風(fēng)能是一種可再生能源，近年來(lái)隨著風(fēng)能穩(wěn)定性的提高和風(fēng)電葉片成本的進(jìn)一步降低，這種綠色能源得到了快速的發(fā)展。風(fēng)電葉片是風(fēng)電系統(tǒng)的核心部分，它的轉(zhuǎn)動(dòng)可以將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為可用能源。風(fēng)電葉片一般都是由碳纖維或玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制備，在生產(chǎn)和使用過(guò)程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)缺陷和損傷，因此無(wú)論是生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量檢測(cè)，還是使用過(guò)程中的跟蹤檢測(cè)都顯得十分重要。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和風(fēng)電質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)也成為了風(fēng)電葉片生產(chǎn)和使用過(guò)程中非常重要的技術(shù)。
1 風(fēng)電葉片的常見(jiàn)缺陷
風(fēng)電葉片在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷可能會(huì)在后續(xù)風(fēng)力系統(tǒng)正常運(yùn)作過(guò)程中發(fā)生變化，從而造成質(zhì)量問(wèn)題，其中最為常見(jiàn)的缺陷就是葉片上的微小裂紋（通常產(chǎn)生在葉片的邊緣、頂部或者尖端處）。而造成裂紋的原因主要來(lái)源于生產(chǎn)過(guò)程中的缺陷，如脫層等，通常發(fā)生在樹(shù)脂填充不完善區(qū)域。其他缺陷還有表面脫膠、主梁區(qū)域脫層和材料內(nèi)部的一些孔隙結(jié)構(gòu)等。
2 傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)
2.1 目視檢測(cè)
目測(cè)法被廣泛用于航天飛機(jī)或橋梁上的大尺寸結(jié)構(gòu)材料的檢測(cè)。由于這些結(jié)構(gòu)材料的尺寸都非常大，所以目視檢測(cè)所需的時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)，此外檢測(cè)的準(zhǔn)確度也依賴(lài)于檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)。由于一些材料屬于“高空作業(yè)”領(lǐng)域，因此檢測(cè)人員工作的危險(xiǎn)性較高。在檢測(cè)過(guò)程中檢測(cè)人員一般會(huì)配備一個(gè)長(zhǎng)鏡頭的數(shù)碼相機(jī)，但是長(zhǎng)時(shí)間的檢測(cè)過(guò)程會(huì)造成眼睛疲勞。目測(cè)法可以直觀的檢測(cè)到材料表面的缺陷，但是內(nèi)部結(jié)構(gòu)的缺陷卻無(wú)法檢測(cè)到，因此還需要其他有效的手段來(lái)評(píng)價(jià)材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。
2.2 超聲及聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)
超聲波和聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是最常用的風(fēng)電葉片檢測(cè)技術(shù)，可細(xì)分為超聲回波、空氣耦合超聲波、激光超聲波、實(shí)時(shí)共振光譜技術(shù)以及聲發(fā)射技術(shù)等。迄今為止，這些技術(shù)都已經(jīng)被用于風(fēng)電葉片的檢測(cè)。
（1）超聲回波技術(shù)
超聲回波技術(shù)是一種常用的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)的原理也十分簡(jiǎn)單，短脈沖的超聲信號(hào)施加到目標(biāo)區(qū)域，然后信號(hào)經(jīng)過(guò)散射和反射之后被檢測(cè)到，通過(guò)信號(hào)處理獲取圖像數(shù)據(jù)。而檢測(cè)區(qū)域的深度則由信號(hào)結(jié)構(gòu)的時(shí)間來(lái)確定，因此該技術(shù)可以有效地檢測(cè)碳纖維和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的厚度。超聲波經(jīng)過(guò)材料后會(huì)形成回波，如果樹(shù)脂和纖維結(jié)合不是很好的，信號(hào)會(huì)很明顯也很快被檢測(cè)到；反之，信號(hào)則會(huì)出現(xiàn)延遲或者消失。對(duì)于高阻尼材料需要施加高電壓脈沖，高頻波相比低頻波更加容易衰減，因此對(duì)于高阻尼材料低頻波更加有利于檢測(cè)，不同的聲波匹配不同的尺寸的缺陷，因此選取合適頻率的波長(zhǎng)取決于材料的阻尼性能和測(cè)試的分辨率兩方面的因素。（數(shù)據(jù)來(lái)源：Juengert A, Grosse CU. Inspection techniques for wind turbine blades using ultrasound and sound waves. Nantes, France: Non-Destructive Testing in Civil Engineering; 2009）
此外還可以將風(fēng)電葉片浸沒(méi)在水中進(jìn)行聲波檢測(cè)，利用不同的聲波轉(zhuǎn)換器（聚焦2.2 MHz和平面00KHz），可以有效地檢測(cè)材料內(nèi)部存在的缺陷尺寸。（數(shù)據(jù)來(lái)源：Jasi ūnien? E, Jasi ūnien? E Rai?utis R, ? literis R, Volei ?is A, Jakas M. Ultrasonic NDT of wind turbine blades using contact pulse-echo immersion testing with moving water container. Ultrasound ）
在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上人們還開(kāi)發(fā)出二維超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，可隨身攜帶，通過(guò)信號(hào)處理對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像化，從而精確的檢出缺陷區(qū)域，并對(duì)風(fēng)電葉片進(jìn)行維護(hù)，這樣可以節(jié)約大量的時(shí)間。
（2）導(dǎo)波檢測(cè)
導(dǎo)波檢測(cè)也屬于無(wú)損檢測(cè)范疇，是通過(guò)機(jī)械力沿內(nèi)部結(jié)構(gòu)傳播，傳播距離長(zhǎng)，衰減較小。導(dǎo)波傳遞過(guò)程中遇到缺陷區(qū)域會(huì)產(chǎn)生散射和反射信號(hào)，一般對(duì)回波進(jìn)行測(cè)試或者對(duì)間歇脈沖進(jìn)行測(cè)試，而收集的信號(hào)主要包括信號(hào)收集時(shí)間和振幅等，根據(jù)這些獲取的信號(hào)就可以獲得缺陷的信息。長(zhǎng)程超聲測(cè)試主要采用低頻率的導(dǎo)波來(lái)檢測(cè)玻纖增強(qiáng)風(fēng)電葉片。測(cè)試設(shè)備主要由低頻信號(hào)發(fā)生器、單軸信號(hào)掃描器和信號(hào)接收轉(zhuǎn)化器構(gòu)成。信號(hào)轉(zhuǎn)化器為PZT類(lèi)型，需要使用耦合劑。該技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電葉片監(jiān)測(cè)過(guò)程中也存在著不足之處，主要是因?yàn)椴牧蟽?nèi)部的各向異性和生產(chǎn)過(guò)程造成的不均一性增加了測(cè)試過(guò)程中波的衰減和散射。
（3）超聲相控陣/超聲線陣列
相比傳統(tǒng)的超聲轉(zhuǎn)換裝置，相陣列超聲檢測(cè)裝置由16～256個(gè)小的脈沖發(fā)生裝置組成。一個(gè)相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)高端的計(jì)算機(jī)設(shè)備來(lái)控制和運(yùn)行不同的元件，然后進(jìn)行檢測(cè)和收集回波信號(hào)。相比傳統(tǒng)的缺陷檢測(cè)，相控陣檢測(cè)系統(tǒng)可以通過(guò)不同的路徑來(lái)完成信號(hào)收集，因此增加了檢測(cè)的靈活性和有效性。
（4）空氣耦合超聲檢測(cè)
空氣耦合超聲檢測(cè)和普通超聲波的傳遞過(guò)程一樣，唯一的區(qū)別在于耦合介質(zhì)的不同，空氣耦合超聲檢測(cè)過(guò)程中，空氣取代了水和凝膠介質(zhì)。該檢測(cè)技術(shù)是一種無(wú)接觸的測(cè)試技術(shù)，可以有效地消除水和凝膠在測(cè)試過(guò)程中帶來(lái)的微小變動(dòng)，因此該技術(shù)的測(cè)試校準(zhǔn)和檢測(cè)過(guò)程都較快。
（5）激光超聲檢測(cè)
激光超聲技術(shù)出現(xiàn)于1960年，此后被用于材料的無(wú)損檢測(cè)。激光超聲檢測(cè)技術(shù)的圖像可以在單一點(diǎn)進(jìn)行激發(fā)產(chǎn)生超聲波，從而造成超聲波在材料內(nèi)部傳遞，反映出不同區(qū)域的內(nèi)聚結(jié)構(gòu)。此外還可以通過(guò)對(duì)多點(diǎn)進(jìn)行激發(fā)掃描獲取測(cè)試圖像。超聲波可以在高能脈沖激光的激發(fā)下獲取。Park B等利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)電葉片脫層和脫膠現(xiàn)象的可視化檢測(cè)，該檢測(cè)技術(shù)在脫層區(qū)域存在信號(hào)衰減現(xiàn)象，相應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)。（數(shù)據(jù)來(lái)源：Park B, An YK, Sohn H. Visualization of hidden delamination and debonding in composites through noncontact laser ultrasonic scanning. Compos Sci Technol .）
該技術(shù)存在著明顯的優(yōu)點(diǎn)：
（1）不需要額外安裝傳感器；
（2）可以在惡劣環(huán)境下快速完成檢測(cè)；
（3）可視化的圖像數(shù)據(jù)且可以完成自動(dòng)檢測(cè)。
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