一種基於小波分析的風電機組聲發射信號處理方法與流程
2023-05-20 14:38:17
本發明涉及聲發射信號處理方法，特別是涉及一種基於小波分析的風電機組聲發射信號處理方法。
背景技術：
近年來，風電機組的裝機數量越來越多，隨之而暴露的風電機組的問題也越來越多。風電機組屬於大型機械設備，對於機械設備來說，螺栓起著至關重要的作用。近幾年，由於螺栓問題而導致的掉槳葉，塔筒折斷等時有發生。傳統人工巡檢的方式效率較低，費時費力，特別是對風電機組輪轂螺栓進行人工巡檢時，必須在風電機組停機的狀態下進行，嚴重製約了風電機組的生產效率。因此，急需一種簡便、高效的風電機組聲發射信號處理方法。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術的缺陷，提供一種自動化程度高、人工幹預少、監測結果準確、測量精度高的基於小波分析的風電機組聲發射信號處理方法。
為實現上述目的，本發明採用了如下技術方案：
一種基於小波分析的風電機組聲發射信號處理方法，包括以下步驟：
(1)提取聲發射信號小波係數：
(2)將小波變換的係數處理成一個概率分布序列Pi：
其中，|Wx(ai，t)|為小波係數值，M為小波係數取不同種尺度數；
(3)計算shannon小波熵，即：
(4)令fc＝1，得到shannon小波熵與不同fb參數的關係曲線，關係曲線中當shannon基於小波分析的風電機組聲發射信號處理方法小波熵最小時，所對應的fb就是控制小波形狀的最優帶寬參數；
(5)根據最優fb計算最優Morlet小波基函數，此時的小波基函數與採集到的聲發射信號最匹配，即：
式中fb是最優帶寬參數，用於平衡小波的時頻解析度，決定波形振蕩衰減的快慢程度；fc是中心頻率，決定了小波波形的振蕩頻率，可取fc＝1；
(6)計算重分配尺度譜，即：
(7)根據重分配尺度譜特徵，判定螺栓斷裂狀態。
本發明提供的基於小波分析的風電機組聲發射信號處理方法能夠實時監測風電機組塔身和漿葉固定螺栓工作狀態，及時發現螺栓裂紋、斷裂等情況，並提醒設備維護人員儘快開展檢修，從而提升風電機組運行的安全性和可靠性。
附圖說明
圖1是本發明一種基於小波分析的風電機組聲發射信號處理方法所採用裝置的整體結構示意圖；
圖2是本發明一種基於小波分析的風電機組聲發射信號處理方法所採用裝置的前置放大電路結構圖；
圖3是本發明一種基於小波分析的風電機組聲發射信號處理方法所採用裝置的DSP數據採集與預處理模塊結構示意圖；
圖4是本發明一種基於小波分析的風電機組聲發射信號處理方法的整體流程示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖1至4，進一步說明本發明一種基於小波分析的風電機組聲發射信號處理方法的具體實施方式。本發明一種基於小波分析的風電機組聲發射信號處理方法不限於以下實施例的描述。
如圖1所示，是本發明一種風電機組螺栓斷裂監測裝置的整體結構示意圖，包括用於採集聲發射信號的聲發射傳感器、用於數據預處理的前置放大電路、用於數據分析的DSP數據採集與預處理模塊和用於信息處理的計算機系統。DSP數據採集與預處理系統為聲發射信號信號處理系統的硬體核心，計算機系統的信號分析和處理為聲發射信號處理系統的軟體核心，結合相應的硬體裝置實現聲發射源監測功能。DSP數據採集與預處理系統可以高速、同步採集多通道聲發射信號，對預處理後的信號進行高速傳輸，並實現信號的實時處理，包括濾32位PCI總線接口聲發射傳感器DSP數據採集與預處理系統前置放大電路採集量化預處理邏輯控制計算機系統信息處理綜合分析顯示記錄波和參數提取。整個系統主要任務就是完成聲發射信號採集，數據預處理，數據分析和處理、顯示、存儲等系統功能。其工作流程是聲發傳感器採集的信號經過前置放大電路放大後傳輸至DSP控制處理系統，基於PCI總線的DSP處理卡完成聲發射信號的量化採集、數字濾波和部分信息處理，通過數據經總線送至通用計算機，由其完成數據的處理、分析與顯示，並對螺栓斷裂情況進行報警。
聲發射傳感器將接收到的聲發射信號以電信號的形式輸出，其性能對測試結果非常重要，是聲發射檢測的一個重要環節。聲發射傳感器一般由壓電陶瓷材料製成，不同的頻率具有不同的靈敏度，選擇時主要考慮其諧振頻率、靈敏度、溫度範圍、結構形式、信號接口等因素，特別是傳感器的諧振頻率應滿足待測設備、材質、耦合介質等的需求，實際應用時可以根據不同檢測目的和環境採用不同結構和性能的傳感器。本發明需要對聲發射信號進行波形分析，檢測的聲發射信號頻率在100k Hz～300kHz範圍，因此選用了PAC公司的WD型寬頻響應差動結構聲發射傳感器。該器件屬於壓電式傳感器，阻尼小、諧振時具有高達+60dB的靈敏度，帶寬為100kHz～2MHz。
如圖2所示，是本發明前置放大電路的結構圖。由於聲發射傳感器輸出的電壓信號很弱，有時低至微伏數量級，如此微弱的信號若再經過長線傳輸送入聲發射信號處理單元，信噪比必然要降低。因此，必須在聲發射傳感器附近設置前置放大器。本發明前置放大電路主要包括前置放大器、濾波器和主放大器三個部分，具有阻抗匹配、預放大和抑制噪聲等功能，濾波器的功能是濾除環境噪聲，主放器則具有聲發射信號電壓放大功能。經過前置放大電路的處理可以將微弱的聲發射信號從噪聲中提取出來，放大後再經過高頻同軸電纜長線傳輸給信號的處理單元。
前置放大器具有低噪聲、高增益的特點，還需具有比較大的輸出動態範圍。等效噪聲阻抗要與信號源的輸出阻抗相匹配，以防信號衰減。共模抑制比要高，使前置放大器與聲發射傳感器實現噪聲匹配，以達到最小的噪聲係數，提高信噪比。檢測微弱的聲發射信號時，由於信號是微伏級的，噪聲可能達到毫伏級，放大的噪聲其峰值會導致放大器後級過載，引起系統非線性失真，產生較大的測量誤差。因此前置放大器一個重要的技術指標噪聲電平一般應小於10微伏，這一級的電壓放大倍數不宜過高，以防止過載，通常設為10倍。另外對於單端器要配用單端輸入前置放大器，對於差動器要配用差動輸入前置放大器，後者比前者具有一定的抗共模幹擾能力。因此本文選擇差動放大方式，聲發射傳感器的信號送入前置放大器的差動輸入端，聲發射信號產生相反極性的信號，它們的差值被放大，電磁幹擾信號的極性相同，這樣就抑制了共模信號，信噪比得到較大提高。
濾波器具有帶通濾波功能，採用由低通濾波器和高通濾波器組合而成帶通濾波器。濾波器的工作頻率是依據環境噪聲和材料本身的聲發射信號頻率確定的。機械噪聲一般都在幾十千赫以下，如果採用帶通濾波器，在確定工作頻率f以後，只要再確定相對帶寬△f/f即可。△f/f過寬會引入外界噪聲，過窄會使聲發射信號減少，需要折衷考慮，
主放大器完成信號放大功能，為適應不同的輸入信號幅度，放大器的增益可調，增益開關設置在本級放大中，以不破壞系統的噪聲特性。通過主放大器可將聲發射信號提高20～60dB，以滿足後續A/D接口電路的輸入電平要求。
如圖3所示，是本發明數據採集與預處理系統的結構示意圖。聲發射信號能量主要集中在100KHz-150KHz，要求數據採集系統高速採樣並進行初步處理，以DSP和FPGA為核心構成的嵌入式數據採集處理系統，其單指令周期達到ns級，既可高速採集數據，又可通過PCI總線與計算機系統交換數據。本發明選用TI公司的TMS320F2812作為核心處理器，32位CPU，採用哈佛總線結構，可進行32位乘法運算，150MPS的執行速度使得指令周期減小到6.7ns，可快速響應中斷及中斷處理，使用C/C++和彙編語言編程，片內高達128K字的FLASH存儲器完全滿足編程需要。為方便程序調試和修改，系統外擴了CYPRESS公司的CY7C1041CV33SRAM，其容量為256K×16位，讀寫周期時鐘快達12ns，能夠與DSP進行零等待狀態接口，可以有效保證DSP的運算速度。
如圖4所示，本發明提出的一種基於小波分析的風電機組聲發射信號處理方法，主要包括以下步驟：
(1)提取聲發射信號小波係數：
(2)將小波變換的係數處理成一個概率分布序列Pi：
其中，|Wx(ai，t)|為小波係數值，M為小波係數取不同種尺度數；
(3)計算shannon小波熵，即：
(4)令fc＝1，得到shannon小波熵與不同fb參數的關係曲線，關係曲線中當shannon基於小波分析的風電機組聲發射信號處理方法小波熵最小時，所對應的fb就是控制小波形狀的最優帶寬參數；
(5)根據最優fb計算最優Morlet小波基函數，此時的小波基函數與採集到的聲發射信號最匹配，即：
式中fb是最優帶寬參數，用於平衡小波的時頻解析度，決定波形振蕩衰減的快慢程度；fc是中心頻率，決定了小波波形的振蕩頻率，可取fc＝1；
(6)計算重分配尺度譜，即：
(7)根據重分配尺度譜特徵，判定螺栓斷裂狀態。
以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬於本發明的保護範圍。