一种基于激光的叶片状态测量装置的制作方法

1.本技术涉及风力发电机组技术领域，特别涉及一种基于激光的叶片状态测量装置。


背景技术：

2.我国关于可再生能源方面的应求总量还是相当大，其市场也比较广泛。我国是目前国际上最大的发展型国家，人口基数比较多，工业化所属的任务依旧未能实现。国民总体经济开发方面还需不断进行，人民实际生活质量也有所提升，社会层次的每一项事业均得到发展，一定会对能源所属的要求需要较多、较高的需求。各个层次的预测发现，在21世纪中期，可再生能源便会当作是我国能源提供的重点种类。随着科技的进度和新技术的不断发展,互联网行业很多的先进技术正在被应用到风电行业，从而在信息化、自动化和大数据应用上，大幅度提高了风电行业的技术水平和风电机组的可靠性，以及发电量，降低了运营成本，推动了整个风电行业的发展。
3.风力发电机组的叶片是摄取风能的关键部件,其气动性能与结构性能决定着发电机自身的运行寿命与工作效率。风机的叶片翼型的相关设计和叶片结构形式的选择能直接影响着风机相关性能与风能的转换效率，它们是风机叶片最核心部分，所以，风机叶片的气动外形相关的优化设计在风机的设计与制造中有重要地位。随着风电机组容量的不断增加，叶片越做越长，扫风面积、重量和转动惯量也随之增加。
4.为保证运行的稳定，这对叶片的精度提出了更高的要求。风机叶片在生产制造过程中由于场地限制，只能够做静平衡配平。风机叶片在安装过程、叶片制造、变桨执行机构等等会对叶片角度产生偏差，所以需要做角度校准，校准手段可通过激光测距来对叶片各个部位进行监测，进而对采集到的数据分析来计算叶片偏离角度。而叶片角度不平衡就会导致负载增加，引发共振增加，风机晃动明显。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本技术提出一种基于激光的叶片状态测量装置，利用激光测距原理对风机叶片的两个被测点进行测量，并计算两个被测点之间的距离，根据该两个被测点之间的距离确定风机叶片的变形情况，本装置具有测量精准、使用灵活、体积小巧、适用范围广等优点。
6.本技术提供了一种基于激光的叶片状态测量装置，包括控制单元，以及分别与所述控制单元电连接的第一激光收发单元、第二激光收发单元、转角传感器；
7.所述第一激光收发单元和第二激光收发单元并列设置，并通过连接轴转动连接，所述第一激光收发单元和第二激光收发单元分别用于测量风机叶片的一被测点的距离，所述转角传感器用于测量所述第一激光收发单元和第二激光收发单元之间的夹角，所述控制单元根据所述距离和所述夹角计算所述风机叶片的两个被测点之间的距离，以确定所述风机叶片的变形情况。
8.由上，本技术通过第一激光收发单元和第二激光收发单元分别测量风机叶片的被测点的距离，并通过转角传感器测量该第一激光收发单元和第二激光收发单元之间的夹角，在实际计算中，可将该第一激光收发单元和第二激光收发单元看作一个点，根据两个被测点与该点的距离和夹角，利用三角函数可计算两个被测点之间的距离，同时还可通过高频脉冲激光对转动的叶片进行固定扫掠，实现对叶片表面外形的扫描纪录，并根据记录一定时间的扫掠数据解析出塔顶振动、叶轮转速、叶片角度偏差等，从而确定叶片的变形情况。
9.可选的，所述第一激光收发单元或第二激光收发单元包括：驱动电路和信号放大整形电路；
10.所述驱动电路用于产生激光并通过镜头发射到被测点，经过所述被测点反射后的部分激光通过镜头输入到所述信号放大整形电路，经过放大整形后输出到所述控制单元，根据激光发射到返回的时间，计算所述被测点距离所述第一激光收发单元或第二激光收发单元的距离。
11.由上，激光测距的原理是先由激光收发单元对准被测点发射激光脉冲，经被测点反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到激光收发单元，被光学系统接收后进行放大整形后输出到控制单元中，该控制单元通过记录并处理从激光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定激光收发单元与被测点的距离。
12.可选的，还包括与所述控制单元依次电连接的电机驱动单元和电机；
13.所述控制单元通过所述电机驱动单元驱动所述电机转动，所述电机安装于所述第一激光收发单元的壳体内，用于通过所述连接轴控制所述第二激光收发单元相对所述第一激光收发单元进行转动。
14.由上，通过在第一激光收发单元的壳体内设置电机，该电机与连接轴连接，控制单元通过电机驱动单元驱动该电机转动，从而通过连接轴控制两个激光收发单元产生相对转动。
15.可选的，所述第一激光收发单元的壳体内还包括与所述电机连接的变速齿轮，所述变速齿轮包括位于所述电机输出轴末端的小齿轮、与所述小齿轮啮合的大齿轮，所述大齿轮的输出端通过所述连接轴连接所述第二激光收发单元的壳体。
16.由上，在一种实现方式中，电机可通过变速齿轮配合连接轴，控制两个激光收发单元产生相对转动，该变速齿轮可包括相互啮合的小齿轮和大齿轮，其中小齿轮位于电机输出轴末端，大齿轮的输出端固定连接该连接轴，电机通过小齿轮带动大齿轮转动，并通过连接轴控制第二激光收发单元相对第一激光收发单元进行转动。
17.可选的，所述转角传感器通过检测所述变速齿轮的转动齿数，确定所述第一激光收发单元和第二激光收发单元之间的夹角。
18.由上，转角传感器可通过检测变速齿轮的转动齿数，计算得到两个激光收发单元之间的夹角。
19.可选的，所述第一激光收发单元和第二激光收发单元内分别设置倾角传感器，所述转角传感器根据两个倾角传感器的差值确定所述第一激光收发单元和第二激光收发单元之间的夹角。
20.由上，另一种实现方式中，还可通过在两个激光收发单元内分别设置倾角传感器，
转角传感器根据两个倾角传感器之间的倾角差值，计算两个激光收发单元之间的夹角。
21.可选的，所述第一激光收发单元的壳体上设置有瞄准镜，通过所述瞄准镜调整所述第一激光收发单元对准所述风机叶片的被测点。
22.由上，通过在第一激光收发单元上设置瞄准镜，通过该瞄准镜调整第一激光收发单元对准风机叶片的被测点，然后根据测量参数，通过电机控制第二激光收发单元进行转动到对应角度即可。
23.可选的，所述第一激光收发单元的壳体底部具有螺纹孔，用于固定连接到支架或三轴平台。
24.由上，第一激光收发单元的壳体底部设置有螺纹孔，可通过该螺纹孔将该第一激光收发单元固定连接到支架或三轴平台等，由于第一、第二激光收发单元通过连接轴连接，从而可实现在复杂的测量环境中对第一、第二激光收发单元进行固定安装，保证测量精度。
25.可选的，还包括与所述控制单元电连接的输入单元，用于输入或调整测量参数。
26.由上，通过输入单元可进行测量参数的设定或调整，从而便于测量人员在测量过程中进行实时调整。
27.可选的，还包括与所述控制单元电连接的显示单元，用于显示测量结果。
28.由上，显示单元可用于对测量结果进行实时显示。
29.本技术的这些和其它方面在以下(多个)实施例的描述中会更加简明易懂。
附图说明
30.图1为本技术实施例一种基于激光的叶片状态测量装置的原理图；
31.图2为本技术实施例的第一激光收发单元和第二激光收发单元的结构图；
32.图3为本技术实施例的变速齿轮的结构示意图；
33.图4为本技术实施例的两个被测点的距离示意图；
34.图5为本技术实施例的三轴自由度平台的示意图；
35.图6为本技术实施例的一种叶片尖部的测量数据示意图。
36.应理解，上述结构示意图中，各框图的尺寸和形态仅供参考，不应构成对本技术实施例的排他性的解读。结构示意图所呈现的各框图间的相对位置和包含关系，仅为示意性地表示各框图间的结构关联，而非限制本技术实施例的物理连接方式。
具体实施方式
37.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
38.说明书和权利要求书中使用的术语“包括”不应解释为限制于其后列出的内容；它不排除其它的元件或步骤。因此，其应当诠释为指定所提到的所述特征、整体、步骤或部件
的存在，但并不排除存在或添加一个或更多其它特征、整体、步骤或部件及其组群。因此，表述“包括装置a和b的设备”不应局限为仅由部件a和b组成的设备。
39.本说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意味着与该实施例结合描述的特定特征、结构或特性包括在本技术的至少一个实施例中。因此，在本说明书各处出现的用语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定都指同一实施例，但可以指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，能够以任何适当的方式组合各特定特征、结构或特性，如从本公开对本领域的普通技术人员显而易见的那样。
40.激光测距是利用激光对目标的距离进行准确测定的一种常见方式，激光测距的原理是通过向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。基于此，本技术提出一种基于激光的叶片状态测量装置，利用激光测距原理对风机叶片的两个被测点进行测量，并计算两个被测点之间的距离，根据该两个被测点之间的距离确定风机叶片的变形情况，本装置具有测量精准、使用灵活、体积小巧、适用范围广等优点。下面结合附图对本技术实施例进行详细说明。
41.如图1所示为本技术实施例的一种基于激光的叶片状态测量装置的原理图，该测量装置包括：第一激光收发单元110、第二激光收发单元120、控制单元200、转角传感器300、电机驱动单元410、电机420、输入单元500、显示单元600。
42.第一激光收发单元110和第二激光收发单元120的电路结构相同，其内部分别包括驱动电路和信号放大整形电路，其中控制单元200控制驱动电路生成脉冲激光并通过镜头发射到风机叶片的被测点，经过被测点点射的部分脉冲激光，经过镜头返回到信号放大整形电路，该信号放大整形电路对脉冲激光信号进行放大整形后，输出到控制单元200，控制单元200可采用mcu、cpu等具有数据处理功能和控制指令输出功能的处理器芯片实现，该控制单元200根据脉冲激光发射到返回的时间差，即可计算被测点到激光收发单元的距离，该第一激光收发单元110可用于测量风机叶片的被测点a，第二激光收发单元120可用于测量风机叶片的被测点b，在后续计算中，该第一激光收发单元110和第二激光收发单元120可看作同一个点，由此可分别得到被测点a和被测点b与该测量装置的距离a和距离b。
43.如图2所示的第一激光收发单元和第二激光收发单元的结构图，本实施例中，第一激光收发单元110和第二激光收发单元120可并列设置，并通过连接轴130转动连接，该第一激光收发单元110和第二激光收发单元120可通过该连接轴130进行相对转动。
44.本实施例的一种实现方式中，可通过在第一激光收发单元110的壳体内设置电机420，并在该第一激光收发单元110的壳体内设置变速齿轮结构，通过电机420驱动该变速齿轮，使第二激光收发单元120相对第一激光收发单元110进行转动，具体的，如图3所示，该变速齿轮包括相互啮合的小齿轮421和大齿轮422，其中小齿轮421固定于电机420的输出轴423的末端，大齿轮422的输出端固定连接上述连接轴130，控制单元200通过电机驱动单元410驱动电机420转动，由此带动小齿轮421和大齿轮422产生转动，大齿轮422通过该连接轴130控制第二激光收发单元120相对第一激光收发单元110产生转动。
45.本实施例中，小齿轮421和大齿轮422可以为圆形，小齿轮421和大齿轮422的齿相互啮合，由此相互转动。由于第一、第二激光收发单元之间的转动角度有限，因此大齿轮422还可以采用扇形，以减少在第一激光收发单元110内的空间占用。
46.转角传感器300用于测量第一激光收发单元110和第二激光收发单元120之间的夹角α，如图4所示，根据上述测量的距离a、距离b和该夹角α，利用三角函数即可计算被测点a和被测点b之间的距离，根据计算出的距离可判断风机叶片的变形情况。其中，该转角传感器300测量的夹角α可通过上述小齿轮421和大齿轮422的转动齿数获得，或者，还可以通过在第一、第二激光收发单元内分别设置倾角传感器，转角传感器300通过获取该两个倾角传感器的倾角，并根据两个倾角的差值得到第一、第二激光收发单元的夹角α。
47.输入单元500可用于进行测量指令的输入和测量参数的设定、调整，显示单元600可用于显示测量结果和输入的测量指令、测量参数等，其中输入单元500可以为键盘、触摸屏等输入设备，显示单元600可以为显示屏，或者输入单元500和显示单元600可集成为智能终端，例如手机、电脑等，通过软件可实现对该测量装置的控制。
48.如图5所示，本实施例中的第一激光收发单元110的底部具有螺纹孔，可用于固定安装于三轴自由平台或者支架等，从而便于在复杂的测量环境中，对该第一、第二激光收发单元进行固定。该第一激光收发单元110的顶部或侧部还设置有瞄准镜，在对风机叶片进行测量时，首先需要将该第一激光收发单元110与该瞄准镜进行精度校准、位置选定、角度调整，然后通过该瞄准镜选定风机叶片的被测点a，然后调整该第一激光收发单元110，使其对准风机叶片的被测点a，在对准之后，可保持该第一激光收发单元110固定，然后通过电机420控制第二激光收发单元120相对该第一激光收发单元110进行转动，并通过转角传感器300对第一、第二激光收发单元的夹角进行实时测量，直至转动到测量所需的夹角α。
49.例如，可通过将该三轴自由平台放置于距离风机前方的某一位置处，并将该测量装置进行安装，然后通过输入单元500输入的测量指令和测量参数通过控制单元分别发送到第一、第二激光收发单元110、120和电机300，电机300可根据测量参数控制第二激光收发单元120相对第一激光收发单元110进行转动，第一、第二激光收发单元110、120可分别测量风机叶片的两个被测点，并将距离数据发送至控制单元200，转角传感器300可对第一、第二激光收发单元110、120的夹角进行测量，并将夹角数据发送到控制单元200，控制单元200根据获取的距离数据和夹角数据可得到风机叶片的两个被测点之间的距离，根据得到的风机叶片的两个被测点之间的距离，可对风机叶片的变形情况进行判断。
50.本实施例还可通过将第一、第二激光收发单元110、120固定安装后，控制该第一、第二激光收发单元110、120发射高频脉冲激光(例如2khz)，对风机叶片(例如叶片根部、叶片尖部等)的两个截面进行扫掠，通过叶片运转扫掠固定照射的激光脉冲，实现对叶片表面外形的扫描记录，并记录一定时间的扫描数据，如图6为本技术实施例的一种对风机叶片尖部进行测量得到的测量数据示意图，根据记录的测量数据，可解析得到风机的塔顶振动、叶轮转速、叶片角度偏差等。进一步还可根据风机叶片的变形情况，对风机叶片进行后续的调整和校准，从而增强风机的使用寿命，减少不必要的无功功率，大幅度提升风电机组的发电量。
51.综上，本技术提供的基于激光的叶片状态测量装置，利用激光测距原理对风机叶片的两个被测点进行测量，并计算两个被测点之间的距离，根据该两个被测点之间的距离确定风机叶片的变形情况，本装置具有测量精准、使用灵活、体积小巧、适用范围广等优点。
52.注意，上述仅为本技术的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本技术不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变
化、重新调整和替代而不会脱离本技术的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本技术进行了较为详细的说明，但是本技术不仅仅限于以上实施例，在不脱离本技术的构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，均属于本技术的保护范畴。