用于发电机定子铁心片间压力监测的传感器标定系统

张 伟， 刘 雷， 陈伟伟

1. 上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 200070 2. 上海电气电站设备有限公司 发电机厂 上海 200240

1 设计背景

发电机定子铁心是发电机的重要部件，其片间压力及分布是影响定子制造质量的关键参数，压力分布情况直接影响定子的使用寿命。目前，国内发电机厂家在生产发电机定子铁心时均由人工或机器进行硅钢片的叠装。整个发电机定子铁心由几万至几十万个硅钢片环形叠加而成，由于硅钢片的尺寸误差等原因，定子铁心叠片间存在压力分布不均等现象，因此在叠装过程中需要进行片间压力监测及补偿[1-3]。

当前，定子加工工艺中需要对定子进行冷热压，传统片间压力监测方法为在硅钢片间放置压铅后叠加到一定高度，借助冷热压工艺对未成形定子进行加压，然后拆掉压铅上面的硅钢片，取出压铅，观察压铅被压情况，并采用人工经验制订补偿方案。这种方法存在工作量大、人工成本高、效率低、误差大等多种问题，而且在制造过程中无法对片间压力进行实时监测并做出调整[4-6]。

笔者研究了发电机定子铁心片间压力监测的意义及生产环境，选定适用于环境的压力传感器，设计硬件采集系统，并基于LabVIEW软件设计了一套用于发电机定子铁心片间压力监测的传感器标定系统，实现了压力传感器输出电阻值与所受压力值的转换，将多个传感器合理内置于定子铁心叠片间后即可实现定子铁心片间压力实时监测。通过试验验证，这一标定系统在实现传感器标定的同时，能够降低传感器的测量误差。

2 标定系统硬件

2.1 传感器

FlexiForce生产的一种薄膜型挠性印制电路，可用于集成应用。基于FlexiForce电路的FlexiForce传感器具有纸一样的超薄结构，能够随意弯折扭曲，同时还能在一些特殊环境下保持良好的测力性能，这使得它在测量面接触压力时有极大优势。FlexiForce HT201-H型传感器如图1所示。

图1 FlexiForce HT201-H型传感器

FlexiForce HT201-H型传感器厚度为 0.203mm，感应区域是直径为9.53mm的圆，测量最大压力值为440N，是发电机定子铁心片间压力平均值的两倍多。这一传感器的工作温度为-9～204℃，完全满足发电机定子铁心内热压工艺中最高温度150℃的要求。传感器的线性度误差为总量程的1.2%，相对测量误差为5%左右，同时这一传感器符合嵌入发电机定子内所需的安全性等其它要求。

综上所述，FlexiForce HT201-H型传感器可以在发电机定子铁心成形的冷热压等工艺环境下进行片间压力监测[7-8]。

2.2 硬件采集系统

为实现整个定子铁心叠片间压力分布监测，选用98个FlexiForce HT201-H型传感器合理布置在同一层定子圆周上。这一传感器为压阻式传感器，其供应商虽然提供了一套单通道的传感器输出电阻转换为电压的调制模块和采集软件，但是软件只能显示采集到的数据，无法进行数据拟合及数据保存。当前市面上能够采集电阻的采集卡并不多，因此根据上述要求，笔者设计了一套硬件采集系统。

硬件采集系统主要包括PXIe-1082型机箱、PXIe-8840型控制器、PXI-4071型万用表及 PXIe-2575 型复接器。

PXIe-8840型控制器为双槽高价值嵌入式控制器，将这一控制器集成至PXIe-1082型机箱，构成一个轻巧型、高性价比的平台。在平台上可根据使用需要安装Windows操作系统，开发采集程序。PXI-4071型万用表为7位半数字万用表，可采集电压、电流及电阻，在保持精确性和稳定测量精度的同时，处理速率尤为出众，可达1.8MS/s。PXIe-2575型复接器为高密度多路复用器开关模块，有196路一线通道或98路两线通道两种配置，能将数百个信号分路到测量设备或从信号源进行信号分路，最大切换速度可达到每秒140周。

根据采集方案，将98个传感器分组后，将每组传感器的信号输出线与PXIe-2575型复接器配备的接线端子连接，复接器依次将每个传感器的信号传输至PXI-4071型万用表。在采集软件中对采集频率、采集时间等设置后，由PXI-4071型万用表对各传感器的信号数据进行采集，再由采集软件对各通道采集到的信号值进行数据处理，并分别显示，从而实现多个传感器的多通道测量。硬件采集系统如图2所示。

图2 硬件采集系统

3 标定系统软件

通过设计硬件采集系统解决了使用大量压阻式传感器的多通道数据采集问题，然而由于每个传感器的压阻特性都不相同，即传感器受到同样的压力时输出的电阻值不相同，因此需要针对每个传感器的压阻特性建立输出电阻值与所受压力值的函数关系[9-10]。用于发电机定子铁心片间压力监测的传感器标定系统软件界面如图3所示。

图3 标定系统软件界面

标定系统软件主要有三大模块： 数据记录模块、数据拟合模块、数据验证和存储模块。数据记录模块主要采集传感器在所受到特定压力后输出的电阻值，为确保被测值的准确性，程序采集在同一压力下的多个电阻值并求出平均值。数据拟合模块主要提供所计算的电阻平均值与传感器所受压力值之间的拟合公式。数据验证和存储模块主要验证通过公式转换后的压力值是否与真实压力值相近，并将拟合公式按传感器编号保存到数据库中，在后期开发的定子铁心片间压力监测软件中可根据传感器编号直接调取数据库中的拟合公式，计算并显示压力值。

基于标定系统功能分析，将系统的软件架构设计为生产者与消费者架构，程序主要有三个循环： 主循环响应用户在界面上的操作，并控制采集过程；采集循环在接收主循环中传递的指令后，进行数据采集操作；事务处理循环处理主循环中发出的除采集外的其它指令，如数据记录、数据拟合及数据保存等[11-13]。标定系统软件架构如图4所示。

图4 标定系统软件架构

4 标定试验

由于传感器的特性，其相对输出误差在5%以内，因此在标定试验中使用同一个传感器分别用供应商提供的标定系统和笔者设计的标定系统进行标定。试验使用东莞市智取精密仪器有限公司生产的 Q-22A 型压力机对FlexiForce HT201-H型传感器进行施压，该压力机的最大压力值为 1000N，试验使用标定FlexiForce HT201-H型传感器的专用压头。记录压力机分别施压100N、200N、300N、400N时的传感器输出值，两套标定系统的输出值及拟合公式见表1。

表1 标定系统对比

将各自的拟合数据输入各自标定系统补偿模块，都能直接显示传感器所受压力值。为验证标定系统的补偿效果，重新使用压力机向传感器施加100N、200N、300N、400N的力，并记录输出压力值，两套标定系统的输出压力值及误差见表2。

表2 标定系统压力值及误差

通过大量对比试验表明，笔者设计的标定系统与供应商提供的标定系统相比，测量误差更小，同时笔者设计的标定系统可以直接进行数据拟合，拟合结果自动保存，为传感器的使用提供了便利。

5 结束语

笔者设计了一套用于发电机定子铁心片间压力监测的传感器标定系统，这一标定系统具有软件界面友好、测量误差小、自动化程度高等优点，解决了定子铁心片间因工作环境恶劣无法直接进行压力分布监测等难点。同时，这一标定系统具有数据拟合和保存等功能，适用于其它类型的压阻式传感器标定，为后期压力分布监测软件的开发奠定了基础。

[1] 王均馗,尚书鹏,曹磊.大型电机定子硅钢片装配工装装置技术分析[J].科学家,2016,4(11)： 67-68.

[2] 王时龙,魏宏宇,周杰,等.电动机定子自动叠片机结构设计及控制系统研究[J].制造技术与机床,2013(5)： 65-68，71.

[3] 钱强.基于工业机器人的汽轮发电机定子铁心自动叠装系统的研究[D].上海： 上海交通大学,2014.

[4] 沈樑伟,叶国华.大型汽轮发电机定子铁心熔化故障分析[J].大电机技术，2016(6)： 1-5，11.

[5] 张崇阳,徐建伟,陈树义.1000MW机组发电机定子液压提升吊装工艺[J].科技与企业,2014(18)： 132-133.

[6] 罗煜.关于水电站发电机定子现场整体叠片工艺[J].新疆有色金属,2015(1)： 95-96.

[7] RAMGIRE J B, JAGDALE S M. Speech Control Pick and Place Robotic Arm with Flexiforce Sensor[C]. Inventive Computation Technologies(ICICT), International Conference on, Coimbatore, 2016.

[8] NACY S M, TAWFIK M A, BAQER I A. Static and Dynamic Calibration for FlexiForce Sensor Using a Special Purpose Apparatus[J]. Innovative Systems Design and Engineering, 2013, 4(1)： 30-40.

[9] 贺北平,姚秋华,丁禄振.定子铁心片间压力分析研究[J].技术与市场,2016,23(7)： 48-49.

[10] 李俊卿,李和明,董淑惠.汽轮发电机定子铁心端部温度的在线监测[J].电力系统自动化,2004,28(2)： 58-61,82.

[11] 吴勇灵,陈秀霞,潘晓慧,等.基于LabVIEW的单通道温度监测系统设计[J].电子科技,2016,29(6)： 157-159，163.

[12] 孙筱，陈梅，张燕.基于LabVIEW的挤塑成型过程温度控制系统[J].仪表技术与传感器，2013(1)： 50-51，101.

[13] 李占军，祁宇明.基于LabVIEW的温度采集系统设计[J].机械制造，2017，55(11)： 86-87，98.