CN113138012A - 一种风力发电机振动的激光雷达遥测检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机振动的激光雷达遥测检测方法，所述方法包括以下步骤：使用测距装置进行选址，将激光雷达置于风力发电机机舱侧面的地面，激光雷达进行定北调节、水平调节；以激光雷达为基准，估算风力发电机的方位角范围和俯仰角范围；激光雷达进行横向扇面扫描，确定风力发电机宽度对应的准确方位角范围；激光雷达在准确的方位角范围内进行纵向切面扫描，寻找和测量风力发电机的高度对应的准确俯仰角范围；激光雷达进行双光束定向扫描，回波数据传至上位机；操作人员根据回波数据的多普勒频移获得风力发电机的振动速度；将两条光束方向的振动速度信息合成，获得风力发电机的二维振动信息。

Description

一种风力发电机振动的激光雷达遥测检测方法

技术领域

本发明涉及风力发电机检测领域，主要对风力发电机的振动进行检测，尤其涉及一种风力发电机振动的激光雷达遥测检测方法。

背景技术

风力发电机在运行中遭遇瞬态冲击载荷事件或自身机械构件故障状况时，会形成复杂的振动。目前风机振动的测量方法主要有人工定期检测和安装传感器两种，人工定期检修极易受环境因素限制,可获得的数据有限。传感器检测则存在安装复杂、布线困难等限制因素。使用激光雷达具有非接触、成本低、安装位置灵活等优点，通过合理的选址可以实现对多台风力发电机的实时监测，经过改进也可以实现对其它目标的振动测量，应用前景广阔。激光雷达探测风力发电机振动的工作原理为：激光雷达出射中心频率为f_L激光脉冲，设风力发电机振动造成脉冲光的多普勒频移为f_D，则回波信号频率为f_D +f_L，通过检测回波信号中频率变化f_D求得相对应的振动速度。

发明内容

本发明提供了一种激光雷达对风力发电机振动进行非接触式检测方法。该发明使用激光雷达对风力发电机机舱或塔筒位置进行扫描，获得风力发电机在平面内的二维振动信息。

首先进行安装位置的选址，以风力发电机的迎风向为正向，安装位置应位于风力发电机的侧面的地面。使用激光测距仪测量安装位置与风力发电机的距离，确保风力发电机在激光雷达有效测量距离内。

激光雷达的安装完毕后进行定北调节与水平调节，操作人员调节激光雷达的方向，使激光雷达的基准方向的朝向为正北方向；操作人员调节激光雷达四个支撑脚的高度，使激光雷达处于水平状态。

操作人员以激光雷达为基准，估算风力发电机的方位角范围和俯仰角范围，并在估算的结果上适当增加，确保估算的范围大于真实的范围。

激光雷达在估算的俯仰角范围内，依次对俯仰角的每一个角度进行横向扇面扫描，扇面的角度范围依据估算的方位角范围。根据激光雷达回波信号的信噪比，确定风力发电机对应的准确方位角范围。

激光雷达在准确的方位角范围内，依次对方位角的每一个角度进行纵向切面扫描，根据激光雷达回波信号的信噪比，确定风力发电机对应的准确俯仰角范围。

激光雷达进行双光束定向扫描。在伺服系统的驱动下，激光雷达向两个固定的方向发射两条光束，照射点的高度相同且位于风力发电机的两端，可实现振动信息的矢量合成，对应的回波数据由激光雷达自带的通信系统传送至上位机。

根据回波信号的多普勒频移获得风力发电机的径向振动速度，将两条光束方向的径向振动速度合成，获得风力发电机的二维振动信息，包括振动速度、振动加速度、振动频率、振动周期。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1，本发明的激光雷达安装位置示意图

图2，本发明的双光束定向扫描示意图

图3，本发明的探测步骤图

图中：1风力发电机，2激光雷达，3激光雷达放置范围，4风机正向，5正北方向，6正东方向，7二维振动所在平面，8激光雷达所在水平面，9激光雷达光束1，10激光雷达光束2，11风力发电机机舱，12 安装位置选址，13定北调节，14水平调节，15角度估算，16横向扇面扫描，17纵向切面扫描，18双光束定向扫描，19光束1数据处理，20光束2数据处理，21速度合成，22振动周期，23振动速度，24振动频率。

具体实施方式

为使得本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明的实施方式作进一步的详细描述。

本发明提供了一种使用激光雷达检测风力发电机振动的方法，该方法的具体实施步骤如下。

探测的步骤如图3所示，首先进行激光雷达的安装位置选址12：如图1所示，以风力发电机1迎风向为风机正向4，激光雷达2应放置于风力发电机1侧面的地面，地面应平整且无明显沉降，使用激光测距仪进行测距，确保安装位置与风力发电机1的距离在激光雷达2的有效探测距离内，其中虚线构成的半圆即为激光雷达放置范围3，半圆的半径即为激光雷达2的最大有效探测距离，激光雷达不需要与风力发电机位于同一水平面。

安装完毕后进行定北调节13：操作人员调节激光雷达2的方向，使激光雷达的基准方向的朝向为正北方向5，方位角以正东方向6为零度，角度按照逆时针方向增大，角度范围为0^o到360^o （不包括360^o）。

进行水平调节14：操作人员使用水平仪进行水平调节，通过调整激光雷达2的四个支撑脚的高度，使激光雷达2的机舱处于水平状态。俯仰角以水平方向为零度，范围为0^o到90^o（不包括90^o）。

水平调节完成后连接220v交流电源或专用太阳能电池板。通过无线通讯网络将上位机与激光雷达2内置计算机连接，开启激光雷达2，激光雷达2进行自检。

操作人员进行角度估算15：以激光雷达2为基准，通过目测的方式估算风力发电机1对应的方位角范围与俯仰角范围，并在估算结果上增加适当的角度，确保估算的范围大于真实的范围。

激光雷达2进行横向扇面扫描16：检查完毕后，激光雷达根据估算的俯仰角范围，依次对俯仰角每一个角度进行横向扇面扫描，每一个扇面的俯仰角设定值固定不变，方位角的设定范围依据估算的方位角范围。

激光雷达2进行纵向切面扫描17：激光雷达在准确的方位角范围内，依次对方位角的每一个角度进行纵向切面扫描，每一个切面的方位角固定不变，俯仰角的范围为估算的俯仰角范围。

激光雷达依靠信噪比判断风力发电机方位的原理为：当激光雷达照射在硬靶目标上时，信噪比会远大于照射在大气分子或气溶胶上，硬靶目标指的是类似于风力发电机的固体目标。

如图2、图3所示，激光雷达2进行双光束定向扫描18：设定两条激光光束的定向扫描的角度信息，两条光束分别具有固定的方位角与俯仰角，照射位置位于风力发电机1的两端，确保可以实现振动信息的矢量合成。激光雷达2进入双光束定向扫描模式，对应的回波数据由激光雷达2的通信系统传送至上位机，分别进行光束1的数据处理19和光束2的数据处理20。

上位机进行速度合成21：对回波数据进行快速FFT变换后，对频谱的谱峰位置进行校正，根据多普勒频移量得到径向振动速度，径向振动速度的计算公式为：

（1），

公式（1）中，X表示校正后的谱峰位置对应的频率，X_max表示激光雷达出射光的频率，f_N表示激光雷达的采样频率，N表示进行FFT变换的点数，λ表示激光波长。

平面1中，以正东方向为0^o，角度按照逆时针方向增大，角度范围为0^o到360^o （不包括360^o）。

假设光束1测得的径向速度为V₁、方位角为α₁、俯仰角为β，光束2的径向速度为V₂、 方位角为α₂、俯仰角为β，则速度分量的计算公式为：

（2），

（3），

公式（2）、（3）中，v表示南北方向的速度分量，u表示东西方向的速度分量，正北与正东方向为正值，相反方向为负值，角度以正东方向为0^o，按照逆时针方向增大，范围为0^o到360^o （不包括360^o），例如正北方向为90^o。

二维的振动速度23数值V的计算公式为：

（4），

当u的数值等于0时，二维的振动速度的方向与v相同，当u的数值不等于0时，二维的振动速度角度η的计算公式为：

（5），

公式（5）中，当v的数值大于等于0时，α₃等于0，当v的数值小于0时，α₃等于180^o。

根据η的角度定义V的正负，远离激光雷达为正值，靠近激光雷达为负值，以从正到负，再从负到正为一个振动周期22，记作周期T，则振动频率24的计算公式为：

（6），

公式（6）中，f 表示振动频率。

Claims (5)

1.一种风力发电机振动的激光雷达遥测检测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

（S1）：使用激光测距仪进行安装位置选址；

（S2）：激光雷达进行定北调节、水平调节；

（S3）：以激光雷达为基准，估算风力发电机的方位角范围和俯仰角范围；

（S4）：激光雷达根据估算的俯仰角范围，依次对每一个俯仰角角度进行横向扇面扫描，确定风力发电机对应的准确方位角范围；

（S5）：激光雷达在准确方位角范围内，依次对每一个方位角角度进行纵向切面扫描，寻找和测量风力发电机的高度信息、距离信息；

（S6）：激光雷达进行双光束定向扫描，根据回波信号的多普勒频移获得风力发电机的振动速度；

（S7）：将两条光束方向的振动速度信息合成，获得风力发电机的二维振动速度。

2.权利要求1所述的遥测检测，其特征在于：对风力发电机的振动进行检测的设备为激光雷达。

3.权利要求1所述的安装位置选址，其特征在于：激光雷达放置于地面，风力发电机无直接接触，同时激光雷达位于风力发电机的侧面，避免风力发电机叶片转动对探测结果的影响。

4.权利要求1所述的双波束定向扫描，其特征在于：两条激光波束的照射点高度相同且分别位于风力发电机的两端。

5.权利要求1所述的速度合成，其特征在于：先单独计算风力发电机在两条光束方向的径向振动速度，再将径向振动速度合成二维振动信息，光束的数量最少为两条，但不仅限于两条。

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