網風速即最佳切入風速時在垂直于旋轉平面的擺動幅度。目前隨著三維激光掃描技術不斷成熟，市場上已經能購買到高精度的中長距離(100m內)三維激光測距傳感器。我們首先可以通過三維激光測距傳感器來得知風電場上電機的葉片是否完整。如果葉片完整，但處于顫振狀態(tài)，我們可以利用三維激光測距傳感器測得激光發(fā)射角度不同時，葉片對應部位與三維激光測距傳感器之間的距離。如圖3-1所示，三維激光掃描區(qū)域為機箱上方豎直區(qū)域，具體的區(qū)域大小要經過多次實驗再確認。當掃描到葉片時，掃描儀會自動測量葉片到測點的距離，假設某一時刻t₁，葉片距離測站最遠，如圖2所示，葉片向左擺動幅度最大；直到另一時刻t₂，葉片距離測站最近，如圖3所示，葉片向右擺動幅度最大。記錄下一天內葉片在最佳切入風速v工作時，激光測速儀發(fā)射的激光相對水平位置α_i角度時的距離L_i并通過軟件計算出最大距離L_{i max}和最小距離L_{i min}，根據角度α_i和最大距離L_{i max}和最小距離L_{i min}繪制一天內葉片最佳切入風速時擺動幅度最大時的葉片邊緣輪廓曲線圖。

如圖4和圖5所示，葉片邊緣輪廓曲線圖包含最大距離L_{i max}和最小距離L_{i min}的兩幅曲線圖。橫坐標為激光測距儀測量時偏轉的角度，縱坐標為對應的距離。對比3月1日和4月1日的數據可以看出，4月1日葉片在最佳切入風速下擺動的最小距離比3月1號更小，擺動的最大距離比3月更大，即葉片擺動幅度比3月1日更大了，而且是在大約15°處開始出現偏折，那很可能在葉片根部處出現了裂縫和損傷。當葉片折斷時對應的50°到60°附近將會測不到距離，監(jiān)測裝置就可以發(fā)出信號。

本說明書中所描述的以上內容僅僅是對本發(fā)明所作的舉例說明。本發(fā)明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種修改或補充或采用類似的方式替代，只要不偏離本發(fā)明說明書的內容或者超越本權利要求書所定義的范圍，均應屬于本發(fā)明的保護范圍。