CN109058053B - 一种测量风力发电机塔架顶端水平位移的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种测量风力发电机塔架顶端水平位移的方法，该方法采用多对并联的红外接收器来控制风力发电机塔架顶端下方的光电开关，进而开启塔架顶部下方的激光红外灯垂直向风力发电塔塔架底部已搭建好的投影仪银幕上发射红外线，利用红外感应的高清摄像头拍摄投影仪银幕上激光红外灯的投影点的动态位置图，再实时地将图片传输给外部PC机上，通过动态投影点位置和标定投影点位置相距的距离，计算出风力发电机塔架顶端水平位移。本发明方法能精确测量出风力发电机塔架顶端水平位移，实时反馈出风力发电机塔架顶端的工作状态，提高外部系统对风力发电机塔架安全性的评估，是保障风力发电机供电安全的重要监测方法。

Description

一种测量风力发电机塔架顶端水平位移的方法

技术领域

本发明属于红外激光技术领域，具体涉及一种测量风力发电机塔架顶端水平位移的方法。

背景技术

塔架是风力发电机的主要承重机构，尤其是大型风力发电机，其高度一般在数十米以上。当风力发电机运行时，塔架受力状态极为复杂。这些载荷通常包括风载荷、机组自重以及由机组重心偏移引起的偏心力矩等，在这些载荷的共同作用下，塔架的顶端将产生水平位移（挠度）。如果水平位移过大将会引起机组的激烈振动，即塔架顶端处于可修正或者报废状态，最终可导致机组不能正常运行。可见，风力发电机塔架顶端水平位移将直接影响风机发电机的整体稳定性和动态特性。因此，计算出塔架顶端水平位移成为风力发电机稳定性计算以及动态特性计算中重要内容之一。目前为了计算出塔架顶端位移基本采用将其抽象为一个具体的力学结构模型，对其进行受力分析，最终求出塔架顶端水平位移。但在实际情况下，塔架真实的水平位移会有较大的偏差，该方法不能准确获取风力发电机塔架顶端的水平位移。但是随着红外激光技术的快速发展，大量的激光设备运用到工程技术监测方面，获取风力发电机塔架顶端位移有了新的突破。可采用红外激光设备实现对塔架顶端的实时监测，并且可准确获取到塔架顶端水平位移。从而大幅提高塔架顶端水平位移的精度，同时提高外部系统对风力发电机塔架安全性的评估。

采用红外激光技术对风力发电机塔架顶端水平位移进行监测，需要用到相关的激光设备。例如光电开关、激光红外灯、红外感应高清摄像头等相关的辅助设备。光电开关属于无接触传感器，此类开关采用高效的红外发光器件的红外光电开关。由于红外光电开关抗光污染性能良好，在检测和自动化领域应用广泛。常用的红外光电开按照检测的方式可分为反射式、对射式以及镜面反射式三种类型。对射式红外光电开关检测距离远，可检测半透明物体的密度；反射性红外光电开关检测距离被限定在光速的交点附近，以避免背景影响；镜面反射式红外光电开关反射距离较远，适宜作远距离检测，也可检测透明或者半透明物体。同时随着激光红外灯的技术进步与发展，激光红外灯作为摄像机夜视补光光源应用广泛，取代LED红外灯成为中远距离最佳搭配的红外光源产品。激光红外技术是不同于LED本质的一种先进性的红外技术。

激光红外灯属于半导体激光器是利用半导体材料，在空穴和电子符合的过程中电子能级的降低而释放出光子来产生光能的，然后光子在谐振腔间产生谐振规范光子的传播方向而形成激光。半导体激光器电能到光能的转化效率高，电光转换率至少80%，而LED灯光源光电转换率不超过20%。半导体激光器由于输出量为光，因此可用作发射光源。同时激光具备良好的方向性，表现为光束的角度小、能量集中，传播至较远的距离仍然具有足够的强度，适合中远距离光信号传输。半导体激光器发射出的能量在光束的垂直截面上的能量分布式不均匀的，呈高斯分布：中间强，到边缘逐渐变弱或呈明暗条纹状分布。故直接使用半导体激光器作为发射光源是不可取的。一般采用红外激光灯和红外感应摄像机相结合来实现监控，这样采集到的图片质量更好，涉及到数据更精确。

发明内容

本发明主要采用多对并联的红外接收器协同控制风力发电机塔架顶端正下方的光电开关，进而开启激光红外灯向塔底投影仪银幕垂直发射红外波，再利用红外感应高清摄像头拍摄投影点位置图片，通过无线通信方式实时传输给外部PC机，比较激光红外灯投影在银幕上的动态点位置和已标定的发电机塔架顶端竖直状态下在投影仪银幕上的投影点位置相距的距离大小，精确地计算出发电塔塔尖在水平方向上的偏移距离以便实时反馈到安全部门及时作出整改。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种测量风力发电机塔架顶端水平位移的方法，包括底板、以及设置于底板上的风力发电机塔架，该方法包括以下步骤：

步骤1）安装测量装置至指定工位，将投影仪安装至风力发电机塔架底部中心的底板处，同时利用PC机通过无线通信方式连接投影仪，且使投影仪处于工作状态，同时将PC机预先设定的安全等级环形图投影在投影仪银幕上，然后调节投影仪将该安全等级环形图的中心点与风力发电机塔架底部的中心处于同一竖直直线上，接着固定好投影仪和投影仪银幕的位置，紧接着将红外感应高清摄像头安装至指定工位，使其能拍摄到投影仪银幕上生成的投影图，然后将若干个红外发射器依次围绕投影仪安装于风力发电机塔架底部的位置处，围绕风力发电机塔架顶端依次安装有若干与下方红外发射器对应的红外接收器，在投影仪银幕上方的风力发电机塔架中心处安装有激光红外灯；

步骤2）启动红外发射器工作，开启风力发电机塔架底部的红外发射器向风力发电机塔架顶端方向发射红外光信号；

步骤3）启动红外接收器工作，开启风力发电机塔架上端部的红外接收器接收来自风力发电机塔架底部的红外发射器的发出的红外光信号；

步骤4）启动激光红外灯工作，红外接收器接收到启动红外发射器发射的红外光信号后，生成电信号，并通过光电开关启动激光红外灯向风力发电机塔架底部的投影仪银幕上发射红外激光；

步骤5）生成激光红外灯投影图，利用投影仪银幕接收来自激光红外灯垂直投射的光信号，在投影仪银幕上生成红外光点；

步骤6）拍摄投影仪银幕上的投影图，调整好红外感应高清摄像头的测量工位，开启红外感应高清摄像头拍摄激光红外灯投影在投影仪银幕上的图片；

步骤7）将图片实时传输至外部PC机，通过无线通信方式，PC机实时接收红外感应高清摄像头拍摄的图片；

步骤8）计算出风力发电机塔架顶端水平位移，通过外部PC机屏幕上呈现出的高清图片，计算出激光红外灯投影在投影仪银幕上的动态投影点实时位置偏离风力发电机塔架顶端理想竖直状态下在银幕上的位置点的距离R，即为风力发电机塔架顶端水平位移，并且该理想竖直状态为风力发电机塔架顶端与底部的中心点处于同一竖直直线上的状态；

步骤9）对风力发电机塔架顶端水平位移R进行分类处理，若风力发电机塔架顶端水平位移R不大于处于危险状态下风力发电机塔架顶端偏离其原始发电塔竖直状态下的水平方向的距离L1，则风力发电机塔架顶端处于合理的安全偏移状态，否则，继续向下一步执行；

步骤10）若风力发电机塔架顶端水平位移R不大于风力发电机塔架处于二级危险状态下风力发电机塔架顶端偏离其原始竖直状态下的水平方向的距离L2，则风力发电机塔架顶端处于可修正状态，外部PC机实时将可修正信息反馈给相应安全部门对风力发电机塔架顶端进行修正处理，否则，继续向下一步执行；

步骤11）风力发电机塔架顶端处于一级危险状态下，即风力发电机塔架顶端水平位移R过大，处于报废状态下，外部PC机实时将报废信息反馈给相应安全部门对风力发电机塔架顶端进行报废和更换处理。

进一步的，所述步骤1）中，投影仪的镜头方向与风力发电机塔架中心处于同一竖直直线上，便于投影仪将外部PC机通过无线通信方式传输的预先设定的安全等级环形图正对着投影仪银幕的中心点投影出去。

进一步的，所述步骤1）中，由红外接收器、光电开关和激光红外灯组成一复合装置，采用细绳一端系在该复合装置上，另外一端系在风力发电机塔架顶端正下方，所述细绳随着风力发电机塔架顶端的移动而移动且保持竖直状态。

进一步的，所述步骤2）和步骤3）中，采用四个红外发射器以及相对应的四个红外接收器，并且四个红外发射器依次围绕风力发电机塔架底部的投影仪相隔90°等距安装至相应工位，相对应的红外接收器安装于竖直方向的复合装置四周，用于有效覆盖风力发电机塔架顶端发生偏移的可能区域。

进一步的，所述步骤4）中，四个红外发射器和四个红外接收器协同控制激光红外灯：四个红外接收器间为并联连接，只要满足其中一个红外接收器接收成功，则复合装置中的光电开关处于闭合状态，同时该光电开关控制激光红外灯的断开，激光红外灯处于非工作状态；否则当光电开关闭合时，激光红外灯处于工作状态，向风力发电机塔架正下方的投影仪银幕发射红外激光信号。

进一步的，所述步骤6）中，采用激光红外灯作为发射光源的同时，设置红外感应高清摄像头协同工作来实现监控，以使采集到的图片数据更加精确。

本发明的有益效果是:

本发明方法能精确测量出风力发电机塔架顶端水平位移，实时反馈出风力发电机塔架顶端的工作状态，从而大幅提高塔架顶端水平位移的精度，同时提高外部系统对风力发电机塔架安全性的评估，是保障风力发电机供电安全的重要监测方法。

附图说明

图1是本发明测量风力发电机塔架顶端水平位移的装置组成示意图；

图2是本发明外部PC机预先设定的安全等级环形示意图；

图3是本发明测量风力发电机塔架顶端水平位移的流程图。

图中标号说明：1、风力发电机塔架顶端，2、细绳，3、红外感应高清摄像头，4、红外发射器，5、红外接收器，6、复合装置，7、激光红外灯，8、投影仪银幕，9、投影仪投影镜头，10、投影仪散热窗口，11、预先设定的安全等级图，12、外部PC机，13、底板，14、一级危险状态区域，15、二级危险状态区域，16、预先设定的安全等级图中心点，17、安全状态区域。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

参照图1所示，一种测量风力发电机塔架顶端水平位移的方法，包括底板13、以及设置于底板13上的风力发电机塔架,该方法包括以下步骤：

步骤1）安装测量装置至指定工位，将投影仪安装至风力发电机塔架底部中心的底板13处，同时利用PC机通过无线通信方式连接投影仪，且使投影仪处于工作状态，同时将PC机预先设定的安全等级环形图投影在投影仪银幕8上，然后调节投影仪将该安全等级环形图的中心点与风力发电机塔架底部的中心处于同一竖直直线上，接着固定好投影仪和投影仪银幕8的位置且使投影仪处于工作状态，紧接着将红外感应高清摄像头3安装至指定工位，使其能拍摄到投影仪银幕8上生成的投影图，由于红外感应高清摄像头3的底座可以旋转，故对准投影仪银幕8，调节好红外感应高清摄像头3的拍摄方位，然后将若干个红外发射器4依次围绕投影仪安装于风力发电机塔架底部的位置处，围绕风力发电机塔架顶端1依次安装有若干与下方红外发射器4对应的红外接收器5，在投影仪银幕8上方的风力发电机塔架中心处安装有激光红外灯7；

步骤2）启动红外发射器4工作，开启风力发电机塔架底部的红外发射器4向风力发电机塔架顶端1方向发射红外光信号；

步骤3）启动红外接收器5工作，开启风力发电机塔架上端部的红外接收器5接收来自风力发电机塔架底部的红外发射器4的发出的红外光信号；

步骤4）启动激光红外灯7工作，红外接收器5接收到启动红外发射器4发射的红外光信号后，生成电信号，并通过光电开关启动激光红外灯7向风力发电机塔架底部的投影仪银幕8上发射红外激光；

步骤5）生成激光红外灯7投影图，利用投影仪银幕8接收来自激光红外灯7垂直投射的光信号，在投影仪银幕8上生成红外光点；

步骤6）拍摄投影仪银幕8上的投影图，调整好红外感应高清摄像头3的测量工位，开启红外感应高清摄像头3拍摄激光红外灯7投影在投影仪银幕8上的图片；

步骤7）将图片实时传输至外部PC机12，通过无线通信方式，PC机实时接收红外感应高清摄像头3拍摄的图片；

步骤8）计算出风力发电机塔架顶端1水平位移，通过外部PC机12屏幕上呈现出的高清图片，计算出激光红外灯7投影在投影仪银幕8上的动态投影点实时位置偏离风力发电机塔架顶端1理想竖直状态下在银幕上的位置点的距离R，即为风力发电机塔架顶端1水平位移，并且该理想竖直状态为风力发电机塔架顶端1与底部的中心点处于同一竖直直线上的状态；

步骤9）对风力发电机塔架顶端1水平位移R进行分类处理，若风力发电机塔架顶端1水平位移R不大于处于危险状态下风力发电机塔架顶端1偏离其原始发电塔竖直状态下的水平方向的距离L1，则风力发电机塔架顶端1处于合理的安全偏移状态，否则，继续向下一步执行；

步骤10）若风力发电机塔架顶端1水平位移R不大于风力发电机塔架处于二级危险状态下风力发电机塔架顶端1偏离其原始竖直状态下的水平方向的距离L2，则风力发电机塔架顶端1处于可修正状态，外部PC机12实时将可修正信息反馈给相应安全部门对风力发电机塔架顶端1进行修正处理，否则，继续向下一步执行；

步骤11）风力发电机塔架顶端1处于一级危险状态下，即风力发电机塔架顶端1水平位移R过大，处于报废状态下，外部PC机12实时将报废信息反馈给相应安全部门对风力发电机塔架顶端1进行报废和更换处理。

所述步骤1）中，投影仪的镜头方向与风力发电机塔架中心处于同一竖直直线上，便于投影仪将外部PC机12通过无线通信方式传输的预先设定的安全等级环形图正对着投影仪银幕8的中心点投影出去。

所述步骤1）中，由红外接收器5、光电开关和激光红外灯7组成一复合装置6，采用细绳2一端系在该复合装置6上，另外一端系在风力发电机塔架顶端1正下方，所述细绳2随着风力发电机塔架顶端1的移动而移动且保持竖直状态，本实施例中所用的细绳应以柔性好便于细绳随着风力发电机塔架顶端1的移动而运动且保持竖直状态，有利于激光红外灯7垂直风力发电机塔架顶端1的投影仪银幕8发射红外激光信号，同时细绳应具备良好的抗拉性能防止复合装置由于细绳断裂而坠落，最后复合装置的整体质量应适度不能过大。

所述步骤2）和步骤3）中，主要综合考虑到在外界自然条件下，风力发电机塔架顶端1发生偏移的方向具备不确定性，再结合风力发电机自身的高度以及安装的每一对对射式的红外接收器5的工作视角，采用四个红外发射器4以及相对应的四个红外接收器5，并且四个红外发射器4依次围绕风力发电机塔架底部的投影仪相隔90°等距安装至相应工位，相对应的红外接收器5安装于竖直方向的复合装置6四周，用于有效覆盖风力发电机塔架顶端1发生偏移的可能区域。

所述步骤4）中，四个红外发射器4和四个红外接收器5协同控制激光红外灯7：四个红外接收器5间为并联连接，只要满足其中一个红外接收器5接收成功，则复合装置6中的光电开关处于闭合状态，同时该光电开关控制激光红外灯7的断开，激光红外灯7处于非工作状态；否则当光电开关闭合时，激光红外灯7处于工作状态，向风力发电机塔架正下方的投影仪银幕8发射红外激光信号。

所述步骤6）中，考虑到激光红外灯7发射出的能量在光束的垂直截面上能量分布式不均匀，呈高斯分布：中间强，到边缘逐渐变弱或呈明暗条纹状分布，因此直接使用激光红外灯7作为发射光源效果不佳，基于此，采用激光红外灯7作为发射光源的同时，设置红外感应高清摄像头3协同工作来实现监控，使采集到的图片数据更加精确。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种测量风力发电机塔架顶端水平位移的方法,包括底板、以及设置于底板上的风力发电机塔架，其特征在于,该方法包括以下步骤：

步骤1）安装测量装置至指定工位，将投影仪安装至风力发电机塔架底部中心的底板处，同时利用PC机通过无线通信方式连接投影仪，且使投影仪处于工作状态，同时将PC机预先设定的安全等级环形图投影在投影仪银幕上，然后调节投影仪将该安全等级环形图的中心点与风力发电机塔架底部的中心处于同一竖直直线上，接着固定好投影仪和投影仪银幕的位置，紧接着将红外感应高清摄像头安装至指定工位，使其能拍摄到投影仪银幕上生成的投影图，然后将若干个红外发射器依次围绕投影仪安装于风力发电机塔架底部的位置处，围绕风力发电机塔架顶端依次安装有若干与下方红外发射器对应的红外接收器，在投影仪银幕上方的风力发电机塔架中心处安装有激光红外灯；

步骤2）启动红外发射器工作，开启风力发电机塔架底部的红外发射器向风力发电机塔架顶端方向发射红外光信号；

步骤3）启动红外接收器工作，开启风力发电机塔架上端部的红外接收器接收来自风力发电机塔架底部的红外发射器的发出的红外光信号；

步骤4）启动激光红外灯工作，红外接收器接收到启动红外发射器发射的红外光信号后，生成电信号，并通过光电开关启动激光红外灯向风力发电机塔架底部的投影仪银幕上发射红外激光；

步骤5）生成激光红外灯投影图，利用投影仪银幕接收来自激光红外灯垂直投射的光信号，在投影仪银幕上生成红外光点；

步骤6）拍摄投影仪银幕上的投影图，调整好红外感应高清摄像头的测量工位，开启红外感应高清摄像头拍摄激光红外灯投影在投影仪银幕上的图片；

步骤7）将图片实时传输至外部PC机，通过无线通信方式，PC机实时接收红外感应高清摄像头拍摄的图片；

步骤8）计算出风力发电机塔架顶端水平位移，通过外部PC机屏幕上呈现出的高清图片，计算出激光红外灯投影在投影仪银幕上的动态投影点实时位置偏离风力发电机塔架顶端理想竖直状态下在银幕上的位置点的距离R，即为风力发电机塔架顶端水平位移，并且该理想竖直状态为风力发电机塔架顶端与底部的中心点处于同一竖直直线上的状态；

步骤9）对风力发电机塔架顶端水平位移R进行分类处理，若风力发电机塔架顶端水平位移R不大于处于危险状态下风力发电机塔架顶端偏离其原始发电塔竖直状态下的水平方向的距离L1，则风力发电机塔架顶端处于合理的安全偏移状态，否则，继续向下一步执行；

步骤10）若风力发电机塔架顶端水平位移R不大于风力发电机塔架处于二级危险状态下风力发电机塔架顶端偏离其原始竖直状态下的水平方向的距离L2，则风力发电机塔架顶端处于可修正状态，外部PC机实时将可修正信息反馈给相应安全部门对风力发电机塔架顶端进行修正处理，否则，继续向下一步执行；

步骤11）风力发电机塔架顶端处于一级危险状态下，即风力发电机塔架顶端水平位移R过大，处于报废状态下，外部PC机实时将报废信息反馈给相应安全部门对风力发电机塔架顶端进行报废和更换处理；

所述步骤1）中，由红外接收器、光电开关和激光红外灯组成一复合装置，采用细绳一端系在该复合装置上，另外一端系在风力发电机塔架顶端正下方，所述细绳随着风力发电机塔架顶端的移动而移动且保持竖直状态；

所述步骤2）和步骤3）中，采用四个红外发射器以及相对应的四个红外接收器，并且四个红外发射器依次围绕风力发电机塔架底部的投影仪相隔90°等距安装至相应工位，相对应的红外接收器安装于竖直方向的复合装置四周，用于有效覆盖风力发电机塔架顶端发生偏移的可能区域。

2.根据权利要求1所述的测量风力发电机塔架顶端水平位移的方法，其特征在于，所述步骤1）中，投影仪的镜头方向与风力发电机塔架中心处于同一竖直直线上，便于投影仪将外部PC机通过无线通信方式传输的预先设定的安全等级环形图正对着投影仪银幕的中心点投影出去。

3.根据权利要求1所述的测量风力发电机塔架顶端水平位移的方法，其特征在于，所述步骤4）中，四个红外发射器和四个红外接收器协同控制激光红外灯：四个红外接收器间为并联连接，只要满足其中一个红外接收器接收成功，则复合装置中的光电开关处于闭合状态，同时该光电开关控制激光红外灯的断开，激光红外灯处于非工作状态；否则当光电开关闭合时，激光红外灯处于工作状态，向风力发电机塔架正下方的投影仪银幕发射红外激光信号。

4.根据权利要求1所述的测量风力发电机塔架顶端水平位移的方法，其特征在于，所述步骤6）中，采用激光红外灯作为发射光源的同时，设置红外感应高清摄像头协同工作来实现监控，以使采集到的图片数据更加精确。

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