CN107101759B - 电机轴功率激光测量系统及测量方法 - Google Patents

电机轴功率激光测量系统及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明对目前轴功率测量技术存在的问题，创新提出一种电机轴功率激光测量系统及测量方法，利用高精度一字激光照射传动轴上的定制反射适配器，激光经反射适配器反射回CCD及光敏器件，可以准确检测传动轴在旋转过程中两端的扭变量及传动轴的转速进而计算出轴功率。本发明无需应变桥路和复杂的无线通信模块，结构简单、易便携使用，能够满足现场测试要求，对提高油田经济效益具有重要作用。

Description

电机轴功率激光测量系统及测量方法
技术领域
本发明涉及电机轴功率测量领域，尤其涉及一种电机轴功率激光测量系统及测量方法。
背景技术
在油田采油注水过程中，若能实时检测电机等设备轴功率，则容易实现电机的高效运转。因此，注水电机轴功率的实时测量对油田节能十分重要。轴功率主要由传动轴的扭矩和转速决定，而轴转速测量技术较为成熟，因此难点在于动态轴扭矩测量。由于传动轴扭矩无法直接测量，一般通过测量轴的扭变形量间接得出。因此，如何精确测量传动轴的扭变形量是轴功率测量的关键。自80年代起，国外相继出现了以光学和磁学为基础的轴功率测量方法。以光学为基础的方法是通过测量传动轴的角位移间接得出传动轴扭矩；以磁学为基础的方法是利用负载扭力产生的压磁效应进行轴扭矩测量。目前，国内较为成熟的是应变式测量法，该方法利用轴上应变片直接检测轴的扭变量，再通过无线通信方式发送至上位机，经处理得出轴扭矩值。该应变式测量方案难点在于高速旋转轴上的测量模块与上位机的无线通信，特制的无线通信模块增大了系统的设计难度及制作成本。近年来，随着新型传感器出现，新的扭矩测量方法也随之出现：如磁变式扭矩测量方法，由铁磁材料形变导致测量材料的磁导率变化并将其转化成轴扭矩；无线声表面波扭矩测量方法，声表面波扭矩传感器通过测量与轴成45°的方向完成轴的扭矩测量。上述轴功率测量产品大多存在安装复杂、成本较高等问题，很难满足油田现场优化节能的要求，因此迫切需要对安装简单、极易携带和成本可控的轴功率测量设备进行研发。
发明内容
针对上述问题，本发明提供的电机轴功率激光测量系统，包括CCD时序驱动模块、用于滤波及数据处理的DSP数据采集及处理模块、用于数据解析和显示的上位机通信及数据处理模块、测距测速模块；CCD时序驱动模块、上位机通信及数据处理模块、测距测速模块分别与DSP数据采集及处理模块连接；
所述CCD时序驱动模块包括可发出一字激光束的高精度激光光源、安装于电机传动轴两端的两个反射适配器、分别与两个反射适配器对应设置的两个线阵CCD；所述两个反射适配器的一侧分别设有相互平行的反射镜，两个线阵CCD位于同一水平面；两个线阵CCD的感光面均垂直于水平面，并位于同一竖直平面；所述测距测速模块包括分别与DSP数据采集及处理模块连接的红外测距传感器和接收反射镜反射的激光束的光敏器件，分别用于测量线阵CCD与反射适配器之间的距离和电机轴转速。
优选的，所述DSP数据采集及处理模块与上位机通信及数据处理模块之间为串口通讯连接。
优选的，所述红外测距传感器包括红外发射器和内部CCD检测器，所述红外发射器发出的一字红外光束朝向反射适配器上的反射镜，所述内部CCD检测器设于红外光束的反射方向。
优选的，所述红外测距传感器、光敏器件设于两个线阵CCD之间，并与两个线阵CCD的感光面位于同一竖直平面。
本发明还提供一种利用所述电机轴功率激光测量系统的测量方法,包括:将两个反射适配器安装在电机传动轴两端,两个反射适配器上的反射镜的中心距离为l;
调整高精度激光光源发出水平的一字激光束,调整两个反射适配器上的反射镜在同一角度,并配置两个位于同一水平面的线阵CCD接收对应反射镜反射的激光束，调整线阵CCD的感光面垂直于水平面，检测激光束从反射镜反射至线阵CCD的有效像素点的中心位置，并计算两个线阵CCD接收到激光束的有效像素点的中心位置在垂直距离上的差值D；
利用红外测距传感器测量反射镜与线阵CCD间的距离L;
利用光敏元件感应激光束的反射，将高精度激光光源发出的相邻两次激光束反射至光敏器件上的时间差作为电机传动轴转一圈的时间，从而计算电机传动轴的转速N；
再根据电机传动轴的剪切弹性模量G, ,电机传动轴的直径d,计算轴功率P：
优选的，检测激光束从反射镜反射至线阵CCD的有效像素点的中心位置时，首先，将线阵CCD输出数据采用中值滤波算法处理；然后，将线阵CCD上全部有效像素点的像素值相加取平均值，（由于激光反射区数据小于非激光反射区数据，且激光反射区数据只占全部数据的15%-25%）因此定义该平均值的80%为阈值并进行二值化处理，线阵CCD上像素点值大于该阈值时置4095，小于该阈值时置0；线阵CCD上数据置0的区域即为激光反射至线阵CCD的位置；最后，取数据置零区域的位置平均值为激光反射至线阵CCD的有效像素点的中心位置。
本发明对目前轴功率测量技术存在的问题，创新提出一种电机轴功率激光测量系统及测量方法，利用高精度一字激光照射传动轴上反射适配器的反射镜，激光经反射镜反射回线阵CCD和光敏器件，可以准确检测传动轴在旋转过程中两端的扭变量及传动轴的转速进而计算出轴功率。本发明无需在轴上固定应变桥路和复杂的无线通信模块，结构简单、易便携使用，能够满足现场测试要求，对提高油田经济效益具有重要作用。
附图说明
图1是本发明提供的电机轴功率激光测量系统功能框架图。
图2是本发明提供的电机轴功率激光测量系统测量原理图。
图3是本发明提供的电机轴功率激光测量系统实施例反射适配器结构图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，电机轴功率激光测量系统，包括CCD时序驱动模块1、用于滤波及数据处理的DSP数据采集及处理模块2、用于数据解析和显示的上位机通信及数据处理模块3、测距测速模块4；CCD时序驱动模块1、上位机通信及数据处理模块3、测距测速模块4分别与DSP数据采集及处理模块2连接；DSP数据采集及处理模块2与上位机通信及数据处理模块3之间为串口通讯连接。
线阵CCD时序驱动模块1包括可朝电机传动轴5水平发出一字激光束的高精度激光光源、安装于电机传动轴5两端的两个反射适配器、分别与两个反射适配器对应设置的两个线阵CCD，即线阵CCD_A、线阵CCD_B，如图2所示；两个反射适配器上分别设有角度一致的两个反射镜，即反射镜A和反射镜B，线阵CCD_A、线阵CCD_B位于同一水平面，两个线阵CCD的感光面均垂直于水平面并位于同一竖直平面。在本实施例中所用线阵CCD为自带电子快门的东芝TCD1304，通过电子快门实现对激光的瞬时光积分检测。
反射适配器的设计如图3所示,反射适配器上需要放置和固定平面反射镜，所以在反射适配器的一个侧面需设计一个放置反射镜的平面。在反射适配器安装时，反射镜固定在反射适配器的一侧，再将反射适配器固定套在传动轴的轴套环上。反射适配器设计成两半式，包括两块结构基本对称的固定环，其中一侧铣出一个与反射镜大小一致的平面，用M6螺丝将两块固定环安装在传动轴的轴套环上。
测距测速模块4包括分别与DSP数据采集及处理模块2连接的红外测距传感器41和可接收反射镜反射的激光束的光敏器件42。红外测距传感器41、光敏器件42设于两个线阵CCD之间，并与两个线阵CCD的感光面位于同一竖直平面，分别用于测量两个线阵CCD与反射适配器之间的距离和电机传动轴的转速。
本实施例中选用的红外测距模块41型号为夏普GP2Y0A02YK0F，包括红外发射器和内部CCD检测器，红外发射器发出的红外光束朝向一适配器上的反射镜，内部CCD检测器设于红外光束的反射方向。红外发射器按照一定角度发射红外光束，当激光束照射到反射镜，反射回来的光束被传感器内部CCD检测器检测。根据红外光束的发射角度、传感器内部CCD与红外发射器的中心距、反射红外光线与传感器内部CCD中心距离，即可利用三角关系得出检测距离。测速模块则利用相邻两次激光束反射至光敏器件的间隔时间计算电机轴转速。
DSP数据采集及处理模块工作过程如下：首先，将两个线阵CCD的像素点的灰度值、红外测距模块的输出电压值等数据采集到DSP；然后，在DSP内对数据进行滤波、二值化、帧包装等处理；最后，得到CCD像素点位置、轴转速N、反射镜与线阵CCD间的距离L等数据。
本实施例所提供的电机轴功率激光测量系统工作过程如下：首先，初始化各模块；然后，由红外测距模块测量线阵CCD到反射适配器的距离，经AD采集通道传至DSP。同时，DSP产生时序信号经驱动线阵CCD正常工作，激光束经电机传动轴上反射适配器的反射至线阵CCD及光敏器件，线阵CCD输出数据经AD采集在DSP内进行数字滤波、二值化处理及线阵CCD像素点定位。最后，根据像素点位置、轴转速N、距离L等数据计算得到轴功率P。
本发明还提供一种利用所述电机轴功率激光测量系统的测量方法,包括:将两个反射适配器安装在电机传动轴两端,两个反射适配器上的反射镜的中心距离为l;
调整高精度激光光源发出水平的一字激光束,调整两个反射适配器上的反射镜在同一角度,并配置两个位于同一水平面的线阵CCD接收对应反射镜反射的激光束，调整线阵CCD的感光面垂直于水平面，检测激光束从反射镜反射至线阵CCD的有效像素点的中心位置，由于传动轴在旋转时，两端会发生扭变，两个反射镜的角度会产生差异，反射镜激光束的反射也会随之产生差异，计算两个线阵CCD接收到激光束的有效像素点的中心位置在垂直距离上的差值D；
利用红外测距传感器测量反射镜与线阵CCD间的距离L;
利用光敏元件感应激光束的反射，将高精度激光光源发出的相邻两次激光束反射至光敏器件上的时间差作为电机传动轴转一圈的时间，从而计算电机传动轴的转速N；
再根据电机传动轴的剪切弹性模量G, ,电机传动轴的直径d,计算轴功率P：
检测激光束从反射镜反射至线阵CCD的有效像素点的中心位置时，首先，将线阵CCD输出数据采用中值滤波算法处理；然后，将线阵CCD上全部有效像素点的像素值相加取平均值，（由于激光反射区数据小于非激光反射区数据，且激光反射区数据只占全部数据的15%-25%）因此定义该平均值的80%为阈值并进行二值化处理，线阵CCD上像素点值大于该阈值时置4095，小于该阈值时置0；线阵CCD上数据置0的区域即为激光反射至线阵CCD的位置；最后，取数据置零区域的位置平均值为激光反射至线阵CCD的有效像素点的中心位置。
中值滤波算法即将数字图像或数字序列中一点的值用该点的一个区域中各点值 的中值代替。其具体原理如下：设数组X1、X2、X3、…Xn，把n个数按大小排列如下。y定义为序列X1、X2、X3、…Xn的中值。把一个特定长度的区间 称为窗口。在一维情况下，中值滤波器是一个含有奇数个像素的滑动窗口，窗口正中间那个 像素的值用窗口内各像素值的中值代替。
本实施例中中值滤波实现过程：首先通过DSP中的AD模块采集线阵CCD所有输出数据，将线阵CCD像素点灰度值原始数据存于Light数组中；然后记录循环次数n，利用中间数组tempLight从Light(n)开始取若干个数；最后再将tempLight数组进行排序，取每次tempLight的中间值赋给Light(n)。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.电机轴功率激光测量系统，其特征在于：包括CCD时序驱动模块、用于滤波及数据处理的DSP数据采集及处理模块、用于数据解析和显示的上位机通信及数据处理模块、测距测速模块；CCD时序驱动模块、上位机通信及数据处理模块、测距测速模块分别与DSP数据采集及处理模块连接；
所述CCD时序驱动模块包括可发出一字激光束的高精度激光光源、安装于电机传动轴两端的两个反射适配器、分别与两个反射适配器对应设置的两个线阵CCD；所述两个反射适配器的一侧分别设有相互平行的反射镜，两个线阵CCD位于同一水平面；两个线阵CCD的感光面均垂直于水平面，并位于同一竖直平面；所述测距测速模块包括分别与DSP数据采集及处理模块连接的红外测距传感器和接收反射镜反射的激光束的光敏器件，分别用于测量线阵CCD与反射适配器之间的距离和电机轴转速。
2.依据权利要求1所述电机轴功率激光测量系统，其特征在于：所述DSP数据采集及处理模块与上位机通信及数据处理模块之间为串口通讯连接。
3.依据权利要求1所述电机轴功率激光测量系统，其特征在于：所述红外测距传感器包括红外发射器和内部CCD检测器，所述红外发射器发出的一字红外光束朝向反射适配器上的反射镜，所述内部CCD检测器设于红外光束的反射方向。
4.依据权利要求1所述电机轴功率激光测量系统，其特征在于：所述红外测距传感器、光敏器件设于两个线阵CCD之间，并与两个线阵CCD的感光面位于同一竖直平面。
5.利用权利要求1所述电机轴功率激光测量系统的测量方法,包括:将两个反射适配器安装在电机传动轴两端,两个反射适配器上的反射镜的中心距离为l；
调整高精度激光光源发出水平的一字激光束,调整两个反射适配器上的反射镜在同一角度,并配置两个位于同一水平面的线阵CCD接收对应反射镜反射的激光束，调整线阵CCD的感光面垂直于水平面，检测激光束从反射镜反射至线阵CCD的有效像素点的中心位置，并计算两个线阵CCD接收到激光束的有效像素点的中心位置在垂直距离上的差值D；
利用红外测距传感器测量反射镜与线阵CCD间的距离L;
利用光敏元件感应激光束的反射，将高精度激光光源发出的相邻两次激光束反射至光敏器件上的时间差作为电机传动轴转一圈的时间，从而计算电机传动轴的转速N；
再根据电机传动轴的剪切弹性模量G, 电机传动轴的直径d,计算轴功率P：
。
6.依据权利要求5所述测量方法，其特征在于：检测激光束从反射镜反射至线阵CCD的有效像素点的中心位置时；首先，将线阵CCD输出数据采用中值滤波算法处理；然后，将线阵CCD上全部有效像素点的像素值相加取平均值，并定义该平均值的80%为阈值并进行二值化处理，线阵CCD上像素点值大于该阈值时置4095，小于该阈值时置0；线阵CCD上数据置0的区域即为激光反射至线阵CCD的位置；最后，取数据置零区域的位置平均值为激光反射至线阵CCD的有效像素点的中心位置。
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