CN113669216A - 非接触式风力发电机的监测装置及监测方法 - Google Patents

非接触式风力发电机的监测装置及监测方法 Download PDF

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Abstract

非接触式风力发电机的监测装置及监测方法涉及风力发电监测技术领域，解决了现有监测复杂昂贵影响发电机运动的问题，装置包括激光器、第一会聚透镜、反射镜、PSD传感器、数据处理器和第二会聚透镜；激光器安装在第二平面上，反射镜设置在发电机主轴的锥度面上，第一会聚透镜位于激光器和反射镜之间，第二会聚透镜位于反射镜和PSD传感器之间，PSD传感器连接数据处理器，PSD传感器能够探测照射到其上的光点的水平位移量x′，数据处理器能够根据x′计算出发电机主轴轴向窜动的轴向位移量。本发明具有精度高、响应速度块、结构操作简单、成本低、工作性能稳定可靠、可进行长时间的连续监测等优点。

Description

非接触式风力发电机的监测装置及监测方法
技术领域
本发明涉及风力发电监测技术领域，具体涉及非接触式风力发电机的监测装置及监测方法。
背景技术
风力发电机是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发电机。它不需要燃料、不占耕地、没有污染、运行成本低，近年来成为各个国家发展的重点项目。
风力发电机是否能正常投入使用，影响着风力发电的整体质量，风机故障会不仅会影响机组本身还可能造成严重的安全事故，造成重大人身财产损失。为了满足风力发电及能够正常运行要求，需要对振动状态监测，保证风力发电机在实际过程中处于一种可控状态，提升发电及的应用质量与效率。
目前对风机主轴的检测主要集中于生产过程中及安装前，对主轴的在线检测研发极少。现有的方法一般是在主轴上直接安装风机传感器。风力发电机在我国多数情况下普遍位于低温多风沙区域或南方潮湿及沿海高腐蚀区域，且位置均较偏僻，直接安装的风机传感器具有良好的耐低温、高湿度、抗风沙、耐腐蚀性，不过价格较贵。风机传感器作为被测物体的附加质量，必然会影响其运动状态。而且这种方式需要安装一定数量振动传感器和数据采集设备，在一定程度上增加了风力机***的资金成本和布线复杂性。其对应的监测方法，需要对采集到的信号做预处理获得故障特征频率，这种方法不仅复杂，还需要耗费大量时间对不同型号的正常风机进行采集数据建立模型。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供非接触式风力发电机的监测装置及监测方法。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
非接触式风力发电机的监测装置，包括激光器、第一会聚透镜、反射镜、PSD传感器、数据处理器和第二会聚透镜；
所述激光器安装在第二平面上，第二平面平行于安装风力发电机的第一平面，反射镜用于设置在发电机主轴的锥度面上，第一会聚透镜位于激光器和反射镜之间，第一会聚透镜用于将激光器发射的光束汇聚到反射镜上，第二会聚透镜位于反射镜和PSD传感器之间，第二会聚透镜用于将反射镜反射的光束汇聚到PSD传感器上，PSD传感器连接数据处理器，PSD传感器能够探测照射到其上的光点的水平位移量x′并能够将x′发送至数据处理器，数据处理器能够根据x′计算出发电机主轴轴向窜动的轴向位移量x。
非接触式风力发电机的监测方法，包括如下步骤：
步骤1、测量风力发电机主轴与第一平面的夹角θ1；将反射镜安装在发电机主轴的锥度面上，测量反射镜与发电机主轴径向的夹角θ2；确保激光器发出的光束经过第一会聚透镜能够会聚到反射镜上、以及确保反射镜反射的光束经第二会聚透镜后会聚到PSD传感器上；
步骤2、将步骤二测得的θ1和步骤三测得的θ2输入到数据处理器上；
步骤3、PSD传感器探测照射到其上的光点的水平位移量x′，并将光点的水平位移量x′发送至数据处理器，数据处理器接收x′并根据θ1、θ2和x′计算发电机主轴轴向窜动的轴向位移量x。
本发明的有益效果是：
本发明的非接触式风力发电机的监测装置，无需在被测发电机主轴上设置传感器，只设置反射镜，反射镜的质量轻，几乎不影响发电机主轴的运动状态。本发明的监测装置适用范围广，对锥度不同，主轴与水平面不同角度的风力发电机，均可实时监测风力发电机主轴轴向窜动。基于PSD传感器的监测装置具有精度高、响应速度块、结构操作简单、成本低、工作性能稳定可靠、可进行长时间的连续监测等优点。对应的监测方法操作简单，易得出发电机主轴轴向窜动的轴向位移量x。
附图说明
图1为本发明的非接触式风力发电机的监测装置的使用状态示意图。
图2为本发明的非接触式风力发电机的监测装置的外壳及其内部结构图。
图中：1、激光器，2、第一会聚透镜，3、反射镜，4、第二会聚透镜，5、PSD传感器，6、外壳，7、显示装置，8、A/D转换器，9、单片机，10、光纤收发器，11、USB接口，12、锥度面。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
非接触式风力发电机的监测装置，如图1，包括激光器1、第一会聚透镜2、反射镜3、PSD传感器5、数据处理器、第二会聚透镜4。第二会聚透镜4作为接收透镜。
风力发电机安装在第一平面上，激光器1安装在第二平面上，第一平面和第二平面平行，本实施方式中风力发电机和激光器1放置在同一水平面上，第一会聚透镜2位于激光器1和反射镜3之间，第一会聚透镜2用于将激光器1发射的光束汇聚到反射镜3上，反射镜3用于设置在发电机主轴的锥度面12上(图1未示出风力发电机的全部结构，仅示出了发电机主轴的结构)，发电机主轴的外表面包括锥度面12，即反射镜3贴合发电机主轴外表面的锥度面12的锥度安装在发电机主轴上。第二会聚透镜4设置在PSD传感器5的前方。第二会聚透镜4位于反射镜3和PSD传感器5之间，第二会聚透镜4用于将反射镜3反射的光束汇聚到PSD传感器5上。PSD传感器5连接数据处理器。PSD传感器5的探测表面(用于探测光点的表面)平行于风力发电机和激光器1所放置的平面。
监测时，激光器1发出的光束经过第一会聚透镜2会聚到反射镜3上，经反射镜3反射后，再经第二会聚透镜4会聚到PSD传感器5上，即会聚到PSD传感器5的探测面上，PSD传感器5能够探测照射到其上的光点的水平位移量x′，x′为PSD传感器5探测面接收到的光点的水平位移量，并将光点的水平位移量x′发送至数据处理器，数据处理器能够接收x′并根据x′计算出发电机主轴轴向窜动的轴向位移量x。
数据处理器根据x′得出x的计算公式为：
Figure BDA0003263313070000041
其中，θ1为发电机主轴轴向与第一平面的夹角；θ2为反射镜3与发电机主轴径向的夹角。
如图2，数据处理器包括单片机9和A/D转换器8，单片机9采用STM32单片机，PSD传感器5、A/D转换器8和单片机9顺次连接，PSD传感器5探测得到的x′为模拟信号形式，PSD传感器5能够将模拟信号形式的x′发送至A/D转换器8，A/D转换器8能够将模拟信号形式的x′转换为数字信号形式的x′，并能够将数字信号形式的x′发送至单片机9，单片机9能够接收数字信号形式的x′并据此计算x。单片机9、A/D转换器8、PSD传感器5均连接同一电源。
非接触式风力发电机的监测装置还包括显示器，显示器连接数据处理器，单片机9将x发送至显示器，显示器用于显示数据处理器得到的x。
非接触式风力发电机的监测装置还包括光纤收发器10，光纤收发器10连接数据处理器的单片机9，光纤收发器10外连接某一种接收装置，用于将单片机9计算得到的x发送出至接收装置。监测装置还包括外壳6，PSD传感器5设置在外壳6上，数据处理器和光纤收发器10均设置在外壳6内，光纤收发器10一端连接数据处理器，光纤收发器10另一端连接端口设置在外壳6上用于外连接，监测装置可通过光纤收发器10连接显示器，也可数据处理器直接连接显示器。外壳6上设有USB接口11，USB接口11连接数据处理器，可通过USB接口11外连接存储设备以存储x，也外壳6内可设有存储器，存储器连接数据处理器的单片机9，也连接USB接口11，单片机9计算得到的x直接存储在存储器中，可通过USB接口11外连接存储设备来读取存储器中存储的x。光纤收发器10外连接现有风力发电总监控中心(也称为风力发电监测的主控中心端)，监控人员可以在主控中心端监测发电机主轴轴向窜动的轴向位移量。
非接触式风力发电机的监测方法，包括如下步骤：
步骤1、测量风力发电机主轴与第一平面的夹角θ1；将反射镜3安装在发电机主轴的锥度面12上，测量反射镜3与发电机主轴径向的夹角θ2；确保激光器1发出的光束经过第一会聚透镜2能够会聚到反射镜3上、以及确保反射镜3反射的光束经第二会聚透镜4后会聚到PSD传感器5上；
步骤2、将步骤二测得的θ1和步骤三测得的θ2输入到数据处理器上；
步骤3、PSD传感器5探测照射到其上的光点的水平位移量x′，并将光点的水平位移量x′发送至数据处理器，数据处理器接收x′并根据θ1、θ2和x′计算发电机主轴轴向窜动的轴向位移量x。
下面对步骤进行详述：
步骤一、将激光器1放置在第二平面上，第二平面平行于放置风力发电机的第一平面，具体激光器1和风力发电机均放在水平地面上，激光器1可以垂直向上入射。
步骤二、测量风力发电机主轴与第一平面的夹角θ1。
步骤三、将反射镜3安装在发电机主轴的锥度面12上，测量反射镜3与发电机主轴径向的夹角θ2。
步骤四、对应激光器1和反射镜3安装第一会聚透镜2，使得激光器1发出的光束经过第一会聚透镜2能够会聚到反射镜3上，反射镜3反射光束。第一会聚透镜2安装在第一支撑架上，第一支撑架安装在水平地面上。
步骤五、安装第二会聚透镜4和PSD传感器5，所述PSD传感器5连接数据处理器，调整第二会聚透镜4和PSD传感器5，使得反射镜3反射的光束经第二会聚透镜4后会聚到PSD传感器5上。第二会聚透镜4安装在第二支撑架上，第二支撑架安装在水平地面上。
步骤六、将步骤二测得的θ1和步骤三测得的θ2输入到数据处理器上。
步骤七、PSD传感器5探测照射到其上的光点的水平位移量x′，并将光点的水平位移量x′发送至数据处理器，数据处理器接收x′并据此计算出发电机主轴轴向窜动的轴向位移量x。x通过如下公式计算：
Figure BDA0003263313070000051
监测方法还可包括步骤八，步骤八为：数据处理器将x发送给显示装置7，显示装置7显示x，上述显示器作为一种显示装置7。
本发明的非接触式风力发电机的监测装置，无需在被测发电机主轴上设置传感器，只设置反射镜3，反射镜3的质量轻，几乎不影响发电机主轴的运动状态。也不需要安装较多的振动传感器和数据采集设备，只需要设有PSD传感器5，监测装置的成本低且不复杂。本发明的监测装置，对锥度不同，主轴与水平面不同角度的风力发电机，均可实时监测风力发电机主轴轴向窜动。现有PSD传感器5的精度均不低于微米级别，且响应速度可达0.1ms甚至更高。因此基于PSD传感器5的监测装置具有精度高、响应速度块、结构操作简单、成本低、工作性能稳定可靠、可进行长时间的连续监测等优点。对应的监测方法操作简单，易得出发电机主轴轴向窜动的轴向位移量x。
通过PSD传感器5探测照射到其上的光点的水平位移量x′、发电机主轴轴向与第一平面的夹角θ1和反射镜3与发电机主轴径向的夹角θ2，能够计算得到发电机主轴轴向窜动的轴向位移量x。

Claims (10)

1.非接触式风力发电机的监测装置，其特征在于，包括激光器(1)、第一会聚透镜(2)、反射镜(3)、PSD传感器(5)、数据处理器和第二会聚透镜(4)；
所述激光器(1)安装在第二平面上，第二平面平行于安装风力发电机的第一平面，反射镜(3)用于设置在发电机主轴的锥度面(12)上，第一会聚透镜(2)位于激光器(1)和反射镜(3)之间，第一会聚透镜(2)用于将激光器(1)发射的光束汇聚到反射镜(3)上，第二会聚透镜(4)位于反射镜(3)和PSD传感器(5)之间，第二会聚透镜(4)用于将反射镜(3)反射的光束汇聚到PSD传感器(5)上，PSD传感器(5)连接数据处理器，PSD传感器(5)能够探测照射到其上的光点的水平位移量x′并能够将x′发送至数据处理器，数据处理器能够根据x′计算出发电机主轴轴向窜动的轴向位移量x。
2.如权利要求1所述的非接触式风力发电机的监测装置，其特征在于，所述数据处理器根据如下公式计算出x：
Figure FDA0003263313060000011
其中，θ1为发电机主轴轴向与第一平面的夹角；θ2为反射镜(3)与发电机主轴径向的夹角。
3.如权利要求1所述的非接触式风力发电机的监测装置，其特征在于，所述PSD传感器(5)的探测表面平行于第一平面。
4.如权利要求1所述的非接触式风力发电机的监测装置，其特征在于，所述数据处理器包括单片机(9)和A/D转换器(8)，所述PSD传感器(5)、A/D转换器(8)和单片机(9)顺次连接，PSD传感器(5)探测得到的x′为模拟信号形式，A/D转换器(8)能够将模拟信号形式的x′转换为数字信号形式，并能够将数字信号形式的x′发送至单片机(9)，单片机(9)能够接收数字信号形式的x′并据此计算x。
5.如权利要求1所述的非接触式风力发电机的监测装置，其特征在于，所述监测装置还包括显示器，所述显示器连接数据处理器，显示器用于显示数据处理器得到的x。
6.如权利要求1所述的非接触式风力发电机的监测装置，其特征在于，所述监测装置还包括存储器，所述存储器连接数据处理器，存储器用于存储单片机(9)计算得到的x。
7.如权利要求1所述的非接触式风力发电机的监测装置，其特征在于，所述监测装置还包括光纤收发器(10)，所述光纤收发器(10)连接数据处理器。
8.非接触式风力发电机的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、测量风力发电机主轴与第一平面的夹角θ1；将反射镜(3)安装在发电机主轴的锥度面(12)上，测量反射镜(3)与发电机主轴径向的夹角θ2；确保激光器(1)发出的光束经过第一会聚透镜(2)能够会聚到反射镜(3)上、以及确保反射镜(3)反射的光束经第二会聚透镜(4)后会聚到PSD传感器(5)上；
步骤2、将步骤二测得的θ1和步骤三测得的θ2输入到数据处理器上；
步骤3、PSD传感器(5)探测照射到其上的光点的水平位移量x′，并将光点的水平位移量x′发送至数据处理器，数据处理器接收x′并根据θ1、θ2和x′计算发电机主轴轴向窜动的轴向位移量x。
9.如权利要求8所述的非接触式风力发电机的监测方法，其特征在于，所述步骤1包括如下步骤：
步骤1.1、将激光器(1)放置在第二平面上，第二平面平行于放置风力发电机的第一平面；
步骤1.2、测量风力发电机主轴与第一平面的夹角θ1；
步骤1.3、将反射镜(3)安装在发电机主轴的锥度面(12)上，测量反射镜(3)与发电机主轴径向的夹角θ2；
步骤1.4、对应激光器(1)和反射镜(3)安装第一会聚透镜(2)，使得激光器(1)发出的光束经过第一会聚透镜(2)能够会聚到反射镜(3)上；
步骤1.5、安装第二会聚透镜(4)和PSD传感器(5)，所述PSD传感器(5)连接数据处理器，调整第二会聚透镜(4)和PSD传感器(5)，使得反射镜(3)反射的光束经第二会聚透镜(4)后会聚到PSD传感器(5)上。
10.如权利要求8所述的非接触式风力发电机的监测方法，其特征在于，所述步骤七之后还包括数据处理器将x发送给显示装置(7)和显示装置(7)显示x的步骤。
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