裂纹监测装置及风力发电机组的制作方法

本实用新型涉及一种裂纹监测装置及包括其的风力发电机组。

背景技术：

对于机械设备而言，在各种应力的作用下，在设备材料的内部会产生裂纹，并且裂纹逐渐扩展，使得机械设备表面产生裂纹，当表面出现裂纹时，会导致设备的机械性能急剧降低。机械设备在制造和使用过程中会不可避免地存在应力集中和浅表裂纹，随着在使用过程中承受交变载荷，应力集中和浅表裂纹会在使用过程中突然引发疲劳断裂，其危害极大。因此，及时检测设备的应力集中和表面裂纹有着非常重要的意义。

技术实现要素：

本实用新型提供一种裂纹监测装置及包括其的风力发电机组，可基于图像识别进行实时在线裂纹监测，能够自动识别出裂纹并发送报警信号，及时发现风力发电机组的裂纹，有效降低了风力发电机组的运行风险。

根据本实用新型的一方面，提供一种裂纹监测装置，裂纹监测装置包括成像装置，成像装置包括固定架、云台和相机，固定架结合在待监测设备上，相机设置在云台中，云台与固定架通过枢转轴和限位件连接，并且云台能够绕枢转轴相对固定架旋转，以调整相机的俯仰角，云台或固定架上形成有限位孔，限位件插在限位孔中，锁定云台相对于固定架的旋转角度。

优选地，云台可包括相机保持部和第一连接部，相机可固定在相机保持部中，第一连接部可从相机保持部的上部边缘突出，限位孔可形成在第一连接部上，并且可具有圆弧形状。

优选地，固定架可包括支撑管件和固定夹，固定夹可夹在支撑管件上，第一连接部可连接到固定夹。

优选地，固定夹上可形成有第二连接部，第二连接部上可形成有第一孔和第二孔，第一孔和第二孔可为长条孔，枢转轴可插在第一孔中，限位件可插在第二孔中。

优选地，云台和固定架之间相对旋转的角度可在-20°到20°的范围。

优选地，相机可包括光源，或者相机可为红外相机。

优选地，裂纹监测装置还可包括通信装置和裂纹识别装置，通信装置可将相机捕获的图像传输到裂纹识别装置，裂纹识别装置可根据图像进行裂纹识别。

优选地，通信装置可通过无线传输将相机捕获的图像传输到裂纹识别装置。

根据本实用新型的另一方面，提供一种风力发电机组，风力发电机组包括如上所述的裂纹监测装置，裂纹监测装置的成像装置设置在轮毂内侧。

优选地，裂纹监测装置还可包括通信装置和裂纹识别装置，通信装置可将相机捕获的图像传输到裂纹识别装置，裂纹识别装置可根据图像进行裂纹识别，通信装置可包括设置在轮毂内的第一无线路由器和设置在机舱内的第二无线路由器。

根据本实用新型的裂纹监测装置及风力发电机组，可以实时在线监测诸如风力发电机组的轮毂等的裂纹情况，有效减少了人工巡检的工作量，实现了实时不间断监测，将裂纹的风险控制在最初阶段，有效降低了设备运行的风险。一旦发现裂纹，可以及时采取相关措施，避免了裂纹继续扩大。

附图说明

图1至图3是示出根据本实用新型的实施例的裂纹监测装置的立体图。

图4是根据本实用新型的实施例的裂纹监测装置的支撑管件的安装部的示意图。

图5是根据本实用新型的实施例的裂纹监测装置的第一图像传输方式的示意图。

图6是根据本实用新型的实施例的裂纹监测装置的第二图像传输方式的示意图。

图7是根据本实用新型的实施例的裂纹监测装置的裂纹识别装置进行图像识别的流程图。

图8是根据本实用新型的实施例的裂纹监测装置安装在轮毂上的示意图。

附图标号说明：

10：成像装置，11：固定架，111：支撑管件，1111：安装部，1112：安装管，1113：螺栓孔，1114：双头螺柱，112：固定夹，1121：上夹持部，1122：下夹持部，113：第二连接部，1131：第一孔，1132：第二孔，12：云台，121：相机保持部，122：第一连接部，13：相机，14：枢转轴，15：限位件，16：限位孔，21：第一无线路由器，22：第二无线路由器，30：裂纹识别装置。

具体实施方式

以下将参照附图更全面地描述本实用新型的实施例。在附图中示出了本实用新型的示例性实施例。在附图中，相同的标号始终表示相同的组件。

根据本实用新型的裂纹监测装置包括成像装置10，成像装置10包括固定架11、云台12和相机13。

固定架11结合在待监测设备(例如，风力发电机组的轮毂)上。

相机13可设置在云台12中，并且相机13的镜头朝向待监测表面。优选地，相机13可包括光源，或者相机13可为红外相机，以能够适应照度较低的监测环境。此外，相机13的光源可仅在拍摄过程中工作。相机13的镜头可距被拍摄表面100mm至200mm。

云台12与固定架11通过枢转轴14和限位件15连接，并且云台12能够绕枢转轴14相对固定架11旋转，以调整相机13的俯仰角。云台12或固定架11上形成有限位孔16，限位件15插在限位孔16中，锁定云台12相对于固定架11的旋转角度。

具体来说，如图1所示，云台12可包括相机保持部121和第一连接部122。相机13可通过螺栓等紧固构件固定在相机保持部121中，相机保持部121整体上可形成为围绕相机13的侧部的框架。第一连接部122从相机保持部121的上部边缘突出，限位孔16形成在第一连接部122上。优选地，第一连接部122呈薄壁板状。

固定架11可包括支撑管件111和固定夹112，固定夹112夹在支撑管件111上。支撑管件111可根据待监测设备的安装环境形成为各种形状，例如，如图1中所示，在对轮毂进行裂纹监测的情况下，支撑管件111可形成为弯曲的弧形形状，以安装在轮毂的过人孔边缘(即，轮毂内侧)(如图8所示)。支撑管件111可通过螺栓等紧固件固定到待监测的设备上，作为示例，如图1至图4中所示，支撑管件111一侧上可形成有两个安装部1111，安装部1111可包括中空的安装管1112和形成在安装管1112的端部处的螺栓孔1113，可通过诸如双头螺柱1114等构件旋拧进螺栓孔1113并穿过安装管1112而旋拧在待监测的设备上，以将支撑管件111固定在待监测设备上。

固定夹112可包括上夹持部1121和下夹持部1122，上夹持部1121和下夹持部1122可通过螺栓等紧固构件固定在支撑管件111，并且可根据监测需要而设置在支撑管件111的任意位置上。

固定夹112上可形成有第二连接部113，第二连接部113上形成有第一孔1131和第二孔1132，枢转轴14插在第一孔1131中，限位件15插在第二孔1132中。优选地，第二连接部113呈薄壁板状。

具体来说，第一连接部122和第二连接部113可形成为彼此面对的平板形状，第一连接部122上可形成有供枢转轴14穿过的枢转孔，其位置与第二连接部113上的第一孔1131的位置对应。枢转轴14可形成为螺栓带螺母结构，这种情况下，枢转轴14可穿过形成在第一连接部122上的枢转孔和第二连接部113的第一孔1131，并通过螺母进行紧固，使得第一连接部122和第二连接部113可绕枢转轴14相对旋转。但枢转轴14的形式不限于此，例如，其也可形成为与第一连接部122一体形成的突出轴，该突出轴可插入到第二连接部113的第一孔1131中，以将第一连接部122和第二连接部113枢转连接。

这里，由于云台12与固定架11通过枢转轴14连接，因此可相对于固定架11调节云台12的俯仰角度，从而调节相机13的拍摄角度。

限位件15用于在调整云台12的角度后对其进行限位，以使其保持在该角度位置。限位件15可穿过第一连接部122上的限位孔16和第二连接部113上的第二孔1132，并可通过螺栓-螺母结构进行紧固，以锁定第一连接部122与第二连接部113的相对位置，限制第一连接部122和第二连接部113之间绕枢转轴14的旋转。限位件15的构造不限于此，其也可以形成为与第二连接部113一体形成的轴形式。

优选地，限位孔16可具有以枢转轴14为圆心的圆弧形状。当调节云台12的俯仰角度时，可释放限位件15对限位孔16与第二孔1132的锁定，并且随着俯仰角度的调节，限位件15可与第二孔1132相对滑动，待调节到期望角度时，紧固限位件15，使云台12保持在当前位置。

尽管上面描述了限位孔16形成在云台12的第一连接部122上且第二孔1132形成在固定架11的第二连接部113上，但不限于此，限位孔16也可以形成在第二连接部113，这种情况下，云台12上可形成相应的孔或者突出的轴。

云台12和固定架11之间相对旋转的角度可在-20°到20°的范围，从而实现相机13的角度在-20°到20°范围内调节。也就是说，具有圆弧形状的限位孔16的圆心角可为约40°。

优选地，第一孔1131和第二孔1132可形成为彼此平行的长条形孔，如此，插入在第一孔1131中的枢转轴14和插入在第二孔1132中的限位件15可分别沿着第一孔1131和第二孔1132在相机13靠近和远离被拍摄表面的方向上移动，以带动云台12及设置在云台12中的相机13靠近和远离被拍摄表面，从而调整相机13与被拍摄表面之间的距离。

作为示例，相机与被拍摄表面的距离的调节范围为0mm到60mm。也就是说，第一孔1131和第二孔1132的长度可为0mm到60mm。

在裂纹监测装置应用于轮毂裂纹检测的情况下，可将固定架13及云台12安装在轮毂的过人孔边缘，并使相机13的镜头朝向待监测表面。

此外，可根据监测需要设置成像装置10的数量和安装位置。例如，可在轮毂过人孔的0°位置、120°位置和240°位置处分别安装成像装置10，如此，可围绕轮毂过人孔设置三个成像装置10，每个成像装置10的相机13的监测范围可为120°。然而，成像装置10的设置位置及数量不限于此，可根据实际需要增减安装数目和改变安装位置。

根据本实用新型的裂纹监测装置还可包括通信装置和裂纹识别装置30，相机13捕获的图像可通过通信装置传输到裂纹识别装置30，裂纹识别装置30对该图像进行图像识别，以识别裂纹。

通信装置可包括第一无线路由器21(参见图5、图6)，相机13可将捕获的图像通过无线传输发送到第一无线路由器21，以通过无线传输将捕获的图像发送到裂纹识别装置30。当然，通信装置也可通过有线传输将相机13捕获的图像传输到裂纹识别装置30。

以待监测设备为风力发电机组的轮毂为例，作为根据本实用新型的裂纹监测装置的第一图像传输方式，若机舱处有4G信号，则可通过如图5所示的通信方式进行无线传输。具体来说，第一无线路由器21通过WiFi与设置在机舱内的第二无线路由器22(4G路由器)连接，将图像先发送到4G路由器，再通过4G信号发送到裂纹识别装置30，以进行裂纹识别。

以待监测设备为风力发电机组的轮毂为例，作为根据本实用新型的裂纹监测装置的第二图像传输方式，若机舱处无4G信号，则可通过如图6所示的通信方式进行传输。具体来说，第一无线路由器21通过WiFi与设置在机舱内的第二无线路由器22连接，该第二无线路由器22通过有线通信接入风机环网，通过风机环网将图像传到中控室内的4G路由器，然后将图像通过4G路由器发送到裂纹识别装置30进行裂纹识别。如此，在机舱没有4G信号的情况下，根据本实用新型的裂纹监测装置可通过风机环网将相机所拍摄的图像传送到裂纹识别装置30。

由于在轮毂和机舱之间通过无线方式传输图像，因此避免了在旋转的轮毂和机舱之间布线困难的问题。

下面将参照图7，描述裂纹识别装置30进行图像识别的过程。

裂纹识别装置30可通过对相机13捕获的图像进行灰度化和二值化处理，并通过边缘检测得到边缘图像，并通过计算边缘图像中任意两条边缘之间的宽度进行裂纹识别。

本文所称的图像可以是一帧一帧的图像，也可以是视频。

作为示例，如图7所示，可通过相机13捕获被拍摄表面的视频，并将视频传输到裂纹识别装置30。例如，可通过高精度摄像头及LED补光灯，采集待监测设备的特定位置的图像。作为示例，如图7所示，可先获取视频，然后通过视频分割得到单帧的图像

成像装置10可支持触发拍摄，例如，若风力发电机组处于运行状态，则相机13每一个小时拍视频一次；若风力发电机组处于停机状态，则相机13每12小时拍视频一次。

成像装置10可包括相机处理器以对拍摄进行控制。此外，当相机处理器具备通信传输功能时，其可用作上文所述的第一无线路由器21。成像装置10可采用触发拍摄。可根据需要向一个或更多个相机处理器提供正脉冲信号作为拍摄触发信号。相机处理器识别拍摄触发信号的脉冲的上升沿动作后，分别启动相机13工作，相机13的拍摄响应时间为1s，一次拍摄视频的时间为60s，并且，在执行拍摄触发命令后80s内，相机处理器提供拍摄完成反馈信号。高电平“1”代表相机处理器已完成拍视频，低电平“0”代表相机处理器未完成拍视频。

此外，根据本实用新型的裂纹监测装置可具备故障自检功能，可通过提供数字故障信号(例如，24V数字量故障信号)，并将数字故障信号发送至相机处理器，通过数字信号状态变化区分出各个成像装置10各自的故障和相机处理器的故障。裂纹监测装置还能够监测镜头的清洁状态，提供相机镜头清洁度状态反馈，高电平“1”代表相机镜头均清洁，低电平“0”代表至少存在一个镜头不清洁。当检测到相机镜头不清洁时，检测系统会给相机发出自清洁的命令。

在获取如此拍摄的视频后，裂纹识别装置30可从视频中截取图像，在截取的图像中，如果出现裂纹，则在拍摄的图像中裂纹处的颜色与周边应存在较大差异，为判别这一特征，可将彩色图像转变为灰度图。因此，裂纹识别装置30可对所截取的图像进行灰度化处理。

具体来说，假如图像中某点的颜色通过RGB模式表示，那么，可采用浮点算法通过下式将该点转换为灰度模式：

Gray＝R×0.3+G×0.59+B×0.11

通过上式可对图像中的像素点进行灰度化，图像中每一个像素点的灰度值介于0到255之间。

在执行灰度化处理之后，裂纹识别装置30可对灰度图像进行二值化处理。

图像的二值化处理就是将图像上的点的灰度值置为0或255，也就是将整个图像呈现出明显的黑白效果，即，将256个亮度等级的灰度图像通过适当的阈值选取而获得仍然可以反映图像整体和局部特征的二值化图像。

通过图像灰度化，可发现轮毂裂纹处的灰度值一般比较低，即，接近黑色。因此，可设计一个阈值，使低于该阈值的像素点的值更改为0，即为黑色，高于阈值的像素点的值更改为255，即为白色。通过二值化，则可以获得清晰的黑白图像。

在执行二值化处理后，裂纹识别装置30可对图像进行边缘检测得到边缘图像。边缘检测包括滤波过程、增强过程和检测过程。

滤波：边缘检测的算法主要是基于图像强度的一阶导数和二阶导数进行计算，但导数通常对噪声很敏感，因此必须采用滤波器来改善与噪声有关的边缘检测器的性能。可采用高斯滤波方法进行滤波，即，采用离散化的高斯函数产生一组归一化的高斯核，然后基于高斯核函数对图像灰度矩阵的每一点进行加权求和。

增强：增强边缘的基础是确定图像各点邻域强度的变化值。增强算法可以将图像灰度点邻域强度值有显著变化的点凸显出来。在具体实现过程中，可通过计算梯度幅值来确定。

检测：经过增强的图像，往往邻域中有很多点的梯度值比较大，而在特定的应用中，这些点并不是所寻找的边缘点，所以应该对这些边缘点进行取舍。例如，可通过阈值化方法来检测边缘点，可使用下式计算梯度幅值和方向：

梯度方向近似到四个可能角度之一(一般为0度、45度、90度和135度)之后进行非极大值抑制，如此，可排除非边缘处的像素，而仅保留了一些细线条(即，候选边缘)。然后，可使用滞后阈值，滞后阈值需要两个阈值(高阈值和低阈值)，如果某一像素位置的幅值超过高阈值，则该像素被保留为边缘像素。如果某一像素位置的幅值小于低阈值，该像素被排除。如果某一像素位置的幅值在两个阈值之间，该像素仅仅在连接到一个高于高阈值的像素时被保留。

在进行边缘检测后，裂纹识别装置30可对边缘图像进行宽度计算。

通过边缘检测可获得边缘图像，裂纹识别装置30可计算任意两条线的之间的宽度，如果宽度小于某一特定值，则认为该边缘是裂纹的边缘图像。如果高于该特定值，则为其他物体的边缘图像。

裂纹识别装置30识别出裂纹后，分别提供对应各个成像装置的裂纹状态信号，高电平“1”代表无裂纹，低电平“0”代表存在裂纹。当裂纹状态信号为“0”时，能够通过无线查询监测到裂纹的成像装置的编号和裂纹的位置，并且及时报警。此外，裂纹识别装置30能够标记出异常照片，照片名称信息包含时间和成像系统编号，并将其与正常照片分开存储。

根据本实用新型的另一实施例，提供一种风力发电机组，风力发电机组包括如上所述的裂纹监测装置。

根据本实用新型的裂纹监测装置，可以实时在线监测诸如风力发电机组的轮毂等的裂纹情况，有效减少了人工巡检的工作量，实现了实时不间断监测，将裂纹的风险控制在最初阶段，有效降低了设备运行的风险。一旦发现裂纹，可以及时采取相关措施，避免了裂纹继续扩大。

根据本实用新型的具有上述裂纹监测装置的风力发电机组，其与上述裂纹监测装置的有益效果相同，故这里不再赘述。

虽然上面已经详细描述了本实用新型的示例性实施例，但本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，可对本实用新型的实施例做出各种的修改和变形。但是应当理解，在本领域技术人员看来，这些修改和变形仍将落入权利要求所限定的本实用新型的示例性实施例的精神和范围内。