抽象性

结构健康监控对降低离岸风轮机安全临界组件和系统维护运营成本很重要本文建议原地无线SHM系统基础音频发射技术通过使用这一技术引入了若干挑战,原因有高采样率需求、通信带宽限制、存储空间和电源资源等为克服这些挑战,本文件侧重于两个因素:(1)使用a原地无线SHM技术并用低采样率声源本地化可模仿由工具、鸟击或强冰雹等不同物体造成的撞击损耗或听觉破解,所有这些都代表突发AE事件并可能影响受监控风轮叶片结构健康定位过程使用从别名AE信号提取的特征执行,该信号基于开发约束定位模型为了验证这些元素的性能,测试了拟系统,测试现场获取的模拟AE源定位

开工导 言

近海风轮机常位于难以到达的偏远地区。故障可造成重大故障并往往代价高昂解决为应对这些挑战,涡轮机正与结构健康监控系统相结合,以持续在线健康监控形式监测帮助检测结构健康异常变化,以便快速维护工监可方便监听场外切轮机而无安全风险一号,2..将SHM技术纳入从土木应用到工程应用如桥梁等多项应用3,4风轮机提供重大优势其中包括最大限度地减少运维费用以及为未来设计收集资料和数据并优化刀片的能力风轮叶片使用因轮机偏僻和在极端天气条件下可达性而面临相关挑战原地风轮机监测方法在应对这些挑战方面发挥关键作用,因为它们有助于在涡轮机运行期间检测故障,允许及时采取适当行动避免进一步的损耗或故障。

最近曾尝试扩展实验室方法原地监控系统静态运行5-10..这些原地技术显示风轮刀检验的潜力然而,这些技术可能耗时费钱,依赖定期检查间隔,并需要由操作者监督,使其对近海风轮机不切实际。对比之下,无线被动检验技术可能更适合提供原地监控主要原因是大量风田被安置在偏远地区,涡轮机体积变大这些因素使他们很难运通检查选择合适的被动技术并整合数项不同技术对开发强连通SHM系统[11..

驱动者建议原地sHM风轮叶系统基于无线传感器网络和声学发射技术集成AE是一种可应用到定位和评估复杂复合结构的被动技术[12..风轮机刀片使用时,AE允许调查风负载下结构缺陷除此以外,大多数类型的剑失效可检测AE波,包括破解启动和生长以及破解开关13..

WSN还提供理想方式向遥控单元发送AE感知数据将这两种技术整合到这一应用中面临数大挑战。大风轮叶片需要部署相当多的AE传感器才能实现完全刀片覆盖也有必要建议系统能全时感知刀片结构状况这些情况导致生成大量感知数据,从数据传输和内存空间方面讲,会超载WSNS资源

因此,本文件提议的监测系统结合新概念使用,即使用低采样率获取音频信号,在[14从而在风轮叶片监测过程期间可大幅减少数据中15使用从机上化名版本提取的不同AE特征监测环境条件的新颖性已得到验证论文旨在使用AE特征,如登陆时间和峰值放大,从机上化名查找AE源向作者说明,否原地无线SHM风轮叶系统尚未开发,使用低采样率比Nyquist标准查找AE源拟系统使用原地无线系统部署风轮叶片论文的主要贡献如下:i)通过实施原地纽卡斯尔大学安装的300W风轮机SHM系统使用低采样率概念二)使用从别名AE信号提取的特征定位模拟AE源并开发基于约束几何点定位技术风轮机复杂结构本地化模型验证性能,对拟系统测试并实现精确源定位结果论文结构如下内段2源定位方法使用低采样数据讨论用风轮叶定位人工AE源上头原地无线SHM系统监视风轮叶3.段内4显示策略获取AE事件和AE特征提取内段5显示AE源低采样率定位结果结语解析解析6.

二叉源端风力布丁

声源定位使用WSNs有一些可能的应用,包括入侵者检测、狙击手定位16..王等[17和Saric等[18号概述无线定位系统并详细分析WSNS典型源定位算法并定性中19号建基于PZT的无线复合撞击监控系统建议提供局部搜索区供进一步检查无线AE源定位技术在本文期间提出,拟用于风轮叶片SHM与上述研究不同之处在于它使用化名AE信号代之以原创信号定位过程因此结果显示于[17-19号并不适合进行公平比较 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

对比工作介绍20码serve时间和峰值放大等局部特征计算由单声无线单元局部提取后将这些特征传送到控制单元并装装引信估计AE事件位置

进行视线定位以测量AE信号在风轮叶片中传播速度此外,它还用于验证根据单个无线单元从别名版本提取的抵达时间定位AE事件的可能性风轮刀片由碳纤维制成,人工AE事件通过用金属球击剑生成球直径9毫米和质量3g

对实验来说重要的是追踪AE事件以便具体说明活动区或刀片(即受损刀片)。这有助于更多关注该区或刀片可分区化实现,每片分配AE无线单元,并比较无线单元接收AE信号的最大放大度,可指定活动片风轮叶大结构内活动区(即二维位置)可分片AE无线单元,可假设AE源在区域内小半无线单元在本案中,方法解释21号可应用到追踪AE源论文用分区定位来具体说明主动刀片,分节介绍定位结果5.约束点定位技术用于精确定位AE源 .

由于300W风轮机规模小,按图所示综合使用区段约束几何点定位一号(a).风轮叶片应用本地化技术时,需要先开发二维本地化模型为实现此目标,AE传感器假设按图显示配置一号(a).在这一配置中,还假设AE传感器位于二维平面内,AE生成信号按破折线表示的受限路径沿片段传播图中一号a)项 并 表示最短路径 并 ..

基于图显示配置一号和上述假设2D模型推导出图中显示一号最短路径 并 近似为 并 ..在本案中,约束几何点定位基本原则解释见[22号用于估计未知AE源坐标 并 表示图中未显示的双波拉相交化名AE信号到达时间特征使用第一个阈值跨出计算这种方法与提取信封并用,消除使用低采样率造成的歧义还可以提高捕获化名AE版本运抵时间的检测精度

应用简单时间同步程序克服无线单元时钟的漂移问题,无线单元时令按单个无线单元本地时数标注启动样本命令运抵时 .时间受单个时钟漂移的影响克服流出时,这些时标转换成全局时间全局到达时间 中位 即检测到AE信号的局部运抵时间 .已经进行了上文讨论的一系列视觉测量,以测试这种方法的强健性,即运抵时间用和不使用全局运抵时间关系计算

通过比较从两个案例获取的结果发现,使用上述全局抵达时间关系减少时间同步误差从46.33华府s至1.55华府s表示平均提高96.65%增强的原因是使用全局时间而不是局部时间会最小化单个无线单元时钟漂移效果

这样的改进将积极影响速度和定位测量基于检测到时间 并 检测到AE信号中使用标定法测量波传播速度 使用关系 : 中位 已知两个AE传感器(即无线单元)之间的距离因短片使用,只进行了少量测量然而,为显示这些测量的强健性重复性,每种都重复数倍,结果在节中讨论5.

研究拟议方法时进行数项实验,查找已知位置上人造AE事件生成的AE源,用直径和长度分别为15毫米和500毫米的塑料棒击片片片使用这些声音源的用意不是用石墨铅笔破解测试,而是模仿由工具、鸟攻击或强冰雹等不同对象造成的撞击损耗或听觉破解实验结果在Cection中讨论5.下一步讨论无线SHM搭建

3级西图市无线SHM风脉冲系统

3.1.无线遥感节点组件

开发原地SHM系统利用无线技术组成监控网络系统由MICAz模块组成,并配有传感器板(MTS310),用于开发无线系统,图中显示2.MICAzmotes表示目前廉价最新传感器技术之一,提供建设无线网络能力23号..MICAz为2.4GHz/IEE/ZigBee802.15.4板,装有4KB内存中心处理核心包含功能模块以收集、处理通信控制MPR2400基于AtmelATmega128L并能够高速运行达7.3兆赫mote还支持数字转换器10位仿真8通道0-3V输入范围

MTS310板全向麦克风传感器由AE传感器BNC连接器取代,图中显示2(b).AE传感器BII-7070调自Bentho波仪表公司http://www.benthowave.com/运行频率范围为 0.1Hz至400kHz mm.特征为相对小质量和低成本

所有感知单元通过射频接口与PC基站通信并编程在TinyOS环境24码..PC基站中包括一个MIB510网关板,内含MICAz移位,用它向PC转发提取特征或原始数据供监控处理

3.2西图市无线SHM系统部署

无线原型系统应用到电气电子工程学院顶部安装的300W风轮机风轮机三片由碳制成,直径1.5米每一AE传感器自主控制风轮机结构并记录AE事件各单元编程独有标识,以防止数据传输混乱

将整个组件子系统合并成一个系统,并分入风轮机单元原地监控需要,确保感知单元对风轮叶片的依存将持续很长时间实现此目标的方法是把无线单元放入防水塑料中,由风轮机鼻子电缆打扫安全其优点在于它使无线单元半径旋转极小,因此风轮叶片旋转对传输数据无效果这是因为路径损耗与无线单元旋转半径逆成比例25码..

图显示附加配置3保护管直径18.7毫米和长24毫米的部分用咸水粘到刀片上AE传感器置管并用螺旋固定,电缆由电缆持有,用咸地粘合胶片绑在刀片上产生此附加值的原因是它赋予系统灵活性,允许随时对AE传感器作修改,并最小化生成噪声与制表量比26..AE传感器以等距离300毫米连接,从根段沿片段近30%模拟法和实验法都发现这个区域更容易损坏[5..

从旋转刀片采集的AE数据通过无线介质发送到连接风轮机塔的MIB510串行网关数据随后可以通过有线或无线通信传送到遥控单元,例如使用Wi-Fi或任何其他无线技术无线信号传输限制研究可在实境中显示,不在本文件的范畴内,并已在今后的工作中加以考虑。网关通过串行电缆向实验室PC基站转发所收集的数据,串行电缆也用来为串行网关提供电源

整个风轮机单元安装无线SHM系统网关置入防水箱并附在风轮机塔旁,如上所述。网关基本用于发送启动感知命令和设定感知过程阈值并切换下一节讨论的传输模式指令由控制单元启动 控制单元位于学校实验室

为使控制单元与无线传感器单元之间的通信更容易并控制无线监控系统,设计了一个系统软件包包由PC运行,由操作包、ava应用和MATLAB脚本组成,提供方便用户图形用户界面前包由安装在MICAz硬件平台上的TinyOS操作系统执行,其主要功能是操作感知传输AE数据GUI用于控制开发无线监控系统并与之交互

4级现场研究

对于那些显然需要持续在线监控的现场研究,使用无线遥感系统需要分散数据处理方法(即机上无线单元)。在本案中,重要的AE特征可局部取自原始数据,只有那些特征可发送到收集点下一步介绍获取AE事件策略和特征提取算法以实地研究这项工作

4.1.同步遥感传输操作

感知AE事件在本应用中略微不同于[解释20码..这一过程从所有无线感知单元开始并接收启动命令,图中表示为s4.命令由基站广播并强制无线单元输入监听模式,从而使它们等待AE事件发生超过预设阈值,即ED表示。无线单元检测事件后,它们开始获取AE信号采样率近4.8KHz0.11s

完成感知操作后,感知单元开始执行基于传输模式的发送操作,下文讨论完成发送操作后立即重入监听模式,并用相同顺序重复类似程序

拟无线系统传输操作基于事件过程,无线单元不发送任何数据,除非检测出AE事件检测出AE事件后,这些单元将在完成采样过程后根据[战略解释20码..注意每个无线单元等待时间极小,因为传输过程所需时间短特别是传声矢量特性传输中包含从别名AE版本提取特征,因为这是默认传输选项,下文解释数据损耗将稀有,无需补偿每个传感器单元等待期间未捕捉的数据

视传输模式而定,无线单元会向控制单元发送原始数据或AVPs默认设置模式设为AVP模式无线单元处理原数据以便从化名版本提取aE特征单以AVPs形式寄送远程控制单元,而不是别名版本传输模式置入原始数据时,无线单元将遵循相同发送策略20码..不论传输模式如何,数据从各种无线单元收集并归并到控制单元作进一步分析

4.2信号处理和AE特征提取算法

无线系统开发基础使用MICAz平台,这些平台拥有有限的电力资源和低处理能力。相对简单信号处理算法需要考虑搭乘AE特征提取此外,为改进分析和定位结果,内容特征应从接收AE别名版本封装中提取,而不是从时域信号放大值中提取这是因为信封优化信号形状并最小化信号因降低采样率[14..封装化AE信号提取机上解析15相对简单非计算复杂算法使用

图5示例显示化名AE版本使用单极滤波提取信封化名版使用开发原地SHM系统

已知AE波异常瞬态活动,受引力应变场特征影响海浪可转换成数个实用AE参数或特征,图中显示6后用它识别事件其中一些参数如下[27号:i)放大度 最大增值通常用除参参测量二)升起时间 表示第一个阈值跨度与AE信号升到倍增时间之间的时间间隔三)持续时间 表示临界值第一个和最后一个交叉点之间的时间差四)计数 表示信号数跨界值第五大类电力局 中表示曲线下区域或方位采样值之和委 员 会抵达时间 表示第一个临界点跨出七)根平均平方 是一个统计平均参数用于相对长瞬态低采样率使用的好处之一是原型可保存,这有助于维护原创AE信号最突出信息或特征而无需重构表示上文讨论的最相关AE事件参数将保留,如果使用音频信号别名版幸运的是,其中大多数时间域特征并非所有常用AE特征都可从这些版本中提取举例说,计数是异常AE特征之一,原因是此特征表示起始点和临界值最后点间取时跨数中间交叉路口大多无法使用信封提取过程另一方面,表示这两个点间时间跨度的持续特征在本域仍然有效,因为阈值交叉点发生于这些点上。

包括峰值、到达时间、平均值和功率值等其他AE特征取自别名AE信号信封特征的长处是,在感知进程展开时可以计算出这些特征,而无需先获取全信号提取特征转至控制单元,并用于定位AE事件,下一节讨论

5级结果与讨论

评估新感知技术新概念14现场测试研究用无线定位测量原地无线SHM系统分节讨论3.在这些测量中,AE源位置估计基于本地从化名AE信号提取特征的使用下小节讨论系统功能定位AE事件由人工AE源驱动风轮叶片2.此类AE源可模拟撞击损害或听觉破解由工具、鸟击或强冰雹等不同对象所引起,所有这些都代表AE突发事件

5.1.视觉事件定位

不同的人工AE事件生成于已知位置并使用单风轮盘上视线定位局部化结果显示AE源定位潜力,根据抵达时间特征低采样率关系 用于定位aE源 距离首次点入AE传感器 速度测量 运抵时间差AE传感器六大实验结果汇总表一号.

从表显示结果一号实际和估计结果匹配总误差4.13%百分比误差计算 表显示一号,估计误差率随距离下降 增量这是因为低采样率的使用导致空间分辨率下降,而空间分辨率下降则增加信号运抵时间检测误差 变小采样速度采集数据对AE定位精度不产生作用

5.2主动刀片识别

主动(损耗)刀片识别对南居应用近海风轮叶片具有重要意义这是因为它可以限制检验过程 以特定刀片, 节省成本和时间图7显示AE别名信号因单击三片静态而接收每种读取由500个样本组成,所有样本均由简单阈值跨值条件(100mv)启动,该条件经实验选择高于噪声水平图7(a)显示击剑一号结果很明显,这块剑上正发生强AE事件,在事件检测和定位中需要加以考虑,下一步讨论时需要加以考虑另2块显示向二叉和三叉传播事件结果

对比度图7(b)并7(c)描述击剑二叉和三叉两种情况中,最强化用AE信号可用以说明哪把刀受攻击,而弱信号则因两种最强化用AE信号传播到其他刀片中而获取。此外,图中可见7(a)图中显示的波形与图中显示的波形略微差7(b)并7(c)中首显示主打结果后有小打结果

图中显示这些别名信号7并显示在获取过程应用比Nyquist要求低的统一采样率仍可保留AE信号的形状或内装物形状和常用AE特征与AE信号相关联27号..这是SHM应用中抽取AE特征中非常重要的一项标准,而SHM应用中以前使用随机预测样本时使用的技术不满足[28码..

主动刀片的判定也可以基于收到的AVPs实现,图解显示8总结图中显示的结果7.每一次测试最大峰值表示点击主动刀片表示图显示8并基于峰值,第一次测试显示AE事件发生于第一片上,而第二和第三片上则分别发生于第二和第三片上。所得结果可与约束几何点定位技术合并使用,为大规模风轮叶片提供更精确源定位结果,如下文所述

5.3约束几何点AE事件定位

图中传感器配置对称一号a距离 已知等价 运抵时间 并 等值表示 .因此,传播路径上的任何两个传感器都足以估计距离 并随之坐标 .并如C节所解释的那样,一旦主动刀片基于分区位置指定2后图中建议模型一号可作相应调整。

研究拟议方法时进行无线实验查找人工AE事件在已知位置上生成的AE源为此目的,AE传感器位置修改为50cm,而不是每片30cm,以便为改变值提供更多空间 .测量中标定法解析2用于测量波传播速度从测量时间差 不同的AE传感器对刀片, 并被发现约2x10⁴ms平均值得一提的是,随着两个AE传感器之间的距离下降,测量速度变得不精确原因在于速度测量将受两个传感器之间的小距离支配,而两个传感器以中枢风轮机复杂结构为主,而随着距离增高,速度测量将受简单单维片结构为主

本地化结果汇总表2.从这些结果中,实际结果和估计结果密切匹配整体误差为7.98%,显示拟议AE源定位模型的可行性,采样率比Nyquist率低得多,具体风轮机结构比Nyquist率低得多。百分数误差计算一号)可见百分数误差随下降而增加 .这是因为像 减少AE传感器信号运抵时间差也下降估计误差增加此外,从这里获取的结果显示2厘米内有系统误差,这极有可能是由于AE传感器和风轮叶片之间的距离差这些结果还显示采样速度获取数据并不损害AE定位精度此类结果,虽然对小风轮机系统而言,显示极有可能扩展至大型近海风轮叶片

6级结论

本文中实施原地SHM风轮叶系统基于AE技术与无线技术集成介绍开发系统整合到Newcastle大学顶部安装的300W风轮机上系统用于评价前工作提议的低采样声音定位技术实现该目标的方法是使用从机载无线单元别名AE信号提取的内容基特征查找模拟撞击源

此外,开发了局部约束点定位技术模型并应用到三种风轮叶片上无线定位测量评估风轮叶模型定位能力结果表明该模型的可行性AE源定位采样率比Nyquist率低得多

此类结论对无线SHM系统的进一步设计开发及其开发应用原地近海大型风轮叶状况监控系统这项工作的进一步研究将考虑低采样率AE特征,这些特征可用于识别损害

利益冲突

撰文者声明,本论文的发布不存在利益冲突问题。

感知感知

作者想感谢FP7HEMOW项目“近海风控区健康监控”(FP7-PEOPLE-2010-IRSES269202,http://www.hemow.eu/),为工作供资撰文者还想对机械电子工场(纽卡斯尔大学电气电子学院)的所有人表示感激,他们全力支持实现成功