CN103852211B - 弯矩传感器标定装置及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弯矩传感器标定装置及标定方法。弯矩传感器标定装置包括基础、力加载系统和自平衡力墙，所述力加载系统用于对所述弯矩传感器进行标定，且通过所述自平衡力墙与所述基础固定连接。该弯矩传感器标定装置大大降低了基础的承载力，从而可降低基础的施工难度，进而可降低弯矩传感器标定装置的建设费用。

Description

弯矩传感器标定装置及标定方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种弯矩传感器标定装置及标定方法。

背景技术

风力发电机组(以下简称：风机)的叶片根部截面和塔架各法兰截面的载荷是其设计和认证的重要依据，用于评估风机长期服役安全、故障预测与诊断。由于风机系统的复杂性、外部环境不可预测性以及仿真分析模型可能存在缺陷等不确定因素，因此需要通过实际测试来验证叶根和塔架的载荷。

为准确测量风机的叶根、塔架等测量部位的弯矩载荷，需要对测量该位置的弯矩传感器(或称被标定测力传感器)进行计量标定和检定。图1为目前所采用的弯矩传感器标定装置的结构示意图。如图1所示，弯矩传感器标定装置包括基础1和力加载系统，力加载系统包括两套力传递单元、加载框25、传感器转接环6、加载过渡环4、测力环5、液压作动器23以及控制单元(图中未示出)。每套力传递单元包括力固定环21、第一弯矩消扰机构22a、液压作动器23、第二弯矩消扰机构22b以及力传感器24，其中，力固定环21、第一弯矩消扰机构22a、液压作动器23、第二弯矩消扰机构22b、力传感器24按顺序依次连接。力传递单元一端通过螺栓固定于基础1，另一端与加载框25连接，即力固定环21与基础1固定连接，力传感器24与加载框25固定连接。而且，两套力传递单元分置于加载框25相对的两端。用于固定弯矩传感器的测力环5设置于加载框25的对称轴上，而且，测力环5的两端通过加载过渡环4和弯矩传感器转接环6分别与加载框25和基础1固定连接。弯矩传感器8设置在测力环5的内侧。

利用上述弯矩传感器标定装置对弯矩传感器8进行标定时，控制单元用于控制液压作动器23，如控制液压作动器23的加载力的速度等。液压作动器23将加载力直接作用于加载框25，然后通过加载过渡环4传递至测力环5。由于力传递单元以及弯矩传感器转接环6均是通过螺栓与基础1连接，作用在力固定环21和弯矩传感器转接环6上的载荷通过各自的螺栓直接传递至基础1，导致基础1承受的局部抗拉载荷很大，而且，螺栓还承受较大的水平剪切力载荷，增加了螺栓与基础1连接的困难，而且增大了基础1的制造费用。

通过理论计算，2.5MW风机的叶根和塔架基础法兰在极限载荷工况时，弯矩载荷分别为12MNm(兆牛)、180MNm，等效疲劳载荷分别为4MNm、29MNm。考虑到标定装置的基础建设和标定精确度，作用在基础上的单点力载荷能够达到几兆牛到20兆牛。然而，目前单向拉压力弯矩传感器的最大标定装置仅能达到5MN，弯矩传感器的标定装置还没有MNm量级的。

另外，弯矩传感器标定装置为精密设备，使用时要求弯矩传感器标定装置的水平度和垂直度达到一定的精度。然而，上述弯矩传感器标定装置中力传递单元和弯矩传感器转接环6分别与基础1连接，在施工时需要对两个力传递单元以及弯矩传感器转接环6的水平度和垂直度分别进行调整，这增加了弯矩传感器标定装置的设计、施工难度和制造费用。

发明内容

本发明提供一种弯矩传感器标定装置，其可以降低基础的载荷力，以及降低施工难度和制造费用。

为实现上述目的，本发明提供一种弯矩传感器标定装置，包括基础和力加载系统，所述力加载系统用于对所述弯矩传感器进行标定，还包括自平衡力墙，所述力加载系统通过所述自平衡力墙与所述基础固定连接。

其中，所述力加载系统包括传感器固定单元、加载框和至少两套力传递单元，所述传感器固定单元的一端与所述加载框连接，所述传感器固定单元的另一端与所述自平衡力墙连接，所述力传递单元的一端与所述加载框连接，所述力传递单元的另一端与所述自平衡力墙连接，而且，所述力传递单元以所述传感器固定单元为对称轴对称设置。

其中，所述力传递单元包括力固定环、第一弯矩消扰机构、液压作动器、第二弯矩消扰机构以及力传感器，所述力固定环、第一弯矩消扰机构、液压作动器、第二弯矩消扰机构以及力传感器依次首尾连接，而且，所述力固定环与所述自平衡力墙连接，所述力传感器与所述加载框连接。

其中，所述传感器固定单元包括传感器转接环、测力环和加载过渡环，所述传感器转接环、测力环和加载过渡环依次首尾连接，而且，所述传感器转接环与所述自平衡力墙连接，所述加载过渡环与所述加载框连接。

其中，被标定的弯矩传感器设置在所述测力环的内侧。

其中，所述传感器固定单元还包括传感器连接定位组件，所述被标定的弯矩传感器通过所述传感器连接定位组件固定在所述测力环的内侧。

其中，在所述测力环的内侧的不同位置处设置有多个所述传感器连接定位组件，以通过将每个所述被标定的弯矩传感器分别固定在不同位置的所述传感器连接定位组件上来进行不同加载方向上的标定。

其中，所述液压作动器用于向所述加载框施加载荷力；所述力加载系统还包括测控单元，所述测控单元用于控制所述液压作动器的载荷力。

其中，所述自平衡力墙包括主体框架，所述主体框架通过法兰螺栓与所述基础连接；在所述主体框架上设有固定部，而且所述固定部的轴线与所述基础平行，所述力加载系统通过法兰螺栓固定在所述主体框架的固定部。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种弯矩传感器标定方法，其包括：提供弯矩传感器标定装置，所述弯矩传感器标定装置包括基础、力加载系统和自平衡力墙，所述力加载系统通过所述自平衡力墙与所述基础固定连接；所述力加载系统包括测力环，多个被标定的弯矩传感器均匀、对称地设置在所述测力环的内侧；通过所述力加载系统进行多轮次的加载，并获得每次加载时所述被标定的弯矩传感器对应的测试弯矩，所述测试弯矩包括拉伸分量和压缩分量；根据所述拉伸分量和压缩分量获得所述被标定的弯矩传感器的特性。

其中，在所述测力环的内侧设置多个传感器连接定位组件，以通过将每个所述被标定的弯矩传感器分别固定在不同位置的所述传感器连接定位组件上来进行不同加载方向上的标定。

其中，在所述测力环的内侧均匀、对称地设置两个被标定传感器，在完成一个方向的标定后，旋转所述测力环90°，进行另一个方向的标定。

其中，在所述测力环的内侧均匀、对称地设有四个被标定传感器。

其中，对所述力加载系统的加载弯矩和所述测试弯矩进行比较，获得所述被标定的弯矩传感器的精确度。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的弯矩传感器标定装置，其包括基础、力加载系统和自平衡力墙，而且力加载系统通过自平衡力墙与基础固定连接，力加载系统提供的载荷全部同时直接作用在自平衡力墙，通过自平衡力墙相互抵消，即自平衡力墙和力加载系统成为一体结构，从而使作用在基础上的载荷仅为弯矩传感器标定装置的自重及其偏心弯矩，大大降低了基础的承载力，进而降低了基础的施工难度，降低弯矩传感器标定装置的建设费用。

作为本发明的一个优选实施例，自平衡力墙包括主体框架，在主体框架上设有固定部，而且固定部的轴线与基础平行，力加载系统通过法兰螺栓固定在主体框架的固定部，这样弯矩传感器标定装置仅通过自平衡力墙与基础连接，从而有利于弯矩传感器标定装置的水平和垂直定位，从而可以提高弯矩传感器标定装置的精度，降低弯矩传感器标定装置的高度，进而降低安装和调试的难度和周期以及建设成本。

本发明还提供一种弯矩传感器标定方法，力加载系统通过所述自平衡力墙与所述基础固定连接，力加载系统提供的载荷全部同时直接作用在自平衡力墙，通过自平衡力墙相互抵消，借助自平衡力墙使作用在基础上的载荷仅为弯矩传感器标定装置的自重及其偏心弯矩，大大降低了基础的承载力，从而降低了基础的施工难度，进而降低弯矩传感器标定装置的建设费用。

附图说明

图1为目前所采用的弯矩传感器标定装置的结构示意图；

图2为本发明实施例弯矩传感器标定装置的结构图；

图3为图2所述弯矩传感器标定装置的侧视图；

图4为本发明实施例中传感器连接定位组件的设置方式；以及

图5为本发明实施例弯矩传感器标定方法的流程图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的弯矩传感器标定装置及标定方法进行详细描述。

本实施例提供一种弯矩传感器标定装置，图2为本发明实施例弯矩传感器标定装置的结构图，图3为图2所述弯矩传感器标定装置的侧视图。如图2、图3所示，弯矩传感器标定装置包括基础1、力加载系统和自平衡力墙9，力加载系统通过自平衡力墙9与基础1固定连接，即自平衡力墙9和力加载系统为一体结构，力加载系统施加的载荷首先作用在自平衡力墙9，然后由自平衡力墙9将载荷传递到基础1，从而使作用在基础1上的载荷仅为弯矩传感器标定装置的自重及其偏心弯矩，这样大大降低了基础1的承载力，从而降低了基础1的施工难度，进而降低弯矩传感器标定装置的建设费用。

如图2所示，力加载系统包括传感器固定单元、加载框25以及两套力传递单元，传感器固定单元的一端与加载框25连接，传感器固定单元的另一端与自平衡力墙9连接，力传递单元的一端与加载框25连接，力传递单元的另一端与自平衡力墙9连接，而且，两套力传递单元以传感器固定单元为对称轴对称设置。

力传递单元包括力固定环21、第一弯矩消扰机构22a、液压作动器23、第二弯矩消扰机构22b以及力传感器24，力固定环21、第一弯矩消扰机构22a、液压作动器23、第二弯矩消扰机构22b以及力传感器24依次首尾连接，并通过止口定位，而且，力固定环21与自平衡力墙9连接，力传感器24与加载框25连接。其中，液压作动器23用于向加载框25施加载荷力；第一弯矩消扰机构22a和第二弯矩消扰机构22b用于避免力传递单元在传递载荷的过程中出现的弯矩力影响弯矩传感器标定装置的标定精度。力传感器24用于测量液压作动器23施加的载荷力。

传感器固定单元包括传感器转接环6、测力环5和加载过渡环4，传感器转接环6、测力环5和加载过渡环4依次首尾连接，而且，传感器转接环6与自平衡力墙9连接，加载过渡环4与加载框25连接。被标定的弯矩传感器8设置在测力环5的内侧。当液压作动器23向加载框25加载载荷时，作用在加载框25上的载荷通过加载过渡环4传递至测力环5，将引起测力环5变形，被标定的弯矩传感器8可以监测到测力环5的变形，并根据测力环5的变形获得测试弯矩。

在本实施例中，传感器固定单元还包括传感器连接定位组件(图中未示出)，被标定的弯矩传感器8通过传感器连接定位组件固定在测力环5的内侧。

在测力环5的内侧的不同位置处设置有多个传感器连接定位组件，以通过将每个被标定的弯矩传感器分别固定在不同位置的传感器连接定位组件上来进行不同加载方向上的标定。通过使每个被标定的弯矩传感器分别与不同位置的传感器连接定位组件固定在一起，可以改变被标定的弯矩传感器与测力环5之间的相对位置，从而当需要在不同加载方向上对被标定的弯矩传感器进行标定时，无需旋转测力环5，或者自原先位置拆卸下来的被标定的弯矩传感器在安装至新位置时对该位置重新进行调试，而只需将被标定的弯矩传感器自原先的传感器连接定位组件上拆卸下来，并重新安装至需要进行标定的相应位置的传感器连接定位组件上即可，进而可以提高标定的效率和准确性。此外，上述多个传感器连接定位组件的位置可以根据具体情况自由设定。例如，可以在测力环5的内侧设置两个传感器连接定位组件，两个传感器连接定位组件对称地设置在测力环5的内侧。再如，也可以在测力环5的内侧设置四个传感器连接定位组件，如图4所示，在图4中，中心点表示测力环5的对称中心。四个传感器连接定位组件10均匀、对称地设置在测力环5的内侧，如在水平线上设置两个弯矩传感器，在竖直线上设置两个弯矩传感器。不难理解，在测力环5的内侧还可以设置更多个传感器连接定位组件，如沿测力环5的周向每隔δ角度设置一个传感器连接定位组件，δ可以为5°、10°、15°、30°或45°等等，然后根据弯矩传感器的精度要求在相应位置设置弯矩传感器。

弯矩测力传感器有两个分量：Mx和My，若在测力环5的内侧设置两个弯矩传感器，在完成一个分量的标定后，需要将弯矩传感器转置90°，即将测力环5转置90°，再进行另一分量的标定。若在测力环5的内侧设置四个弯矩传感器，则不需转置测力环5即可实现两个分量的标定，从而能够方便、快速实现不同方向的精确标定；而且还能实现两个分量的任意组合进行标定，以及对测量精确度进行组合检定。对于塔架弯矩传感器的标定，可以先完成一个方向的标定，然后旋转90°再进行另一方向的标定。对于叶片弯矩传感器的标定，由于变浆轴承非线性特性的影响，旋转角度难以连续精确定位，因此，优选采用四个或更多传感器连接定位组件。

在本实施例中，力加载系统还包括测控单元(图中未示出)，测控单元用于控制液压作动器23的载荷力。通过测控单元可以方便地控制力加载系统，从而提高弯矩传感器标定装置的操控性。

需要指出的是，本实施例中，力加载系统2设有两套力传递单元。本实施例也可以设置四套或更多套力传递单元，只要能够将液压作动器23施加的载荷均匀地传递至测力环5即可。

如图2所示，自平衡力墙9包括主体框架9a，主体框架9a通过法兰螺栓与基础1连接；在主体框架9a上设有固定部9b，而且固定部9b的轴线与基础1平行，力加载系统通过法兰螺栓固定在主体框架9a的固定部9b。在施工过程中，只要确保自平衡力墙9在水平方向和垂直方向上的定位，即可确保力加载系统在水平方向和垂直方向上的定位，不仅有利于弯矩传感器标定装置的水平和垂直定位，而且可以提高弯矩传感器标定装置的精度以及降低安装和调试的难度和周期。

自平衡力墙9和加载框25可以采用整体焊接精密加工而成，从而有利于弯矩传感器标定装置的装配连接和精确定位。自平衡力墙9与力加载系统通过加载系统连接法兰连接，具体地，力固定环21与自平衡力墙9通过加载系统连接法兰连接。传感器固定单元与自平衡力墙9通过传感器固定单元连接法兰连接，具体地，传感器转接环6与自平衡力墙9通过传感器固定单元连接法兰连接。

本实施例提供的弯矩传感器标定装置，其包括基础、力加载系统和自平衡力墙，而且力加载系统通过自平衡力墙与基础固定连接，力加载系统提供的载荷全部同时直接作用在自平衡力墙，通过自平衡力墙相互抵消，即自平衡力墙和力加载系统成为一体结构，从而使作用在基础上的载荷仅为弯矩传感器标定装置的自重及其偏心弯矩，大大降低了基础的承载力，进而降低了基础的施工难度，降低弯矩传感器标定装置的建设费用。

本实施例还提供一种弯矩传感器标定方法，如图5所示，包括：

步骤S1，提供弯矩传感器标定装置，其包括基础、力加载系统和自平衡力墙，力加载系统通过自平衡力墙与基础固定连接；力加载系统包括测力环，多个被标定的弯矩传感器均匀、对称地设置在测力环的内侧。

在本实施例中，弯矩传感器标定装置的具体结构参见上文，在此不再赘述。在测力环的内侧设有两个被标定的弯矩传感器。

步骤S2，通过力加载系统进行多轮次的加载，并获得每次加载时被标定的弯矩传感器对应的测试弯矩，测试弯矩包括拉伸分量和压缩分量。

首先根据被标定的弯矩传感器的设定载荷，可计算出力加载系统的载荷；在加载过程中，可以通过力传感器24获得力加载系统的加载弯矩；然后通过液压作动器23进行加载，加载到被标定的弯矩传感器的设定载荷并保持稳定，由被标定的弯矩传感器获得测试弯矩。测试弯矩包括拉伸分量FT_n和压缩分量FC_n。

步骤S3，根据拉伸分量和压缩分量获得被标定的弯矩传感器的特性。

根据拉伸分量和压缩分量获得拉伸-压缩的幅值F_a以及拉伸+压缩的均值FM_n，表1为弯矩传感器标定方法通过多轮次加载获得的加载弯矩、测试弯矩以及拉伸分量FT_n和压缩分量FC_n。

表1

通过过数值拟合，即获得弯矩传感器的特性公式：

M＝k1·FA1+k2·FA2+k3·FA3+k4·FM4+C+k6·FM6+C

式中，k1、k2…k6为特性系数；C为常数。

本实施例还可以包括：

步骤S4，通过加载弯矩和测试弯矩评定弯矩传感器的精确度。

根据多个设定载荷，测量获得加载弯矩和测试弯矩，比较加载弯矩和测试弯矩的差值，即可对弯矩传感器的精确度进行评定。

本实施例提供的弯矩传感器标定方法，由于力加载系统通过所述自平衡力墙与所述基础固定连接，力加载系统提供的载荷全部同时直接作用在自平衡力墙，通过自平衡力墙相互抵消，借助自平衡力墙使作用在基础上的载荷仅为弯矩传感器标定装置的自重及其偏心弯矩，大大降低了基础的承载力，从而降低了基础的施工难度，进而降低弯矩传感器标定装置的建设费用。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种弯矩传感器标定装置，包括基础和力加载系统，所述力加载系统用于对所述弯矩传感器进行标定，其特征在于，还包括自平衡力墙，所述力加载系统通过所述自平衡力墙与所述基础固定连接，所述自平衡力墙包括主体框架，所述主体框架通过法兰螺栓与所述基础连接；

在所述主体框架上设有固定部，而且所述固定部的轴线与所述基础平行，所述力加载系统通过法兰螺栓固定在所述主体框架的固定部。

2.根据权利要求1所述的弯矩传感器标定装置，其特征在于，所述力加载系统包括传感器固定单元、加载框和至少两套力传递单元，所述传感器固定单元的一端与所述加载框连接，所述传感器固定单元的另一端与所述自平衡力墙连接，所述力传递单元的一端与所述加载框连接，所述力传递单元的另一端与所述自平衡力墙连接，而且，所述力传递单元以所述传感器固定单元为对称轴对称设置。

3.根据权利要求2所述的弯矩传感器标定装置，其特征在于，所述力传递单元包括力固定环、第一弯矩消扰机构、液压作动器、第二弯矩消扰机构以及力传感器，所述力固定环、第一弯矩消扰机构、液压作动器、第二弯矩消扰机构以及力传感器依次首尾连接，而且，所述力固定环与所述自平衡力墙连接，所述力传感器与所述加载框连接。

4.根据权利要求2所述的弯矩传感器标定装置，其特征在于，所述传感器固定单元包括传感器转接环、测力环和加载过渡环，所述传感器转接环、测力环和加载过渡环依次首尾连接，而且，所述传感器转接环与所述自平衡力墙连接，所述加载过渡环与所述加载框连接。

5.根据权利要求4所述的弯矩传感器标定装置，其特征在于，被标定的弯矩传感器设置在所述测力环的内侧。

6.根据权利要求5所述的弯矩传感器标定装置，其特征在于，所述传感器固定单元还包括传感器连接定位组件，所述被标定的弯矩传感器通过所述传感器连接定位组件固定在所述测力环的内侧。

7.根据权利要求6所述的弯矩传感器标定装置，其特征在于，在所述测力环的内侧的不同位置处设置有多个所述传感器连接定位组件，以通过将每个所述被标定的弯矩传感器分别固定在不同位置的所述传感器连接定位组件上来进行不同加载方向上的标定。

8.根据权利要求3所述的弯矩传感器标定装置，其特征在于，所述液压作动器用于向所述加载框施加载荷力；

所述力加载系统还包括测控单元，所述测控单元用于控制所述液压作动器的载荷力。

9.一种弯矩传感器标定方法，其特征在于，包括：

提供弯矩传感器标定装置，所述弯矩传感器标定装置包括基础、力加载系统和自平衡力墙，所述力加载系统通过所述自平衡力墙与所述基础固定连接；所述力加载系统包括测力环，多个被标定的弯矩传感器均匀、对称地设置在所述测力环的内侧；

通过所述力加载系统进行多轮次的加载，并获得每次加载时所述被标定的弯矩传感器对应的测试弯矩，所述测试弯矩包括拉伸分量和压缩分量；

根据所述拉伸分量和压缩分量获得所述被标定的弯矩传感器的特性。

10.根据权利要求9所述的弯矩传感器标定方法，其特征在于，在所述测力环的内侧设置多个传感器连接定位组件，以通过将每个所述被标定的弯矩传感器分别固定在不同位置的所述传感器连接定位组件上来进行不同加载方向上的标定。

11.根据权利要求9所述的弯矩传感器标定方法，其特征在于，在所述测力环的内侧均匀、对称地设置两个被标定传感器，在完成一个方向的标定后，旋转所述测力环90°，进行另一个方向的标定。

12.根据权利要求9所述的弯矩传感器标定方法，其特征在于，在所述测力环的内侧均匀、对称地设有四个被标定传感器。

13.根据权利要求9所述的弯矩传感器标定方法，其特征在于，对所述力加载系统的加载弯矩和所述测试弯矩进行比较，获得所述被标定的弯矩传感器的精确度。