基于线激光强度测量的风机塔筒沉降倾斜监测系统及方法
阅读说明：本技术 基于线激光强度测量的风机塔筒沉降倾斜监测系统及方法 (System and method for monitoring settlement inclination of fan tower drum based on line laser intensity measurement ) 是由 林伟荣 许扬 卢承引 永胜 赵凤伟 延卫忠 吕井波 范建文 白利军 李智楠 岳彩 于 2021-02-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开的一种基于线激光强度测量的风机塔筒沉降倾斜监测系统及方法,属于风力发电技术领域。包括激光发射器、光圈过滤器、分光镜、凸透镜、凹棱镜、面激光过滤器、减光镜和电荷耦合元件。激光发射器设在正对塔筒的水平面上,电荷耦合元件竖直设置在塔筒外壁且正对激光发射器；光圈过滤器、分光镜、凸透镜、凹棱镜、面激光过滤器和减光镜依次设置在激光发射器发射激光的传播路径上；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。本发明受外界环境因素干扰小,精度高,能够精确地捕捉到塔筒微小的沉降倾斜状态,使风电机组健康、安全与可靠的运行。(The invention discloses a fan tower barrel settlement inclination monitoring system and method based on line laser intensity measurement, and belongs to the technical field of wind power generation. The laser device comprises a laser transmitter, an aperture filter, a spectroscope, a convex lens, a concave prism, a surface laser filter, a light reduction mirror and a charge coupling element. The laser emitter is arranged on a horizontal plane opposite to the tower drum, and the charge coupling element is vertically arranged on the outer wall of the tower drum and opposite to the laser emitter; the aperture filter, the spectroscope, the convex lens, the concave prism, the surface laser filter and the light reduction mirror are sequentially arranged on a transmission path of laser emitted by the laser emitter; a light intensity measuring device is arranged on a reflected light path of the spectroscope; the light intensity measuring device and the charge coupled device are respectively connected to the data processing system. The invention has small interference by external environmental factors and high precision, and can accurately capture the tiny sedimentation and inclination state of the tower, so that the wind turbine generator can run healthily, safely and reliably.)
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种基于线激光强度测量的风机塔筒沉降倾斜监测系统及方法。
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。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，因不均匀沉降与塔筒螺栓松动等因素造成的细微倾斜进而倒塔的事故屡有发生。
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线激光强度测量的风机塔筒沉降倾斜监测系统及方法，受外界环境因素干扰小，精度高，能够精确地捕捉到塔筒微小的沉降倾斜状态，使风电机组健康、安全与可靠的运行。
本发明通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种基于线激光强度测量的风机塔筒沉降倾斜监测系统，包括激光发射器、光圈过滤器、分光镜、凸透镜、凹棱镜、面激光过滤器、减光镜和电荷耦合元件；
激光发射器设在正对塔筒的水平面上，电荷耦合元件竖直设置在塔筒外壁且正对激光发射器；光圈过滤器、分光镜、凸透镜、凹棱镜、面激光过滤器和减光镜依次设置在激光发射器发射激光的传播路径上；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，凹棱镜的轴线水平放置，凹棱镜的平面朝向凸透镜，弧面朝向面激光过滤器。
优选地，面激光过滤器包括支架、上挡板和下挡板；支架固定在水平面上，上挡板和下挡板分别与支架活动连接，上挡板和下挡板为不透光材质。
优选地，电荷耦合元件的光敏区阵列面积大于接收光面积；电荷耦合元件的光敏区高度为接收光高度的2～3倍。
优选地，减光镜与电荷耦合元件之间设有遮光外壳。
本发明公开的采用上述基于线激光强度测量的风机塔筒沉降倾斜监测系统进行风机塔筒沉降倾斜监测的方法，包括：
激光发射器以预设频率发出特定波长和强度的激光束，激光束经光圈过滤器调节为预设直径的圆形激光束，圆形激光束到达分光镜后，反射光束到达光强测量装置，测得的光强数据发送至数据处理系统，折射光束继续传播至凸透镜进行会聚，经凹棱镜后形成扇形面激光，扇形面激光经面激光过滤器后调整为平行面激光，平行面激光经减光镜降低光强后照射在电荷耦合元件上；数据处理系统根据照射在电荷耦合元件上的平行面激光的参数，实现风机塔筒的沉降倾斜监测。
优选地，实现风机塔筒的沉降倾斜监测具体包括：
电荷耦合元件由M×N个感光二极管组成，其输出数据传递至数据处理系统上处理为M×N的数据矩阵；
激光发射器每天发射X束激光，对于激光发射器发射的第i束激光，结合光强测量装置输出的幅值Ii和数据处理系统接收的数据矩阵Ai,M×N，按下式对第i个数据矩阵进行校准处理，以消除激光发射器发射激光强度波动的影响：
平均化处理每天的X个数据：
第一天的数据为基准，将每天的数据与其对比，用于初步判断塔筒的倾斜状态：
如果差值矩阵中出现较大值，初步判断塔筒出现了沉降或倾斜；并根据差值矩阵中最值出现的位置，初步判断塔筒的倾斜方向；
为了估计塔筒或电荷耦合元件的倾斜量或倾斜角度，基于差值矩阵中最值出现的位置，在竖直和水平方向各选取与其相邻的B列和C行数据，做累加处理以构建M×1的列矩阵和1×N的行矩阵：
其中i1与i2分别为最值出现位置的列序数与行序数；
将以上两个矩阵绘制光强度分布一维图，并对第1天的数据做相同的处理，直接进行对比；根据光强突变出现的位置的变化数量，计算竖直方向的倾斜角度α和水平方向上的倾斜角度β：
其中n+和n_分别为因塔筒倾斜分别进入和离开平行面激光照射区域的像素的数量；l为单个感光二极管的尺寸；
对比n+和n_的数值，可以判断塔筒是发生了沉降、倾斜或是沉降与倾斜单一或同时发生；若只是发生了倾斜，根据塔筒在竖直方向的倾斜角度α和水平方向上的倾斜角度β，计算塔筒的整体倾斜角度γ：
γ＝arccos(cosα×cosβ)。
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线激光强度测量的风机塔筒沉降倾斜监测系统，通过在塔筒特定位置上固定线激光的强度测量与输出装置，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，面激光过滤器的结构简单，通过上挡板和下挡板的移动就能够方便地调节面激光的宽度，满足不同情况下的监测需求。
进一步地，电荷耦合元件的光敏区阵列面积大于接收光面积，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。
本发明公开的采用上述基于线激光强度测量的风机塔筒沉降倾斜监测系统进行风机塔筒沉降倾斜监测的方法，能够精确地捕捉到塔筒微小的沉降倾斜状态，使风电机组健康、安全与可靠的运行。
进一步地，通过对各项数值的量化处理，能够得到塔筒的沉降和倾斜的具体数值，为风机塔筒沉降倾斜监测和分析提供有力的理论基础。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为平行面激光在电荷耦合元件上正常投射示意图；
图3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4为电荷耦合元件测量的线激光强度在竖直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-凸透镜；7-凹棱镜；8-面激光过滤器；9-减光镜；10-电荷耦合元件；11-线激光；12-信号处理器；13-计算机；14-塔筒；15-感光二极管；16-平行面激光。
具体实施方式
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：
如图1，本发明的基于线激光强度测量的风机塔筒沉降倾斜监测系统，在相对远离塔筒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。
未经反射的激光束全部穿过分光镜3，经凸透镜6会聚到固定于塔筒14特定高度且竖直布置的电荷耦合元件10(又称CCD)上。凸透镜6的焦距取决于激光平台与塔筒间的相对距离，即凸透镜6中心与电荷耦合元件10间的距离即为其焦距f1，需在凸透镜6与电荷耦合元件10间设置光学元件以形成竖直分布且宽度固定的面激光，而在水平方向，面激光的截面宽度逐渐缩小，最终会聚在电荷耦合元件10上形成线激光11。
在凸透镜6后设置轴线水平放置的凹棱镜7。凹棱镜7的一个侧面为弧形，其余侧面为平面。激光束从凹棱镜7的中心射入，在另一侧形成扇形面激光。该扇形面激光的夹角取决于凹棱镜7的焦距：焦距越小，扇形面激光就越窄，即越不容易发散。
在凹棱镜7后选择适当位置布置面激光过滤器8，具体地，面激光过滤器8包括支架、上挡板和下挡板；支架固定在水平面上，上挡板和下挡板分别与支架活动连接，上挡板和下挡板由边缘平整锐利且可上下移动调整的不锈钢材质挡板构成，扇形面激光经过挡板作用，形成近似的平行面激光16。(在激光过滤器8到电荷耦合元件10之间较短的距离内可认为是宽度保持不变的平行面激光)。
由于电荷耦合元件10对光强度比较敏感，其感光元件——感光二极管15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，可在其前方设置透光率较低的减光镜9，大幅降低穿过减光镜9的平行面激光16的光强密度，使其可被电荷耦合元件10顺利且安全地捕捉。参照图2，电荷耦合元件10的尺寸应超过平行面激光16，使其可全部投射到电荷耦合元件10上，并留出较多边缘区域。一般的，可以设置电荷耦合元件10的光敏区阵列面积大于接收光面积。
电荷耦合元件10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15均匀布置组成(参考图2)，感光二极管15紧密布置，且尺寸极小，宏观上可理解为每个感光二极管15为单个点，简称像素。感光二极管15感应光线，将光强度转化为数字信号，经信号处理器12处理后传输至计算机13存储并分析。在减光镜9与电荷耦合元件10间用不透光材料进行覆盖以消除背景光(如阳光等)。
如图2所示，电荷耦合元件10由M×N个感光二极管15组成，其输出数据传递至计算机13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15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10上的光强分布云图。
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Ii和计算机13接收的数据矩阵Ai,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14的结构相对稳定，平均化处理每天的1440个数据，以减小系统测量误差，提高数据精度。
以第一天的数据为基准，将每天的数据与其对比，用于初步判断塔筒14的倾斜状态。
结合图2与图3，如果差值矩阵中出现较大值(同时出现正和负的较大值)，可初步判断塔筒14出现了沉降或倾斜。因为经过面激光过滤器8的平行面激光16位置固定，在图3中，如果塔筒14发生倾斜，固定在塔筒上的电荷耦合元件10也将以同样的角度出现倾斜，即使倾斜角度α很小，平行面激光16投射到的感光二极管15的区域与数量亦将变化。
对于肉眼无法观察的细微倾斜，基于平行面激光16的物理特性可被灵敏捕捉：因为平行面激光16的边缘比较锐利，即将图2中激光沿竖直方向绘出强度分布图，会呈现图4所示的边缘分布特性，光强的高值与低值间仅间隔1～2个像素。而电荷耦合元件10中感光二极管15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。
根据差值矩阵中最值(较大/较小值)出现的位置，初步判断塔筒14的倾斜方向，即如果出现在上下方向，塔筒14在与平行面激光16平行的竖直面内倾斜；而最值出现在左右方向，则意味着塔筒14在平行面激光16垂直的竖直面内倾斜。除此之外，实际情形可能更为复杂，即最值不仅仅出现在上下或左右方向，说明塔筒14在与平行面激光16平行或垂直的竖直面内都有倾斜。
为了估计塔筒或电荷耦合元件10的倾斜量或倾斜角度，基于差值矩阵中最值(较大/较小值)出现的位置，在竖直和水平方向各选取与其相邻的5列和5行数据，做累加处理(如下所示)以构建M×1的列矩阵和1×N的行矩阵。
其中i1与i2分别为最值出现位置的列序数与行序数。
将以上两个矩阵绘制光强度分布一维图，并对第1天的数据做相同的处理，直接进行对比。参考图4，根据光强突变出现的位置的变化数量，结合图3列出了竖直方向的倾斜角度计算方法，水平方向上的倾斜监测与倾斜角度β计算与之类似。
其中n+和n_分别为图3中因塔筒14倾斜分别进入和离开平行面激光16照射区域的像素的数量；l为单个感光二极管15的尺寸。
对比n+和n_的数值，可以判断塔筒14是发生了沉降(n+＝n_，m+＝m_)、倾斜(n+≠n_，m+≠m_)或是沉降与倾斜单一/同时发生(结合n+和n_，m+和m_的比较情况)。
若只是发生了倾斜，得到了塔筒14在与平行面激光16平行与垂直的竖直面内的倾斜角(α与β)，推算出塔筒14的整体倾斜角度γ，如下所示：
γ＝arccos(cosα×cosβ)
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。
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