基础环倾斜角监测系统及方法与流程

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种基础环倾斜角监测系统及方法。

背景技术：

风力发电机组通常由上部的机舱、叶片，中部的钢结构塔筒1和下部的钢筋混凝土基础4组成(图1)。钢结构塔筒与钢筋混凝土基础的联结有多种形式，其中基础环式联结是目前我国风机基础的主要联结形式(图2)。钢制基础环2在混凝土浇筑前预先固定调平，待混凝土浇筑养护后，再通过螺栓3与上部塔筒1联结，具体地，结合图3，基础环上法兰21与塔筒上法兰11通过螺栓3连接。在风机运行过程中，塔筒发生摆动和扭转，基础环需要承受塔筒传递过来的往复弯矩和扭矩，并将弯矩和扭矩通过基础环侧壁22(与混凝土的粘结)和基础环下法兰23(与混凝土的粘结、咬合)传递给混凝土。在这种往复荷载的长期作用下，基础环侧壁22与基础环下法兰23附近混凝土易发生疲劳破坏，从而导致该区域混凝土破碎、脱空(图4)，致使塔筒倾斜超标。

风机基础环相对于大地水平面的倾斜会导致风机塔筒倾斜，倾斜过大会导致风机发生安全事故。因此需要对基础环的倾斜角度实施定期监测，以了解风机基础的安全状况。

风机在静止时，基础环平面与大地水平面的夹角，称为静态倾角αs。

风机在运行后，基础环发生晃动，基础环平面与大地水平面的夹角随时间变化，这个变化的夹角称为动态倾角αd，t时刻的动态倾角为αd(t)。

目前的监测方法中，静态倾角需要通过水准仪或全站仪测量；动态倾角的测量，需要在基础环环周若干测点布置竖向位移传感器，监测基础环各测点相对于混凝土基础的垂直位移变化，进而计算出各时刻基础环平面相对混凝土基础的倾角，并通过动态倾角仪测量混凝土基础与大地水平面的倾角，再合成求解动态倾角。由于风机内部有电缆、设备等装置，基础环的圆心区域通常没有仪器操作空间，导致在基础环内部通过建立极坐标系来确定测点位置的方法费时费力。综上所述，现有监测方法需要的仪器数量众多、测量过程繁琐、对操作人员的专业能力要求高，而风场所处地理环境大都偏远恶劣，因此监测成本高昂。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种简单方便地方法或系统以监测基础环相对水平面的倾斜角，且倾斜角的计算更加准确。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种基础环倾斜角监测系统及方法。

本发明提出一种基础环倾斜角监测的方法，包括以下步骤：

s1、取基础环内的任意点a为原点建立xy平面与水平面平行的三维坐标系xyz；

s2、选取基础环的侧壁内表面同一高度的三个待测点：b、c和d，且待测点b在x值为正数的xz平面内、c在y值为正数的yz平面内，d在x值为负数的xz平面内；x正轴、y正轴、x负轴与基础环的交点分别为b、c和d，测量a到b、a到c和a到d的距离，获得待测点b、c和d三点的x、y轴坐标值；

s3、测量任意时刻t待测点b与b、待测点c与c、待测点d与d的距离，分别作为b、c和d的z轴坐标值，从而得到点b、c和d的三维坐标值；

s4、根据b、c和d三点在t时刻的三维坐标值获取由b、c和d三点构成的基础环平面在t时刻的空间方程，根据所述空间方程获取所述基础环平面与三维坐标系中xy平面在t时刻的夹角

优选地，在步骤s3中，所述测量任意时刻t待测点b与b、待测点c与c、待测点d与d的距离是通过拍摄任意时刻t具有待测点b、c和d以及设于待测点周边的刻度标靶的图像分析获得。

更优选地，在步骤s3中，所述通过拍摄任意时刻t具有待测点b、c和d以及设于待测点周边的刻度标靶的图像分析获得进一步包括：通过将所述刻度标靶的刻度图像与图像中点b、c和d至原点a的垂直距离进行图像分析对比，确定点b、c和d在垂直方向相对原点a的位移，从而获得点b、c和d在z轴方向的坐标值。

优选地，在步骤s4中，所述基础环平面与xy平面在任意t时刻的夹角根据如下公式计算得到：

优选地，在步骤s2中，选取基础环上法兰与塔筒下法兰的接触面上的点作为所述待测点。

优选地，在步骤s4之后还包括通过电子陀螺仪获取xy平面在任意时刻t与水平面的夹角

本发明还提出一种基础环倾斜角监测系统，包括三个光学组件、图像处理机构和数据处理机构；

三个所述光学组件固定于圆板上并位于同一水平面，三个所述光学组件包括第一光学组件、第二光学组件和第三光学组件，其中所述第一光学组件与所述第二光学组件相背并位于同一轴线上，第三光线组件与所述轴线垂直；

所述光学组件包括水准仪、激光发射器、测距仪和摄像机，所述激发发射器安装于所述水准仪的上表面，所述测距仪安装于所述激光发射器的上表面，所述激光发射器和测距仪用于获取基础环侧壁上的待测点三维坐标中的x和y坐标，所述水准仪固定于所述圆板上；

所述摄像机安装于所述水准仪的目镜和物镜之间，所述摄像机对准所述水准仪的目镜，水准仪的目镜获取待测点的图像，其中，所述图像中包括待测点及设于待测点周边的刻度标靶，所述摄像机用于同步拍摄所述图像；

所述摄像机与所述图像处理机构通讯连接，所述图像处理机构用于接受并处理所述图像获取待测点的z坐标；

所述数据处理机构与所述图像处理机构通讯连接，所述数据处理机构用于处理三个所述待测点的三维坐标获取由三个待测点构成的平面与三个光学组件构成的平面的夹角。

优选地，还包括安装架，所述圆板与所述安装架连接。

进一步地，所述安装架包括三脚架。

优选地，还包括电子陀螺仪，所述电子陀螺仪安装于所述水准仪上，所述电子陀螺仪与所述数据处理机构通讯连接，所述电子陀螺仪用于获取任意时刻t三个光学组件构成的平面与水平面的夹角。三个光学组件的原始位置调平后与水平面在同一平面，故通过电子陀螺仪获取三个光学组件的转动角，即可得知三个光学组件构成的平面与水平面的夹角。

本发明与现有技术对比的有益效果包括：利用基础环内的任意点a为原点建立xy平面与水平面平行的三维坐标系，选取基础环的侧壁内表面同一高度的三个待测点：b、c和d，且待测点b在x值为正数的xz平面内、c在y值为正数的yz平面内，d在x值为负数的xz平面内，从而待测点b、d的y坐标为0，待测点c的x坐标为0；x正轴、y正轴、x负轴与基础环的交点分别为b、c和d，测量a到b、a到c和a到d的距离，即获得待测点b、c和d三点的x、y轴坐标值，也不需要特意的选取基础环内的圆心作为原点，另外通过图像采集装置拍摄具有点b、c和d和设于b、c、d周边的刻度标靶的图像，获得三点在z轴方向任意t时刻的坐标，若基础环发生倾斜，基础环的倾角通常小于0.005rad，忽略b、c、d点x、y坐标值的变化不影响求解精度，因此对于三个待测点来说，只有z轴坐标会发生改变，通过图像采集装置拍照可时刻监测待测点z轴坐标值，从而得到任意时刻t的基础环平面的空间方程，若混凝土基础通过空间方程可时刻监测基础环平面与xy平面的夹角若不考虑混凝土基础倾斜，基础环发生倾斜，xy平面与水平面平行，因此，仅需拍摄图像即可获知任意时刻基础环相对水平面的倾斜角αd(t)，在该方法可实现简单方便地监测基础环相对水平面的倾斜角。

若考虑发生倾斜混凝土基础，则还需要通过电子陀螺仪xy平面在任意时刻t与水平面的夹角基础环相对水平面的倾斜角

本发明提出的基础环倾斜角监测系统由三个光学组件、图像处理机构及数据处理机构组成，光学组件中的第一光学组件与所述第二光学组件相背并位于同一轴线上，第三光线组件与所述轴线垂直，实际上，由三个光学组件构成了以三个光学原件为原点，第一光学组件和第二光学组件所在轴线为x轴，第三光学组件x轴垂直的线为y轴，另外经过光学组件且垂直x轴和y轴的线为z轴的三维坐标，激光发射器和测距仪可获取侧壁上的待测点在三维坐标中的x和y坐标，水准仪与摄像机的结合可以获取待测点在任意t时刻的图像，图像处理机构与摄像机通讯连接，根据待测点周边的刻度标靶即可获得待测点的z坐标，从而得到三个待测点的三维坐标，数据处理机构与图像处理机构通讯连接，处理三个所述待测点的三维坐标获取由三个待测点构成的平面与三个光学组件构成的平面的夹角，若不考虑混凝土基础发生倾斜，夹角即为基础环相对水平面的倾斜角αd(t)，三个光学组件的位置关系确定了三维坐标的原点和待测点的x坐标和y坐标，从而可随意在塔筒内放置该光学组件，不需要寻找某个固定的安装位置，从而方便监测基础环的倾斜角。

若考虑混凝土基础发生倾斜，进一步包括电子陀螺仪，所述电子陀螺仪设于安装于所述水准仪上，所述电子陀螺仪与所述数据处理机构通讯连接，所述电子陀螺仪用于获取任意时刻t三个光学组件构成的平面与水平面的夹角基础环相对水平面的倾斜角

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为风机结构示意图。

图2为基础环结构示意图。

图3为基础环与塔筒接触处的结构示意图。

图4为周围混凝土遭到破坏的基础环结构示意图。

图5为实施例中基础环倾斜角监测系统中光学组件结构示意图。

图6为实施例中基础环倾斜角监测系统中光学组件结构示意图。

图7为实施例中基础环倾斜角监测系统放置于基础环中的示意图。

图8为实施例中基础环倾斜角监测系统构建的xy平面的示意图。

图9为实施例中静止的风机结构示意图。

图10为实施例中运行中的风机结构示意图。

图11为实施例中三个待测点的图像示意图。

图12为实施例中待测点b和d与坐标系的位置关系示意图。

图13为实施例中待测点c与坐标系的位置关系示意图。

图14为实施例中基础环倾斜角监测系统的结构示意图。

附图标记说明：0、基础环倾斜角监测系统；1、塔筒；11、塔筒下法兰；12、刻度标靶；2、基础环；21、基础环上法兰；211、基础环上法兰的上表面；22、基础环侧壁；23、基础环下法兰；3、螺栓；4、混凝土基础；51、第一光学组件；511、目镜；512、物镜；513、水平丝；514、垂直丝；515、目镜镜头框；52、第二光学组件；53、第三光学组件；54、圆板；6、安装架。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

结合图5-7和图14本实施例提出一种基础环倾斜角监测系统，包括三个光学组件、图像处理机构和数据处理机构；

三个所述光学组件固定于圆板54上并位于同一水平面，三个所述光学组件包括第一光学组件51、第二光学组件52和第三光学组件53，其中第一光学组件51与第二光学组件52相背并位于同一轴线上，第三光线组件53与所述轴线垂直；

光学组件包括水准仪、激光发射器、测距仪和摄像机，所述激发发射器安装于所述水准仪的上表面，所述测距仪安装于所述激光发射器的上表面，所述激光发射器和测距仪用于获取基础环侧壁上的待测点三维坐标中的x和y坐标，所述水准仪固定于圆板54上；

所述摄像机安装于所述水准仪的目镜511和物镜512之间，所述摄像机对准所述水准仪的目镜511，水准仪的目镜511获取待测点的图像，其中，所述图像中包括待测点及设于待测点周边的刻度标靶12，所述摄像机用于同步拍摄所述图像；

所述摄像机与所述图像处理机构通讯连接，所述图像处理机构用于接受并处理所述图像获取待测点的z坐标；

所述数据处理机构与所述图像处理机构通讯连接，所述数据处理机构用于处理三个所述待测点的三维坐标获取由三个待测点构成的平面与三个光学组件构成的平面的夹角。

本实施例的系统还包括安装架6，所述圆板安装于所述安装架上；此外，本实施例中的安装架为三脚架。

本实施例的系统还包括电子陀螺仪，所述电子陀螺仪安装于所述水准仪上，所述电子陀螺仪与所述数据处理机构通讯连接，所述电子陀螺仪用于获取任意时刻t三个光学组件构成的平面与水平面的夹角。所述数据处理机构进一步接受电子陀螺仪测得的夹角数据，仅数据处理机构处理获取基础环的倾斜角。

本实施例中的测距仪采用激光测距器。

本实施例中，摄像机和电子陀螺仪都含有存储盘，采集的图片或数据可存储在存储盘中再传至数据处理机构。

本实施例还提出一种采用上述系统的基础环倾斜角监测方法，结合图7，将上述系统中的光学组件放置于基础环内，建立三维坐标体系，确定好待测点进行监测，具体包括以下步骤：

s1、取基础环内的任意点a为原点建立xy平面与水平面平行的三维坐标系xyz。

s2、第一光学组件51与第二光学组件52相背并位于同一轴线上，第三光线组件53与所述轴线垂直，垂角的位置即为三维坐标系的原点a，结合图12和13，选取基础环的侧壁内表面同一高度的三个待测点：b、c和d，且待测点b在x值为正数的xz平面内、c在y值为正数的yz平面内，d在x值为负数的xz平面内；x正轴、y正轴、x负轴与基础环的交点分别为b、c和d，测量a到b、a到c和a到d的距离，获得待测点b、c和d三点的x、y轴坐标值。其中，本实施例三个待测点选取基础环上法兰与塔筒下法兰的接触面(即基础环上法兰的上表面211)上的点；在其他实施例中，也可以选取其他的基础环的侧壁内表面同一高度的三个待测点。

需要说明的是，基础环的侧壁内表面同一高度的三个待测点b、c和d三点中的同一高度只考虑基础环本身的高度，例如在基础环上法兰的上表面取的三个待测点就是基础环的侧壁内表面同一高度的三个待测点。

s3、测量任意时刻t待测点b与b、待测点c与c、待测点d与d的距离，分别作为b、c和d的z轴坐标值；具体地，摄像机拍摄具有点b、c和d和设于b、c、d周边的刻度标靶的图像，数据处理机构通过将所述刻度标靶的刻度图像与图像中点b、c和d至原点a的垂直距离进行图像分析对比，确定点b、c和d在垂直方向相对原点a的位移，获取点b、c和d在z轴方向任意t时刻的坐标，从而得到点b、c和d的三维坐标值，并得到三个待测点的三维坐标分别为(ab|,0,zb(t)),(0,|ac|,zc(t)),(-|ad|,0,zd(t))。

在其他实施例中，可通过激光测距或者位移传感器获取三个待测点b、c和d在z轴方向的位移。

s4、根据b、c和d三点在t时刻的三维坐标获取由b、c和d三点构成的基础环平面在t时刻的空间方程，根据所述空间方程获取所述基础环平面与水平面在t时刻的夹角α(t)。所述基础环平面与水平面在任意t时刻的夹角α(t)的计算公式为

上述方法的原理如下：

如图7和8，当风机静止时，在基础环内部任意平面位置确定a点，a点高度与基础环上表面高度接近。以a点为原点，通过基础环倾斜角监测系统建立与水平面平行的三维坐标系。

如图9，风机在静止状态下，通过调平水准仪使得xy平面与大地水平面在同一平面，调平后的三维坐标xyz在混凝土基础上的位置固定不变(三维坐标xyz与混凝土基础共同运动)。此时基础环平面与xy平面的夹角是静态倾角αs。调平水准仪的方法为通用的调水平泡的方法调至与水平面在同一平面，此处不再详细阐述。

如图10，风机在运行过程中的某时刻t，混凝土基础相对其静止位置发生了变化，此时三维坐标系中的xy平面也会发生变化，t时刻的xy平面与其原始位置(水平面)的夹角为t时刻的基础环平面与t时刻的xy平面的夹角为则有

如图11所示，图像中包括目镜镜头框515、垂直丝514、水平丝513、塔筒下法兰11、基础环上法兰21、基础环上法兰的上表面211、刻度标靶12；三维坐标系中的x坐标轴与基础环的交点分别为b、d，y坐标轴与基础环的交点为c，从而通过激光测距仪所测得的距离即为待测点b、c和d至该激光测距仪所在光学组件的距离，基础环倾斜角监测系统中原点a至三个光学组件的距离为固定的常数，从而得知待测点b、c和d至原点a的距离为|ab|、|ac|和|ad|，即可得知三个待测点在x轴和y轴上的坐标。其中|ab|、|ac|、|ad|分别代表ab、ac、ad的长度。结合图11，通过刻度标靶比对，即可知道待测点a、b和c在z轴方向的坐标。

根据b、c、d点在三维坐标系xyz中的坐标值可获得基础环平面的解析式，进而获得基础环平面与xy平面的夹角解析式。

b、c、d点在三维坐标系xyz中的坐标分别为，(xb(t),yb(t),zb(t))，(xc(t),yc(t),zc(t))，(xd(t),yd(t),zd(t))。在实际监测中，基础环的倾角通常小于0.005rad，忽略b、c、d点x、y坐标值的变化不影响求解精度，因此可将其考虑为常数，并有xb(t)＝|ab|，yb(t)＝0，xc(t)＝0，yc(t)＝|ac|，xd(t)＝-|ad|，yb(t)＝0。因此，b、c、d点在三维坐标系xyz中的坐标分别为：(ab|,0,zb(t)),(0,|ac|,zc(t)),(-|ad|,0,zd(t))。

三个坐标不共线，可以组成一个平面。任取平面内的两个不为零的向量为：

求平面的法向量

而大地平面的法向量为

则夹角：

即：

当风机静止时θ(t)＝αs，当风机运行时

此外通过电子陀螺仪测得任意时刻光学组件的倾斜叫就是xy平面相对水平面的倾角的变化，即求得从而得到αd(t)。

本发明的其他一台仪器即可完成静态倾角、第一动态倾角、第二动态倾角的测量。仪器数量少，携带方便；

现场操作流程简单(停止风机、架设仪器、调平、旋转到合适位置、锁定半圆板、粘贴刻度贴，启动图像采集、运行风机)，对现场操作人员的专业能力要求低；

采集的信息保存在仪器硬盘中，数据分析和判断工作可以传输至后台完成，技术人员不需要去现场，大幅降低监测成本；

仪器架设位置根据基础环内空间情况可随意调整。

本发明的其他有益效果：

1、一台仪器即可完成静态倾角、两种动态倾角的测量，仪器数量少，携带方便。

2、现场操作流程简单，基本流程为：停止风机、架设仪器、调平、旋转到合适位置、锁定半圆板、粘贴刻度贴，启动图像采集、运行风机，对现场操作人员的专业能力要求低。

3、采集的信息保存在仪器存储盘中，数据分析和判断工作可以传输至后台数据处理机构完成，技术人员不需要去现场，大幅降低监测成本；仪器架设位置根据基础环内空间情况可随意调整。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。