可逆式水輪發(fā)電機(jī)組鏡板形貌視覺測量方法研究

張衡， 李江濤， 盧寶江

(國網(wǎng)新源控股有限公司北京十三陵蓄能電廠，北京 102200)

0 引言

可逆式水輪發(fā)電機(jī)是水力發(fā)電系統(tǒng)中重要的動(dòng)力來源，鏡板是發(fā)電機(jī)組中關(guān)鍵零部件之一，準(zhǔn)確地測量鏡板平面度和閉合差等指標(biāo)非常重要[1]。目前的技術(shù)由于采樣布點(diǎn)方式不同、測量儀器的精度和數(shù)據(jù)處理方式不同，造成對(duì)于可逆式發(fā)電機(jī)鏡板環(huán)形平面度測量精度不高，影響了發(fā)電機(jī)組的性能，從而影響了整個(gè)水力發(fā)電系統(tǒng)的工作效率[2]。

針對(duì)上述存在的問題，文獻(xiàn)[3]提出了液面測量法，通過測量液體的平面變化、各點(diǎn)的相對(duì)偏移量，得出平面度誤差。由于液體具有一定的黏性，在測量過程中需要將兩側(cè)液體穩(wěn)定，測量時(shí)間較長，同時(shí)溫度變化對(duì)測量結(jié)果有很大影響，造成檢測精度不高。文獻(xiàn)[4]研究應(yīng)用激光準(zhǔn)直掃描法，通過光電接收系統(tǒng)測得激光基準(zhǔn)平面上各點(diǎn)的位移變化，計(jì)算得到平面度誤差。激光在空氣中傳播受到其他因素的影響，使折射率不均勻，造成了測量不穩(wěn)定的問題。

針對(duì)上述研究存在的不足，本文應(yīng)用鏡板視覺采樣測量系統(tǒng)，通過激光位移傳感器、鍵相傳感器、定位傳感器和光纖傳感器來感應(yīng)鏡板位移的變換，進(jìn)行周期性采樣，經(jīng)過齊次矩陣變換計(jì)算出發(fā)電機(jī)組鏡板的平面度和閉合差。測量系統(tǒng)對(duì)測量環(huán)境的溫度和濕度的要求不高，機(jī)械振動(dòng)對(duì)測量精度的影響較小。

1 鏡板形貌視覺測量方法

本文的創(chuàng)新點(diǎn)：在測量系統(tǒng)中加入放大電路，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大，共模抑制比較高，對(duì)測量過程中發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的噪聲起到了衰減作用，降低電磁干擾的影響，提高測量系統(tǒng)的測量精度。

1.1 鏡板視覺采樣測量系統(tǒng)

可逆式水電發(fā)電機(jī)組的鏡板尺寸大、對(duì)測量的精度要求高，給機(jī)械加工制造和水平度的測量帶來很大困難[5]。鏡板造價(jià)成本較高、加工時(shí)間長且零部件具有不可替代性、機(jī)械結(jié)構(gòu)特殊對(duì)平面度測量系統(tǒng)提出了更高的要求[6]。表1所示為對(duì)測量系統(tǒng)的要求。

表1 發(fā)電機(jī)組鏡板對(duì)測量系統(tǒng)的要求

測量環(huán)境在加工車間中環(huán)境質(zhì)量不佳，且空氣的溫度和濕度不恒定，存在各種因素的影響造成空氣擾動(dòng)，所以要求測量系統(tǒng)的有效測量范圍大，且測量精度高、測量速度快[7]。嚴(yán)格的測量要求使很多測量方式無法適用，機(jī)械基準(zhǔn)測量法使用高精度機(jī)械軌道和回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，只能分離系統(tǒng)誤差，對(duì)鏡板平面度測量產(chǎn)生的隨機(jī)誤差無法消除[8]。

根據(jù)對(duì)可逆式水電發(fā)動(dòng)機(jī)組鏡板平面度測量的特殊要求，本文應(yīng)用一種鏡板視覺采樣測量系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鏡板視覺采樣測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

鏡板視覺采樣測量系統(tǒng)總體由傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、顯示模塊等部件組成[9]，具體有激光位移傳感器、鍵相傳感器、定位傳感器和光纖傳感器，用來感應(yīng)發(fā)電機(jī)組鏡板每次運(yùn)動(dòng)的位置變換，記錄部件的擺動(dòng)數(shù)據(jù)和機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)的角度[10]。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收各種傳感器傳輸來的數(shù)據(jù)，在電路中實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，在系統(tǒng)中儲(chǔ)存?zhèn)鞲衅鱾鱽淼臄?shù)據(jù)，進(jìn)行整理、計(jì)算和分析[11]。表2所示為鏡板視覺采樣測量系統(tǒng)的采樣指標(biāo)。

表2 數(shù)據(jù)采樣指標(biāo)

系統(tǒng)在硬件設(shè)備上集成實(shí)現(xiàn)其具體功能，根據(jù)發(fā)電機(jī)組鏡板對(duì)測量系統(tǒng)的要求，裝置的體積不能過大，采用標(biāo)準(zhǔn)4U高度，便攜式結(jié)構(gòu)方便安裝和測量[12]。傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)，由于測量環(huán)境空氣中的雜質(zhì)和發(fā)電機(jī)組造成的振動(dòng)，使測量儀器連接器故障和線路損壞，導(dǎo)致測量出現(xiàn)失誤。本系統(tǒng)的采樣設(shè)備使用單板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少了因測量環(huán)境問題造成的故障，高集成度的芯片處理和傳輸速度更快[13]。系統(tǒng)采樣以多路通道設(shè)置采樣模式，單個(gè)傳感器可實(shí)現(xiàn)多路多功能采樣通道，最高頻率可達(dá)到100 kHz。多個(gè)傳感器同時(shí)工作，協(xié)同測量，并且系統(tǒng)中設(shè)置有抗電磁干擾的功能，使傳感器在發(fā)電機(jī)組鏡板平面度的測量過程中能夠正常工作[14]。各個(gè)傳感器之間互相連接，且各采樣通道互相分離，一個(gè)傳感器通道受損，其他傳感器仍然能夠正常使用。

1.2 測量系統(tǒng)中的信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路是對(duì)測量系統(tǒng)中信號(hào)的放大和濾波。由于傳感器在對(duì)發(fā)電機(jī)組鏡板的平面度測量中，發(fā)電機(jī)經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生噪聲，對(duì)信號(hào)的傳導(dǎo)產(chǎn)生干擾，造成系統(tǒng)誤差，使測量精度下降[15]。因此，在電路中加入濾波器，對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行處理，在一定程度上使信號(hào)衰減，從而提高信噪比，減小了測量誤差，提高了測量系統(tǒng)的精度[16]。如圖2所示為分壓電路。

圖2 分壓電路

鏡板視覺采樣測量系統(tǒng)輸出電壓信號(hào)，電壓范圍是-2～-18 V。需要對(duì)輸出進(jìn)行處理以滿足輸入電壓的有效值，有效范圍是-3～+3 V。所以采用分壓電路對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行處理。分壓電路中配置參數(shù)如表3所示。

表3 分壓電路配置參數(shù)

經(jīng)過以上分壓電路處理后的輸入信號(hào)進(jìn)入放大電路，降低信號(hào)中的噪聲。放大電路的核心是運(yùn)放，能夠放大頻帶帶寬，受信號(hào)中噪聲影響較小，共模抑制比高且溫度穩(wěn)定。放大電路如圖3所示。

圖3 放大電路

放大電路由電容、電阻和放大器通過串聯(lián)和并聯(lián)的方式組成。輸入端晶體管Q1、Q2輸入特性為差分雙極性，且精度較高，還應(yīng)用了SuperBeta進(jìn)行處理，降低了輸入端的偏執(zhí)電流。電阻R限制了輸出電壓的幅值，使輸出電壓不會(huì)過大也不會(huì)過小。放大電路中Q1/A1/R1和Q2/A2/R2組成了反饋環(huán)路，不受其他因素的影響，集成電流保持一定。因此產(chǎn)生了從輸入至A1/A2的差分增益，表達(dá)式為

G=(R1+R2)/RG+1

(1)

其中，G表示差分增益，R表示各電阻的阻值。RG確定了前級(jí)功放，RG越小放大倍數(shù)就越大，增益可表示為

(2)

分壓和放大電路的作用是將輸入信號(hào)進(jìn)行處理，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸出信號(hào)的電壓保持在-5～+5 V范圍內(nèi)。

在番茄無公害栽培期間，如果是選擇單干整枝方式，應(yīng)該保留番茄主干，單株結(jié)實(shí)達(dá)到5-7穗果時(shí)，頂部果穗留兩片葉摘心，將其中的枯枝和葉子全部摘除，避免滋生病蟲害影響番茄植株正常生長。

1.3 測量點(diǎn)位置的計(jì)算與變換

實(shí)現(xiàn)對(duì)可逆式水輪發(fā)電機(jī)組鏡板平面度的測量的關(guān)鍵是對(duì)測量點(diǎn)位置的計(jì)算與變換。本文對(duì)測量系統(tǒng)進(jìn)行位置運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，利用齊次矩陣變換原理得到測量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。齊次矩陣坐標(biāo)變換如圖4所示。

圖4 齊次矩陣坐標(biāo)變換

(3)

由圖3可知：

(4)

式(3)和式(4)結(jié)合可得：

(5)

式(5)可以表示成矩陣形式：

(6)

(7)

繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)可表示為

(8)

繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)可表示為

(9)

原始坐標(biāo)系經(jīng)過移動(dòng)后可表示為

(10)

由于測量系統(tǒng)是在三維空間中測量鏡板運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，要想測量準(zhǔn)確就要先了解運(yùn)動(dòng)的幾何關(guān)系，對(duì)位置運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行研究，根據(jù)位移變量求位置。即繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)和Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，綜合這兩種運(yùn)動(dòng)變換，可得到正向變換齊次矩陣：

(11)

在測量實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況下，由于鏡板在不同位置繞Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鏡板繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的變量，因此在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)可不考慮繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)測量的影響，對(duì)每一次轉(zhuǎn)位只考慮繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，可以簡化為運(yùn)動(dòng)只在XY平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，是測量計(jì)算過程簡化，對(duì)測量鏡板平面度連續(xù)走位進(jìn)行分析時(shí)也可以進(jìn)行簡化。經(jīng)過簡化后的坐標(biāo)齊次矩陣為

(12)

通過分析鏡板不同位置的測量變換數(shù)據(jù)，可以測算出鏡板平面度的大小。根據(jù)各種傳感器回傳的數(shù)據(jù)，完成對(duì)發(fā)電機(jī)組鏡板的測量。

2 應(yīng)用測試

為驗(yàn)證所研究智鏡板視覺采樣測量系統(tǒng)的性能，在測量過程中隨機(jī)選取5個(gè)測量點(diǎn)并記錄測量點(diǎn)的位置，如表4所示。對(duì)發(fā)電機(jī)組鏡板分別使用3種測量方式進(jìn)行測量，對(duì)比測量數(shù)據(jù)上的誤差，分析測量系統(tǒng)的精度。

表4 測量點(diǎn)位置 單位：mm

在溫度、濕度一致的測量環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，測量時(shí)采用封閉網(wǎng)格形式布線，隨時(shí)得到測量點(diǎn)的位置信息，對(duì)表4測量點(diǎn)進(jìn)行測量。表5所示為本文系統(tǒng)對(duì)測量點(diǎn)的測量結(jié)果和數(shù)據(jù)誤差，表6所示為文獻(xiàn)[3]的測量結(jié)果，表7所示為文獻(xiàn)[4]的測量結(jié)果。

表5 本文系統(tǒng)的測量結(jié)果 單位：mm

表6 文獻(xiàn)[3]的測量結(jié)果 單位：mm

表7 文獻(xiàn)[4]的測量結(jié)果 單位：mm

通過觀察對(duì)比測量結(jié)果可知，本研究測量系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)組鏡板的測量精度更高，測量誤差更小。經(jīng)計(jì)算可得，本研究測量系統(tǒng)對(duì)鏡板測量的平均閉合差誤差為5.6 μm，平均平面度誤差為23.6 μm。文獻(xiàn)[3]測量系統(tǒng)的平均閉合差誤差為13.4 μm，平均平面度誤差為85.6 μm。文獻(xiàn)[4]測量系統(tǒng)的平均閉合差誤差為8.22 μm，平均平面度誤差為38.4 μm。通過對(duì)比數(shù)據(jù)，本文測量系統(tǒng)的閉合差誤差和平面度誤差最小，因?yàn)楸疚臏y量系統(tǒng)不受溫度變化的影響，測量過程中機(jī)械的振動(dòng)對(duì)測量結(jié)果的影響不大，傳感器具有抗電磁干擾的能力。對(duì)第5個(gè)測量點(diǎn)測量時(shí)，本系統(tǒng)閉合差誤差最高為6.8 μm，而文獻(xiàn)[3]的閉合差誤差高達(dá)14 μm，文獻(xiàn)[4]的閉合差誤差達(dá)到了8.2 μm。測量過程中環(huán)境溫度變化較大，產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)對(duì)文獻(xiàn)[3]測量方法的影響最大。本文測量方法抗干擾能力最強(qiáng)，多個(gè)傳感器同時(shí)作用，測量誤差最小，完全滿足可逆式水輪發(fā)電機(jī)組鏡板測量規(guī)范要求。

3 總結(jié)

本文應(yīng)用鏡板采樣視覺測量系統(tǒng)，通過傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和顯示模塊協(xié)同作用，完成了對(duì)可逆式水輪發(fā)電機(jī)組鏡板的測量工作，在測量系統(tǒng)中應(yīng)用了信號(hào)調(diào)理電路，完成了傳感器數(shù)據(jù)傳輸中數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，對(duì)測量系統(tǒng)中信號(hào)起到放大和濾波功能，減少了信號(hào)中噪聲對(duì)測量數(shù)據(jù)的影響，提高了測量系統(tǒng)的精度，減少了系統(tǒng)誤差。本文研究也存在一定的局限性，測量系統(tǒng)僅對(duì)可逆式水輪發(fā)電機(jī)組的鏡板進(jìn)行測量，根據(jù)鏡板特征設(shè)計(jì)的測量系統(tǒng)，而對(duì)于臥式水輪發(fā)電機(jī)組、多段式的水輪發(fā)電機(jī)組的鏡板測量沒有涉及，可能無法適用，對(duì)測量系統(tǒng)還需改進(jìn)。