權利要求書： 

1.一種基于線激光強度測量的風機塔筒沉降傾斜監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括激光發(fā)射器(1)、光圈過濾器(2)、分光鏡(3)、凸透鏡(6)、凹棱鏡(7)、面激光過濾器(8)、減光鏡(9)和電荷耦合元件(10)；激光發(fā)射器(1)設在正對塔筒(14)的水平面上，電荷耦合元件(10)豎直設置在塔筒(14)外壁且正對激光發(fā)射器(1)；光圈過濾器(2)、分光鏡(3)、凸透鏡(6)、凹棱鏡(7)、面激光過濾器(8)和減光鏡(9)依次設置在激光發(fā)射器(1)發(fā)射激光的傳播路徑上；分光鏡(3)的反射光路徑上設有光強測量裝置；光強測量裝置和電荷耦合元件(10)分別連接至數據處理系統(tǒng)。

2.根據權利要求1所述的基于線激光強度測量的風機塔筒沉降傾斜監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，光圈過濾器(2)的孔徑可調。

3.根據權利要求1所述的基于線激光強度測量的風機塔筒沉降傾斜監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，分光鏡(3)與激光發(fā)射器(1)發(fā)射的激光夾角為45°，分光鏡(3)的反射光光強為激光發(fā)射器(1)發(fā)射激光光強的4％～5％。

4.根據權利要求1所述的基于線激光強度測量的風機塔筒沉降傾斜監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，光強測量裝置包括光強測量儀(4)和示波器(5)，光強測量儀(4)正對分光鏡(3)的反射光路徑，光強測量儀(4)與示波器(5)連接，示波器(5)與數據處理系統(tǒng)連接。

5.根據權利要求1所述的基于線激光強度測量的風機塔筒沉降傾斜監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，凹棱鏡(7)的軸線水平放置，凹棱鏡(7)的平面朝向凸透鏡(6)，弧面朝向面激光過濾器(8)。

6.根據權利要求1所述的基于線激光強度測量的風機塔筒沉降傾斜監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，面激光過濾器(8)包括支架、上擋板和下擋板；支架固定在水平面上，上擋板和下擋板分別與支架活動連接，上擋板和下擋板為不透光材質。

7.根據權利要求1所述的基于線激光強度測量的風機塔筒沉降傾斜監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，電荷耦合元件(10)的光敏區(qū)陣列面積大于接收光面積；電荷耦合元件(10)的光敏區(qū)高度為接收光高度的2～3倍。

8.根據權利要求1所述的基于線激光強度測量的風機塔筒沉降傾斜監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，減光鏡(9)與電荷耦合元件(10)之間設有遮光外殼。

9.采用權利要求1～8任意一項所述基于線激光強度測量的風機塔筒沉降傾斜監(jiān)測系統(tǒng)進行風機塔筒沉降傾斜監(jiān)測的方法，其特征在于，包括：激光發(fā)射器(1)以預設頻率發(fā)出特定波長和強度的激光束，激光束經光圈過濾器(2)調節(jié)為預設直徑的圓形激光束，圓形激光束到達分光鏡(3)后，反射光束到達光強測量裝置，測得的光強數據發(fā)送至數據處理系統(tǒng)，折射光束繼續(xù)傳播至凸透鏡(6)進行會聚，經凹棱鏡(7)后形成扇形面激光，扇形面激光經面激光過濾器(8)后調整為平行面激光(16)，平行面激光(16)經減光鏡(9)降低光強后照射在電荷耦合元件(10)上；數據處理系統(tǒng)根據照射在電荷耦合元件(10)上的平行面激光(16)的參數，實現風機塔筒的沉降傾斜監(jiān)測。

10.根據權利要求9所述的采用基于線激光強度測量的風機塔筒沉降傾斜監(jiān)測系統(tǒng)進行風機塔筒沉降傾斜監(jiān)測的方法，其特征在于，實現風機塔筒的沉降傾斜監(jiān)測具體包括：電荷耦合元件(10)由M×N個感光二極管(15)組成，其輸出數據傳遞至數據處理系統(tǒng)上處理為M×N的數據矩陣；激光發(fā)射器(1)每天發(fā)射X束激光，對于激光發(fā)射器(1)發(fā)射的第i束激光，結合光強測量裝置輸出的幅值Ii和數據處理系統(tǒng)接收的數據矩陣Ai,M×N，按下式對第i個數據矩陣進行校準處理，以消除激光發(fā)射器(1)發(fā)射激光強度波動的影響：平均化處理每天的X個數據：第一天的數據 為基準，將每天的數據 與其對比，用于初步判斷塔筒的傾斜狀態(tài)：如果差值矩陣 中出現較大值，初步判斷塔筒出現了沉降或傾斜；并根據差值矩陣 中最值出現的位置，初步判斷塔筒的傾斜方向；為了估計塔筒(14)或電荷耦合元件(10)的傾斜量或傾斜角度，基于差值矩陣 中最值出現的位置，在豎直和水平方向各選取與其相鄰的B列和C行數據，做累加處理以構建M×1的列矩陣和1×N的行矩陣：其中i1與i2分別為最值出現位置的列序數與行序數；將以上兩個矩陣繪制光強度分布一維圖，并對第1天的數據 做相同的處理，直接進行對比；根據光強突變出現的位置的變化數量，計算豎直方向的傾斜角度α和水平方向上的傾斜角度β：其中n+和n 分別為因塔筒(14)傾斜分別進入和離開平行面激光(16)照射區(qū)域的像素的數量；l為單個感光二極管(15)的尺寸；對比n+和n 的數值，可以判斷塔筒是發(fā)生了沉降、傾斜或是沉降與傾斜單一或同時發(fā)生；若只是發(fā)生了傾斜，根據塔筒(14)在豎直方向的傾斜角度α和水平方向上的傾斜角度β，計算塔筒(14)的整體傾斜角度γ：γ＝arccos(cosα×cosβ)。

說明書： 基于線激光強度測量的風機塔筒沉降傾斜監(jiān)測系統(tǒng)及方法技術領域[0001] 本發(fā)明屬于風力發(fā)電技術領域，具體涉及一種基于線激光強度測量的風機塔筒沉降傾斜監(jiān)測系統(tǒng)及方法。

背景技術[0002] 風力發(fā)電技術在過去10年得到了充分發(fā)展，并在未來有進一步快速發(fā)展的趨勢。隨著風電機組單機功率的增加，風機風輪直徑增大，機艙等重量增加，而用于安裝風機機艙等的風機塔筒高度和重量亦不斷增加，提高了風電機組對地基勘測與設計的要求。

[0003] 為保障風電機組的安全運行，對塔筒的安全與健康狀態(tài)進行在線監(jiān)測極為重要。采用超高柔塔的新建塔筒與進入生命周期后期的老舊塔筒，因不均勻沉降與塔筒螺栓松動等因素造成的細微傾斜進而倒塔的事故屢有發(fā)生。

發(fā)明內容[0004] 為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于線激光強度測量的風機塔筒沉降傾斜監(jiān)測系統(tǒng)及方法，受外界環(huán)境因素干擾小，精度高，能夠精確地捕捉到塔筒微小的沉降傾斜狀態(tài)，使風電機組健康、安全與可靠的運行。

[0005] 本發(fā)明通過以下技術方案來實現：[0006] 本發(fā)明公開了一種基于線激光強度測量的風機塔筒沉降傾斜監(jiān)測系統(tǒng)，包括激光發(fā)射器、光圈過濾器、分光鏡、凸透鏡、凹棱鏡、面激光過濾器、減光鏡和電荷耦合元件；

[0007] 激光發(fā)射器設在正對塔筒的水平面上，電荷耦合元件豎直設置在塔筒外壁且正對激光發(fā)射器；光圈過濾器、分光鏡、凸透鏡、凹棱鏡、面激光過濾器和減光鏡依次設置在激光發(fā)射器發(fā)射激光的傳播路徑上；分光鏡的反射光路徑上設有光強測量裝置；光強測量裝置和電荷耦合元件分別連接至數據處理系統(tǒng)。

[0008] 優(yōu)選地，光圈過濾器的孔徑可調。[0009] 優(yōu)選地，分光鏡與激光發(fā)射器發(fā)射的激光夾角為45°，分光鏡的反射光光強為激光發(fā)射器發(fā)射激光光強的4％～5％。

[0010] 優(yōu)選地，光強測量裝置包括光強測量儀和示波器，光強測量儀正對分光鏡的反射光路徑，光強測量儀與示波器連接，示波器與數據處理系統(tǒng)連接。

[0011] 優(yōu)選地，凹棱鏡的軸線水平放置，凹棱鏡的平面朝向凸透鏡，弧面朝向面激光過濾器。

[0012] 優(yōu)選地，面激光過濾器包括支架、上擋板和下擋板；支架固定在水平面上，上擋板和下擋板分別與支架活動連接，上擋板和下擋板為不透光材質。

[0013] 優(yōu)選地，電荷耦合元件的光敏區(qū)陣列面積大于接收光面積；電荷耦合元件的光敏區(qū)高度為接收光高度的2～3倍。

[0014] 優(yōu)選地，減光鏡與電荷耦合元件之間設有遮光外殼。[0015] 本發(fā)明公開的采用上述基于線激光強度測量的風機塔筒沉降傾斜監(jiān)測系統(tǒng)進行風機塔筒沉降傾斜監(jiān)測的方法，包括：

[0016] 激光發(fā)射器以預設頻率發(fā)出特定波長和強度的激光束，激光束經光圈過濾器調節(jié)為預設直徑的圓形激光束，圓形激光束到達分光鏡后，反射光束到達光強測量裝置，測得的光強數據發(fā)送至數據處理系統(tǒng)，折射光束繼續(xù)傳播至凸透鏡進行會聚，經凹棱鏡后形成扇形面激光，扇形面激光經面激光過濾器后調整為平行面激光，平行面激光經減光鏡降低光強后照射在電荷耦合元件上；數據處理系統(tǒng)根據照射在電荷耦合元件上的平行面激光的參數，實現風機塔筒的沉降傾斜監(jiān)測。

[0017] 優(yōu)選地，實現風機塔筒的沉降傾斜監(jiān)測具體包括：[0018] 電荷耦合元件由M×N個感光二極管組成，其輸出數據傳遞至數據處理系統(tǒng)上處理為M×N的數據矩陣；

[0019] 激光發(fā)射器每天發(fā)射X束激光，對于激光發(fā)射器發(fā)射的第i束激光，結合光強測量裝置輸出的幅值Ii和數據處理系統(tǒng)接收的數據矩陣Ai,M×N，按下式對第i個數據矩陣進行校準處理，以消除激光發(fā)射器發(fā)射激光強度波動的影響：[0020][0021] 平均化處理每天的X個數據：[0022][0023] 第一天的數據 為基準，將每天的數據 與其對比，用于初步判斷塔筒的傾斜狀態(tài)：[0024][0025] 如果差值矩陣 中出現較大值，初步判斷塔筒出現了沉降或傾斜；并根據差值矩陣 中最值出現的位置，初步判斷塔筒的傾斜方向；[0026] 為了估計塔筒或電荷耦合元件的傾斜量或傾斜角度，基于差值矩陣 中最值出現的位置，在豎直和水平方向各選取與其相鄰的B列和C行數據，做累加處理以構建M×1的列矩陣和1×N的行矩陣：[0027][0028][0029] 其中i1與i2分別為最值出現位置的列序數與行序數；[0030] 將以上兩個矩陣繪制光強度分布一維圖，并對第1天的數據 做相同的處理，直接進行對比；根據光強突變出現的位置的變化數量，計算豎直方向的傾斜角度α和水平方向上的傾斜角度β：[0031][0032][0033] 其中n+和n_分別為因塔筒傾斜分別進入和離開平行面激光照射區(qū)域的像素的數量；l為單個感光二極管的尺寸；[0034] 對比n+和n_的數值，可以判斷塔筒是發(fā)生了沉降、傾斜或是沉降與傾斜單一或同時發(fā)生；若只是發(fā)生了傾斜，根據塔筒在豎直方向的傾斜角度α和水平方向上的傾斜角度β，計算塔筒的整體傾斜角度γ：[0035] γ＝arccos(cosα×cosβ)。[0036] 與現有技術相比，本發(fā)明具有以下有益的技術效果：[0037] 本發(fā)明公開的一種基于線激光強度測量的風機塔筒沉降傾斜監(jiān)測系統(tǒng)，通過在塔筒特定位置上固定線激光的強度測量與輸出裝置，可通過對比激光強度在水平與豎直方向上的變化對塔筒的安全與健康狀態(tài)進行在線監(jiān)測。光圈過濾器能夠調整激光的形狀；因為電荷耦合元件的測量光強范圍有限，減光鏡能夠避免射入的激光強度過大而造成損壞。激光由于波長單一、強度穩(wěn)定、受環(huán)境空氣的色散影響小，以及電荷耦合元件對光強度的記錄、數據處理與分析的特性，利用電荷耦合元件空間分辨率高的特點，能夠捕捉到塔筒微小(～10um級別)的傾斜狀態(tài)，為風機塔筒維護采取進一步措施提供數據與指導，有利于風電機組健康、安全與可靠的運行。

[0038] 進一步地，光圈過濾器的孔徑可調，使激光通過光圈過濾器后的光束截面為調定直徑的圓形，滿足不同情況下的監(jiān)測需求。

[0039] 進一步地，由于激光在傳播過程中強度會出現一定程度的衰減，分光鏡將激光束4％～5％的反射光進行光強檢測，能夠消除激光強度衰減對光強度測量與分析的干擾。

[0040] 進一步地，面激光過濾器的結構簡單，通過上擋板和下擋板的移動就能夠方便地調節(jié)面激光的寬度，滿足不同情況下的監(jiān)測需求。

[0041] 進一步地，電荷耦合元件的光敏區(qū)陣列面積大于接收光面積，能夠使接收的激光全部投射到電荷耦合元件上，并留出較多邊緣區(qū)域，提高分析和計算的準確度。

[0042] 進一步地，減光鏡與電荷耦合元件之間設有遮光外殼，能夠消除背景光對測量的影響。

[0043] 本發(fā)明公開的采用上述基于線激光強度測量的風機塔筒沉降傾斜監(jiān)測系統(tǒng)進行風機塔筒沉降傾斜監(jiān)測的方法，能夠精確地捕捉到塔筒微小的沉降傾斜狀態(tài)，使風電機組健康、安全與可靠的運行。

[0044] 進一步地，通過對各項數值的量化處理，能夠得到塔筒的沉降和傾斜的具體數值，為風機塔筒沉降傾斜監(jiān)測和分析提供有力的理論基礎。

附圖說明[0045] 圖1為本發(fā)明的整體結構示意圖；[0046] 圖2為平行面激光在電荷耦合元件上正常投射示意圖；[0047] 圖3為塔筒未發(fā)生傾斜與發(fā)生α角傾斜時電荷耦合元件區(qū)域變化示意圖；[0048] 圖4為電荷耦合元件測量的線激光強度在豎直方向上的分布特性圖。[0049] 圖中：1 激光發(fā)射器；2 光圈過濾器；3 分光鏡；4 光強測量儀；5 示波器；6 凸透鏡；7 凹棱鏡；8 面激光過濾器；9 減光鏡；10 電荷耦合元件；11 線激光；12 信號處理器；13 計算機；14 塔筒；15 感光二極管；16 平行面激光。

具體實施方式[0050] 下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細描述，其內容是對本發(fā)明的解釋而不是限定：[0051] 如圖1，本發(fā)明的基于線激光強度測量的風機塔筒沉降傾斜監(jiān)測系統(tǒng)，在相對遠離塔筒的水平位置布置激光平臺。激光發(fā)射器1以設定的頻率(如0.1～1次/min)發(fā)出特定波長與穩(wěn)定強度的激光束，作為監(jiān)測塔筒沉降或傾斜狀態(tài)的光源。激光發(fā)射器1輸出的激光束的橫截面并未絕對圓形，為排除光束截面形狀對下游測量的不利影響，在激光發(fā)射器1下游布置光圈過濾器2。光圈過濾器2結構類似于相機光圈，其中心的透光圓孔直徑可調節(jié)，使得
激光通過光圈過濾器2后的光束截面為調定直徑的圓形。

[0052] 考慮到塔筒沉降傾斜發(fā)生過程相對緩慢，激光發(fā)射器1的輸出激光強度會出現一定程度的衰減，為消除激光強度衰減對光強度測量與分析的干擾，在光圈過濾器2后設置豎直布置的分光鏡3，分光鏡3與激光束呈45°布置，使得激光束因鏡面反射而反射部分激光(4～5％)，該部分激光的強度使用與其垂直布置的光強測量儀4進行測量并輸出，光強度在示波器5上顯示為脈沖信號，脈沖的幅值與反射激光強度呈正比關系。

[0053] 未經反射的激光束全部穿過分光鏡3，經凸透鏡6會聚到固定于塔筒14特定高度且豎直布置的電荷耦合元件10(又稱CCD)上。凸透鏡6的焦距取決于激光平臺與塔筒間的相對距離，即凸透鏡6中心與電荷耦合元件10間的距離即為其焦距f1，需在凸透鏡6與電荷耦合元件10間設置光學元件以形成豎直分布且寬度固定的面激光，而在水平方向，面激光的截面寬度逐漸縮小，最終會聚在電荷耦合元件10上形成線激光11。

[0054] 在凸透鏡6后設置軸線水平放置的凹棱鏡7。凹棱鏡7的一個側面為弧形，其余側面為平面。激光束從凹棱鏡7的中心射入，在另一側形成扇形面激光。該扇形面激光的夾角取決于凹棱鏡7的焦距：焦距越小，扇形面激光就越窄，即越不容易發(fā)散。

[0055] 在凹棱鏡7后選擇適當位置布置面激光過濾器8，具體地，面激光過濾器8包括支架、上擋板和下擋板；支架固定在水平面上，上擋板和下擋板分別與支架活動連接，上擋板和下擋板由邊緣平整銳利且可上下移動調整的不銹鋼材質擋板構成，扇形面激光經過擋板作用，形成近似的平行面激光16。(在激光過濾器8到電荷耦合元件10之間較短的距離內可認為是寬度保持不變的平行面激光)。

[0056] 由于電荷耦合元件10對光強度比較敏感，其感光元件——感光二極管15測量光強范圍有限，為避免射入的激光強度過大而造成損壞，可在其前方設置透光率較低的減光鏡9，大幅降低穿過減光鏡9的平行面激光16的光強密度，使其可被電荷耦合元件10順利且安全地捕捉。參照圖2，電荷耦合元件10的尺寸應超過平行面激光16，使其可全部投射到電荷耦合元件10上，并留出較多邊緣區(qū)域。一般的，可以設置電荷耦合元件10的光敏區(qū)陣列面積大于接收光面積。

[0057] 電荷耦合元件10又稱CCD，是廣泛使用的數碼相機圖像傳感器。其由一定數量的感光二極管15均勻布置組成(參考圖2)，感光二極管15緊密布置，且尺寸極小，宏觀上可理解為每個感光二極管15為單個點，簡稱像素。感光二極管15感應光線，將光強度轉化為數字信號，經信號處理器12處理后傳輸至計算機13存儲并分析。在減光鏡9與電荷耦合元件10間用不透光材料進行覆蓋以消除背景光(如陽光等)。

[0058] 如圖2所示，電荷耦合元件10由M×N個感光二極管15組成，其輸出數據傳遞至計算機13上并可處理為M×N的數據矩陣，矩陣中每個元素值與對應感光二極管15測量光強成正比例關系。將該數據矩陣進行二維繪圖，便可得到電荷耦合元件10上的光強分布云圖。

[0059] 設定激光發(fā)射器1按較低的頻率(1次/min)發(fā)射激光，對發(fā)射的第i束激光，結合示波器5輸出的幅值Ii和計算機13接收的數據矩陣Ai,M×N，對第i個數據矩陣進行校準處理，以消除激光發(fā)射器1發(fā)射激光強度波動的影響。

[0060][0061] 考慮到風機塔筒14的結構相對穩(wěn)定，平均化處理每天的1440個數據，以減小系統(tǒng)測量誤差，提高數據精度。

[0062][0063] 以第一天的數據 為基準，將每天的數據 與其對比，用于初步判斷塔筒14的傾斜狀態(tài)。

[0064][0065] 結合圖2與圖3，如果差值矩陣 中出現較大值(同時出現正和負的較大值)，可初步判斷塔筒14出現了沉降或傾斜。因為經過面激光過濾器8的平行面激光16位置固定，在圖3中，如果塔筒14發(fā)生傾斜，固定在塔筒上的電荷耦合元件10也將以同樣的角度出現傾

斜，即使傾斜角度α很小，平行面激光16投射到的感光二極管15的區(qū)域與數量亦將變化。

[0066] 對于肉眼無法觀察的細微傾斜，基于平行面激光16的物理特性可被靈敏捕捉：因為平行面激光16的邊緣比較銳利，即將圖2中激光沿豎直方向繪出強度分布圖，會呈現圖4所示的邊緣分布特性，光強的高值與低值間僅間隔1～2個像素。而電荷耦合元件10中感光二極管15的布置密度往往較高，使得單個像素的空間分辨率很高，能達到1～5um/pixel的級別。

[0067] 根據差值矩陣 中最值(較大/較小值)出現的位置，初步判斷塔筒14的傾斜方向，即如果出現在上下方向，塔筒14在與平行面激光16平行的豎直面內傾斜；而最值出現在左右方向，則意味著塔筒14在平行面激光16垂直的豎直面內傾斜。除此之外，實際情形可能更為復雜，即最值不僅僅出現在上下或左右方向，說明塔筒14在與平行面激光16平行或垂直的豎直面內都有傾斜。

[0068] 為了估計塔筒或電荷耦合元件10的傾斜量或傾斜角度，基于差值矩陣 中最值(較大/較小值)出現的位置，在豎直和水平方向各選取與其相鄰的5列和5行數據，做累加處理(如下所示)以構建M×1的列矩陣和1×N的行矩陣。

[0069][0070][0071] 其中i1與i2分別為最值出現位置的列序數與行序數。[0072] 將以上兩個矩陣繪制光強度分布一維圖，并對第1天的數據 做相同的處理，直接進行對比。參考圖4，根據光強突變出現的位置的變化數量，結合圖3列出了豎直方向的傾斜角度計算方法，水平方向上的傾斜監(jiān)測與傾斜角度β計算與之類似。

[0073][0074][0075] 其中n+和n_分別為圖3中因塔筒14傾斜分別進入和離開平行面激光16照射區(qū)域的像素的數量；l為單個感光二極管15的尺寸。

[0076] 對比n+和n_的數值，可以判斷塔筒14是發(fā)生了沉降(n+＝n_，m+＝m_)、傾斜(n+≠n_，m+≠m_)或是沉降與傾斜單一/同時發(fā)生(結合n+和n_，m+和m_的比較情況)。

[0077] 若只是發(fā)生了傾斜，得到了塔筒14在與平行面激光16平行與垂直的豎直面內的傾斜角(α與β)，推算出塔筒14的整體傾斜角度γ，如下所示：[0078] γ＝arccos(cosα×cosβ)[0079] 需要說明的是，以上所述僅為本發(fā)明實施方式的一部分，根據本發(fā)明所描述的系統(tǒng)所做的等效變化，均包括在本發(fā)明的保護范圍內。本發(fā)明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實例做類似的方式替代，只要不偏離本發(fā)明的結構或者超越本權利要求書所定義的范圍，均屬于本發(fā)明的保護范圍。