风电叶片脱层损伤的声振检测技术研究

【摘要】：对风力发电设备进行无损检测是增加其寿命、降低维护成本的有效手段，在叶片的寿命期内及早的发现叶片存在的损伤，尤其是脱层损伤变得极为重要。 本文首先论述了叶片在其寿命周期各个阶段出现脱层损伤的类型，并综述了国内外针对复合材料无损检测所使用的方法；然后对声振法进行了理论建模分析，确定了可以表征脱层缺陷信息的特征参数，并以此作为检测仪器设计的基础。 论文论述了基于FPGA的风电叶片脱层损伤检测仪的工作原理。通过敲击锤激振叶片，对锤内力传感器所获取的信号进行特征分析，当叶片出现脱层时，缺陷处刚度下降，敲击力持续时间增大。 仪器的制作包括敲击锤的制作、硬件电路设计和软件设计三个部分。敲击锤的设计在考虑材料属性和质量要求后选择尼龙锤头，钢铁锤身的结构，并将压电薄膜传感器内嵌在锤头内。硬件电路的设计包括阻抗匹配、极性转换电路和滤波放大电路，将所得的信号分别输入数字信号处理模块和模拟信号处理模块。系统的核心器件为Altera的FPGA，对其软件部分的设计包括两个方面，一是数字逻辑模块，用来直接对力信号的持续时间进行检测，整个模块可直接作为后续SOPC系统的外设部件；二是SOPC系统的搭建，主要实现数据的采集、分析、显示和通信等功能。 本文最后利用所研制的损伤检测仪对标准试件和实际损伤叶片进行了实验研究。实验数据显示，此仪器对薄层的脱层损伤具有良好的检测效果，并可依据检测结果的变化趋势规划脱层检测路径。 【关键词】：风机叶片 脱层 声振法 敲击锤 FPGA SOPC
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM315;TG115.28
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-12
• 缩略词12-13
• 第一章 绪论13-21
• 1.1 研究背景及意义13
• 1.2 风电叶片及其脱层损伤概述13-16
• 1.3 国内外叶片损伤检测研究现状16-19
• 1.4 本文工作内容19-21
• 1.4.1 主要工作内容和创新点19-20
• 1.4.2 论文的结构安排20-21
• 第二章 声振法的理论分析21-28
• 2.1 敲击法简介21
• 2.2 整体敲击法和局部敲击法21-22
• 2.2.1 整体敲击检测法22
• 2.2.2 局部敲击检测法22
• 2.3 局部敲击检测理论和相关检测特征22-26
• 2.4 基于 FPGA 的脱层损伤探测仪总体设计和功能说明26-27
• 2.5 本章小结27-28
• 第三章 基于 FPGA 的脱层损伤探测仪敲击锤设计28-36
• 3.1 传感器选择28-30
• 3.1.1 压电效应28
• 3.1.2 压电材料28-29
• 3.1.3 SDT_Series 压电薄膜传感器29-30
• 3.2 敲击锤的设计30-35
• 3.2.1 材料的选择30-31
• 3.2.2 敲击锤质量 m 计算31-32
• 3.2.3 敲击锤制作32-35
• 3.3 本章小结35-36
• 第四章 基于 FPGA 的脱层损伤探测仪硬件设计36-51
• 4.1 设计需求分析36-37
• 4.2 调理电路模块设计37-42
• 4.2.1 自制敲击锤调理电路37-39
• 4.2.2 RD3数字锤信号调理电路39-40
• 4.2.3 切换开关电路40-41
• 4.2.4 比较电路41
• 4.2.5 A/D 采样电路41-42
• 4.3 FPGA 电路模块设计42-50
• 4.3.1 FPGA 简介42-44
• 4.3.2 FPGA 电源模块电路44-46
• 4.3.3 外设单元电路46-50
• 4.4 本章总结50-51
• 第五章 基于 FPGA 的脱层损伤探测仪软件设计51-72
• 5.1 敲击力脉冲持续时间的数字模块设计51-55
• 5.1.1 检测原理51
• 5.1.2 模块框架设计51-52
• 5.1.3 基于 Verilog HDL 的程序设计及仿真52-55
• 5.2 FPGA 内核 Nios II 的软件设计55-70
• 5.2.1 SOPC 和 Nios Ⅱ简介55-56
• 5.2.2 系统开发流程56-57
• 5.2.3 SOPC 系统平台搭建57-65
• 5.2.4 Nios Ⅱ软核处理器程序设计65-70
• 5.3 FPGA 软件设计综合70-71
• 5.4 本章总结71-72
• 第六章 仪器制作和实验研究72-81
• 6.1 基于 FPGA 的脱层损伤探测仪制作72-73
• 6.1.1 损伤探测仪结构介绍72-73
• 6.1.2 仪器功能介绍73
• 6.2 标准试件制作73-75
• 6.2.1 玻璃钢脱层试件制作73-74
• 6.2.2 PVC 芯材脱层试件制作74-75
• 6.3 试件实验分析75-79
• 6.3.1 同深度不同直径敲击实验75-76
• 6.3.2 同直径不同深度敲击实验76-77
• 6.3.3 脱层平面区域的敲击实验77-78
• 6.3.4 PVC 芯材脱层试件敲击实验78-79
• 6.4 损伤叶片构件实验分析79-80
• 6.5 本章总结80-81
• 第七章 总结与展望81-83
• 7.1 全文总结81-82
• 7.2 存在的问题与展望82-83
• 参考文献83-86
• 致谢86-87
• 在学期间发表论文和科研成果87

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