CN110439760A - 传感器的调试设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种传感器的调试设备，包括底座、电池、机舱、电机、轮毂、叶片、数据处理单元；所述的电机固定在所述的机舱内且与所述的电池电连接；所述的轮毂固接在所述电机的旋转轴上；所述的叶片安装在所述的轮毂上；所述的机舱安装在所述的底座上，使所述叶片的旋转轴呈水平方向或垂直方向；所述的数据处理单元内建所述传感器的调试设备所受载荷的计算模型，用于对接触式传感器与非接触式传感器进行数据接收、校正、配准。本发明还提供一种传感器的调试方法，配合所述的传感器的调试设备，对采集旋转体不平衡参数的接触式和非接触式传感器进行校正，并使多种传感器采集的数据相互配准，提高接触式和非接触式传感器的精度和可靠性。

Description

传感器的调试设备及方法

技术领域

本发明涉及传感器的调试技术领域，更确切地说涉及一种传感器的调试设备及方法，对采集旋转体不平衡参数的接触式和非接触式传感器进行校正与数据配准。

背景技术

旋转机械(汽轮机、燃汽轮机、水轮机、发电机、航空发动机、离心压缩机等机械设备)是电力、石油化工、冶金、机械、航空以及一些军事工业部门的关键设备。旋转机械运动中的不平衡参数监测技术是一门了解和掌握这些设备在使用过程中的状态、确定其整体或局部是否正常、及早发现故障及其原因、并预报故障发展趋势的技术。

为了监控旋转体的不平衡参数，通常需要在旋转体的各个部分安装不同种类的传感器。例如，针对风力涡轮机，使用旋转编码器(rotaryencoder)来监测其叶片螺距、叶片转速、偏航、转子速度及发电机速度，使用加速计(accelerometer)来监测风力涡轮机的各个部分的结构振动，或利用其他类型传感器，如超声传感器(ultrasonicsensor)、激光传感器(lasersensor)、雷达传感器(radarsensor)等监测其他类型的参数。当前用于采集不平衡参数的传感器种类多样，不同传感器获取的数据之间的互补性越来越强，要联合这些不同类型传感器采集的数据进行协同处理，对传感器进行校正与数据配准至关重要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种传感器的调试设备，对采集旋转体不平衡参数的接触式和非接触式传感器进行校正，并使多种传感器采集的数据相互配准，提高接触式和非接触式传感器的精度和可靠性。

本发明的技术解决方案是，提供一种传感器的调试设备，包括底座、电池、机舱、电机、轮毂、叶片、数据处理单元；所述的电机固定在所述的机舱内且与所述的电池电连接；所述的轮毂固接在所述电机的旋转轴上；所述的叶片安装在所述的轮毂上；所述的机舱安装在所述的底座上，使所述叶片的旋转轴呈水平方向或垂直方向；所述的数据处理单元内建所述传感器的调试设备所受载荷的计算模型，用于对接触式传感器与非接触式传感器进行数据接收、校正、配准。

与现有技术相比，本发明的传感器的调试设备有以下优点：

1.本发明的传感器的调试设备，旋转轴的方向、旋转叶片的形状和数量、传感器的种类均可配置，能够在不同的环境和操作条件下，对多种采集旋转体不平衡参数的接触式和非接触式传感器进行校正，并使各种传感器采集的数据相互配准，提高接触式和非接触式传感器的精度和可靠性。

2.本发明的传感器的调试设备，小巧便携，可移植性高。

优选的，所述机舱的一个侧面设置有第一安装口，所述的第一安装口安装在所述的底座上，使所述叶片的旋转轴呈水平方向；所述的轮毂位于所述机舱的一个端部，所述机舱上与所述的轮毂相对的另一个端部设置有第二安装口，所述的第二安装口安装在所述的底座上，使所述叶片的旋转轴呈垂直方向。如此，可以根据实际应用的需要随时调整所述叶片的旋转轴的方向。

优选的，所述传感器的调试设备所受载荷的计算模型输入的参数包括电机速度、叶片长度、叶片的旋转轴方向，计算得出的参数包括叶片转速、叶片螺距、叶片挠距、叶片扭矩、叶尖偏移、结构振动、三维运动轨迹中的一种或多种。

优选的，所述的底座、机舱、轮毂、叶片的叶部、叶片的根部中至少有一处设置有用于安装接触式传感器的位置，所述的接触式传感器用于采集所述传感器的调试设备的电机速度、叶片转速、叶片长度、叶片螺距、叶片挠距、叶片扭矩、叶尖偏移、结构振动、三维运动轨迹中的一种或多种数据信号。如此，所述传感器的调试设备所受载荷的计算模型可以验证传感器采集的不平衡参数信号。

优选的，所述的传感器的调试设备还包括塔架，所述的塔架安装在所述的底座上，所述的机舱安装在所述的塔架上。

优选的，所述传感器的调试设备所受载荷的计算模型输入的参数包括电机速度、叶片长度、叶片的旋转轴方向、塔架的高度，计算得出的参数包括叶片转速、叶片螺距、叶片挠距、叶片扭矩、叶尖偏移、塔架挠距、结构振动、三维运动轨迹中的一种或多种。

优选的，所述的底座、塔架底部、塔架中部、塔架顶部、机舱、轮毂、叶片的叶部、叶片的根部中至少有一处设置有用于安装接触式传感器的位置，所述的接触式传感器用于采集所述传感器的调试设备的电机速度、叶片转速、叶片长度、塔架的高度、叶片螺距、叶片挠距、叶片扭矩、叶尖偏移、塔架挠距、结构振动、三维运动轨迹中的一种或多种数据信号。

优选的，所述的叶片是方形空心杆或从叶根到叶尖逐渐收窄的平直片。如此，可满足不同旋转体对多种叶片形态的需求，尽量模拟传感器的真实工作环境，提高接触式和非接触式传感器的校正、配准的可靠性。

优选的，所述的叶片的材质是金属或玻璃纤维。如此，可满足不同旋转体对多种叶片材质的需求，尽量模拟传感器的真实工作环境，提高对接触式和非接触式传感器的校正、配准的可靠性。

本发明要解决的另一个技术问题是，提供一种传感器的调试方法，对采集旋转体不平衡参数的接触式和非接触式传感器进行校正，并使多种传感器采集的数据相互配准，提高接触式和非接触式传感器的精度和可靠性。

本发明的技术解决方案是，提供一种传感器的调试方法，包括以下步骤：

1)根据上述传感器的调试设备所受载荷的计算模型，确定所述传感器的调试设备处于静止状态时的模型参数，包括电机速度、叶片转速、叶片长度、塔架的高度、叶片螺距、叶片挠距、叶片扭矩、叶尖偏移、塔架挠距、结构振动、三维运动轨迹中的一种或多种，并确定各模型参数的偏差容忍范围；

2)采用接触式传感器与非接触式传感器，监测并采集步骤1)中所述传感器的调试设备在静止状态时的不平衡参数，包括电机速度、叶片转速、叶片长度、塔架的高度、叶片螺距、叶片挠距、叶片扭矩、叶尖偏移、塔架挠距、结构振动、三维运动轨迹中的一种或多种；

3)在所述传感器的调试设备处于静止状态下，比较所述的不平衡参数与所述的模型参数，选定采集的不平衡参数不在所述的偏差容忍范围内的传感器为待校正传感器；

4)根据所述传感器的调试设备处于静止状态时的模型参数，对所述的待校正传感器进行参数校正；

5)采用接触式传感器与非接触式传感器，监测并采集步骤1)中所述传感器的调试设备在运行状态下的不平衡参数，包括电机速度、叶片转速、叶片长度、塔架的高度、叶片螺距、叶片挠距、叶片扭矩、叶尖偏移、塔架挠距、结构振动、三维运动轨迹中的一种或多种；

6)在所述传感器的调试设备处于运行状态下，对所有传感器采集的各个不平衡参数进行系统数值分析，包括计算标准偏差、均方根误差、低频和高频相对变化、低频和高频绝对变化、相对于水平移动的峰谷距离，选定与其他传感器采集的不平衡参数偏差最多的传感器为待配准传感器；

7)将除所述待配准传感器之外的其他传感器所采集的各个不平衡参数进行系统数值分析，包括计算标准偏差、均方根误差、低频和高频相对变化、低频和高频绝对变化、相对于水平移动的峰谷距离，根据所述系统数值分析的结果对所述的待配准传感器进行参数配准。

与现有技术相比，本发明的传感器的调试方法有以下优点：本发明的传感器的调试方法，能够在不同的环境和操作条件下，对多种采集旋转体不平衡参数的接触式和非接触式传感器进行校正，并使各种传感器采集的数据相互配准，提高接触式和非接触式传感器的精度和可靠性。

附图说明

图1为旋转系统所承受的负载情况示意图。

图2为旋转系统中塔架与叶片的旋转运动示意图。

图3为本发明的传感器的调试设备配置为机舱安装于底座的一个实施例的结构示意图。

图4为本发明的传感器的调试设备配置为机舱安装于塔架的一个实施例的结构示意图。

图5为本发明的传感器的调试设备配置为机舱安装于塔架的另一个实施例的结构示意图。

图6为本发明的传感器的调试设备中底座的结构示意图。

图中所示：1、叶片，2、轮毂，3、机舱，301、第一安装口，302、第二安装口，4、塔架，5、固定板，6、底座，7、电池，8、狭板。

具体实施方式

为了更好得理解本申请，将参考附图对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。

在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了物体的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而非严格按比例绘制。

还应理解的是，用语“包含”、“包括”、“具有”、“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“…至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修改列表中的单独元件。

如图1所示，旋转系统往往承受着多种载荷，既包括极限强度和疲劳的机械问题，又包括气动弹性和颤动问题。在有塔架的旋转系统中，当叶片旋转时，塔架也会以椭圆形的轨迹旋转，如图2所示，由于叶片和塔架的旋转还会产生附加的旋转载荷。另外，环境和操作条件的差异也会对旋转系统产生不同的负载，在监测旋转体的不平衡参数时必须充分考虑诸如温度、雨水、叶片上的冰层、灰尘、沙子、湿度、风等环境因素。本发明提供的传感器的调试设备与方法，对采集旋转体不平衡参数的接触式和非接触式传感器进行校正，使多种传感器采集的数据相互配准，充分考虑各种环境和操作条件对旋转体的影响，提高接触式和非接触式传感器的精度和可靠性。

本发明的实施例1如图3所示，传感器的调试设备包括底座6、电池7、机舱3、电机(未图示)、固接在所述电机旋转轴上的轮毂2、安装在所述轮毂2上的叶片1，所述的电机固定在机舱3内且与电池7电连接，电池7位于底座6的左右两侧，机舱3上设置有第一安装口301和第二安装口302，机舱3通过第一安装口301或第二安装口302与底座6上的固定板5 固接安装，使所述叶片1的旋转轴呈水平方向或垂直方向。轮毂2与叶片1的叶尖上各自安装有接触式传感器。

本发明的实施例2如图4所示，传感器的调试设备包括底座6、电池7、塔架4、机舱3、电机(未图示)、固接在所述电机旋转轴上的轮毂2、安装在所述轮毂2上的叶片1，所述的电机固定在所述的机舱3内且与所述的电池7电连接，电池7位于底座6的左右两侧，机舱 3上设置有第一安装口301和第二安装口302，塔架4通过固定板5安装在底座6上，机舱3 通过第一安装口301安装在塔架4的顶端，叶片1的旋转轴呈水平方向。

本发明的实施例3如图5所示，传感器的调试设备包括底座6、电池7、塔架4、机舱3、电机(未图示)、固接在所述电机旋转轴上的轮毂2、安装在所述轮毂2上的叶片1，所述的电机固定在所述的机舱3内且与所述的电池7电连接，电池7位于底座6的左右两侧，机舱 3上设置有第一安装口301和第二安装口302，塔架4通过固定板5安装在底座6上，机舱3 通过第二安装口302安装在塔架4的顶端，叶片1的旋转轴呈垂直方向。

如图6所示，本发明的传感器的调试设备中，底座6与电池7均安置在支撑板上，两个电池7分别位于底座6的两侧，两块狭板8各自在两个电池7的外侧，底座6与电池7被限位在支撑板上两块狭板8之间的位置处。

本发明的所有实施例中，叶片可以是方形空心杆，也可以是从叶根到叶尖逐渐收窄的平直片；叶片的材质可以是金属，也可以是玻璃纤维。各种接触式传感器可以放置在底座、塔架底部、塔架中部、塔架顶部、机舱、轮毂、叶片的叶部、叶片的根部中的一处或多处，用于采集本发明的传感器的调试设备的各种不平衡参数，接触式传感器可以是用惯性传感器， GPS，加速度计和Piezzo电传感器等，传感器可以与电池7电连接，也可以使用自身的内置电源。非接触性传感器放置在距离本发明的传感器的调试设备的某个临界范围内，用于采集本发明的传感器的调试设备的各种不平衡参数，非接触性传感器可以是地面雷达、激光扫描仪、激光雷达、激光多普勒振动仪等。

各种接触式与非接触传感器安装放置完毕以后，开始对传感器进行校正与配准工作，包括以下步骤：

1)根据上述传感器的调试设备所受载荷的计算模型，确定所述传感器的调试设备处于静止状态时的模型参数，包括电机速度、叶片转速、叶片长度、塔架的高度、叶片螺距、叶片挠距、叶片扭矩、叶尖偏移、塔架挠距、结构振动、三维运动轨迹中的一种或多种，并确定各模型参数的偏差容忍范围；

2)采用接触式传感器与非接触式传感器，监测并采集步骤1)中所述传感器的调试设备在静止状态时的不平衡参数，包括电机速度、叶片转速、叶片长度、塔架的高度、叶片螺距、叶片挠距、叶片扭矩、叶尖偏移、塔架挠距、结构振动、三维运动轨迹中的一种或多种；

3)在所述传感器的调试设备处于静止状态下，比较所述的不平衡参数与所述的模型参数，选定采集的不平衡参数不在所述的偏差容忍范围内的传感器为待校正传感器；

4)根据所述传感器的调试设备处于静止状态时的模型参数，对所述的待校正传感器进行参数校正；

5)采用接触式传感器与非接触式传感器，监测并采集步骤1)中所述传感器的调试设备在运行状态下的不平衡参数，包括电机速度、叶片转速、叶片长度、塔架的高度、叶片螺距、叶片挠距、叶片扭矩、叶尖偏移、塔架挠距、结构振动、三维运动轨迹中的一种或多种；

6)在所述传感器的调试设备处于运行状态下，对所有传感器采集的各个不平衡参数进行系统数值分析，包括计算标准偏差、均方根误差、低频和高频相对变化、低频和高频绝对变化、相对于水平移动的峰谷距离，选定与其他传感器采集的不平衡参数偏差最多的传感器为待配准传感器；

7)将除所述待配准传感器之外的其他传感器所采集的各个不平衡参数进行系统数值分析，包括计算标准偏差、均方根误差、低频和高频相对变化、低频和高频绝对变化、相对于水平移动的峰谷距离，根据所述系统数值分析的结果对所述的待配准传感器进行参数配准。

步骤1与步骤7中，所有的数据计算、分析工作都在MATLAB软件中完成。建立对应的传感器的调试设备在静止状态下所受载荷的静态计算模型，还包括预选模态频率(与叶片材质相关)、模态形状(与叶片形状相关)之类的不平衡参数，并使用简化的萨姆蒙特映射将所述的静态不平衡参数变换为时域和频域，以提供2D可视化图。萨姆蒙特映射(Sammonmapping) 由5步构成：

(a)创建各个不平衡参数的测量矩阵M；

(b)发展各个不平衡参数的方差-协方差矩阵；

(c)将所述各个不平衡参数的方差-协方差矩阵降维后形成二维矩阵，形成所谓的主成分分析图(PCA图-M_{PCA map})；

(d)确定PCA图矩阵连续行与M的连续行之间的相互距离。PCA图矩阵分别称为Δ_{PCA map}和

(e)Δ_{PCA map}的误差计算，如公式1所示。

萨姆蒙特映射矩阵还可以通过迭代和优化，使公式1中的不拟和函数最小化，使得每一行的到M_{PCA map}之间的距离接近原始的测量矩阵M中的距离。最终获得的结果是一个2xN的萨姆蒙特映射矩阵，如公式2所示。

公式2中，第二列为挠度Def_act,第一列为时间(T)或傅里叶振幅谱。

Claims (10)

1.一种传感器的调试设备，其特征在于，包括底座、电池、机舱、电机、轮毂、叶片、数据处理单元；所述的电机固定在所述的机舱内且与所述的电池电连接；所述的轮毂固接在所述电机的旋转轴上；所述的叶片安装在所述的轮毂上；所述的机舱安装在所述的底座上，使所述叶片的旋转轴呈水平方向或垂直方向；所述的数据处理单元内建所述传感器的调试设备所受载荷的计算模型，用于对接触式传感器与非接触式传感器进行数据接收、校正、配准。

2.根据权利要求1所述的传感器的调试设备，其特征在于，所述机舱的一个侧面设置有第一安装口，所述的第一安装口安装在所述的底座上，使所述叶片的旋转轴呈水平方向；所述的轮毂位于所述机舱的一个端部，所述机舱上与所述的轮毂相对的另一个端部设置有第二安装口，所述的第二安装口安装在所述的底座上，使所述叶片的旋转轴呈垂直方向。

3.根据权利要求1所述的传感器的调试设备，其特征在于，所述传感器的调试设备所受载荷的计算模型输入的参数包括电机速度、叶片长度、叶片的旋转轴方向，计算得出的参数包括叶片转速、叶片螺距、叶片挠距、叶片扭矩、叶尖偏移、结构振动、三维运动轨迹中的一种或多种。

4.根据权利要求3所述的传感器的调试设备，其特征在于，所述的底座、机舱、轮毂、叶片的叶部、叶片的根部中至少有一处设置有用于安装接触式传感器的位置，所述的接触式传感器用于采集所述传感器的调试设备的电机速度、叶片转速、叶片长度、叶片螺距、叶片挠距、叶片扭矩、叶尖偏移、结构振动、三维运动轨迹中的一种或多种数据信号。

5.根据权利要求1所述的传感器的调试设备，其特征在于，所述的传感器的调试设备还包括塔架，所述的塔架安装在所述的底座上，所述的机舱安装在所述的塔架上。

6.根据权利要求5所述的传感器的调试设备，其特征在于，所述传感器的调试设备所受载荷的计算模型输入的参数包括电机速度、叶片长度、叶片的旋转轴方向、塔架的高度，计算得出的参数包括叶片转速、叶片螺距、叶片挠距、叶片扭矩、叶尖偏移、塔架挠距、结构振动、三维运动轨迹中的一种或多种。

7.根据权利要求6所述的传感器的调试设备，其特征在于，所述的底座、塔架底部、塔架中部、塔架顶部、机舱、轮毂、叶片的叶部、叶片的根部中至少有一处设置有用于安装接触式传感器的位置，所述的接触式传感器用于采集所述传感器的调试设备的电机速度、叶片转速、叶片长度、塔架的高度、叶片螺距、叶片挠距、叶片扭矩、叶尖偏移、塔架挠距、结构振动、三维运动轨迹中的一种或多种数据信号。

8.根据权利要求1所述的传感器的调试设备，其特征在于，所述的叶片是方形空心杆或从叶根到叶尖逐渐收窄的平直片。

9.根据权利要求1所述的传感器的调试设备，其特征在于，所述的叶片的材质是金属或玻璃纤维。

10.一种传感器的调试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据权利要求1至9中任何一项所述传感器的调试设备所受载荷的计算模型，确定所述传感器的调试设备处于静止状态时的模型参数，包括电机速度、叶片转速、叶片长度、塔架的高度、叶片螺距、叶片挠距、叶片扭矩、叶尖偏移、塔架挠距、结构振动、三维运动轨迹中的一种或多种，并确定各模型参数的偏差容忍范围；

2)采用接触式传感器与非接触式传感器，监测并采集步骤1)中所述传感器的调试设备在静止状态时的不平衡参数，包括电机速度、叶片转速、叶片长度、塔架的高度、叶片螺距、叶片挠距、叶片扭矩、叶尖偏移、塔架挠距、结构振动、三维运动轨迹中的一种或多种；

3)在所述传感器的调试设备处于静止状态下，比较所述的不平衡参数与所述的模型参数，选定采集的不平衡参数不在所述的偏差容忍范围内的传感器为待校正传感器；

4)根据所述传感器的调试设备处于静止状态时的模型参数，对所述的待校正传感器进行参数校正；

5)采用接触式传感器与非接触式传感器，监测并采集步骤1)中所述传感器的调试设备在运行状态下的不平衡参数，包括电机速度、叶片转速、叶片长度、塔架的高度、叶片螺距、叶片挠距、叶片扭矩、叶尖偏移、塔架挠距、结构振动、三维运动轨迹中的一种或多种；

6)在所述传感器的调试设备处于运行状态下，对所有传感器采集的各个不平衡参数进行系统数值分析，包括计算标准偏差、均方根误差、低频和高频相对变化、低频和高频绝对变化、相对于水平移动的峰谷距离，选定与其他传感器采集的不平衡参数偏差最多的传感器为待配准传感器；

7)将除所述待配准传感器之外的其他传感器所采集的各个不平衡参数进行系统数值分析，包括计算标准偏差、均方根误差、低频和高频相对变化、低频和高频绝对变化、相对于水平移动的峰谷距离，根据所述系统数值分析的结果对所述的待配准传感器进行参数配准。