基于波速修正和距離權(quán)值的風(fēng)機葉片損傷定位成像方法

華 杰，王 強，惠德暢

(南京郵電大學(xué) 自動化學(xué)院, 南京 210023)

基于波速修正和距離權(quán)值的風(fēng)機葉片損傷定位成像方法

華 杰，王 強，惠德暢

(南京郵電大學(xué) 自動化學(xué)院, 南京 210023)

針對Lamb波被動監(jiān)測方法中存在的損傷定位誤差較大，檢測結(jié)果不夠直觀、準確等問題，以風(fēng)機葉片為對象，研究了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)波速修正值標定方法和基于像素點對比度的損傷定位成像矩陣，在此基礎(chǔ)上提出了基于波速修正值和距離權(quán)值的風(fēng)機葉片損傷定位成像方法。試驗結(jié)果表明：與傳統(tǒng)的被動定位監(jiān)測相比，該方法損傷定位誤差小，成像位置準確。

Lamb波；被動監(jiān)測方法；風(fēng)機葉片；定位成像矩陣；波速修正值；距離權(quán)值

風(fēng)能作為一種可再生的清潔能源得到了廣泛的應(yīng)用。風(fēng)電機組由多種設(shè)備組成，包括葉片、發(fā)電機、傳動系統(tǒng)、儲能設(shè)備、塔架等，其中，風(fēng)機葉片是影響整體系統(tǒng)運行狀況及決定機組系統(tǒng)運行壽命的重要部件[1]。由于風(fēng)力發(fā)電的環(huán)境一般比較惡劣，如海岸、高山、戈壁等，雷雨、飛砂的沖擊很容易使風(fēng)機葉片出現(xiàn)各類損傷，葉片的高自重及旋轉(zhuǎn)多變應(yīng)力又會使損傷進一步擴展，最終導(dǎo)致葉片斷裂、整個機組損毀，造成重大的經(jīng)濟損失。因此，實時監(jiān)測風(fēng)機葉片的狀態(tài)，及時有效地監(jiān)測風(fēng)機葉片裂紋的位置及大小，對保證風(fēng)機設(shè)備的可靠運行有重要的意義[2-4]。

Lamb波結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是利用板結(jié)構(gòu)中傳播的Lamb波對微小損傷敏感的特性，采用壓電陣列技術(shù)、先進信號分析與處理技術(shù)等實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)損傷的在線監(jiān)測與診斷[5-8]，該技術(shù)分為主動Lamb波監(jiān)測法和被動Lamb波監(jiān)測法。其中，Lamb波被動監(jiān)測方法能全時段地監(jiān)測沖擊損傷信號，實時準確地監(jiān)測風(fēng)機葉片在惡劣環(huán)境中運行時產(chǎn)生的沖擊損傷[9-10]。目前,大型風(fēng)機葉片的材料多為纖維增強復(fù)合材料，筆者針對風(fēng)機葉片結(jié)構(gòu)在線損傷監(jiān)測需求，在現(xiàn)有復(fù)合材料結(jié)構(gòu)被動監(jiān)測成果的基礎(chǔ)上，研究了基于波速修正和距離權(quán)值的Lamb波被動損傷監(jiān)測與定位成像技術(shù)，進行了傳感器陣列的距離權(quán)值與平均權(quán)值對比試驗和傳感陣列的距離權(quán)值法與四點圓弧定位法的對比試驗，說明了與傳統(tǒng)的被動定位監(jiān)測相比，該方法損傷定位誤差小，成像位置準確。

1 結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)波速修正值的標定

現(xiàn)有的Lamb波研究方法中，損傷的定位受到Lamb波波達時間計算精度的影響，波達時間由結(jié)構(gòu)中傳播的lamb波波速、結(jié)構(gòu)特性等因素決定[11-12]，對沖擊響應(yīng)波速的精確標定十分重要。波速修正值標定時，需要根據(jù)壓電片傳感器陣列的排布和區(qū)域的劃分，利用理論公式及試驗方法得到一個合理的波速恒定值，使沖擊損傷的定位更加精確。

利用相鄰兩個壓電傳感器的傳感數(shù)據(jù)進行配對，得到多組波速，每對傳感器數(shù)據(jù)得到的波速vij為

(1)

式中：i,j分別為壓電傳感器對應(yīng)的編號；ti,tj為經(jīng)過濾波后標定的i,j號壓電傳感器的波達時間；si,sj為沖擊損傷點到i,j號壓電片的距離；j=i+1，j≤K(K為壓電傳感器個數(shù))。

根據(jù)壓電傳感器個數(shù)K將板結(jié)構(gòu)分為R個區(qū)域，則發(fā)生在第k個區(qū)域幾何中心處的修正沖擊波速為：

(2)

(1) 對于沖擊損傷位置對稱的兩個傳感器來說，si=sj，但ti-tj≠0，則需要剔除這樣的0項，分母也應(yīng)相應(yīng)地減去相對應(yīng)的項數(shù)。

(2) 由于數(shù)據(jù)采集的誤差，一般ti≠tj。但要明確的是，如果出現(xiàn)了ti=tj，需要從vk中剔除相對應(yīng)的vij分量，分母也相應(yīng)減1。

通過式(2)求取當沖擊損傷發(fā)生在不同區(qū)域幾何中心點時的波速標定值，然后求和取平均值作為波速修正值，如式(3)所示。

(3)

式中：R為壓電傳感器總個數(shù)K所劃分板結(jié)構(gòu)的區(qū)域總個數(shù)；vR為區(qū)域R幾何中心處修正的沖擊波波速。

通過擴展傳感陣列和不同方向多次的試驗標定來計算沖擊響應(yīng)波的波速，并將其值引入到損傷定位成像算法中。

2 基于距離權(quán)值的定位成像方法

在傳統(tǒng)的四點圓弧定位方法中，傳感器數(shù)量較少，單個傳感器的誤差會影響整體沖擊損傷成像的準確性。由于復(fù)合材料板的各項異性，傳感器距沖擊點越遠，其傳感信息的可信度越低；損傷定位成像時，理論上傳感器的數(shù)量越多，定位的誤差越小。故適當?shù)財U展傳感器陣列及對定位成像方法賦距離權(quán)值可以提高損傷定位成像的準確性。

2.1 試驗對象坐標化及定位方法

利用微元的思想，將板結(jié)構(gòu)表面坐標化，并等分為M×N個等邊矩形像素塊，單像素點與損傷間的關(guān)系如圖1所示。像素塊的面積取決于整體可接受的誤差精度，其邊長一般與可接受誤差精度處于同一數(shù)量級。將每一個矩形像素塊的右下頂點作為其坐標值，使坐標的數(shù)值都為整數(shù)。

圖1 單像素點與損傷間關(guān)系示意

(4)

(5)

式中：對比度α的上標r為相鄰兩傳感器的對數(shù)；β為權(quán)值；S為像素點到各壓電片的距離，其上標為壓電傳感器的編號，下標為像素點的坐標。

擴展傳感器陣列中傳感器數(shù)量需適當，其在滿足易受損區(qū)域覆蓋的同時，盡量減少計算的復(fù)雜度及信號處理的復(fù)雜性。以8個傳感器為例，模擬沖擊發(fā)生在1，2，7，8號壓電傳感器所組成的區(qū)域中心，使用8個傳感器同時對傳感器陣列區(qū)域進行監(jiān)測，沖擊損傷監(jiān)測方法如圖2所示。

圖2 沖擊損傷監(jiān)測方法示意

通過對擴展傳感陣列的分析，將相鄰兩兩傳感器配對，得到的對比度計算公式為：

(6)

從式(6)可以看出，每個像素點的對比度由相鄰兩個傳感器對比度根據(jù)權(quán)值的不同求和而成，此權(quán)值為距離權(quán)值，相對于平均權(quán)值，其能夠弱化可信度低的傳感信息，同時增強可信度高的傳感信息。故設(shè)定及分配距離權(quán)值對定位成像的準確性尤為重要。

2.2 距離權(quán)值的設(shè)定及分配

根據(jù)傳感器擴展陣列的排布及各傳感器的信息，如不考慮權(quán)值的分配，只需設(shè)定每對傳感器對比度系數(shù)為0.1，即平均權(quán)值；如考慮到復(fù)合材料板的各項異性及各傳感器到?jīng)_擊點的距離不同，則傳感器距沖擊點越遠，傳感信息的可信度越低。各組對比度的權(quán)值比可簡化為傳感器到?jīng)_擊區(qū)域中心點距離的倒數(shù)比，即傳感器越靠近監(jiān)測區(qū)域，所產(chǎn)生的對比度的可信度越高(權(quán)值越高)。以沖擊發(fā)生在1，2，7，8號傳感器區(qū)域內(nèi)為例，設(shè)兩兩相鄰傳感器距離相等，陣列單元呈正矩形。則每對傳感器和沖擊發(fā)生區(qū)域的距離如圖3所示。圖中距離比為：

(7)

圖3 每對傳感器和沖擊發(fā)生區(qū)域的距離示意

為簡化起見，該方法中距離比與權(quán)值比設(shè)定為反比，即距離越大，權(quán)值越低。則權(quán)值比應(yīng)為：

β18∶β12∶β27∶β87∶β23∶β67∶β36∶β34∶β56∶β45=

(8)

為歸一化考慮，分配權(quán)值為：

(9)

每一個像素點都將有一個對應(yīng)的對比度，將這個對比度賦予像素點，能夠形成一個由多元素組成的M×N矩陣，對這個矩陣進行成像，能夠發(fā)現(xiàn)α越低的像素點與真正損傷點的對比差異越低，則其為沖擊損傷點的可信度越高，經(jīng)過設(shè)定閾值后，能夠在圖像上明顯看到可信度越高的像素點顏色越深。

3 試驗驗證及分析

3.1 試驗對象及方案 試件(矩形玻璃纖維復(fù)合材料板)結(jié)構(gòu)如圖4所示，試件厚度為3 mm，尺寸(長×寬)為1 000 mm×500 mm，壓電片個數(shù)為8，間距為250 mm。試件表面按照壓電傳感陣列進行排布，試驗中壓電片距邊框125 mm。左下角壓電傳感器編號1號，逆時針編號1，2，7，8號傳感器所組成的區(qū)域為A區(qū)，2，3，6，7號傳感器所組成區(qū)域為B區(qū)，3，4，5，6號傳感器所組成區(qū)域為C區(qū)。

由于矩陣成像的坐標軸原因，設(shè)8號為坐標原點，由原點向1號壓電片方向為x坐標軸正方向，由原點向5號方向為y坐標軸正方向。將整個監(jiān)測區(qū)域分為250×750個像素點，每個像素點為1 mm×1 mm的正矩形小塊。

圖4 試件結(jié)構(gòu)示意

試驗系統(tǒng)包括：上位機、NI-USB6366數(shù)據(jù)采集板卡、多通道帶寬電荷放大器、高頻功率放大器、已粘貼壓電傳感器復(fù)合材料板等。使用沖擊錘敲擊結(jié)構(gòu)表面模擬沖擊損傷。

3.2 傳感器陣列的距離權(quán)值與平均權(quán)值對比試驗

首先使用沖擊錘敲擊結(jié)構(gòu)表面模擬沖擊損傷，坐標為(125，125)，壓電傳感器接收到?jīng)_擊損傷信號, 由采樣頻率1 MHz計算得1～8號傳感器波達時間分別為1.362，1.366，2.020，3.759，3.628，1.416，1.018，1.335 ms。1號傳感器的原始和濾波后的沖擊響應(yīng)波形如圖5所示。

圖5 原始和濾波后的沖擊響應(yīng)波形

根據(jù)波速修正值的標定原理，進行多次試驗得到的波速修正標定值v為2 407.7 m·s-1，并以式(5)作為基準計算每一像素點的對比度，形成M×N階矩陣，每一個元素為每個像素點的對比度，對比度最低的即為損傷定位點。利用MATLAB軟件進行計算，如各組分配權(quán)值相同，其損傷定位點為坐標(114,129)；如按照距離比分配權(quán)值，其損傷定位點為坐標(117,126)，平均權(quán)值和距離權(quán)值的定位對比如表1所示(其中偏離差為坐標差與傳感陣列邊長d的比值)。

通過表1可得，相對于平均權(quán)值，基于傳感器擴展陣列的距離權(quán)值方法的沖擊定位誤差有了一定的減小，提高了定位的精度。此時，對M×N階像素點對比度矩陣進行成像，得到基于平均權(quán)值的成像效果，如圖6所示。

表1 平均權(quán)值和距離權(quán)值的定位對比

圖6 設(shè)閾值前后的基于平均權(quán)值的損傷成像效果

利用同一數(shù)據(jù)，對基于距離權(quán)值的M×N階像素點對比度矩陣進行成像，其損傷成像效果如圖7所示。

圖7 設(shè)閾值前后的基于距離權(quán)值的損傷成像效果

圖6和圖7分別為設(shè)閾值前和設(shè)閾值后的損傷成像，圖6(b)和圖7(b)中白色的方塊為實際損傷沖擊點。在設(shè)閾值前，基于距離權(quán)值的黑色加深區(qū)域明顯小于平均權(quán)值的黑色加深區(qū)域(黑色加深區(qū)域為像素點逼近沖擊點的區(qū)域，即對比度小)；在設(shè)閾值后，可以觀察到基于距離權(quán)值的損傷點更加靠近實際的沖擊損傷點。

3.3 傳感器陣列的距離權(quán)值法與四點圓弧定位法的對比試驗

Lamb波被動監(jiān)測技術(shù)中的四點圓弧定位方法以4個壓電片為圓心，速度乘傳播時間為半徑得到4條圓弧的交點?；跀U展陣列的距離權(quán)值定位法是對像素點對比度進行信息權(quán)值的賦予，并形成對比度矩陣，利用MATLAB軟件求出對比度矩陣中的最小值，即損傷點的坐標。

為了驗證該方法的適用性，該對比試驗的沖擊損傷設(shè)定為B區(qū)域的中心點，故使用沖擊錘敲擊結(jié)構(gòu)表面的模擬沖擊損傷的坐標為(125,375)。通過兩種方法分別定位沖擊損傷對應(yīng)的坐標，并計算定位誤差，兩種方法損傷定位誤差對比如表2所示。

表2 兩種方法損傷定位誤差對比

圖8 設(shè)閾值前后的四點圓弧法損傷成像效果

為了豐富表征結(jié)果，對四點圓弧法和基于距離權(quán)值的m×n階像素點對比度矩陣進行成像，四點圓弧法損傷成像效果如圖8所示，基于距離權(quán)值的損傷成像效果如圖9所示。

圖9 設(shè)閾值前后的距離權(quán)值法的損傷成像效果

圖8(a)和圖9(a)中顏色逐漸加深的黑色區(qū)域為損傷逼近區(qū)域，傳感陣列的距離權(quán)值法相較于四點圓弧法更加逼近沖擊損傷定位點，定位的精度更高。

4 結(jié)語

(1) 研究了波速修正值的標定方法，計算了沖擊響應(yīng)波速修正值。將此值應(yīng)用在距離權(quán)值的定位成像方法中，提升了試驗結(jié)果的準確度。

(2) 通過研究基于像素點對比度的損傷定位成像矩陣，提出了擴展傳感陣列的距離權(quán)值定位成像方法。通過對比試驗，沖擊損傷的定位精度得到提高。

[1] 孫麗梅.風(fēng)能利用現(xiàn)狀及前景分析[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù),2010,28(6):9-11.

[2] LI X,YANG Z,ZHANG H,et al.Crack growth sparse pursuit for wind turbine blade[J]. Smart Materials and Structures,2015,24(1): 2-9.

[3] 李曉艷,孫耀寧,鐘建友.風(fēng)機葉片材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計淺析[J].裝備制造技術(shù),2015,43(1):164-166.

[4] 朱永凱,潘仁前,陳盛票. 基于聲發(fā)射傳感器陣列的風(fēng)機葉片結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法[J].無損檢測,2010,32(10):753-756.

[5] HAYNES C,TODD M.Enhanced damage localization for complex structures through statistical modeling and sensor fusion[J]. Mechanical Systems and Signal Processing,2015,54/55:195-209.

[6] 袁洪芳,周璐.基于聲發(fā)射信號的風(fēng)機葉片裂紋定位分析[J].計算機工程與設(shè)計, 2011,32(1):320-323.

[7] LI D,CHUN M H,SONG G.A review of damage detection methods for wind turbine blades[J]. Smart Materials and Structures，2015, 24(3): 1-4.

[8] 袁慎芳.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[9] MISHRA S,KUMAR A,MISHRA R K.Structural health monitoring and propagation of lamb waves to identification of crack[J].Materials Today,2015,2(4/5): 1833-1840.

[10] 季賽,黃麗萍,孫亞杰.面向無線傳感結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的壓縮感知方法研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2013,26(12):1740-1746.

[11] STEPINSKI T, AMBROZINSKI L, UHL T. Damage imaging using Lamb waves for SHM application[C]. AIP Conference Proceedings.[S.l.]:[s.n], 2015.

[12] QUITERIO G M,CARLOS,GARCIA M,et al.A new fault location approach for acoustic emission techniques in wind turbines[J].Energies,2016,9(1):1-14.

Damage Localization and Imaging Method Based on the Corrected Wave Velocity and the Distance Weighting for Wind Turbine Blade

HUA Jie, WANG Qiang, HUI Dechang

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

Aiming at the problem that the damage localization error exists in the Lamb wave passive monitoring method,and the detection result is not intuitive and accurate,a solution for damage localization and imaging for wind turbine blade is proposed that is based on the corrected wave velocity and the distance weighting. The proposed solution assesses the structure of wind turbine blade and studies the revised velocity of shocking response wave demarcating method to the structure of composite material and damage location based on pixel contrast imaging matrix. The provided experiment results demonstrate that compared with traditional passive positioning monitoring, the locating error of the proposed method is smaller and the imaging position is more accurate.

Lamb wave ;passive monitoring method; wind turbine blade; orientation imaging matrix; corrected wave velocity; distance weighting

2016-12-03

國家自然科學(xué)基金重點資助項目(61533010);中國博士后基金資助項目(2015M570401);南京郵電大學(xué)先進技術(shù)研究院開放基金資助項目(XJKY15005);南京郵電大學(xué)科研資助項目(NY215093)

華 杰(1992-),男，碩士研究生，主要從事結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、精密儀器等方面的研究

王 強，wangqiang@njupt.edu.cn

10.11973/wsjc201707007

TN911.7;TB332；TG115.28

A

1000-6656(2017)07-0033-05