CN117419646B - 一种基于激光传感器监测风机主轴位移的方法及*** - Google Patents

一种基于激光传感器监测风机主轴位移的方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于激光传感器监测风机主轴位移的方法,包括以下步骤：S1、通过激光传感器发射激光，形成光斑，获取风机主轴表面的纯信号数据；S2、对纯信号数据进行滤波，计算光斑的中心位置；S3、通过实验，获取实验室多维度标定因子和位移补偿系数，并建立多维度标定因子与位移补偿系数之间的查找关系表，以及建立多项式拟合方程；S4、根据激光传感器在风机主轴安装环境，确定对应的多维度标定因子，通过查找关系表，选择相应的位移补偿系数，结合多项式拟合方程，计算得到风机主轴实际位移量，相比现有技术，本发明通过检测硬件的温度状态和雷电状态，实现***的自我保护，实时性判断提高了激光传感器在风机主轴应用的环境适应性。

Description

一种基于激光传感器监测风机主轴位移的方法及***
技术领域
本发明涉及风力发电及风机主轴监控领域，具体涉及一种基于激光传感器监测风机主轴位移的方法及***。
背景技术
近年来，随着风电行业的迅速发展，风电机组的容量越来越大、叶片越来越长，风力发电机组受不同载荷的影响越来越大，实时监测风力发电机组主轴载荷的变化逐渐成为实现独立变桨控制的重要步骤，风力发电机组主轴载荷的变化主要体现在风机主轴位移的变化量上，风机主控可以将主轴位移的变化量换算到实际的主轴载荷变化，然后通过不同的滤波方式实现独立变桨控制以延长风机的使用寿命。
现有应用于风力发电机组的工业位移传感器大多数存在以下问题：1、容易受温度影响，导致测量精度低；2、容易遭受雷击，造成损坏，增加维修成本；3、工业位移传感器测距不稳定，影响测量结果；以上问题导致工业位移传感器在使用过程中容易受环境干扰出现测距故障的问题。
发明内容
为解决现有技术中现有工业位移传感器应用于风力发电机组存在温度不适应、容易被雷击、测距不稳定的问题；本发明的目的在于提供一种基于激光传感器监测风机主轴位移的方法及***。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种基于激光传感器监测风机主轴位移的方法,包括以下步骤：
S1、通过激光传感器发射激光，形成光斑，获取风机主轴表面的纯信号数据；
S2、对纯信号数据进行滤波，计算光斑的中心位置；
S3、通过实验，获取实验室多维度标定因子和位移补偿系数，并建立多维度标定因子与位移补偿系数之间的查找关系表，以及建立多项式拟合方程；
S4、根据激光传感器在风机主轴安装环境，确定对应的多维度标定因子，通过查找关系表，选择相应的位移补偿系数，结合多项式拟合方程，计算得到风机主轴实际位移量；
S5、判断激光传感器的硬件状态，所述硬件状态包括温度状态和雷电状态，当温度大于等于-0.5℃时，数据标志位为1；当温度小于-0.5℃时，数据标志位为0；当不受到雷电干扰时，数据标志位为1；受到雷电干扰时，数据标志位为0；
S6、状态监控模块监控激光传感器硬件数据流状态，硬件数据流状态正常，则数据标志位为1；不正常，则数据标志位为0；
S7、当硬件数据流状态的数据标志位为1时，风机主轴实际位移量转化为4—20mA的模拟量，将模拟量通过风机的PLC传给风机主控。
作为本发明的进一步优选，所述获取风机主轴表面的纯信号数据，包括：
S1.1、将激光传感器安装于风机主轴表面，激光传感器***包括激光器、图像传感器、MCU控制器、防雷模块，所述激光传感器***通过激光器发射激光到待测表面，待测表面会返回反射信号进入图像传感器，MCU控制器获取整个激光传感器***内部的实时暗电平数据、待测表面反射回的光斑信号数据；
S1.2、通过激光传感器内部的MCU控制器降低激光器的输出功率，采集若干帧暗电平数据，并计算暗电平数据的平均值；
S1.3、通过激光传感器内部的MCU控制器提高激光器的输出功率，实时采集单帧光斑信号数据，并扣除暗电平数据，由此得到纯信号数据。
作为本发明的进一步优选，所述对纯信号数据进行滤波，计算光斑的中心位置，包括：
S2.1、基于单帧的纯信号数据，设置滑动窗口，计算纯信号数据在滑动窗口内的平均值，并将该平均值作为输出值，得到均值滤波后的纯信号数据DN；
S2.2、计算得到纯信号数据DN的最大值和纯信号数据DN的最小值；
S2.3、利用差分阈值法解算出半峰宽width，
，
，
，其中， />为获取的第i个像素的纯信号值，/>为获取的第j个像素的纯信号值，计算得到/>和/>；
S2.4、通过和/>，提取出有效峰区域的起始点Startpoint和终止点Endpoint；
S2.5、基于有效峰区域内的纯信号数据，通过
，
其中，，/>表示不同像素位置的信号值，表示不同位置的像素坐标，计算得到质心像素坐标/>。
作为本发明的进一步优选，所述滑动窗口设置为5-31。
作为本发明的进一步优选，所述获取实验室标定系数，包括：
S3.1、对风机主轴表面状态进行分类；所述分类包括：不同粗糙度的被测表面p1、不同倾斜角的被测表面p2、不同颜色的被测表面p3、不同环境温度p4；
S3.2、将不同粗糙度的被测表面p1、不同倾斜角的被测表面p2、不同颜色的被测表面p3、不同环境温度p4分别划分为6个等级，并赋予不同的权重；不同粗糙度的被测表面p1划分为6个不同的等级：p11、p12、p13、p14、p15、p16，其中p11+p12+p13+p14+p15+p16=1；不同倾斜角的被测表面p2划分为6个不同的等级：p21、p22、p23、p24、p25、p26，其中p21+p22+p23+p24+p25+p26=1；不同颜色的被测表面p3划分为6个不同的等级：p31、p32、p33、p34、p35、p36，其中p31+p32+p33+p34+p35+p36=1；不同环境温度p4划分为6个不同的等级：p41、p42、p43、p44、p45、p46，其中p41+p42+p43+p44+p45+p46=1；
S3.3、对四种不同分类的六种不同等级进行排列组合，形成若干多维度标定因子；制定不同多维度标定因子组合下的实验记录表；
S3.4、将激光传感器安装于自动标定平台，根据实验记录表设定程序，通过程序自动控制激光传感器在自动标定平台上的实际位移量；
S3.5、标定激光传感器输出的质心位置像素坐标，建立质心位置像素坐标与实际位移量的多项式拟合方程，,其中y表示实际位移量，x表示像素坐标，a1、a2、a3、a4表示拟合系数，自动计算对应标定因子下的位移补偿系数，得到补偿系数与多维度标定因子的查找关系表。
作为本发明的进一步优选，所述激光传感器的温度状态数据标志位为0时，打开激光传感器内部的加热片进行加热，直至激光传感器温度恢复，数据标志位跳转为1。
一种基于激光传感器监测风机主轴位移的***，包括激光传感器***、激光测量模块、状态监控模块、位移输出模块；激光传感器***包括激光器、图像传感器、MCU控制器、防雷模块，所述激光传感器***通过激光器发射激光到待测表面，待测表面会返回反射信号进入图像传感器，MCU控制器可以获取整个传感器***内部的实时暗电平数据、待测表面反射回的光斑信号数据，用于***的光电信号转换；所述激光测量模块用于将实时获取的待测目标的信号数据转化为实际的位移量；所述状态监控模块用于监控激光传感器工作过程中的实时硬件数据流是否正常；所述激光测量模块、状态监控模块分别与激光传感器***连接，所述状态监控模块与位移输出模块连接；所述硬件数据流包括工作温度、工作电压、工作电流和防雷模块运行状态；所述位移输出模块用于结合实时激光传感器硬件数据流将测量的实际位移量按照应用规则转化为电流模拟量传给风机主控。
本发明的有益之处在于：
1、本发明通过设计自动时序控制，首先降低激光器的功率采集整个***的暗电平数据，然后提高激光器的功率至稳定状态实时采集整个***的信号数据，降低了背景噪声对***测距精度的影响；
2、本发明通过检测硬件的温度状态和雷电状态，实现***的自我保护，实时更新数据标志位和实时性判断提高了激光传感器在风机主轴应用的环境适应性；
3、本发明从多维度考虑，建立补偿系数与多维度标定因子的查找关系表；在实际安装使用时，可以根据不同的现场环境配置选择不同的补偿系数，实现位移变化量的高精度输出，
4、激光传感器***采用信号数据流和状态数据流的联合控制方式，提高了激光传感器位移测量的置信度，为风机的健康检测提供了持之有效的数据源。
附图说明
图1是本发明的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
实施例1：结合图1，一种基于激光传感器监测风机主轴位移的方法,包括以下步骤：
S1、通过激光传感器发射激光，形成光斑，获取风机主轴表面的纯信号数据。
将激光传感器安装于风机主轴，利用微控制器MCU降低激光器的功率，采集激光传感器***的暗电平数据，然后提高激光器的功率，在实时获取风机主轴表面信号数据的同时进行暗电平校正，得到激光传感器***的纯信号数据，具体包括：
S1.1、将激光传感器安装于风机主轴表面，激光传感器***包括激光器、图像传感器、MCU控制器、防雷模块，所述激光传感器***通过激光器发射激光到待测表面，待测表面会返回反射信号进入图像传感器，MCU控制器获取整个激光传感器***内部的实时暗电平数据、待测表面反射回的光斑信号数据。
S1.2、通过激光传感器内部的MCU控制器降低激光器的输出功率，采集若干帧暗电平数据，暗电平数据是指激光器关闭时传感器***内部的噪声数据，并计算暗电平数据的平均值。
S1.3、通过激光传感器内部的MCU控制器提高激光器的输出功率，实时采集单帧光斑信号数据，光斑信号数据是指通过激光器照射待测表面反射回传感器***的信号，并扣除暗电平数据，由此得到纯信号数据。
S2、对纯信号数据进行滤波，计算光斑的中心位置。
以获取的纯信号数据为基础，选择一定的滑动窗口进行均值滤波后，筛选出有效的信号峰区域，计算出光斑的质心位置对应的像素坐标，具体包括：
S2.1、基于单帧的纯信号数据，设置滑动窗口，滑动窗口设置为5-31，计算纯信号数据在滑动窗口内的平均值，并将该平均值作为输出值，得到均值滤波后的纯信号数据DN。
S2.2、计算得到纯信号数据DN的最大值和纯信号数据DN的最小值。
S2.3、利用差分阈值法解算出半峰宽width，
，
，
，其中，/>为获取的第i个像素的纯信号值，/>为获取的第j个像素的纯信号值，计算得到/>和/>。
S2.4、通过和/>，提取出有效峰区域的起始点Startpoint和终止点Endpoint。
S2.5、基于有效峰区域内的纯信号数据，通过
，
其中，，/>表示不同像素位置的信号值，表示不同位置的像素坐标，计算得到质心像素坐标/>。
S3、通过实验，获取实验室多维度标定因子和位移补偿系数，并建立多维度标定因子与位移补偿系数之间的查找关系表，以及建立多项式拟合方程。
实验室将激光传感器安装于自动标定平台，考虑不同粗糙度的被测表面、不同倾斜角的被测表面、不同颜色的被测表面、不同环境温度的多因素条件，组合多维度标定因子，建立补偿系数与多维度标定因子的查找表；然后根据激光传感器的安装环境应用相应的标定系数，从而获取真实的位移量，具体包括：
S3.1、对风机主轴表面状态进行分类；所述分类包括：不同粗糙度的被测表面p1、不同倾斜角的被测表面p2、不同颜色的被测表面p3、不同环境温度p4。
S3.2、将不同粗糙度的被测表面p1、不同倾斜角的被测表面p2、不同颜色的被测表面p3、不同环境温度p4分别划分为6个等级，并赋予不同的权重；不同粗糙度的被测表面p1划分为6个不同的等级：p11、p12、p13、p14、p15、p16，其中p11+p12+p13+p14+p15+p16=1；不同倾斜角的被测表面p2划分为6个不同的等级：p21、p22、p23、p24、p25、p26，其中p21+p22+p23+p24+p25+p26=1；不同颜色的被测表面p3划分为6个不同的等级：p31、p32、p33、p34、p35、p36，其中p31+p32+p33+p34+p35+p36=1；不同环境温度p4划分为6个不同的等级：p41、p42、p43、p44、p45、p46，其中p41+p42+p43+p44+p45+p46=1。
S3.3、对四种不同分类的六种不同等级进行排列组合，形成若干多维度标定因子；制定不同多维度标定因子组合下的实验记录表。
S3.4、将激光传感器安装于自动标定平台，根据实验记录表设定程序，通过程序自动控制激光传感器在自动标定平台上的实际位移量。
S3.5、标定激光传感器输出的质心位置像素坐标，建立质心位置像素坐标与实际位移量的多项式拟合方程，,其中y表示实际位移量，x表示像素坐标，a1、a2、a3、a4表示拟合系数，自动计算对应标定因子下的位移补偿系数，得到补偿系数与多维度标定因子的查找关系表。
S4、根据激光传感器在风机主轴安装环境，确定对应的多维度标定因子，通过查找关系表，选择相应的位移补偿系数，结合多项式拟合方程，计算得到风机主轴实际位移量。
S5、判断激光传感器的硬件状态，所述硬件状态包括温度状态和雷电状态，当温度大于等于-0.5℃时，数据标志位为1；当温度小于-0.5℃时，数据标志位为0；当不受到雷电干扰时，数据标志位为1；受到雷电干扰时，数据标志位为0。
监测激光传感器的硬件状态，当监测到激光传感器受到当温度小于-0.5℃环境时候，传感器内部的加热片开启的同时数据标志位为0，待温度恢复，数据标志位为1。
当监测到激光传感器受到雷电干扰的时候，传感器内部的防雷模块启用的同时数据标志位为0，待雷电干扰消除的时候，数据标志位为1。
实时判断激光传感器***的硬件状态数据，确定计算的实际位移量是否有效，并更新相应的数据标志位，然后通过阈值判断的方式转化为位移模拟量进行输出。
S6、状态监控模块监控激光传感器硬件数据流状态，硬件数据流状态正常，则数据标志位为1；不正常，则数据标志位为0。
S7、当硬件数据流状态的数据标志位为1时，风机主轴实际位移量转化为4—20mA的模拟量，将模拟量通过风机的PLC传给风机主控。
实施例2，一种基于激光传感器监测风机主轴位移的***，包括激光传感器***、激光测量模块、状态监控模块、位移输出模块；激光传感器***包括激光器、图像传感器、MCU控制器、防雷模块，所述激光传感器***通过激光器发射激光到待测表面，待测表面会返回反射信号进入图像传感器，MCU控制器可以获取整个传感器***内部的实时暗电平数据、待测表面反射回的光斑信号数据，用于***的光电信号转换；所述激光测量模块用于将实时获取的待测目标的信号数据转化为实际的位移量；所述状态监控模块用于监控激光传感器工作过程中的实时硬件数据流是否正常；所述激光测量模块、状态监控模块分别与激光传感器***连接，所述状态监控模块与位移输出模块连接；所述硬件数据流包括工作温度、工作电压、工作电流和防雷模块运行状态；所述位移输出模块用于结合实时激光传感器硬件数据流将测量的实际位移量按照应用规则转化为电流模拟量传给风机主控。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于激光传感器监测风机主轴位移的方法,其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过激光传感器发射激光，形成光斑，获取风机主轴表面的纯信号数据；
S1.1、将激光传感器安装于风机主轴表面，激光传感器***包括激光器、图像传感器、MCU控制器、防雷模块，所述激光传感器***通过激光器发射激光到待测表面，待测表面会返回反射信号进入图像传感器，MCU控制器获取整个激光传感器***内部的实时暗电平数据、待测表面反射回的光斑信号数据；
S1.2、通过激光传感器内部的MCU控制器降低激光器的输出功率，采集若干帧暗电平数据，并计算暗电平数据的平均值；
S1.3、通过激光传感器内部的MCU控制器提高激光器的输出功率，实时采集单帧光斑信号数据，并扣除暗电平数据，由此得到纯信号数据；
S2、对纯信号数据进行滤波，计算光斑的中心位置；
S3、通过实验，获取实验室多维度标定因子和位移补偿系数，并建立多维度标定因子与位移补偿系数之间的查找关系表，以及建立多项式拟合方程；
S4、根据激光传感器在风机主轴安装环境，确定对应的多维度标定因子，通过查找关系表，选择相应的位移补偿系数，结合多项式拟合方程，计算得到风机主轴实际位移量；
S5、判断激光传感器的硬件状态，所述硬件状态包括温度状态和雷电状态，当温度大于等于-0.5℃时，数据标志位为1；当温度小于-0.5℃时，数据标志位为0；当不受到雷电干扰时，数据标志位为1；受到雷电干扰时，数据标志位为0；
S6、状态监控模块监控激光传感器硬件数据流状态，硬件数据流状态正常，则数据标志位为1；不正常，则数据标志位为0；
S7、当硬件数据流状态的数据标志位为1时，风机主轴实际位移量转化为4—20mA的模拟量，将模拟量通过风机的PLC传给风机主控。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光传感器监测风机主轴位移的方法，其特征在于，所述对纯信号数据进行滤波，计算光斑的中心位置，包括：
S2.1、基于单帧的纯信号数据，设置滑动窗口，计算纯信号数据在滑动窗口内的平均值，并将该平均值作为输出值，得到均值滤波后的纯信号数据DN；
S2.2、计算得到纯信号数据DN的最大值和纯信号数据DN的最小值/>；
S2.3、利用差分阈值法解算出半峰宽width，
，
，
，其中，/>为获取的第i个像素的纯信号值，/>为获取的第j个像素的纯信号值，计算得到/>和/>；
S2.4、通过和/>，提取出有效峰区域的起始点Startpoint和终止点Endpoint；
S2.5、基于有效峰区域内的纯信号数据，通过
，
其中，，/>表示不同像素位置的信号值，/>表示不同位置的像素坐标，计算得到质心像素坐标/>。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光传感器监测风机主轴位移的方法，其特征在于，所述滑动窗口设置为5-31。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光传感器监测风机主轴位移的方法，其特征在于，所述获取实验室标定系数，包括：
S3.1、对风机主轴表面状态进行分类；所述分类包括：不同粗糙度的被测表面p1、不同倾斜角的被测表面p2、不同颜色的被测表面p3、不同环境温度p4；
S3.2、将不同粗糙度的被测表面p1、不同倾斜角的被测表面p2、不同颜色的被测表面p3、不同环境温度p4分别划分为6个等级，并赋予不同的权重；不同粗糙度的被测表面p1划分为6个不同的等级：p11、p12、p13、p14、p15、p16，其中p11+p12+p13+p14+p15+p16=1；不同倾斜角的被测表面p2划分为6个不同的等级：p21、p22、p23、p24、p25、p26，其中p21+p22+p23+p24+p25+p26=1；不同颜色的被测表面p3划分为6个不同的等级：p31、p32、p33、p34、p35、p36，其中p31+p32+p33+p34+p35+p36=1；不同环境温度p4划分为6个不同的等级：p41、p42、p43、p44、p45、p46，其中p41+p42+p43+p44+p45+p46=1；
S3.3、对四种不同分类的六种不同等级进行排列组合，形成若干多维度标定因子；制定不同多维度标定因子组合下的实验记录表；
S3.4、将激光传感器安装于自动标定平台，根据实验记录表设定程序，通过程序自动控制激光传感器在自动标定平台上的实际位移量；
S3.5、标定激光传感器输出的质心位置像素坐标，建立质心位置像素坐标与实际位移量的多项式拟合方程，,其中y表示实际位移量，x表示像素坐标，a1、a2、a3、a4表示拟合系数，自动计算对应标定因子下的位移补偿系数，得到补偿系数与多维度标定因子的查找关系表。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光传感器监测风机主轴位移的方法，其特征在于，所述激光传感器的温度状态数据标志位为0时，打开激光传感器内部的加热片进行加热，直至激光传感器温度恢复，数据标志位跳转为1。
6.一种基于激光传感器监测风机主轴位移的***，其特征在于，包括激光传感器***、激光测量模块、状态监控模块、位移输出模块；激光传感器***包括激光器、图像传感器、MCU控制器、防雷模块，所述激光传感器***通过激光器发射激光到待测表面，待测表面会返回反射信号进入图像传感器，MCU控制器可以获取整个传感器***内部的实时暗电平数据、待测表面反射回的光斑信号数据，用于***的光电信号转换；通过激光传感器内部的MCU控制器降低激光器的输出功率，采集若干帧暗电平数据，并计算暗电平数据的平均值；通过激光传感器内部的MCU控制器提高激光器的输出功率，实时采集单帧光斑信号数据，并扣除暗电平数据，由此得到纯信号数据；所述激光测量模块用于将实时获取的待测目标的信号数据转化为实际的位移量；所述状态监控模块用于监控激光传感器工作过程中的实时硬件数据流是否正常；所述激光测量模块、状态监控模块分别与激光传感器***连接，所述状态监控模块与位移输出模块连接；所述硬件数据流包括工作温度、工作电压、工作电流和防雷模块运行状态；所述位移输出模块用于结合实时激光传感器硬件数据流将测量的实际位移量按照应用规则转化为电流模拟量传给风机主控。
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