声发射传感器及其制备方法与流程

本技术涉及风电叶片健康监测领域，尤其涉及一种声发射传感器及其制备方法。

背景技术：

1、随着近几年风电装机容量的快增长，对风电设备的安全性、可靠性提出了较高的要求。风电叶片作为风力发电机组中的最重要的部件，其健康状态对整个风电机组的安全、可靠运行具有重要影响。而风电叶片在服役过程中需长期承受紫外线照射、雨雪、强风载荷以及大气氧化等外界侵蚀，复杂和恶劣的环境对风电叶片的安全性和可靠性造成了极大的威胁。因此为保障风电叶片安全稳定的运行，减少重大的经济损失等，采取有效的方法对风电叶片的健康状态监测具有重要的意义和广泛的应用前景。构成风电叶片的复合材料包括树脂、增强材料、其余复合材质以及天然纤维等，其中增强材料主要有玻璃纤维和碳纤维两种。虽然碳纤维在的力学性能和轻量化等特点均优于玻璃纤维，但在我国目前由于国内碳纤维价格相对较为昂贵，大部分风电叶片增强材料仍以玻璃纤维为主。因而风电叶片内部缺陷以及损伤时产生的声波主要在上述的风电叶片的复合材料中进行传播。声发射传感器对因材料或构件缺陷的起始和拓展具有特殊的敏感性，且具有动态检测能力，是探测复合材料损伤的有效方法之一。现有的声发射传感器与风电叶片直接接触的结构为绝缘层的氧化铝板，削弱了可以探测到的声波强度，使得风电叶片极早期、极细微的缺陷及损伤难以被及时探测到。

技术实现思路

1、本技术提供一种声发射传感器及其制备方法，可有效地监测风电叶片的损伤。

2、本技术提供一种声发射传感器，用于装配于风力发电机的风电叶片的表面；所述声发射传感器包括：纤维复合材料层、压电复合材料层、声衰减复合材料层以及内置电路模块；

3、所述纤维复合材料层的一侧用于与所述风电叶片的外表面接触，另一侧叠层复合于所述压电复合材料层和所述声衰减复合材料层；所述声衰减复合材料层环绕复合于所述压电复合材料层的外侧；所述内置电路模块连接于所述压电复合材料层和所述纤维复合材料层；其中，所述纤维复合材料层的声阻抗与构成所述风电叶片的复合材料的声阻抗的差值的范围为0至3.5mrayl之间。

4、进一步地，所述纤维复合材料层的声阻抗与所述压电复合材料层的声阻抗的差值的范围为0至2.4mrayl之间。

5、进一步地，所述纤维复合材料层由纤维复合材料制得；所述纤维复合材料包括复合而成的玻璃纤维、环氧树脂和纤维素纳米晶；其中，所述纤维复合材料的玻璃纤维的质量百分比的范围为35wt%至45wt%之间；所述纤维复合材料的环氧树脂的质量百分比的范围为15wt%至25wt%之间；所述纤维复合材料的纤维素纳米晶的质量百分比的范围为30wt%至40wt%之间。

6、进一步地，所述压电复合材料层由压电复合材料制得；所述压电复合材料包括复合而成的玻璃纤维、压电活性相和纤维素。

7、进一步地，所述压电活性相包括复合而成的有机压电相和无机压电相；所述压电活性相包括由所述无机压电相构成的三维连通的泡沫网络结构；所述有机压电相、所述玻璃纤维和所述纤维素填充于所述三维连通的泡沫网络结构的孔隙中；其中，所述压电复合材料的有机压电相的质量百分比的范围为35wt%至50wt%之间；所述压电复合材料的纤维素的质量百分比的范围为20wt%至30wt%之间；所述压电复合材料的玻璃纤维的质量百分比的范围为25wt%至40wt%之间。

8、进一步地，所述压电活性相包括复合而成的有机压电相和无机压电相；所述无机压电相以0维颗粒的形式分散于所述有机压电相中；其中，所述压电复合材料的有机压电相的质量百分比的范围为10wt%至18wt%之间；所述压电复合材料的纤维素质量百分比的范围为4wt%至12wt%之间；所述压电复合材料的玻璃纤维的质量百分比为8wt%至15wt%，所述压电复合材料的无机压电相的质量百分比为55wt%至65wt%。

9、进一步地，所述声衰减复合材料层由声衰减复合材料制得；所述声衰减复合材料包括聚氨酯。

10、本技术提供一种声发射传感器的制备方法，用于制备如上述任一实施例所述的声发射传感器；所述制备方法包括：

11、以纤维复合材料层作为基底，将压电复合材料层叠层复合于所述纤维复合材料层的一侧；

12、将所述纤维复合材料层和所述压电复合材料层组装于壳体内，并以所述纤维复合材料层作为所述壳体的底面；

13、向所述壳体内灌注声衰减复合材料，以获得声衰减复合材料层；

14、将内置电路模块安装于所述壳体内部，并将所述内置电路模块与所述压电复合材料层和所述纤维复合材料层连接。

15、进一步地，所述以纤维复合材料层作为基底，将压电复合材料层叠层复合于纤维复合材料层的一侧，包括：

16、以所述纤维复合材料层作为基底，将导电银浆滴于所述纤维复合材料层的一侧，并匀胶成膜，以获得复合结构；

17、将所述压电复合材料层通过导电银浆复合于所述复合结构上。

18、进一步地，在所述以纤维复合材料层作为基底，将压电复合材料层叠层复合于所述纤维复合材料层的一侧之前，所述方法还包括：

19、将纤维素纳米晶分散于环氧树脂胶水中，搅拌后获得第一混合溶液；

20、将玻璃纤维分散于所述第一混合溶液中，搅拌后获得第二混合溶液；

21、向所述第二混合溶液中加入环氧树脂固化剂，搅拌后倒入模具中固化成型；

22、固化成型后进行脱模和打磨，以获得所述纤维复合材料层。

23、进一步地，在所述以纤维复合材料层作为基底，将压电复合材料层叠层复合于所述纤维复合材料层的一侧之前，所述方法还包括：

24、将三水合乙酸铅(ii)溶于醋酸中，搅拌并冷却后获得第三混合溶液；

25、将正丙醇锆溶液和钛酸四丁酯溶液加入所述第三混合溶液中，搅拌后获得第四混合溶液；

26、在所述第四混合溶液中加入乙二醇，搅拌后获得溶胶；

27、将聚氨酯泡沫模板浸泡于所述溶胶；

28、取出浸泡后的所述聚氨酯泡沫模板，按压后进行干燥，以使包裹于所述聚氨酯泡沫模板的溶胶转化为凝胶；

29、烧结包裹所述凝胶的所述聚氨酯泡沫模板，以形成泡沫网络结构，并将所述泡沫网络结构放置于模具内；

30、将玻璃纤维、羧甲基纤维素、有机压电相粉末溶解于有机分散溶剂中、并搅拌，获得第五混合溶液；

31、将所述第五混合溶液注入所述模具内，在覆盖所述泡沫网络结构后，进行干燥；

32、干燥后进行脱模和打磨，以获得所述压电复合材料层。

33、进一步地，所述聚氨酯泡沫模板的孔隙率为55%；和/或

34、所述聚氨酯泡沫模板的孔隙直径为20um；和/或

35、所述聚氨酯泡沫模板的通孔率的范围为大于98%。

36、进一步地，在所述以纤维复合材料层作为基底，将压电复合材料层叠层复合于所述纤维复合材料层的一侧之前，所述方法还包括：

37、将玻璃纤维、羧甲基纤维素、有机压电相粉末溶解于有机分散溶剂中、并搅拌振荡，得到第六混合溶液；

38、将无机压电相粉末加入所述第六混合溶液中、并搅拌振荡，得到第七混合溶液；

39、将所述第七混合溶液注入模具后进行干燥；

40、干燥后进行脱模和打磨，以获得所述压电复合材料层。

41、本技术提供的声发射传感器包括纤维复合材料层、压电复合材料层、声衰减复合材料层以及内置电路模块，纤维复合材料层的一侧用于与风电叶片的外表面接触。且纤维复合材料层的声阻抗与风电叶片的复合材料的声阻抗的差值的范围为0至3.5mrayl之间。如此避免了微弱缺陷信号经风电叶片与传感器之间的声阻抗失配而导致的声波能量大大减弱的现象产生，从而对于风电叶片内部极微弱的缺陷信号的探测具有较高的灵敏度，可有效提高风电叶片损伤及缺陷检测的精度，可以实现风电叶片的早期故障诊断。

42、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。