CN113250916A - 一种基于光干涉的风机塔筒倾斜监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于光干涉的风机塔筒倾斜监测装置及方法，属于新能源发电技术领域。包括铰接装置、刚性连杆、平凸透镜、刚性环形垫片、平面玻璃、单色光源、监测相机和数据处理及分析系统；刚性连杆通过设置在水平地面以下的铰接装置与风机塔筒底部铰接；刚性连杆的另一端与刚性环形垫片连接，刚性环形垫片与平凸透镜的上平面接触；平面玻璃设在平凸透镜的下方，与平凸透镜和单色光源形成牛顿环干涉系统，监测相机对形成的牛顿环干涉条纹进行持续监测；监测相机与数据处理及分析系统连接。本发明能够提高风机塔筒监测的精度和敏感度，提升风机塔筒的安全性。

Description

一种基于光干涉的风机塔筒倾斜监测装置及方法

技术领域

本发明属于新能源发电技术领域，具体涉及一种基于光干涉的风机塔筒倾斜监测装置及方法。

背景技术

近年来风机倒塔事故频出，在给风电企业带来巨大经济损失的同时也会产生较为恶劣的负面社会影响。从风机倒塔的源头来看，基础开裂、塔筒倾斜、不均匀沉降等是至关重要的原因；这些安全隐患是个漫长的缓变过程，尤其是塔筒的倾斜，通过人眼观察难以准确发现。因此，对塔筒的倾斜进行及时有效的监测和测量是避免风机倒塔的主要解决途径。

现有的用于监测风机塔筒倾斜的装置主要采用的是倾角传感器，然而此种方式也存在一定不足，其对于传感器精度、长期稳定性要求高。近年来，图像识别技术被应用到风机塔筒监测领域。然而单纯利用图像识别技术进行塔筒倾斜判定的一个弊端是其对图片分辨率的要求较高，风机塔筒前期微小的位移较难通过图像显著反映出来。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于光干涉的风机塔筒倾斜监测装置及方法，能够提高风机塔筒监测的精度和敏感度，提升风机塔筒的安全性。

本发明通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种基于光干涉的风机塔筒倾斜监测装置，包括铰接装置、刚性连杆、平凸透镜、刚性环形垫片、平面玻璃、单色光源、监测相机和数据处理及分析系统；

刚性连杆通过设置在水平地面以下的铰接装置与风机塔筒底部铰接；刚性连杆的另一端与刚性环形垫片连接，刚性环形垫片与平凸透镜的上平面接触；平面玻璃设在平凸透镜的下方，与平凸透镜和单色光源形成牛顿环干涉系统，监测相机对形成的牛顿环干涉条纹进行持续监测；监测相机与数据处理及分析系统连接。

优选地，刚性环形垫片的外径与平凸透镜的直径相等，且刚性环形垫片的总面积≤平凸透镜上表面面积的1/6。

优选地，平凸透镜、刚性环形垫片、平面玻璃、单色光源和监测相机设在密封腔室内。

优选地，监测相机安装有显微镜头。

优选地，监测相机捕获的牛顿环干涉条纹最内层的两圈明条纹之间的间距大于监测相机单向像素点总数的1/6。

优选地，监测相机向数据处理及分析系统传输信号的刷新频率为1～10Hz。

优选地，刚性环形垫片与平凸透镜之间设有缓冲垫片。

本发明公开的采用上述基于光干涉的风机塔筒倾斜监测装置进行风机塔筒倾斜测量的方法，其特征在于，包括：

单色光源持续发出单色光，沿平凸透镜上平面入射穿过平凸透镜与平面玻璃形成牛顿环干涉条纹，监测相机对牛顿环干涉条纹进行实时监测，并将监测得到的图像数据以预设频率发送至数据处理及分析系统；当风机塔筒发生倾斜时产生向下的位移，并对刚性连杆产生压力，压力通过刚性连杆和刚性环形垫片作用到平凸透镜的上平面，平凸透镜的曲率半径增大，监测相机监测到的牛顿环干涉条纹发生变化，数据处理及分析系统计算得到风机塔筒的倾斜位移数值。

优选地，平凸透镜的曲率半径为：

其中，m为级差，λ为单色光源发出的单色光的波长，D_k为k级暗纹直径；当风机塔筒发生倾斜后，其在竖直方向上的倾斜位移△h：

其中，w为平凸透镜的半弦长。

优选地，在风机塔筒下方同一深度环向均布若干套所述的采用基于光干涉的风机塔筒倾斜监测装置。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的一种基于光干涉的风机塔筒倾斜监测装置，基于牛顿环薄膜干涉理论，将牛顿环干涉与风机塔筒的倾斜之间建立联系，在风机塔筒底座安装牛顿环干涉测量装置。将风机塔筒倾斜产生的垂直方向的位移转化为平凸透镜曲率半径的变化，进而体现在其产生的牛顿环干涉条纹的变化上，通过监测相机，观察牛顿环干涉条纹的变化，则可反推透镜曲率的变化，并进一步反推风机塔筒的倾斜情况。利用光学测量方法实现风机塔筒的检测，相比其它方式具有更高的测量精度，且本发明的装置构建简单，各部件成本较低，易于实现，能够显著提高风机塔筒监测的精度和敏感度，提升风机塔筒的安全性。

进一步地，刚性环形垫片的外径与平凸透镜的直径相等，作用力均匀；且刚性环形垫片的总面积≤平凸透镜上表面面积的1/6，不干扰光源的入射。

平凸透镜、刚性环形垫片、平面玻璃、单色光源和监测相机设在密封腔室内，能够对各元器件进行保护，同时避免周围杂散信号的干扰。

进一步地，监测相机安装有显微镜头，能够提高监测相机的分辨率，提高监测的精度。

进一步地，监测相机捕获的牛顿环干涉条纹最内层的两圈明条纹之间的间距大于监测相机单向像素点总数的1/6，以确保风机塔筒位移所导致的牛顿环图案的变化能够通过图像处理进行分辨。

进一步地，监测相机向数据处理及分析系统传输信号的刷新频率为1～10Hz，能够保证较高的精确度。

进一步地，刚性环形垫片与平凸透镜之间设有缓冲垫片，避免平凸透镜受压被破坏。

本发明公开的采用上述基于光干涉的风机塔筒倾斜监测装置进行风机塔筒倾斜测量的方法，能够有效提高风机塔筒监测的精确度和敏感度，提升风机塔筒的安全性，具有良好的应用前景。

进一步地，在风机塔筒下方同一深度环向均布若干套装置，能够监测风机塔筒不同方位的倾斜位移。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为凸透镜的上表面示意图；

图3为塔筒倾斜位移的几何关系示意图。

图中：1-风机塔筒；2-水平地面；3-铰接装置；4-刚性连杆；5-密封腔室；6-平凸透镜；601-凸透镜外缘；602-凸透镜光源入射面；7-刚性环形垫片；8-平面玻璃；9-单色光源；10-反射镜；11-监测相机；12-数据传输线；13-数据处理及分析系统。

具体实施方式

本发明基于牛顿环薄膜干涉理论，进行风机塔筒1倾斜的微小位移测量。牛顿环利用光的干涉特性，将曲率半径较大的平凸透镜6放置在平面玻璃8上，用单色光照射平凸透镜6和平面玻璃8，可以观察到同心的明环和暗环。明暗条纹之间的间隔与透镜曲率以及光的波长有关。控制入射光的波长一定时，当平凸透镜6的曲率发生变化时，产生的干涉图像则会相应发生变化。通过测量干涉图像的变化，则可反推曲率半径的变化。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：

本发明的基于光干涉的风机塔筒倾斜监测装置，包括铰接装置3、刚性连杆4、平凸透镜6、刚性环形垫片7、平面玻璃8、单色光源9、监测相机11和数据处理及分析系统13。

刚性连杆4通过设置在水平地面以下的铰接装置3与风机塔筒1底部铰接；刚性连杆4的另一端与刚性环形垫片7连接，刚性环形垫片7与平凸透镜6的上平面接触；平面玻璃8设在平凸透镜6的下方，与平凸透镜6和单色光源9形成牛顿环干涉系统，监测相机11对形成的牛顿环干涉条纹进行持续监测；监测相机11通过数据传输线12与数据处理及分析系统13连接。

在本发明的一个较优的实施例中，刚性环形垫片7的外径与平凸透镜6的直径相等，即与凸透镜外缘601平齐，且刚性环形垫片7的总面积≤平凸透镜6上表面面积的1/6，剩余部分为凸透镜光源入射面602。

在本发明的一个较优的实施例中，平凸透镜6、刚性环形垫片7、平面玻璃8、单色光源9和监测相机11设在密封腔室5内。

如图1，在本发明的一个实施例中，单色光源9安装于密封腔室5的侧边，同时在平凸透镜6上方与单色光源9水平的位置安装反射镜10。单色光源9沿水平方向发出单色光，经过反射镜10反射，转换为方向竖直的光线。

在本发明的一个较优的实施例中，监测相机11安装有显微镜头。

在本发明的一个较优的实施例中，监测相机11捕获的牛顿环干涉条纹最内层的两圈明条纹之间的间距大于监测相机11单向像素点总数的1/6。

在本发明的一个较优的实施例中，监测相机11向数据处理及分析系统13传输信号的刷新频率为1～10Hz。

在本发明的一个较优的实施例中，刚性环形垫片7与平凸透镜6之间设有缓冲垫片。

采用上述基于光干涉的风机塔筒倾斜监测装置进行风机塔筒倾斜测量的方法，其特征在于，包括：

单色光源9持续发出单色光，沿平凸透镜6上平面入射穿过平凸透镜6与平面玻璃8形成牛顿环干涉条纹，一般的，调节监测相机11的焦距，使得视场内能出现至少3条牛顿环暗条纹，监测相机11对牛顿环干涉条纹进行实时监测，并将监测得到的图像数据以预设频率发送至数据处理及分析系统13；当风机塔筒1发生倾斜时产生向下的位移，并对刚性连杆4产生压力，压力通过刚性连杆4和刚性环形垫片7作用到平凸透镜6的上平面，平凸透镜6的曲率半径增大，监测相机11监测到的牛顿环干涉条纹发生变化，数据处理及分析系统13对获取到的信息进行识别以及计算，进而反推风机塔筒1的倾斜位移信息。

具体来说，假设刚性连杆4以及刚性环形垫片7为绝对刚性，即受力后不发生形变。当风机塔筒1发生倾斜时，风机塔筒1底部铰接处发生竖直向下的位移△h，如图3所示。对于平凸透镜6在外力作用下的形变作如下假设。由于力的传递结构是刚性的，且由于所采用的牛顿环的曲率半径较大，可以近似忽略其在水平方向的形变，其仅在竖直方向发生形变△h。根据牛顿环干涉原理，平凸透镜的曲率半径可以根据下式计算：

其中，m为级差，λ为单色光源9发出的单色光的波长，D_k为k级暗纹直径；当风机塔筒1未发生倾斜时，根据牛顿环干涉条纹求得的平凸透镜的曲率半径为R；

当风机塔筒1发生倾斜后，其在竖直方向上的倾斜位移△h：

其中，w为平凸透镜6的半弦长。

在本发明的一个较优的实施例中，在风机塔筒1下方同一深度环向均布若干套采用基于光干涉的风机塔筒倾斜监测装置，如间隔90°布置4套，能够测量不同方位的风机塔筒1倾斜位移。

需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于光干涉的风机塔筒倾斜监测装置，其特征在于，包括铰接装置(3)、刚性连杆(4)、平凸透镜(6)、刚性环形垫片(7)、平面玻璃(8)、单色光源(9)、监测相机(11)和数据处理及分析系统(13)；

刚性连杆(4)通过设置在水平地面以下的铰接装置(3)与风机塔筒(1)底部铰接；刚性连杆(4)的另一端与刚性环形垫片(7)连接，刚性环形垫片(7)与平凸透镜(6)的上平面接触；平面玻璃(8)设在平凸透镜(6)的下方，与平凸透镜(6)和单色光源(9)形成牛顿环干涉系统，监测相机(11)对形成的牛顿环干涉条纹进行持续监测；监测相机(11)与数据处理及分析系统(13)连接。

2.根据权利要求1所述的基于光干涉的风机塔筒倾斜监测装置，其特征在于，刚性环形垫片(7)的外径与平凸透镜(6)的直径相等，且刚性环形垫片(7)的总面积≤平凸透镜(6)上表面面积的1/6。

3.根据权利要求1所述的基于光干涉的风机塔筒倾斜监测装置，其特征在于，平凸透镜(6)、刚性环形垫片(7)、平面玻璃(8)、单色光源(9)和监测相机(11)设在密封腔室(5)内。

4.根据权利要求1所述的基于光干涉的风机塔筒倾斜监测装置，其特征在于，监测相机(11)安装有显微镜头。

5.根据权利要求1所述的基于光干涉的风机塔筒倾斜监测装置，其特征在于，监测相机(11)捕获的牛顿环干涉条纹最内层的两圈明条纹之间的间距大于监测相机(11)单向像素点总数的1/6。

6.根据权利要求1所述的基于光干涉的风机塔筒倾斜监测装置，其特征在于，监测相机(11)向数据处理及分析系统(13)传输信号的刷新频率为1～10Hz。

7.根据权利要求1所述的基于光干涉的风机塔筒倾斜监测装置，其特征在于，刚性环形垫片(7)与平凸透镜(6)之间设有缓冲垫片。

8.采用权利要求1～7任意一项所述基于光干涉的风机塔筒倾斜监测装置进行风机塔筒倾斜测量的方法，其特征在于，包括：

单色光源(9)持续发出单色光，沿平凸透镜(6)上平面入射穿过平凸透镜(6)与平面玻璃(8)形成牛顿环干涉条纹，监测相机(11)对牛顿环干涉条纹进行实时监测，并将监测得到的图像数据以预设频率发送至数据处理及分析系统(13)；当风机塔筒(1)发生倾斜时产生向下的位移，并对刚性连杆(4)产生压力，压力通过刚性连杆(4)和刚性环形垫片(7)作用到平凸透镜(6)的上平面，平凸透镜(6)的曲率半径增大，监测相机(11)监测到的牛顿环干涉条纹发生变化，数据处理及分析系统(13)计算得到风机塔筒(1)的倾斜位移数值。

9.根据权利要求8所述的采用基于光干涉的风机塔筒倾斜监测装置进行风机塔筒倾斜监测的方法，其特征在于，平凸透镜(6)的曲率半径为：

其中，m为级差，λ为单色光源(9)发出的单色光的波长，D_k为k级暗纹直径；当风机塔筒(1)发生倾斜后，其在竖直方向上的倾斜位移△h：

其中，w为平凸透镜(6)的半弦长。

10.根据权利要求8所述的采用基于光干涉的风机塔筒倾斜监测装置进行风机塔筒倾斜监测的方法，其特征在于，在风机塔筒(1)下方同一深度环向均布若干套所述的采用基于光干涉的风机塔筒倾斜监测装置。

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