CN214464686U - 一种用于风机塔筒细微沉降倾斜监测的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的一种用于风机塔筒细微沉降倾斜监测的系统，属于风力发电技术领域。激光发射器设在正对塔筒的第一水平面上，电荷耦合元件竖直设置在塔筒外壁的第二水平面上，第一水平面与第二水平面共面，且第一水平面低于第二水平面；光圈过滤器、分光镜、第一半圆棱镜、第二半圆棱镜和减光镜依次设置在激光发射器发射激光的传播路径上，光圈过滤器、分光镜和第一半圆棱镜设在第一水平面上，第二半圆棱镜和减光镜设在第二水平面上；分光镜的反射光路径上设有光强测量装置；光强测量装置和电荷耦合元件分别连接至数据处理系统。本实用新型能够简易且有效地监测塔筒倾斜状态，同时具备灵敏的塔筒沉降监测功能，使风电机组健康、安全与可靠的运行。

Description

一种用于风机塔筒细微沉降倾斜监测的系统

技术领域

本实用新型属于风力发电技术领域，具体涉及一种用于风机塔筒细微沉降倾斜监测的系统。

背景技术

风力发电技术在过去10年得到了充分发展，并在未来有进一步快速发展的趋势。随着风电机组单机功率的增加，风机风轮直径增大，机舱等重量增加，而用于安装风机机舱等的风机塔筒高度和重量亦不断增加，提高了风电机组对地基勘测与设计的要求。

为保障风电机组的安全运行，对塔筒的安全与健康状态进行在线监测极为重要，尤其是采用超高柔塔的新建塔筒与进入生命周期后期的老旧塔筒。开发高空间分辨率与高灵敏度的塔筒安全与健康监测系统，提前发现风电机组塔筒因不均匀沉降与塔筒螺栓松动等因素造成的细微倾斜，并针对性提出解决方案，有利于风电机组健康、安全与可靠的运行。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种用于风机塔筒细微沉降倾斜监测的系统，能够更为简易且有效地监测塔筒倾斜状态，同时具备灵敏的塔筒沉降监测功能，使风电机组健康、安全与可靠的运行。

本实用新型通过以下技术方案来实现：

本实用新型公开了一种用于风机塔筒细微沉降倾斜监测的系统，包括激光发射器、光圈过滤器、分光镜、第一半圆棱镜、第二半圆棱镜、减光镜和电荷耦合元件；

激光发射器设在正对塔筒的第一水平面上，电荷耦合元件竖直设置在塔筒外壁的第二水平面上，第一水平面与第二水平面共面，且第一水平面低于第二水平面；光圈过滤器、分光镜、第一半圆棱镜、第二半圆棱镜和减光镜依次设置在激光发射器发射激光的传播路径上，光圈过滤器、分光镜和第一半圆棱镜设在第一水平面上，第二半圆棱镜和减光镜设在第二水平面上；分光镜的反射光路径上设有光强测量装置；光强测量装置和电荷耦合元件分别连接至数据处理系统。

优选地，光圈过滤器的孔径可调。

优选地，分光镜与激光发射器发射的激光夹角为45°，分光镜的反射光光强为激光发射器发射激光光强的4％～5％。

优选地，光强测量装置包括光强测量仪和示波器，光强测量仪正对分光镜的反射光路径，光强测量仪与示波器连接，示波器与数据处理系统连接。

优选地，第一水平面上设有水平导轨，水平导轨上连接有移动模块，移动模块连接有第一棱镜角度调节器，第一棱镜角度调节器与第一半圆棱镜连接。

优选地，第二水平面上设有安装平台，安装平台上设有第二棱镜角度调节器，第二棱镜角度调节器与第二半圆棱镜连接。

优选地，电荷耦合元件的光敏区阵列面积大于接收激光束面积的3～5倍，电荷耦合元件的光敏区中心与接收激光束的中心重合。

优选地，减光镜与电荷耦合元件之间设有遮光外壳。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型公开的一种用于风机塔筒细微沉降倾斜监测的系统，考虑到现有风机塔筒较高的特点，将电荷耦合元件固定于塔筒较高位置上，通过两个半圆棱镜的全反射，改变激光束的传播方向且无反射损失；利用塔筒高度可线性放大肉眼无法观察的倾斜量的几何特点，基于相对简易的圆形激光束系统和感光二极管空间分辨率高的特点，设计了电荷耦合元件对圆形激光束光强度二维分布的测量与数据分析系统，可通过对比激光强度在水平与竖直方向上的变化对塔筒的安全与健康状态进行在线监测。光圈过滤器能够调整激光的形状；因为电荷耦合元件的测量光强范围有限，减光镜能够避免射入的激光强度过大而造成损坏。激光由于波长单一、强度稳定、受环境空气的色散影响小，以及电荷耦合元件对光强度的记录、数据处理与分析的特性，利用电荷耦合元件空间分辨率高的特点，能够捕捉到塔筒微小(～10um级别)的倾斜状态，为风机塔筒维护采取进一步措施提供数据与指导，有利于风电机组健康、安全与可靠的运行。

进一步地，光圈过滤器的孔径可调，使激光通过光圈过滤器后的光束截面为调定直径的圆形，满足不同情况下的监测需求。

进一步地，由于激光在传播过程中强度会出现一定程度的衰减，分光镜将激光束4％～5％的反射光进行光强检测，能够消除激光强度衰减对光强度测量与分析的干扰。

进一步地，第一半圆棱镜的位置和角度能够通过水平导轨和第一棱镜角度调节器进行调节，满足不同的参数需要。

进一步地，第二半圆棱镜的角度能够通过第二棱镜角度调节器进行调节，满足不同的参数需要。

进一步地，电荷耦合元件的光敏区阵列面积大于接收激光束面积的3～5倍，能够使接收的激光全部投射到电荷耦合元件上，并留出较多边缘区域，提高分析和计算的准确度。

进一步地，减光镜与电荷耦合元件之间设有遮光外壳，能够消除背景光对测量的影响。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为半圆棱镜内激光束的全反射传播路径示意图；

图3为圆形激光束在电荷耦合元件上正常投射示意图；

图4为塔筒未发生倾斜与发生α角倾斜时电荷耦合元件区域变化示意图；

图5-1～图5-4为不同情况下第n天测量激光强度分布与第1天数据的差值矩阵的二维分布云图；

图6为电荷耦合元件测量的圆形激光束激光强度在竖直(或水平)方向上的分布特性图。

图中：1-激光发射器；2-光圈过滤器；3-分光镜；4-光强测量仪；5-示波器； 6-1-第一半圆棱镜；6-2-第二半圆棱镜；7-水平导轨；8-移动模块；9-1-第一棱镜角度调节器；9-2-第二棱镜角度调节器；10-安装平台；11-减光镜；12-电荷耦合元件；13-信号处理器；14-计算机；15-塔筒；16-感光二极管；17-圆形激光束；

光强分布区域圆心；

光强分布区域圆心。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细描述，其内容是对本实用新型的解释而不是限定：

如图1，本实用新型的用于风机塔筒细微沉降倾斜监测的系统，在相对远离塔筒15的水平位置布置激光平台。激光发射器1以设定的频率(如0.1～1次/min) 发出特定波长与稳定强度的激光束，作为监测塔筒15沉降或倾斜状态的光源。激光发射器1输出的激光束的横截面并未绝对圆形，为排除光束截面形状对下游测量与数据分析的不利影响，在激光发射器1下游布置光圈过滤器2。光圈过滤器2结构类似于相机光圈，其中心的透光圆孔直径可调节，使得激光通过光圈过滤器2后的光束截面为调定直径的圆形。

考虑到塔筒沉降倾斜发生过程相对缓慢，激光发射器1的输出激光强度会出现一定程度的衰减，为消除激光强度衰减对光强度测量与分析的干扰，在光圈过滤器2后设置竖直布置的分光镜3，分光镜3与激光束呈45°布置，使得激光束因镜面反射而反射部分激光(4～5％)，该部分激光的强度使用与其垂直布置的光强测量仪4进行测量并输出，光强度在示波器5上显示为脉冲信号，脉冲的幅值与反射激光强度呈正比关系。

未经反射的水平的圆形激光束可全部穿过分光镜3，经过一高一低布置的第一半圆棱镜6-1和第二半圆棱镜6-2，最终将圆形激光束17同样水平地投射到固定于塔筒15较高位置(如机舱下部合适位置)的安装平台10上。水平的圆形激光束17先后通过安装平台10上的竖直布置的减光镜11和电荷耦合元件12 (又称CCD)。依靠电荷耦合元件12上紧密布置的感光二极管16进行激光强度测量并输出。

如图2所示，第一半圆棱镜6-1和第二半圆棱镜6-2主要用来改变激光方向，基于光的全放射原理。激光束沿径向射入且入射角超过临界角(arcsin(1/n)，n 为棱镜材料的折射率)，光束在第一半圆棱镜6-1和第二半圆棱镜6-2内实现全反射，依靠第一半圆棱镜6-1和第二半圆棱镜6-2可实现激光束的传播方向且无反射损失。安装平台10上的第二半圆棱镜6-2位置固定，其布置角度(即棱镜的侧平面与水平方向的夹角)依靠第二棱镜角度调节器9-2进行微调，而在地面上的第一半圆棱镜6-1的布置位置可通过安装在水平导轨7上的移动模块8进行调节，并且同样通过第一棱镜角度调节器9-1进行调节。这样，通过地面上的第一半圆棱镜6-1的位置移动和第一半圆棱镜6-1、第二半圆棱镜6-2的布置角度调整，让激光束在两个半圆棱镜内都发生全反射，即实现了激光束的水平传播又减少了激光的反射损失。

由于电荷耦合元件12对光强度比较敏感，其感光元件——感光二极管16 测量光强范围有限，为避免射入的激光强度过大而造成损坏，可适当调低激光发射器1的输出光强并在电荷耦合元件12设置透光率较低的减光镜11，大幅降低穿过减光镜11的圆形激光束17的光强密度，使其可被电荷耦合元件12顺利且安全地捕捉。参照图3，电荷耦合元件12的尺寸应超过圆形激光束17的横截面积，使其可全部投射到电荷耦合元件12上，并留出较多边缘区域。一般地，电荷耦合元件12的光敏区阵列面积大于接收激光束面积的3～5倍，电荷耦合元件12的光敏区中心与接收激光束的中心重合。

电荷耦合元件12又称CCD，是广泛使用的数码相机图像传感器。其由一定数量的感光二极管16均匀布置组成(参考图3)，感光二极管16紧密布置，且尺寸极小，宏观上可理解为每个感光二极管16为单个点，简称像素。感光二极管16感应光线，捕捉光子并将光强度转化为数字信号，经信号处理器13处理后传输至计算机14存储并分析。在减光镜11与电荷耦合元件12间用不透光材料进行覆盖以消除绝大多数的背景光(如阳光等)。

如图3所示，电荷耦合元件12由M×N个感光二极管16组成，其输出数据传递至计算机14上并可处理为M×N的数据矩阵，矩阵中每个元素值与对应感光二极管16测量光强成正比例关系。将该数据矩阵进行二维绘图，便可得到电荷耦合元件12上的光强分布云图。由于射入电荷耦合元件12的圆形激光束 17，基于本激光系统的设置，可预见电荷耦合元件12测量得到的二维光强分布为圆形，在该圆形区域以外，背景光和极少量(可忽略不计)的激光的强度极低，接近于零。即认为电荷耦合元件12单独准确地捕捉了圆形激光束17的光强分布。

在圆形区域与外围区域，其过渡距离很短，这是由圆形激光束17圆形边缘锐利的光强度分布特性决定的，如图6所示，光强的高值与低值间过渡对应空间距离不超过10um，而电荷耦合元件12中感光二极管16的布置密度往往较高，使得单个像素的空间分辨率很高，能达到1～5um/pixel的级别，即用电荷耦合元件12测量光强度，圆形光强分区与外围背景区域的过渡地带级别在1～2个像素。

基于该特性，本专利利用以下方法分析塔筒的倾斜或沉降状态。

设定激光发射器1按较低的频率(1次/min)发射激光，对发射的第i束激光，结合示波器5输出的幅值I_i和计算机14接收的数据矩阵A_i,M×N，对第i个数据矩阵进行校准处理，以消除激光发射器1发射激光强度波动的影响：

考虑到风机塔筒15的结构相对稳定，选在风机无运行状态下测量的数据(如每天1440个)做平均化处理，以减小系统测量误差，提高数据精度：

以风速小且风机无运行的第一天的数据

为基准，将每天的数据

与其做矩阵相减处理。

将差值矩阵

做激光强度差值分布的二维云图，基于图5-1～5-4中最值(高值/低值)是否出现与区域对塔筒倾斜或沉降或是倾斜沉降同时发生进行判断：

(1)如果

与

的光强分布圆形区域几乎重叠，即差值矩阵

的二维云图中并未出现明显的高值或低值，矩阵中各个元素值较小，甚至接近于0，可认为塔筒15处于正常状态。这是因为，本实用新型的简易激光系统经过初步调试后各个部分的位置已经固定，在塔筒15无倾斜或沉降的情况下，

与

很是接近。

(2)如果

的异常值(高值/低值)区域如图5-1所示，即

光强分布圆形区域的圆心18和

光强分布圆形区域的圆心19只在竖直方向上变化，有3种可能性(只发生沉降、只发生倾斜或是沉降与倾斜同时发生)，需要结合

中穿过圆心的列矩阵(为减少误差，可取圆心左右各3～5列的列矩阵做平均化处理)和

中穿过圆心的列矩阵(同样地，取圆心左右各 3～5列的列矩阵做平均化处理)，对比列矩阵中记录了激光强度的像素数(简称为有效像素数)，再进行判断：

(2.1)如果两个列矩阵中有效像素数数量相同，则塔筒15只是发生了沉降；

(2.2)如果两个列矩阵中有效像素数不同，即

的强度分布云图呈椭圆状，则塔筒15在平行于圆形激光束17传播方向的竖直面内发生倾斜(或伴随着沉降的倾斜)。

在上述情形下，塔筒在平行于圆形激光束17传播方向的竖直面内发生倾斜的倾斜角(参见图4中角度a)用以下公示计算：

其中n₊和n_-分别为因塔筒倾斜而分别进入和离开圆形激光束17投射区域的穿过

光强分布圆形区域的圆心18的竖直方向上的像素的数量；l为单个感光二极管16的尺寸。

而电荷耦合元件12在竖直高度上的位置变化量(即下降量)为

Δh＝cosα·(n_o,1st-n_o,nth)×l

其中，n_o,1st和n_o,nth分别为上述所取的

与

的激光强度分布圆的中心所对应的行序数。

(3)如果

的异常值(高值/低值)区域如图5-2所示，即

光强分布圆形区域的圆心18和

光强分布圆形区域的圆心19只在水平方向上变化，该情况在实际中可排除，因为若是塔筒发生沉降或倾斜，电荷耦合元件12的位置将发生同样的变化，无论是沉降还是倾斜，其记录圆形激光束17 中心强度的感光二极管16在竖直方向上的位置必然发生变化。

(4)如果

的异常值(高值/低值)区域如图5-3(或图5-4)所示，即

光强分布圆形区域的圆心18和

光强分布圆形区域的圆心19同时出现了水平与竖直方向上的变化，可判断塔筒在平行和垂直于圆形激光束17 传播方向的竖直面内同时发生了倾斜(或伴随着沉降的倾斜)。

在平行于圆形激光束17传播方向的竖直面内的倾斜角度用第一个公式算出；在垂直于圆形激光束17传播方向的竖直面内的倾斜角度用以下公式计算：

其中m₊和m_-分别为因塔筒15倾斜分别进入和离开圆形激光束17投射区域的穿过

光强分布圆形区域的圆心18的水平方向上的像素的数量；l为单个感光二极管16的尺寸。

塔筒的整体倾斜角度γ：

γ＝arccos(cosα×cosβ)。

需要说明的是，以上所述仅为本实用新型实施方式的一部分，根据本实用新型所描述的系统所做的等效变化，均包括在本实用新型的保护范围内。本实用新型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，只要不偏离本实用新型的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于风机塔筒细微沉降倾斜监测的系统，其特征在于，包括激光发射器(1)、光圈过滤器(2)、分光镜(3)、第一半圆棱镜(6-1)、第二半圆棱镜(6-2)、减光镜(11)和电荷耦合元件(12)；

激光发射器(1)设在正对塔筒(15)的第一水平面上，电荷耦合元件(12)竖直设置在塔筒(15)外壁的第二水平面上，第一水平面与第二水平面共面，且第一水平面低于第二水平面；光圈过滤器(2)、分光镜(3)、第一半圆棱镜(6-1)、第二半圆棱镜(6-2)和减光镜(11)依次设置在激光发射器(1)发射激光的传播路径上，光圈过滤器(2)、分光镜(3)和第一半圆棱镜(6-1)设在第一水平面上，第二半圆棱镜(6-2)和减光镜(11)设在第二水平面上；分光镜(3)的反射光路径上设有光强测量装置；光强测量装置和电荷耦合元件(12)分别连接至数据处理系统。

2.根据权利要求1所述的用于风机塔筒细微沉降倾斜监测的系统，其特征在于，光圈过滤器(2)的孔径可调。

3.根据权利要求1所述的用于风机塔筒细微沉降倾斜监测的系统，其特征在于，分光镜(3)与激光发射器(1)发射的激光夹角为45°，分光镜(3)的反射光光强为激光发射器(1)发射激光光强的4％～5％。

4.根据权利要求1所述的用于风机塔筒细微沉降倾斜监测的系统，其特征在于，光强测量装置包括光强测量仪(4)和示波器(5)，光强测量仪(4)正对分光镜(3)的反射光路径，光强测量仪(4)与示波器(5)连接，示波器(5)与数据处理系统连接。

5.根据权利要求1所述的用于风机塔筒细微沉降倾斜监测的系统，其特征在于，第一水平面上设有水平导轨(7)，水平导轨(7)上连接有移动模块(8)，移动模块(8)连接有第一棱镜角度调节器(9-1)，第一棱镜角度调节器(9-1)与第一半圆棱镜(6-1)连接。

6.根据权利要求1所述的用于风机塔筒细微沉降倾斜监测的系统，其特征在于，第二水平面上设有安装平台(10)，安装平台(10)上设有第二棱镜角度调节器(9-2)，第二棱镜角度调节器(9-2)与第二半圆棱镜(6-2)连接。

7.根据权利要求1所述的用于风机塔筒细微沉降倾斜监测的系统，其特征在于，电荷耦合元件(12)的光敏区阵列面积大于接收激光束面积的3～5倍，电荷耦合元件(12)的光敏区中心与接收激光束的中心重合。

8.根据权利要求1所述的用于风机塔筒细微沉降倾斜监测的系统，其特征在于，减光镜(11)与电荷耦合元件(12)之间设有遮光外壳。

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