本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)體的雷電檢測(cè)技術(shù)，并且更具體地涉及用于估計(jì)由于此雷電引起的結(jié)構(gòu)體狀況的系統(tǒng)、裝置和方法。

背景技術(shù)：

諸如但不限于風(fēng)力渦輪機(jī)、航空器、船舶結(jié)構(gòu)體、通信塔或其它高的結(jié)構(gòu)體的各種結(jié)構(gòu)體可能會(huì)遇到由于例如雷擊造成的放電。例如，由于風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的尺寸增大，風(fēng)力渦輪機(jī)葉片越來(lái)越易于遭到雷擊。而且，風(fēng)力渦輪機(jī)葉片在遇到雷擊時(shí)可能會(huì)受到不利影響。結(jié)果，由于需要相對(duì)長(zhǎng)的停機(jī)周期來(lái)檢查并進(jìn)一步維修和/或更換受到影響的葉片或組件，因此這可能導(dǎo)致生產(chǎn)率降低。

過去已經(jīng)提出了幾種可應(yīng)用于風(fēng)力渦輪機(jī)的雷電檢測(cè)系統(tǒng)。此類系統(tǒng)的基本方法是提供沿風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片的長(zhǎng)度分布的幾個(gè)磁和/或電場(chǎng)傳感器，并測(cè)量沿著轉(zhuǎn)子葉片的磁和/或電場(chǎng)強(qiáng)度。連接到磁和/或電場(chǎng)傳感器的評(píng)估單元接收其測(cè)量信號(hào)，并計(jì)算對(duì)風(fēng)力渦輪機(jī)的損壞，并且具體地計(jì)算由雷擊引起的對(duì)轉(zhuǎn)子葉片的損壞。然而，基于測(cè)量的磁和/或電場(chǎng)強(qiáng)度的評(píng)估不一定能估計(jì)風(fēng)力渦輪機(jī)的各組件或部分的狀況。

為了滿足上述需求，一種通用的檢測(cè)系統(tǒng)利用位于風(fēng)力渦輪機(jī)的各個(gè)部分上的磁卡，其中由雷擊產(chǎn)生的磁場(chǎng)在磁卡的磁條上標(biāo)記痕跡。此技術(shù)能夠讀到葉片遭受的最大雷電流。然而，該讀取過程需要中止風(fēng)力渦輪機(jī)的工作來(lái)手動(dòng)讀取。同樣，該技術(shù)不能以雷擊發(fā)生的順序和/或時(shí)間記錄幾次雷擊。而且，由于假設(shè)與相對(duì)低幅度的雷擊相比，高幅度的雷電流可能導(dǎo)致對(duì)結(jié)構(gòu)造成損壞的更大可能性，所以只有具有最高幅度的最近的雷擊登記在磁卡上。例如，在幅度低于第一閾值(例如30ka)的雷電流的雷擊情況下，雷擊可能并不登記在磁卡上。相反地，在幅度高于第二閾值(比如大約50ka)的雷電流的雷擊情況下，雷擊可能登記在磁卡上。然而，在一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的一系列低幅度雷擊也可能導(dǎo)致對(duì)結(jié)構(gòu)體造成損壞的潛在風(fēng)險(xiǎn)，但即使如此也不記錄。

解決關(guān)于前述磁卡系統(tǒng)缺陷的一種嘗試可包括使用電子存儲(chǔ)介質(zhì)來(lái)登記雷擊。然而，需要連續(xù)供電以保持存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，這使其不能安裝在諸如風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片的旋轉(zhuǎn)組件上。雖然，可充電/可更換電池可提供此類存儲(chǔ)介質(zhì)所需的電力，但需要在一段時(shí)間里連續(xù)更換電池使他們不適于很少并隔很久才進(jìn)行人工干預(yù)的遠(yuǎn)程、近海應(yīng)用。

因此，需要可以解決上述列出的一個(gè)或多個(gè)問題的改進(jìn)的雷電檢測(cè)系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用于檢測(cè)結(jié)構(gòu)體上的雷擊的集成電路。該集成電路包括從入射到結(jié)構(gòu)體上的多次雷擊提取雷電感應(yīng)電流的處理單元。該集成電路進(jìn)一步包括用于連續(xù)存儲(chǔ)多次雷擊中每次雷擊的雷電感應(yīng)電流的一個(gè)或多個(gè)樣本的非易失性存儲(chǔ)器。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于結(jié)構(gòu)體的雷電檢測(cè)和損壞估計(jì)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括避雷裝置，其用于接收多次雷擊，并產(chǎn)生所述多次雷擊中每次雷擊的雷電感應(yīng)電流。耦連到所述避雷裝置并安裝在所述結(jié)構(gòu)體上的集成電路包括非易失性存儲(chǔ)器和損壞估計(jì)單元。非易失性存儲(chǔ)器被配置成連續(xù)存儲(chǔ)所述多次雷擊中每次雷擊的雷電感應(yīng)電流的一個(gè)或多個(gè)樣本。損壞估計(jì)單元被配置成基于對(duì)來(lái)自于所述非易失性存儲(chǔ)器的所述多次雷擊的雷電感應(yīng)電流的存儲(chǔ)樣本歷史進(jìn)行分析來(lái)估計(jì)結(jié)構(gòu)體狀況。雷電檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)一步包括能量收集單元，其被配置成從所述雷電感應(yīng)電流中收集能量，以為所述集成電路供電。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種在集成電路中用于檢測(cè)結(jié)構(gòu)體上的雷擊的方法。該方法包括：從與所述集成電路耦連的避雷裝置上接收由多次雷擊中每次雷擊感應(yīng)的電流；將多次雷擊中每次雷擊的雷電感應(yīng)電流的一個(gè)或多個(gè)樣本連續(xù)存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器上。所述方法進(jìn)一步包括基于對(duì)來(lái)自于所述非易失性存儲(chǔ)器的多次雷擊的雷電感應(yīng)電流的存儲(chǔ)樣本歷史進(jìn)行分析來(lái)估計(jì)結(jié)構(gòu)體狀況。

附圖說明

在參考附圖閱讀詳細(xì)描述后，可以更好地理解本發(fā)明的這些及其它特征、方法和優(yōu)點(diǎn)，在所有附圖中相同符號(hào)表示相同部件，在附圖中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示例性雷電檢測(cè)系統(tǒng)的示意圖。

圖2為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在圖1中包括集成電路的示例性雷電檢測(cè)系統(tǒng)的框圖。

圖3為圖2中所用的示例性處理單元的框圖。

圖4為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例由圖1中雷電檢測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生的示例性雷電流波形在時(shí)域上的示意圖。

圖5為圖4中的雷電流波形在頻域上的示意圖。

圖6為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例圖1和圖2的雷電檢測(cè)系統(tǒng)中所用的示例性能量收集單元的框圖。

圖7為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的雷電檢測(cè)系統(tǒng)的示例性實(shí)施例的示意圖。

圖8為表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例檢測(cè)雷電的示例性方法中包括的步驟流程圖。

附圖標(biāo)記列表：

具體實(shí)施方式

如下文的詳細(xì)描述，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種用于檢測(cè)雷擊并估計(jì)由雷擊造成的損壞的系統(tǒng)，以及一種用于檢測(cè)雷擊并估計(jì)由雷擊造成的損壞的裝置和方法。雷電是通過測(cè)量許多個(gè)雷電參數(shù)來(lái)檢測(cè)的，雷電參數(shù)諸如但不限于雷電流和由雷電流感應(yīng)的磁場(chǎng)。所述系統(tǒng)包括傳導(dǎo)雷電流并基于例如電磁感應(yīng)在與其耦連的抬波線圈中生成雷電感應(yīng)電流的避雷裝置。拾波線圈或者電磁感應(yīng)線圈將雷電感應(yīng)電流引導(dǎo)到集成電路以用于進(jìn)一步處理。所述系統(tǒng)包括損壞估計(jì)單元，其基于集成電路中處理的數(shù)據(jù)估計(jì)由于雷電造成的損壞。

在如圖1所示的本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，描述了一種用于結(jié)構(gòu)體115的雷電檢測(cè)系統(tǒng)100的示意圖。雷電檢測(cè)系統(tǒng)包括設(shè)置于結(jié)構(gòu)體115上并易于受到雷擊120的雷電接受器110。結(jié)構(gòu)體115的非限制性實(shí)例包括風(fēng)力渦輪機(jī)、航空器、船舶結(jié)構(gòu)體、高大建筑物、煙囪、天線、無(wú)線塔架、石碑設(shè)施和橋梁。為了便于理解，將參照風(fēng)力渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)體115來(lái)描述本發(fā)明的實(shí)施例，但是本說明書中的教導(dǎo)可同樣適用于其它此類結(jié)構(gòu)體。風(fēng)力渦輪機(jī)115由多個(gè)旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)組件構(gòu)成，包括葉片150、機(jī)艙170、輪轂160和塔架180。雷擊可通過設(shè)置在葉片上并電連接到一個(gè)或多個(gè)避雷裝置125的一個(gè)或多個(gè)雷電接受器110捕獲。雷電接受器110是能夠接收并傳導(dǎo)擊到避雷裝置125上的雷電的元件。雷電接受器還可以形成該結(jié)構(gòu)其中一部分呢用于傳導(dǎo)雷電流。在實(shí)施例中，雷電接受器110是空氣終止系統(tǒng)(airterminationsystem)。在一個(gè)實(shí)施例中，雷電接受器110是金屬的。避雷裝置125是一種用于將雷電流引向地以防止對(duì)風(fēng)力渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)體115造成損壞的接地裝置。在示例性實(shí)施例中，避雷裝置125是雙絞線，不過也可以使用其它接地機(jī)構(gòu)。當(dāng)雷擊120擊中諸如結(jié)構(gòu)體的150、160、170或180組件時(shí)，入射到組件(150、160、170或180)上的雷電流通過組件(150、160、170或180)的避雷裝置125傳導(dǎo)。

電耦連到避雷裝置125的電磁線圈或電磁拾波線圈127響應(yīng)由通過避雷裝置125傳導(dǎo)的雷電流感應(yīng)的電磁場(chǎng)。在電磁拾波線圈127中產(chǎn)生與雷電流成比例的感應(yīng)電流。在一個(gè)實(shí)施例中，電磁拾波線圈127可以是羅柯夫斯基線圈或分流電阻。集成電路(ic)130用于評(píng)估結(jié)構(gòu)體115的狀況，并且與避雷裝置125相鄰地設(shè)置在組件(150、160、170或180)上的。ic130接收經(jīng)由拾波線圈127通過避雷裝置125流動(dòng)的雷電感應(yīng)電流，并登記雷擊活動(dòng)。本說明書中使用的表述“雷電感應(yīng)電流”指由雷擊120引起的電流。當(dāng)接收到雷電感應(yīng)電流時(shí)，ic130處理雷電感應(yīng)電流，并存儲(chǔ)表示雷電活動(dòng)的雷電感應(yīng)電流的情況。ic130內(nèi)或ic130外的損壞估計(jì)單元(未示出)使用ic130中存儲(chǔ)的雷電感應(yīng)電流的情況估計(jì)組件(150、160、170或180)的狀況，并向遠(yuǎn)程服務(wù)站140無(wú)線發(fā)射估計(jì)數(shù)據(jù)。在一個(gè)實(shí)施例中，由損壞估計(jì)單元執(zhí)行的功能可由處理單元240執(zhí)行。

圖2示出了包括集成電路(ic)130的示例性雷電檢測(cè)系統(tǒng)100(圖1)的框圖。雷電檢測(cè)系統(tǒng)100可包括檢測(cè)并記載多次雷擊以及雷擊對(duì)諸如但不限于圖1中葉片150的組件的局部影響的多個(gè)ic130。為了簡(jiǎn)潔，將參照單個(gè)ic來(lái)描述本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例。ic130可封裝在任何對(duì)ic提供簡(jiǎn)潔性和便攜性的ic載體上。ic載體的幾個(gè)實(shí)例是雙列直插式封裝(dip)、柔性芯片(cof)、芯片上引線(col)、插針柵格陣列、凸點(diǎn)芯片載體(bcc)和陶瓷扁平包裝(cfp)。一個(gè)或多個(gè)ic130可以彼此相隔最佳距離安裝在結(jié)構(gòu)體115的一個(gè)或多個(gè)組件(150、160、170或180)中的每一個(gè)上。如本說明書中使用，最佳距離定義為兩個(gè)避雷裝置之間所需的最小距離，以便通過避雷裝置中的至少一個(gè)檢測(cè)雷擊。最佳距離可以通過考慮其它因素，諸如雷電檢測(cè)器的靈敏度、雷擊的平均強(qiáng)度和其上設(shè)置避雷裝置的組件的尺寸來(lái)確定。例如，ic130可安裝在彼此相隔約3-10米設(shè)置的相鄰的避雷裝置125上。當(dāng)雷擊120影響組件(150、160、170或180)時(shí)，位于影響點(diǎn)或最靠近影響點(diǎn)的避雷裝置125通過雷電接受器110接收雷電流，并接著在電耦連到避雷裝置125的電磁拾波線圈127中感應(yīng)雷電流。在拾波線圈127中感應(yīng)的雷電流根據(jù)線圈127的匝數(shù)來(lái)放大。耦連到拾波線圈127的ic130接收雷電感應(yīng)電流，并將所接收電流通過輸入保護(hù)電路210的一系列電子組件傳導(dǎo)。

在拾波線圈127的輸出端提供輸入保護(hù)電路210，以便保護(hù)ic130中下游電子器件不受過流和過壓浪涌的影響。為了避免人工干預(yù)輸入保護(hù)電路210，可以使用可重設(shè)保護(hù)裝置以及浪涌抑制裝置。來(lái)自于輸入保護(hù)電路210的電壓輸出212通過處理單元240采樣，采樣的雷電感應(yīng)電流的波形242被數(shù)字化并存儲(chǔ)在ic130中的非易失性存儲(chǔ)器250中。

處理單元240以由處理單元240內(nèi)的時(shí)鐘發(fā)生器的時(shí)鐘速度確定的采樣頻率對(duì)雷電波形進(jìn)行采樣。所采樣的波形被數(shù)字化并與時(shí)間和表示雷擊發(fā)生時(shí)間的數(shù)據(jù)戳一起存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器250中。在實(shí)施例中，ic130包括能量收集單元220，能量收集單元220包括耦連到輸入保護(hù)電路210的電壓調(diào)節(jié)器。后面將參照?qǐng)D6更加詳細(xì)地討論能量收集單元220。

非易失性存儲(chǔ)器250是能夠在不加電時(shí)也能保存存儲(chǔ)信息的可移動(dòng)固態(tài)存儲(chǔ)裝置。在示例性實(shí)施例中，非易失性存儲(chǔ)器250是閃速存儲(chǔ)器。通常，閃速存儲(chǔ)器在存儲(chǔ)單元的陣列中存儲(chǔ)信息，并且有時(shí)每個(gè)單元可以存儲(chǔ)超過1位的信息。當(dāng)要更新閃速存儲(chǔ)器時(shí)，閃速文件系統(tǒng)將變化數(shù)據(jù)的新副本寫到新的塊中，重新映射文件指針，然后擦除舊的塊。由于閃速存儲(chǔ)器擴(kuò)展會(huì)在單元陣列上進(jìn)行寫操作，所以與諸如磁卡(其中新數(shù)據(jù)覆蓋/代替老數(shù)據(jù))的其它形式的非易失性存儲(chǔ)器相反，它能夠連續(xù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)序列。因此，可以檢測(cè)以短的時(shí)間序列或較長(zhǎng)的時(shí)間周期入射的多次雷擊并將其存儲(chǔ)在閃存類型的非易失性存儲(chǔ)器250中作為歷史。例如，可以接連(例如，每0.1-10μs)重復(fù)記錄一連串雷擊的數(shù)字化波形幾次，直到檢測(cè)到雷電活動(dòng)結(jié)束。例如，當(dāng)檢測(cè)的雷電流值下降到低于預(yù)定水平時(shí)，可以確定雷電活動(dòng)結(jié)束。

在一個(gè)實(shí)施例中，ic130包括損壞估計(jì)單元260，以估計(jì)雷擊120入射到的組件(150，160，170或180)的狀況。如之前提到的，一個(gè)或多個(gè)ic130可安裝在結(jié)構(gòu)體115的每一個(gè)組件(150，160，170或180)上，例如在風(fēng)力渦輪機(jī)115的每個(gè)葉片150上。此布置可以檢測(cè)哪個(gè)相應(yīng)葉片150已經(jīng)受到雷擊120的影響。耦連到雷電接受器110的最靠近沖擊點(diǎn)的ic130接收雷電感應(yīng)電流，并將雷電感應(yīng)電流存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器250中，作為暫態(tài)波形。當(dāng)最靠近沖擊點(diǎn)的ic130接收最大量的雷電感應(yīng)電流時(shí)，其它ic130，例如其它葉片或機(jī)艙上的ic130也可以檢測(cè)到一部分雷電感應(yīng)電流。因此，在給定的時(shí)間段上，多個(gè)ic130中的每個(gè)記錄此雷電事件的歷史，如表1所示。例如，在幾個(gè)月的周期中，入射到結(jié)構(gòu)體115上的雷擊可以在ic130中每一個(gè)的非易失性/閃速存儲(chǔ)器250上存儲(chǔ)并作為“日志”保存。日志提供所有擊中結(jié)構(gòu)體115的每次雷擊的準(zhǔn)確表示，包括上一個(gè)最強(qiáng)的雷擊。

如表1所示，雷擊表示為具有相關(guān)時(shí)間戳數(shù)據(jù)的采樣波形。該日志還保存記錄雷擊的次數(shù)和每次雷擊的持續(xù)時(shí)間，以幫助進(jìn)行損壞估計(jì)。入射的雷擊以發(fā)生次序一個(gè)一個(gè)地記錄在日志中。日志可包括諸如沖擊位置標(biāo)識(shí)符、組件或結(jié)構(gòu)標(biāo)識(shí)符、集成電路標(biāo)識(shí)符等的其它字段。可以想到該日志可以其它格式保存，如雷擊強(qiáng)度的升序/降序，時(shí)間戳數(shù)據(jù)的升序/降序，事件的組成智能分類等。同樣，可對(duì)一個(gè)或多個(gè)日志表項(xiàng)應(yīng)用諸如高亮、文本效果、滾動(dòng)線等的視覺效果，以吸引讀者注意從而采取補(bǔ)救措施。

表1：雷電事件日志

損壞估計(jì)單元然后通過分析非易失性存儲(chǔ)器250的“日志”中存儲(chǔ)的雷電事件的歷史，來(lái)確定安裝了ic130的具體組件(150，160，170或180)的狀況。在一個(gè)實(shí)例中，通過確定入射到葉片150上的雷擊120的數(shù)目(計(jì)數(shù))并將雷擊數(shù)目的值與預(yù)定閾值進(jìn)行比較來(lái)估計(jì)葉片150的狀況。確定的閾值可以由操作員設(shè)置，或者基于特定的操作參數(shù)，如雷擊強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)壽命、地理方位、年數(shù)、大氣條件等自動(dòng)計(jì)算。在另一實(shí)例中，通過累加存儲(chǔ)的一次或多次雷擊的電氣參數(shù)的值并將累加值與確定的閾值比較，來(lái)周期性地估計(jì)結(jié)構(gòu)狀況。再一次，確定的閾值可以由操作員設(shè)置，或者基于上面提到的參數(shù)自動(dòng)計(jì)算。由于低強(qiáng)度的雷擊隨時(shí)間推進(jìn)會(huì)損壞組件(150，160，170或180)，各個(gè)電氣參數(shù)的和能測(cè)量組件(150，160，170或180)上的雷擊提供的總的入射能量。當(dāng)估計(jì)的組件(150，160，170或180)的狀況指示需要維修時(shí)，ic130通過無(wú)線接口270向遠(yuǎn)程服務(wù)站140發(fā)送警告信號(hào)，指示具體組件(150，160，170或180)需要維修。然后服務(wù)人員可被調(diào)遣到該地進(jìn)行維修。生成的警告可以通過諸如802.11，802.16等的無(wú)線傳輸協(xié)議中的任何一種傳輸。警告閾值可針對(duì)結(jié)構(gòu)體基于結(jié)構(gòu)特征和諸如葉片尺寸、等級(jí)、制造商推薦、渦輪機(jī)位置等的限制而分別配置。警告信號(hào)還可以實(shí)時(shí)地發(fā)送到服務(wù)站140。實(shí)時(shí)定義為事件發(fā)生以及幾乎同時(shí)對(duì)其進(jìn)行報(bào)告或記錄的實(shí)際時(shí)間減去處理具體信號(hào)花費(fèi)的時(shí)間。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到說明書公開的方法的所有步驟可在風(fēng)力渦輪機(jī)115運(yùn)行時(shí)執(zhí)行。

在一個(gè)實(shí)施例中，損壞估計(jì)單元260可位于結(jié)構(gòu)體中的任何位置，或位于遠(yuǎn)程服務(wù)站140。在后一種情況下，ic可通過無(wú)線接口270向遠(yuǎn)程服務(wù)站140發(fā)送存儲(chǔ)器250中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)以進(jìn)行損壞估計(jì)。系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括輸出接口280，如顯示器，以呈現(xiàn)非易失性存儲(chǔ)器250中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)和/或來(lái)自于ic130中的損壞估計(jì)單元260的結(jié)果。

處理單元240如圖3中更詳細(xì)示出的，包括時(shí)間戳發(fā)生器310、波形采樣單元320、時(shí)鐘發(fā)生器330和模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)340。時(shí)間戳發(fā)生器310用來(lái)生成表示雷擊在組件(150，160，170或180)上的入射時(shí)間的時(shí)間戳數(shù)據(jù)。時(shí)間戳發(fā)生器310可響應(yīng)于通過拾波線圈127傳遞的電流的中繼的激勵(lì)或由能量收集單元220的電壓調(diào)節(jié)器提供的觸發(fā)而啟動(dòng)。時(shí)間戳發(fā)生器310也可響應(yīng)于感測(cè)采樣單元320的電流輸入而啟動(dòng)，并計(jì)算帶延遲因子的時(shí)間戳數(shù)據(jù)。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到處理單元240不局限于觸發(fā)時(shí)間戳發(fā)生器310的任何特定形式。具體地，由中繼提供的功能可由可替代形式提供，如可包括電-光組件。時(shí)間戳發(fā)生器310可以耦連到與gps時(shí)間同步的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。

波形采樣單元320通過輸入保護(hù)電路210接收電流波形212，并以由時(shí)鐘發(fā)生器330配置的采樣頻率范圍對(duì)電流波形采樣。在一個(gè)實(shí)施例中，采樣頻率可以在1-10mhz范圍內(nèi)。采樣頻率由時(shí)鐘發(fā)生器330生成的時(shí)鐘速度來(lái)配置。采樣頻率確定對(duì)例如可以持續(xù)100-200微秒的雷電波形采集多少個(gè)樣本。對(duì)于以大約10khz截止的入射電流波形，電流波形以例如1mhz過采樣，以避免混疊，提高分辨率并降低噪聲。波形采樣和數(shù)字化可在初始電流尖峰給電壓調(diào)節(jié)器電路上電之后啟動(dòng)。例如，波形采樣和數(shù)字化可自雷電發(fā)生的時(shí)間起在約300納秒內(nèi)啟動(dòng)。時(shí)鐘發(fā)生器330可被配置成響應(yīng)于提供觸發(fā)信號(hào)的電壓調(diào)節(jié)器或基于拾波線圈127中感應(yīng)的電流的中繼的激勵(lì)而啟動(dòng)。

入射到結(jié)構(gòu)體上的樣本雷擊的波形示于圖4中。x軸410代表時(shí)間，單位為微秒，y軸420代表雷電流，單位為安培。曲線430代表入射雷擊的峰值電流為440，強(qiáng)度大約為例如20ka，電壓例如為0-100v幅值。類似地，在圖5所示的頻域中，其中x軸510代表頻率，單位為khz，y軸代表增益，單位為db，電流尖峰530具有例如-3db增益，截止頻率大約10khz。采樣電流波形然后被饋送到并聯(lián)比較器或其它模-數(shù)轉(zhuǎn)換器340(圖3)以數(shù)字化波形。每個(gè)樣本被數(shù)字化，并存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器250中。

生成的時(shí)間戳數(shù)據(jù)與雷電感應(yīng)電流參數(shù)一起存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器250(圖3)中，雷電感應(yīng)電流參數(shù)例如是雷電感應(yīng)電流的暫態(tài)波形，雷電尖峰感應(yīng)電壓，雷電感應(yīng)磁場(chǎng)，雷電尖峰感應(yīng)電場(chǎng)，峰值電流，電比能的量或其組合。同樣，將其上有ic130的組件(150，160，170，180或115)的標(biāo)識(shí)符存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器250中，以便標(biāo)識(shí)風(fēng)力渦輪機(jī)115的相應(yīng)葉片150和/或風(fēng)場(chǎng)中的相應(yīng)風(fēng)力渦輪機(jī)115。因此，由時(shí)間戳發(fā)生器310生成的時(shí)間戳數(shù)據(jù)與組件(150，160，170或180)的標(biāo)識(shí)符結(jié)合，可以在時(shí)間和空間上確定雷電活動(dòng)。換言之，可以識(shí)別結(jié)構(gòu)體115的哪個(gè)具體組件(150，160，170或180)受到雷擊影響以及沖擊的具體時(shí)間。這可以進(jìn)一步基于一段時(shí)間上存儲(chǔ)的與組件(150，160，170或180)關(guān)聯(lián)的雷擊的電氣值的累加，估計(jì)組件(150，160，170或180)的狀況。同樣，可以用入射到具體組件(150，160，170或180)上的雷擊次數(shù)的計(jì)數(shù)來(lái)估計(jì)組件(150，160，170或180)的狀況。

參照?qǐng)D6，更加詳細(xì)地討論在圖2中提到的能量收集單元220。能量收集單元220被配置成收集并存儲(chǔ)來(lái)自于雷電感應(yīng)電流的能量以為集成電路130(圖1和圖2)供電。能量收集單元220給集成電路130中的組件提供調(diào)節(jié)電壓和電流水平。能量收集單元220采用電壓調(diào)節(jié)器610來(lái)將輸入電壓調(diào)節(jié)到較低值。電壓調(diào)節(jié)器包括分壓器，其產(chǎn)生的輸出電壓是輸入電壓的一部分。電壓調(diào)節(jié)器610從輸入保護(hù)電路210接收電流輸出605，并輸出適合操作集成電路130(圖1)中各個(gè)組件(240、260、270和280)的電壓。在一個(gè)實(shí)施例中，電壓調(diào)節(jié)器610輸出量級(jí)為大約3到大約5伏的電壓。在另一實(shí)施例中，可以使用基于電阻器的分壓器，其中輸出電壓由電阻器的電阻比率來(lái)定義。在示例性實(shí)施例中，電阻器可以是固定電阻器或可變電阻器，諸如但不限于分壓計(jì)。

一旦從輸入保護(hù)電路210接收感應(yīng)雷電流605，電壓調(diào)節(jié)器610啟動(dòng)，生成集成電路所需電壓(例如，2.5v，3.3v，4v，5v及其它)以為各個(gè)處理組件，包括非易失性存儲(chǔ)器250(圖2)的寫電路供電。電壓調(diào)節(jié)器610給電力儲(chǔ)存230(圖2)中的電荷泵和整流器電路饋電，這又為ic130(圖2)供電，并對(duì)一個(gè)或多個(gè)輸出電容器620充電。電壓調(diào)節(jié)器610可被配置成將輸出電容器620充電到適當(dāng)電壓(介于大約2v到大約5v)之后為處理單元240(圖2)供電。輸出電容器620可進(jìn)一步為其它電路，諸如時(shí)間戳發(fā)生器310(圖3)、時(shí)間發(fā)生器(圖3)、輸出接口280(圖2)、無(wú)線接口270(圖2)、損壞估計(jì)單元260(圖2)等供電。一旦調(diào)節(jié)到電壓調(diào)節(jié)器的供給電壓，收集電流被轉(zhuǎn)移以為可選的電力儲(chǔ)存230(諸如儲(chǔ)存電容器或可充電電池)充電。此電力儲(chǔ)存230可用來(lái)在能量收集源間斷的情況下為系統(tǒng)供電。開關(guān)電容器dc-dc變換器可代替電壓調(diào)節(jié)器網(wǎng)絡(luò)使用。開關(guān)電容器dc-dc變換器是利用開關(guān)和電容器執(zhí)行電壓轉(zhuǎn)換的開關(guān)調(diào)節(jié)器。

一旦電壓調(diào)節(jié)器610開始供給穩(wěn)定電壓，處理單元240將入射雷擊的標(biāo)志(暫態(tài)波形)以及雷擊的日期和時(shí)間戳作為新事件記錄在非易失性存儲(chǔ)器250中。處理單元240可保持工作狀態(tài)，并記錄波形樣本，直到雷電感應(yīng)電流衰落到低于最小閾值。能量收集單元220可進(jìn)一步包括調(diào)節(jié)電源，包括整流器、平滑電容器、dc/dc變換器和調(diào)節(jié)器。

然后，電壓調(diào)節(jié)器的輸出電壓被整流，并存儲(chǔ)在電力儲(chǔ)存介質(zhì)230中，以為ic130中的各個(gè)處理組件供電。能量收集單元220的使用使得雷電檢測(cè)系統(tǒng)可以完全自主的由所收集能量供電而不是電池供電，該電池供電系統(tǒng)由于需要更換電池或經(jīng)常性維修，所以不方便、費(fèi)用大或危險(xiǎn)的。同樣，此自供電ic130結(jié)構(gòu)可以將ic130安裝在結(jié)構(gòu)體115(圖1)的旋轉(zhuǎn)組件(150，160)(如風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片)上，而在先技術(shù)在這些組件上連續(xù)供電以為各個(gè)處理組件供電是不可行的。而且，通過所收集能量供電的集成電路130可布置用于各種應(yīng)用，如無(wú)線/自動(dòng)條件監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)性維修和其它許多工業(yè)應(yīng)用。

在另一實(shí)施例中，太陽(yáng)能可用作ic的電源。在此實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)太陽(yáng)能板安裝在結(jié)構(gòu)體115上。在一個(gè)實(shí)施例中，例如，太陽(yáng)能板是將來(lái)自太陽(yáng)的太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)換成電力的太陽(yáng)能電池，如光伏電池。一個(gè)或多個(gè)太陽(yáng)能板耦連到能量收集單元220，然后能量收集單元220收集并向ic130提供調(diào)節(jié)電源。

圖7中示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例用于風(fēng)力渦輪機(jī)的示例性雷電檢測(cè)和損壞估計(jì)系統(tǒng)。在目前考慮的實(shí)例中，雷擊720擊中風(fēng)力渦輪機(jī)710的一個(gè)葉片(例如葉片725)。位于葉片725上并最靠近葉片725上的沖擊點(diǎn)的一個(gè)或多個(gè)雷電接受器730通過避雷裝置735將雷電流傳導(dǎo)到地。以感應(yīng)耦連到避雷裝置735的拾波線圈737生成與通過避雷裝置735的雷電流成比例的電流，并將雷電感應(yīng)電流引導(dǎo)到集成電路(ic)740。來(lái)自拾波線圈737的感應(yīng)電流742被ic740中的輸入保護(hù)電路745接收。輸入保護(hù)電路745包括電阻和二極管網(wǎng)絡(luò)，以保護(hù)ic740不受過壓和過流浪涌的影響。來(lái)自于輸入保護(hù)電路745的電流輸出747由能量收集單元750收集，并存儲(chǔ)在電力儲(chǔ)存介質(zhì)755上作為ic740中各個(gè)組件(745、750、760、770、780、790和795)的電源。而且，輸入保護(hù)電路745的電流輸出756在處理單元760中被采樣，并被數(shù)字化。雷電流樣本被處理單元760進(jìn)一步處理，以提取雷擊720的至少一個(gè)雷電流樣本，諸如雷電感應(yīng)電流的暫態(tài)波形。數(shù)字化波形766連同由處理單元760中的時(shí)間戳發(fā)生器生成的時(shí)間戳一起存儲(chǔ)在閃速存儲(chǔ)器770中。葉片725的標(biāo)識(shí)連同雷擊參數(shù)一起也存儲(chǔ)在閃速存儲(chǔ)器770中。當(dāng)隨后的雷擊擊中葉片725時(shí)，重復(fù)上述所有步驟，連同第一次雷擊數(shù)據(jù)，雷電感應(yīng)電流的暫態(tài)波形存儲(chǔ)在閃速存儲(chǔ)器770中。對(duì)葉片725上可能出現(xiàn)的任意次雷擊執(zhí)行相似步驟。入射到葉片725上的雷擊的歷史同樣被創(chuàng)建并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器770中。

繼續(xù)所述實(shí)例，閃速存儲(chǔ)器770中存儲(chǔ)的雷電參數(shù)可屬于短時(shí)間周期，比如80-160毫秒內(nèi)的幾次雷擊。在其它情況下，閃速存儲(chǔ)器770中存儲(chǔ)的雷電參數(shù)可能屬于長(zhǎng)的時(shí)間周期，例如3個(gè)月發(fā)生的雷電活動(dòng)。閃速存儲(chǔ)器770中存儲(chǔ)的雷電活動(dòng)以及葉片725的標(biāo)識(shí)符的歷史以無(wú)線方式傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)站797，在此估計(jì)葉片725的狀況。

可替代地，ic740中的損壞估計(jì)單元780使用目前為止存儲(chǔ)的所有雷電活動(dòng)的雷電流的樣本存儲(chǔ)歷史或存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的選擇子集，估計(jì)葉片725的狀況。損壞估計(jì)單元780將包括低強(qiáng)度雷擊的所有雷擊的暫態(tài)波形求和。然后，將雷擊的和值與預(yù)定閾值比較。當(dāng)和值超過預(yù)定值時(shí)，檢測(cè)到需要維修，生成警告信號(hào)。否則，估計(jì)的狀況與葉片725的標(biāo)識(shí)一起由無(wú)線接口790通過無(wú)線方式792傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)站797。可替代地，累加雷電參數(shù)的和值被周期性傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)站797或者由檢查人員使用適當(dāng)?shù)淖x出裝置，如rfid閱讀器從輸出接口795人工讀出。遠(yuǎn)程服務(wù)站797然后可為葉片725采取必需維修措施。

應(yīng)該認(rèn)識(shí)到每個(gè)葉片(724，725和726)不一定包括相應(yīng)的雷電接受器730。例如，耦連到避雷裝置735的單個(gè)ic740可安裝在風(fēng)力渦輪機(jī)710的機(jī)艙區(qū)域722中，以檢測(cè)風(fēng)力渦輪機(jī)710上的雷擊。不過，在此配置中，不能確定被擊中的渦輪機(jī)的具體葉片，因此不可以針對(duì)此類葉片中的每一個(gè)進(jìn)行分別檢查。

應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明的各個(gè)方面可以方便地周在由幾個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)組成的風(fēng)場(chǎng)中，其中使用本發(fā)明的各方面的雷電檢測(cè)系統(tǒng)可以被配置成檢測(cè)影響風(fēng)場(chǎng)中至少一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)的至少一個(gè)葉片的雷擊。風(fēng)場(chǎng)服務(wù)站可收集來(lái)自多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)的各個(gè)ic的數(shù)據(jù)以如上說明書所述處理這些數(shù)據(jù)。

圖8為表示用于檢測(cè)結(jié)構(gòu)體上的雷擊的集成電路(ic)的示例性方法中使用步驟的流程圖。該方法包括：在步驟810中，通過與集成電路耦連的避雷裝置接收由幾次雷擊中一次或多次感應(yīng)的電流。通過避雷裝置傳導(dǎo)到地的雷電流在與ic耦連的拾波線圈127(圖1)中感應(yīng)二次電流。生成雷電感應(yīng)電流的一個(gè)或多個(gè)樣本并將它們存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中。所述方法進(jìn)一步包括：在步驟820中，通過連續(xù)存儲(chǔ)采樣的多次雷擊的雷電感應(yīng)電流，創(chuàng)建多次雷擊的歷史。

在步驟830中，基于對(duì)來(lái)自于非易失性存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)的多次雷擊的雷電流樣本歷史的分析來(lái)估計(jì)結(jié)構(gòu)體狀況。在一個(gè)實(shí)施例中，通過確定入射到結(jié)構(gòu)體上的雷擊次數(shù)來(lái)估計(jì)結(jié)構(gòu)體狀況，并將雷擊次數(shù)的值與預(yù)定閾值比較。在另一實(shí)施例中，通過累加存儲(chǔ)的多次雷擊的雷電流樣本的值并將累加值與預(yù)定閾值比較來(lái)估計(jì)結(jié)構(gòu)體狀況。在又一實(shí)施例中，非易失性存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)在結(jié)構(gòu)體工作時(shí)，以無(wú)線方式傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)站。在另一實(shí)施例中，收集能量是從雷電感應(yīng)電流收集的，以為雷電檢測(cè)系統(tǒng)供電。

操作中，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的各方面的雷電檢測(cè)系統(tǒng)周來(lái)執(zhí)行目標(biāo)檢查，例如在結(jié)構(gòu)體的不利狀況可能由于包括低、高強(qiáng)度的雷擊的雷擊在一段時(shí)間上已經(jīng)逐漸出現(xiàn)時(shí)。因此，本發(fā)明的好處在于具有存儲(chǔ)雷擊歷史的非易失性存儲(chǔ)器的緊湊、自供電集成電路。特別是，根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的方法和系統(tǒng)可以區(qū)分風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片之間的損壞估計(jì)，并且不需要現(xiàn)場(chǎng)檢查和/或中斷風(fēng)力渦輪機(jī)操作。

盡管本說明書中只說明和描述了本發(fā)明的特定特征，但許多改進(jìn)和變型是本領(lǐng)域技術(shù)人員可想到的。因此，應(yīng)理解所附權(quán)利要求旨在覆蓋所有落入本發(fā)明的真實(shí)精神內(nèi)的所有此類改進(jìn)和變型。