CN111075665A - 一种风电机组塔筒非接触应变采集、测量系统及风电机组 - Google Patents

一种风电机组塔筒非接触应变采集、测量系统及风电机组 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风电机组塔筒非接触应变采集系统，包括图像采集系统；所述图像采集系统包括安装在塔筒内部、可沿塔筒内部上下移动的多个摄像头，多个摄像头在同一平面上沿环向设置且采集范围恰好覆盖整个塔筒的环向一周，在塔筒内壁的环向焊缝处布置有散斑点。本发明还公开了一种风电机组塔筒非接触应变测量系统，包括上述采集系统及与其连接的计算分析系统，计算分析系统对采集到的图像数据进行处理和分析，将危险状态回馈给风机控制系统。本发明还公开了一种含有上述采集、测量系统的风电机组。本发明利用散斑图替代应变片，采用非接触式的无损采集、测量系统，能适应恶劣环境且可准确及时监控风电机组塔筒焊缝损伤，适于推广应用。

Description

一种风电机组塔筒非接触应变采集、测量系统及风电机组
技术领域
本发明涉及风电机组塔筒应变监测领域，特别是涉及一种风电机组塔筒非接触应变采集、测量系统及风电机组。
背景技术
风电机组中塔筒是重要的承载部件，塔筒的性能直接影响了风电机组运行的稳定性和可靠性，特别是柔性塔筒的广泛推广，剧烈的振动对塔筒的损伤影响较大。风电机组塔筒监控也成为日益突出的问题，焊缝等位置是疲劳破坏的主要发生区。
由于风电塔筒尺寸庞大，所处环境恶劣，传统的使用应变片采集、测量结构应力的方法所需应变片数量较多，而且应变片不能长期处于恶劣的环境之中，不适合作为风电塔筒结构的应变监测方法。
由此可见，上述现有的风电机组塔筒应变采集、测量上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种新的风电机组塔筒应变采集、测量系统，使其能适应恶劣环境且可准确及时监控风电机组塔筒焊缝损伤，成为当前业界急需改进的目标。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种风电机组塔筒非接触应变采集、测量系统，使其能适应恶劣环境且可准确及时监控风电机组塔筒焊缝损伤。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种风电机组塔筒非接触应变采集系统，包括图像采集系统，在塔筒内壁的环向焊缝处布置有散斑点，所述环向焊缝沿塔筒高度方向上有多条；所述图像采集系统用于实时采集环向焊缝处用于分析应变的散斑点图像，包括安装在塔筒内部、可沿塔筒内部上下移动的多个摄像头，所述多个摄像头在同一平面上沿环向设置，所述多个摄像头的采集范围覆盖整个塔筒的环向一周。
作为本发明进一步地改进，所述散斑点布置在塔筒内壁的环向焊缝的焊脚处，采用散斑点覆膜形式或散斑点直接喷涂形式或散斑点直接由焊缝处的不规则表面形成。
进一步地，所述图像采集系统通过滑动支撑机构约束，所述滑动支撑机构包括安装在塔筒内两个平台中心之间的固定轴，所述固定轴上滑动安装有附属环结构，所述多个摄像头均匀安装在附属环上。
进一步地，所述摄像头为6个，所述摄像头的视场角在43.5度以上，所述附属环的直径小于等于塔筒内直径的1/3。
进一步地，所述附属环上摄像头之间还安装有补充光源。
另一方面，本发明还提供了一种风电机组塔筒非接触应变测量系统，包括上述的风电机组塔筒非接触应变采集系统，还包括与图像采集系统连接的计算分析系统，所述计算分析系统集成在风机控制系统里，用于处理图像采集系统实时传输的散斑点图像，并根据图像数据分析目标位置的工作状态，将危险状态回馈给风机控制系统。
进一步地，所述计算分析系统包括：
图像几何变换拼接处理模块，用于将每个摄像头采集的图像通过几何变换为实际圆柱面上的散斑图，并将多张图片拼接起来组成对应环向位置完整的散斑图；
相似度匹配计算位移模块，用于在变形前的图像中取一待求点(x,y)为中心的(2M+1)×(2M+1)像素的矩形子区作为参考子区，在变形后的图像中寻找与参考子区相似度最大的以(x′,y′)为中心的变形子区，形成匹配点(x,y)和(x′,y′)，采用一阶位移模式函数，即：
Figure BDA0002355550490000031
式中u、v分别为参考子区中心在(x,y)方向的位移值，Δx、Δy为点(x,y)到计算窗口中心(x0,y0)的距离；根据所述相似度匹配计算位移模块获得的位移值可计算出应变；
损伤预警模块，用于根据分析得到的应变来检测当前状态对应位置是否发生损伤，分析指标采用应变突变位置的波动程度来表示，定义为f l ag，如下式所示：
Figure BDA0002355550490000032
式中εij为某一位置的应变，计算方向为纵向，max(εij)，min(εij)，mean(εij)分别为某一角度处纵向点的最大应变、最小应变和平均应变；
当flag达到限值，即认为该位置出现损伤，需反馈给风机控制系统。
进一步地，在所述图片几何变换拼接处理模块中，所述几何变换基于透镜相机模型，建立被测位置塔筒内壁的图像空间尺寸与物理空间尺寸之间的映射关系，利用图像空间尺寸计算物理空间尺寸，几何变换主要是环向长度的变换。
进一步地，所述相似度匹配计算位移模块中，采用归一化正交互相关函数来计算变形前图像上的点和变形后图像上的点之间相关性，相关系数计算由下式定义：
Figure BDA0002355550490000041
式中f和g分别表示变形前后的灰度值，
Figure BDA0002355550490000042
和
Figure BDA0002355550490000043
表示子区内灰度平均值。
再一方面，本发明还提供了一种风电机组，包括塔筒，还包括上述的风电机组塔筒非接触应变采集系统或风电机组塔筒非接触应变测量系统。
通过采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：
本发明在风电机组塔筒应变监测中结合了散斑图数字图像处理技术，采用无损的非接触采集、测量系统实时监测超高塔筒容易出现损伤位置的应变，不会影响原有的结构变形，监控及时、准确，操作简单，可以适应恶劣的环境之中，可作为监测塔筒故障的有效手段之一。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明一实施例中风电机组塔筒非接触应变采集系统的结构示意图；
图2是图像几何变换拼接处理后的散斑图；
图3是本发明一实施例中风电机组塔筒非接触应变测量系统的原理框图。
具体实施方式
下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明针对现有应变片监控塔筒应变的不足，提出了一种采用散斑图代替应变片的非接触采集、测量结构应变的系统。
如图1所示，本实施例提供了一种风电机组塔筒非接触应变采集系统，图像采集系统；在塔筒1内壁的环向焊缝处布置散斑点2，布置一圈，环向焊缝沿塔筒1高度方向上有多条；此环向焊缝优选但不限于塔筒段板材与板材的拼接焊缝、塔筒与法兰的拼接焊缝。优选设置在环向焊缝的焊脚处；散斑点2采用散斑点覆膜形式或散斑点直接喷涂形式或散斑点直接由焊缝处的不规则表面形成。
图像采集系统从作用上，主要用于实时采集环向焊缝处散斑点图像，并将其图像传输给后续的计算分析系统分析目标位置的工作状态(应变分析)。
图像采集系统从结构上，包括安装在塔筒1内部、可沿塔筒1内部上下移动的多个摄像头3，多个摄像头3在同一平面上沿环向设置，多个摄像头3的采集范围覆盖整个塔筒的环向一周。图像采集系统通过滑动支撑机构约束，滑动支撑机构包括安装在塔筒1内两个平台中心之间的固定轴(图中未示出)，固定轴上滑动安装有附属环4结构，多个摄像头3均匀安装在附属环4上，可以理解的是，附属环4与固定轴之间可采用多种连接方式，如辐条连接，如支架连接等等。图像采集系统可沿塔筒平台间轴向上下滑行，上下滑动可采集塔筒两平台间所有焊缝位置的散斑图，从而实现对塔筒焊缝工作状态的监控。
图像采集系统优选采用6个摄像头3组成，沿环向均匀布置在附属环4上，6个摄像头3同步控制，每个摄像头3采集范围100为60度。对于上述6个摄像头的装置，摄像头3视场角必须保证43.5度以上，附属环4的直径应控制不大于塔筒1内直径的1/3，如果因为内部附属件位置需要调整附属环4的直径，则应增加摄像头3的数目，确保能够采集完整的图像。为了能够采集塔筒内清晰的图像，优选在附属环4上，摄像头3之间设置补充光源5。
上述风电机组塔筒非接触应变采集系统，摒弃了传统塔筒应变测量中应用的接触式的应变片采集方式，取而代之采用散斑图的非接触测量形式，通过实时采集获得的散斑图即可分析出对应位置的应变情况，从而能做到对塔筒内焊缝损伤的及时、有效监控。同时，非接触式的测量方式，相对于应变片，可适应更加恶劣的环境，还具有非接触性、无损性和全场性等优点。
本实施例还提供了一种风电机组塔筒非接触应变测量系统，可及时准确地得到塔筒内焊缝损伤情况。
如图3所示，该测量系统包括上述实施例中的风电机组塔筒非接触应变采集系统，还包括与图像采集系统连接的计算分析系统，计算分析系统用于获取图像采集系统实时传输的散斑点图像，并根据散斑点图像计算分析得到对应位置的位移，根据位移计算得到应变，即通过追踪目标面的散斑图像，实现变形过程中位移、应变的测量。
计算分析系统包括图片几何变换拼接处理模块、相似度匹配计算位移模块及损伤预警模块，其中：
图像几何变换拼接处理模块，用于将每个摄像头采集的图像通过几何变换为实际圆柱面上的散斑图，并将多张图像拼接起来组成对应环向位置完整的散斑图；其中，几何变换基于透镜相机模型，建立被测位置塔筒内壁的图像空间尺寸与物理空间尺寸之间的映射关系，利用图像空间尺寸计算物理空间尺寸，几何变换主要是环向长度的变换。图2所示为将6个摄像头采集获得6张图片拼接起来组成的对应位置完整的散斑图。
相似度匹配计算位移模块，计算原理采用相似度匹配计算，该方法的基本原理是：在变形前的图像中取一待求点(x,y)为中心的(2M+1)×(2M+1)像素的矩形子区作为参考子区(M值确定需要综合散斑场的条件和摄像头的配置，保证位移计算的精确度)，在变形后的图像中寻找与参考子区相似度最大的以(x′,y′)为中心的变形子区，形成匹配点(x,y)和(x′,y′)，采用一阶位移模式函数，即：
Figure BDA0002355550490000071
式中u、v分别为参考子区中心在(x,y)方向的位移值，Δx、Δy为点(x,y)到计算窗口中心(x0,y0)的距离；
损伤预警模块，用于根据分析得到的应变来检测当前状态对应位置是否发生损伤(用双三次样条插值计算位移场的偏导可以得到相应的应变)，分析指标采用应变突变位置的波动程度来表示，定义为flag，如下式所示：
Figure BDA0002355550490000072
式中εij为某一位置的应变，计算方向为纵向，max(εij)，min(εij)，mean(εij)分别为某一角度处纵向点的最大应变、最小应变和平均应变，这样既可根据结果准确的判断故障的程度和位置。
当flag达到限值，即认为该位置出现损伤，需反馈给整机控制系统。Flag限值可以自己根据实际情况调整，大于15％的应变波动皆可以作为故障的判断标准。
上述相似度匹配计算位移模块中，在变形后图像中通过一定的搜索方法，采用归一化正交互相关函数来计算变形前图像上的点和变形后图像上的点之间相关性，寻找与参考图像子区的相关系数为最大值的目标图像子区,以确定参考图像子区的位移。将参考图像中间的待计算区域划分成虚拟网格形式,通过计算每个网格节点的位移得到全场位移信息。相关系数计算由下式定义：
Figure BDA0002355550490000081
式中f和g分别表示变形前后的灰度值，
Figure BDA0002355550490000082
和
Figure BDA0002355550490000083
表示子区内灰度平均值。
在风电机组的塔筒内安装上述风电机组塔筒非接触应变采集系统及风电机组塔筒非接触应变测量系统，可以实时监测塔筒容易出现损伤位置的应变，为整机控制系统采取相关控制措施提供依据。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种风电机组塔筒非接触应变采集系统，其特征在于，包括图像采集系统；在塔筒内壁的环向焊缝处布置有散斑点，所述环向焊缝沿塔筒高度方向上有多条；
所述图像采集系统用于实时采集环向焊缝处用于分析应变的散斑点的图像，包括安装在塔筒内部、可沿塔筒内部上下移动的多个摄像头，所述多个摄像头在同一平面上沿环向设置，所述多个摄像头的采集范围覆盖整个塔筒的环向一周。
2.根据权利要求1所述的风电机组塔筒非接触应变采集系统，其特征在于，所述散斑点布置在塔筒内壁的环向焊缝的焊脚处，采用散斑点覆膜形式或散斑点直接喷涂形式或散斑点直接由焊缝处的不规则表面形成。
3.根据权利要求1所述的风电机组塔筒非接触应变采集系统，其特征在于，所述图像采集系统通过滑动支撑机构约束，所述滑动支撑机构包括安装在塔筒内两个平台中心之间的固定轴，所述固定轴上滑动安装有附属环结构，所述多个摄像头均匀安装在附属环上。
4.根据权利要求3所述的风电机组塔筒非接触应变采集系统，其特征在于，所述摄像头为6个，所述摄像头的视场角在43.5度以上，所述附属环的直径小于等于塔筒内直径的1/3。
5.根据权利要求3所述的风电机组塔筒非接触应变采集系统，其特征在于，所述附属环上摄像头之间还安装有补充光源。
6.一种风电机组塔筒非接触应变测量系统，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的风电机组塔筒非接触应变采集系统，还包括与图像采集系统连接的计算分析系统，所述计算分析系统集成在风机控制系统里，用于处理图像采集系统实时传输的散斑点图像，并根据图像数据分析目标位置的工作状态，将危险状态回馈给风机控制系统。
7.根据权利要求6所述的风电机组塔筒非接触应变测量系统，其特征在于，所述计算分析系统包括：
图像几何变换拼接处理模块，用于将每个摄像头采集的图像通过几何变换为实际圆柱面上的散斑图，并将多张图片拼接起来组成对应环向位置完整的散斑图；
相似度匹配计算位移模块，用于在变形前的图像中取一待求点(x,y)为中心的(2M+1)×(2M+1)像素的矩形子区作为参考子区，在变形后的图像中寻找与参考子区相似度最大的以(x′,y′)为中心的变形子区，形成匹配点(x,y)和(x′,y′)，采用一阶位移模式函数，即：
Figure FDA0002355550480000021
式中u、v分别为参考子区中心在(x,y)方向的位移值，Δx、Δy为点(x,y)到计算窗口中心(x0,y0)的距离；根据所述相似度匹配计算位移模块获得的位移值可计算出应变；
损伤预警模块，用于根据分析得到的应变来检测当前状态对应位置是否发生损伤，分析指标采用应变突变位置的波动程度来表示，定义为flag，如下式所示：
Figure FDA0002355550480000022
式中εij为某一位置的应变，计算方向为纵向，max(εij)，min(εij)，mean(εij)分别为某一角度处纵向点的最大应变、最小应变和平均应变；
当flag达到限值，即认为该位置出现损伤，需反馈给风机控制系统。
8.根据权利要求7所述的风电机组塔筒非接触应变测量系统，其特征在于，在所述图像几何变换拼接处理模块中，所述几何变换基于透镜相机模型，建立被测位置塔筒内壁的图像空间尺寸与物理空间尺寸之间的映射关系，利用图像空间尺寸计算物理空间尺寸，几何变换主要是环向长度的变换。
9.根据权利要求7所述的风电机组塔筒非接触应变测量系统，其特征在于，所述相似度匹配计算位移模块中，采用归一化正交互相关函数来计算变形前图像上的点和变形后图像上的点之间相关性，相关系数计算由下式定义：
Figure FDA0002355550480000031
式中f和g分别表示变形前后的灰度值，
Figure FDA0002355550480000032
和
Figure FDA0002355550480000033
表示子区内灰度平均值。
10.一种风电机组，包括塔筒，其特征在于，还包括权利要求1-5任一项所述的风电机组塔筒非接触应变采集系统或权利要求6-9任一项所述的风电机组塔筒非接触应变测量系统。
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