手持激光測量技術(shù)在水電站檢修中的應(yīng)用

陳學(xué)仁

（福建水口發(fā)電集團(tuán)有限公司，福建 福州 350000）

0 引言

激光測量技術(shù)包含內(nèi)容比較多，如激光干涉測量技術(shù)、激光衍射測量技術(shù)、激光準(zhǔn)直及多自由度測量技術(shù)、激光三維視覺測量技術(shù)、激光掃描測徑技術(shù)等。

在水電站機(jī)械檢修過程中，主要用到激光跟蹤儀。激光跟蹤儀可測量空間的三維坐標(biāo)，具有高精度、高效率、實(shí)時跟蹤測量、安裝快捷、操作簡便等特點(diǎn)，適合于大尺寸工件配裝測量，但同時設(shè)備較昂貴。

針對現(xiàn)有激光測量技術(shù)設(shè)備昂貴、成本高的問題，本文對目前激光測量技術(shù)進(jìn)行了探究，結(jié)合水電站檢修過程中的測量問題，進(jìn)行適用性分析。發(fā)現(xiàn)目前在激光測量過程中應(yīng)用到的線激光測量技術(shù)及三角測距方法，能夠在部分水電站檢修項(xiàng)目中應(yīng)用，且成本較低。同時，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，采用無線傳輸?shù)姆椒?，進(jìn)一步提高了使用的便捷性。

1 線激光及三角測距方法

三角測距法即光源、被測物面、光接收系統(tǒng)三點(diǎn)共同構(gòu)成一個三角形光路，由激光器發(fā)出的光線，經(jīng)過匯聚透鏡聚焦后入射到被測物體表面上；光接收系統(tǒng)接收來自入射點(diǎn)處的散射光，并將其成像在光電位置探測器敏感面上，通過光點(diǎn)在成像面上的位移來測量被測物面移動距離的一種測量方法。單點(diǎn)式激光三角法測量可分為直射式和斜射式兩種結(jié)構(gòu)，光源與光接收系統(tǒng)如何設(shè)置主要按測試目標(biāo)的要求、測量系統(tǒng)構(gòu)造等靈活選擇。直射式激光三角法原理如下所示（見圖1）。激光器發(fā)射的平行光線經(jīng)過會聚透鏡聚焦后形成一束光，該光束垂直射到被測物體表面；待測目標(biāo)面的相對移動或其表面變化都會導(dǎo)致入射光點(diǎn)沿入射光軸前后移動。測量激光的散射光經(jīng)接收透鏡垂直照射到光電位置探測器上，如果入射光點(diǎn)在光電探測器形成了位移，則待測目標(biāo)面沿軸方向的相對位移為如圖所示（見圖1）。

圖1 測量原理示意圖

依據(jù)三角測距法的位置關(guān)系，可根據(jù)下式計(jì)算：

式中，a為入射光點(diǎn)與接收透鏡入光點(diǎn)的距離，b為接收透鏡入光點(diǎn)到成像面的垂直距離，θ為入射激光光軸與接收透鏡光軸的夾角。

2 水電站應(yīng)用場景分析

根據(jù)線激光測量的相關(guān)原理，結(jié)合水電站檢修過程中存在的工藝要求，手持式激光測量儀器適用的場景比較廣泛。

2.1 機(jī)組推中心各段軸與固定部件間隙測量

水輪發(fā)電機(jī)組軸線測量調(diào)整是機(jī)組安裝檢修的一個重要內(nèi)容。軸線調(diào)整的意義是使機(jī)組軸線、機(jī)組中心線以及主軸放置中心線三條線的理想狀態(tài)是各自鉛直且重合。理想狀態(tài)下，在三條線重合的條件下，機(jī)組旋轉(zhuǎn)過程中將不產(chǎn)生擺度；但實(shí)際過程中，三線合一是不可能的，只能保證各線的偏移在合理的范圍內(nèi)。主軸靜止?fàn)顟B(tài)的中心線與固定部分機(jī)組中心線測量調(diào)整，即機(jī)組推中心，是每次檢修必須要完成的工作。

機(jī)組推中心的過程中，首要就是測量各段軸與固定部分的間隙。通常包含：定子與轉(zhuǎn)子空氣間隙，轉(zhuǎn)輪室與葉片間隙（軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組）、上下迷宮環(huán)間隙（混流式機(jī)組）、導(dǎo)流錐處與主軸法蘭間隙。通過各間隙的測量，分析得出當(dāng)前主軸所處位置。根據(jù)具體情況，推動主軸，使其盡量往機(jī)組中心線上靠。

但在實(shí)際操作過程中，存在一些問題：一是測量空間受限，很多尺寸測量的空間較小，如導(dǎo)流錐部分，人員需要匍匐前行，屬于受限空間，工作環(huán)境惡劣，測量不便。二是測量采用傳統(tǒng)工具，導(dǎo)流錐、轉(zhuǎn)輪室等部位采用塞尺測量，在測量過程中存在人為誤差。由于測量部位銹蝕腐蝕嚴(yán)重，塞尺通常測量1到2個方位后就出現(xiàn)了彎折現(xiàn)象，再次測量的時候就會出現(xiàn)誤差?？諝忾g隙測量采用傳統(tǒng)的木楔子和千分尺間接測量，測量速度較慢。在日常檢修過程中，小型機(jī)組往往測量空間狹小，并要時刻防止物品遺落在轉(zhuǎn)子上。三是測量數(shù)據(jù)依靠人工統(tǒng)計(jì)分析，需要進(jìn)行計(jì)算，各段計(jì)算結(jié)果無法直觀顯示。

若采用手持式激光測量儀器，則可實(shí)現(xiàn)各段軸與固定部分的間隙測量，如針對導(dǎo)流錐與大軸法蘭保護(hù)罩的間隙測量，則可采用激光測量方式（見圖2）。

圖2 測量過程示意圖

2.2 設(shè)備安裝前的尺寸校驗(yàn)

在設(shè)備安裝前，需要對設(shè)備尺寸進(jìn)行驗(yàn)收，確認(rèn)是否符合要求。在裝配前，可利用激光測量方法，簡易測量組合面的尺寸。在軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)操作架安裝前，可測量操作架組合面的尺寸，與耳柄的尺寸進(jìn)行復(fù)核。在操作架與活塞桿銷釘尺寸復(fù)核中，可測量操作架和活塞桿上銷釘孔的深度；然后測量所配銷釘?shù)拈L度，進(jìn)而判斷銷釘尺寸是否符合要求，如尺寸不符合，應(yīng)進(jìn)行加工。在以往該項(xiàng)目施工過程中，由于沉孔底部的加工痕跡比較明顯，底部位置無法與銷釘配合，有可能導(dǎo)致銷釘尺寸偏長，影響裝配質(zhì)量。在使用激光測量輪廓的情況下，能夠識別出部分表面加工誤差，進(jìn)而提供銷釘加工的最優(yōu)尺寸。

3 主要實(shí)現(xiàn)方式

要實(shí)現(xiàn)激光測量技術(shù)應(yīng)用，需進(jìn)行一定的硬件開發(fā)、軟件開發(fā)和無線傳輸模塊的配置。

3.1 硬件開發(fā)

在激光測量硬件模塊上，一般設(shè)計(jì)依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路，主要將手持式激光測距儀硬件平臺按照功能分為3大模塊：信號發(fā)生模塊、信號接收放大模塊以及信號運(yùn)算處理模塊（見圖3）。

圖3 系統(tǒng)研發(fā)原理示意圖

目前，在硬件上，激光測量已有相當(dāng)成熟的設(shè)備了，但大部分技術(shù)均在在線測量領(lǐng)域，主要用在生產(chǎn)車間、流水線上，通過在流水線上安裝激光測量傳感器，識別產(chǎn)品的加工誤差。由于流水線上的傳感器與產(chǎn)品的位置相對固定，激光傳感器可調(diào)整固定后安裝。而對于手持式激光測量設(shè)備，就需要對初始的值進(jìn)行整定，這就不便于應(yīng)用。新的方法是采用測量支架的方式，摒棄激光傳感器非接觸性質(zhì)，在傳感器上安裝特殊支架，支架與被測量工件接觸后，再進(jìn)行測量。特殊支架尺寸已經(jīng)內(nèi)置于系統(tǒng)中，用于傳感器初值整定。

3.2 軟件研發(fā)

由于目前激光測量模塊均帶有軟件，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，開發(fā)專門針對水電站機(jī)械檢修的相關(guān)模塊，并利用此模塊進(jìn)行檢修過程中的輔助決策。

3.3 無線傳輸模塊研發(fā)

在無線傳輸模塊研發(fā)中，主要是將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于激光測距儀中。無 線 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是一組傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，這些傳感器節(jié)點(diǎn)由處理器、存儲器、接收器、感知單元、電池組成，使得傳感器節(jié)點(diǎn)具有感知、計(jì)算和通信能力。

此外在無線模塊研發(fā)中，要充分考慮現(xiàn)場實(shí)際環(huán)境，由于受限空間的影響，部分應(yīng)用環(huán)境需要額外增加中繼天線。在實(shí)際試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)在水輪機(jī)層至發(fā)電機(jī)層中存在信號傳輸薄弱的問題，需要在主要通道上安裝中繼。

4 結(jié)論

本文進(jìn)行激光測量技術(shù)研究，并結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)，得出在水電站檢修過程中，手持式激光測量技術(shù)能夠有效應(yīng)用在水電站機(jī)械檢修中，但目前仍有一些問題仍需進(jìn)一步解決：一是為提高精度，需要在硬件研發(fā)中增加特殊支架，此支架的設(shè)計(jì)還需結(jié)合實(shí)際測量，不太便利。二是在整體硬件封裝上，如果需要成為工業(yè)化的成品，成本較高。三是在無線信號傳輸?shù)倪^程中，部分封閉、半封閉環(huán)境下，需要額外安裝路由。

目前，相關(guān)技術(shù)還在持續(xù)的研究中，通過細(xì)化，持續(xù)改善，相關(guān)問題將持續(xù)被解決。