用于發(fā)電機定子鐵心片間壓力監(jiān)測的傳感器標定系統(tǒng)

張 偉， 劉 雷， 陳偉偉

1. 上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070 2. 上海電氣電站設備有限公司 發(fā)電機廠 上海 200240

1 設計背景

發(fā)電機定子鐵心是發(fā)電機的重要部件，其片間壓力及分布是影響定子制造質量的關鍵參數(shù)，壓力分布情況直接影響定子的使用壽命。目前，國內發(fā)電機廠家在生產(chǎn)發(fā)電機定子鐵心時均由人工或機器進行硅鋼片的疊裝。整個發(fā)電機定子鐵心由幾萬至幾十萬個硅鋼片環(huán)形疊加而成，由于硅鋼片的尺寸誤差等原因，定子鐵心疊片間存在壓力分布不均等現(xiàn)象，因此在疊裝過程中需要進行片間壓力監(jiān)測及補償[1-3]。

當前，定子加工工藝中需要對定子進行冷熱壓，傳統(tǒng)片間壓力監(jiān)測方法為在硅鋼片間放置壓鉛后疊加到一定高度，借助冷熱壓工藝對未成形定子進行加壓，然后拆掉壓鉛上面的硅鋼片，取出壓鉛，觀察壓鉛被壓情況，并采用人工經(jīng)驗制訂補償方案。這種方法存在工作量大、人工成本高、效率低、誤差大等多種問題，而且在制造過程中無法對片間壓力進行實時監(jiān)測并做出調整[4-6]。

筆者研究了發(fā)電機定子鐵心片間壓力監(jiān)測的意義及生產(chǎn)環(huán)境，選定適用于環(huán)境的壓力傳感器，設計硬件采集系統(tǒng)，并基于LabVIEW軟件設計了一套用于發(fā)電機定子鐵心片間壓力監(jiān)測的傳感器標定系統(tǒng)，實現(xiàn)了壓力傳感器輸出電阻值與所受壓力值的轉換，將多個傳感器合理內置于定子鐵心疊片間后即可實現(xiàn)定子鐵心片間壓力實時監(jiān)測。通過試驗驗證，這一標定系統(tǒng)在實現(xiàn)傳感器標定的同時，能夠降低傳感器的測量誤差。

2 標定系統(tǒng)硬件

2.1 傳感器

FlexiForce生產(chǎn)的一種薄膜型撓性印制電路，可用于集成應用?；贔lexiForce電路的FlexiForce傳感器具有紙一樣的超薄結構，能夠隨意彎折扭曲，同時還能在一些特殊環(huán)境下保持良好的測力性能，這使得它在測量面接觸壓力時有極大優(yōu)勢。FlexiForce HT201-H型傳感器如圖1所示。

圖1 FlexiForce HT201-H型傳感器

FlexiForce HT201-H型傳感器厚度為 0.203mm，感應區(qū)域是直徑為9.53mm的圓，測量最大壓力值為440N，是發(fā)電機定子鐵心片間壓力平均值的兩倍多。這一傳感器的工作溫度為-9～204℃，完全滿足發(fā)電機定子鐵心內熱壓工藝中最高溫度150℃的要求。傳感器的線性度誤差為總量程的1.2%，相對測量誤差為5%左右，同時這一傳感器符合嵌入發(fā)電機定子內所需的安全性等其它要求。

綜上所述，F(xiàn)lexiForce HT201-H型傳感器可以在發(fā)電機定子鐵心成形的冷熱壓等工藝環(huán)境下進行片間壓力監(jiān)測[7-8]。

2.2 硬件采集系統(tǒng)

為實現(xiàn)整個定子鐵心疊片間壓力分布監(jiān)測，選用98個FlexiForce HT201-H型傳感器合理布置在同一層定子圓周上。這一傳感器為壓阻式傳感器，其供應商雖然提供了一套單通道的傳感器輸出電阻轉換為電壓的調制模塊和采集軟件，但是軟件只能顯示采集到的數(shù)據(jù)，無法進行數(shù)據(jù)擬合及數(shù)據(jù)保存。當前市面上能夠采集電阻的采集卡并不多，因此根據(jù)上述要求，筆者設計了一套硬件采集系統(tǒng)。

硬件采集系統(tǒng)主要包括PXIe-1082型機箱、PXIe-8840型控制器、PXI-4071型萬用表及 PXIe-2575 型復接器。

PXIe-8840型控制器為雙槽高價值嵌入式控制器，將這一控制器集成至PXIe-1082型機箱，構成一個輕巧型、高性價比的平臺。在平臺上可根據(jù)使用需要安裝Windows操作系統(tǒng)，開發(fā)采集程序。PXI-4071型萬用表為7位半數(shù)字萬用表，可采集電壓、電流及電阻，在保持精確性和穩(wěn)定測量精度的同時，處理速率尤為出眾，可達1.8MS/s。PXIe-2575型復接器為高密度多路復用器開關模塊，有196路一線通道或98路兩線通道兩種配置，能將數(shù)百個信號分路到測量設備或從信號源進行信號分路，最大切換速度可達到每秒140周。

根據(jù)采集方案，將98個傳感器分組后，將每組傳感器的信號輸出線與PXIe-2575型復接器配備的接線端子連接，復接器依次將每個傳感器的信號傳輸至PXI-4071型萬用表。在采集軟件中對采集頻率、采集時間等設置后，由PXI-4071型萬用表對各傳感器的信號數(shù)據(jù)進行采集，再由采集軟件對各通道采集到的信號值進行數(shù)據(jù)處理，并分別顯示，從而實現(xiàn)多個傳感器的多通道測量。硬件采集系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 硬件采集系統(tǒng)

3 標定系統(tǒng)軟件

通過設計硬件采集系統(tǒng)解決了使用大量壓阻式傳感器的多通道數(shù)據(jù)采集問題，然而由于每個傳感器的壓阻特性都不相同，即傳感器受到同樣的壓力時輸出的電阻值不相同，因此需要針對每個傳感器的壓阻特性建立輸出電阻值與所受壓力值的函數(shù)關系[9-10]。用于發(fā)電機定子鐵心片間壓力監(jiān)測的傳感器標定系統(tǒng)軟件界面如圖3所示。

圖3 標定系統(tǒng)軟件界面

標定系統(tǒng)軟件主要有三大模塊： 數(shù)據(jù)記錄模塊、數(shù)據(jù)擬合模塊、數(shù)據(jù)驗證和存儲模塊。數(shù)據(jù)記錄模塊主要采集傳感器在所受到特定壓力后輸出的電阻值，為確保被測值的準確性，程序采集在同一壓力下的多個電阻值并求出平均值。數(shù)據(jù)擬合模塊主要提供所計算的電阻平均值與傳感器所受壓力值之間的擬合公式。數(shù)據(jù)驗證和存儲模塊主要驗證通過公式轉換后的壓力值是否與真實壓力值相近，并將擬合公式按傳感器編號保存到數(shù)據(jù)庫中，在后期開發(fā)的定子鐵心片間壓力監(jiān)測軟件中可根據(jù)傳感器編號直接調取數(shù)據(jù)庫中的擬合公式，計算并顯示壓力值。

基于標定系統(tǒng)功能分析，將系統(tǒng)的軟件架構設計為生產(chǎn)者與消費者架構，程序主要有三個循環(huán)： 主循環(huán)響應用戶在界面上的操作，并控制采集過程；采集循環(huán)在接收主循環(huán)中傳遞的指令后，進行數(shù)據(jù)采集操作；事務處理循環(huán)處理主循環(huán)中發(fā)出的除采集外的其它指令，如數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)擬合及數(shù)據(jù)保存等[11-13]。標定系統(tǒng)軟件架構如圖4所示。

圖4 標定系統(tǒng)軟件架構

4 標定試驗

由于傳感器的特性，其相對輸出誤差在5%以內，因此在標定試驗中使用同一個傳感器分別用供應商提供的標定系統(tǒng)和筆者設計的標定系統(tǒng)進行標定。試驗使用東莞市智取精密儀器有限公司生產(chǎn)的 Q-22A 型壓力機對FlexiForce HT201-H型傳感器進行施壓，該壓力機的最大壓力值為 1000N，試驗使用標定FlexiForce HT201-H型傳感器的專用壓頭。記錄壓力機分別施壓100N、200N、300N、400N時的傳感器輸出值，兩套標定系統(tǒng)的輸出值及擬合公式見表1。

表1 標定系統(tǒng)對比

將各自的擬合數(shù)據(jù)輸入各自標定系統(tǒng)補償模塊，都能直接顯示傳感器所受壓力值。為驗證標定系統(tǒng)的補償效果，重新使用壓力機向傳感器施加100N、200N、300N、400N的力，并記錄輸出壓力值，兩套標定系統(tǒng)的輸出壓力值及誤差見表2。

表2 標定系統(tǒng)壓力值及誤差

通過大量對比試驗表明，筆者設計的標定系統(tǒng)與供應商提供的標定系統(tǒng)相比，測量誤差更小，同時筆者設計的標定系統(tǒng)可以直接進行數(shù)據(jù)擬合，擬合結果自動保存，為傳感器的使用提供了便利。

5 結束語

筆者設計了一套用于發(fā)電機定子鐵心片間壓力監(jiān)測的傳感器標定系統(tǒng)，這一標定系統(tǒng)具有軟件界面友好、測量誤差小、自動化程度高等優(yōu)點，解決了定子鐵心片間因工作環(huán)境惡劣無法直接進行壓力分布監(jiān)測等難點。同時，這一標定系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)擬合和保存等功能，適用于其它類型的壓阻式傳感器標定，為后期壓力分布監(jiān)測軟件的開發(fā)奠定了基礎。

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