手持激光测量技术在水电站检修中的应用

陈学仁

（福建水口发电集团有限公司，福建 福州 350000）

0 引言

激光测量技术包含内容比较多，如激光干涉测量技术、激光衍射测量技术、激光准直及多自由度测量技术、激光三维视觉测量技术、激光扫描测径技术等。

在水电站机械检修过程中，主要用到激光跟踪仪。激光跟踪仪可测量空间的三维坐标，具有高精度、高效率、实时跟踪测量、安装快捷、操作简便等特点，适合于大尺寸工件配装测量，但同时设备较昂贵。

针对现有激光测量技术设备昂贵、成本高的问题，本文对目前激光测量技术进行了探究，结合水电站检修过程中的测量问题，进行适用性分析。发现目前在激光测量过程中应用到的线激光测量技术及三角测距方法，能够在部分水电站检修项目中应用，且成本较低。同时，结合现场实际，采用无线传输的方法，进一步提高了使用的便捷性。

1 线激光及三角测距方法

三角测距法即光源、被测物面、光接收系统三点共同构成一个三角形光路，由激光器发出的光线，经过汇聚透镜聚焦后入射到被测物体表面上；光接收系统接收来自入射点处的散射光，并将其成像在光电位置探测器敏感面上，通过光点在成像面上的位移来测量被测物面移动距离的一种测量方法。单点式激光三角法测量可分为直射式和斜射式两种结构，光源与光接收系统如何设置主要按测试目标的要求、测量系统构造等灵活选择。直射式激光三角法原理如下所示（见图1）。激光器发射的平行光线经过会聚透镜聚焦后形成一束光，该光束垂直射到被测物体表面；待测目标面的相对移动或其表面变化都会导致入射光点沿入射光轴前后移动。测量激光的散射光经接收透镜垂直照射到光电位置探测器上，如果入射光点在光电探测器形成了位移，则待测目标面沿轴方向的相对位移为如图所示（见图1）。

图1 测量原理示意图

依据三角测距法的位置关系，可根据下式计算：

式中，a为入射光点与接收透镜入光点的距离，b为接收透镜入光点到成像面的垂直距离，θ为入射激光光轴与接收透镜光轴的夹角。

2 水电站应用场景分析

根据线激光测量的相关原理，结合水电站检修过程中存在的工艺要求，手持式激光测量仪器适用的场景比较广泛。

2.1 机组推中心各段轴与固定部件间隙测量

水轮发电机组轴线测量调整是机组安装检修的一个重要内容。轴线调整的意义是使机组轴线、机组中心线以及主轴放置中心线三条线的理想状态是各自铅直且重合。理想状态下，在三条线重合的条件下，机组旋转过程中将不产生摆度；但实际过程中，三线合一是不可能的，只能保证各线的偏移在合理的范围内。主轴静止状态的中心线与固定部分机组中心线测量调整，即机组推中心，是每次检修必须要完成的工作。

机组推中心的过程中，首要就是测量各段轴与固定部分的间隙。通常包含：定子与转子空气间隙，转轮室与叶片间隙（轴流转桨式机组）、上下迷宫环间隙（混流式机组）、导流锥处与主轴法兰间隙。通过各间隙的测量，分析得出当前主轴所处位置。根据具体情况，推动主轴，使其尽量往机组中心线上靠。

但在实际操作过程中，存在一些问题：一是测量空间受限，很多尺寸测量的空间较小，如导流锥部分，人员需要匍匐前行，属于受限空间，工作环境恶劣，测量不便。二是测量采用传统工具，导流锥、转轮室等部位采用塞尺测量，在测量过程中存在人为误差。由于测量部位锈蚀腐蚀严重，塞尺通常测量1到2个方位后就出现了弯折现象，再次测量的时候就会出现误差。空气间隙测量采用传统的木楔子和千分尺间接测量，测量速度较慢。在日常检修过程中，小型机组往往测量空间狭小，并要时刻防止物品遗落在转子上。三是测量数据依靠人工统计分析，需要进行计算，各段计算结果无法直观显示。

若采用手持式激光测量仪器，则可实现各段轴与固定部分的间隙测量，如针对导流锥与大轴法兰保护罩的间隙测量，则可采用激光测量方式（见图2）。

图2 测量过程示意图

2.2 设备安装前的尺寸校验

在设备安装前，需要对设备尺寸进行验收，确认是否符合要求。在装配前，可利用激光测量方法，简易测量组合面的尺寸。在轴流转桨式水轮机操作架安装前，可测量操作架组合面的尺寸，与耳柄的尺寸进行复核。在操作架与活塞杆销钉尺寸复核中，可测量操作架和活塞杆上销钉孔的深度；然后测量所配销钉的长度，进而判断销钉尺寸是否符合要求，如尺寸不符合，应进行加工。在以往该项目施工过程中，由于沉孔底部的加工痕迹比较明显，底部位置无法与销钉配合，有可能导致销钉尺寸偏长，影响装配质量。在使用激光测量轮廓的情况下，能够识别出部分表面加工误差，进而提供销钉加工的最优尺寸。

3 主要实现方式

要实现激光测量技术应用，需进行一定的硬件开发、软件开发和无线传输模块的配置。

3.1 硬件开发

在激光测量硬件模块上，一般设计依据系统设计的思路，主要将手持式激光测距仪硬件平台按照功能分为3大模块：信号发生模块、信号接收放大模块以及信号运算处理模块（见图3）。

图3 系统研发原理示意图

目前，在硬件上，激光测量已有相当成熟的设备了，但大部分技术均在在线测量领域，主要用在生产车间、流水线上，通过在流水线上安装激光测量传感器，识别产品的加工误差。由于流水线上的传感器与产品的位置相对固定，激光传感器可调整固定后安装。而对于手持式激光测量设备，就需要对初始的值进行整定，这就不便于应用。新的方法是采用测量支架的方式，摒弃激光传感器非接触性质，在传感器上安装特殊支架，支架与被测量工件接触后，再进行测量。特殊支架尺寸已经内置于系统中，用于传感器初值整定。

3.2 软件研发

由于目前激光测量模块均带有软件，可在此基础上进行二次开发，开发专门针对水电站机械检修的相关模块，并利用此模块进行检修过程中的辅助决策。

3.3 无线传输模块研发

在无线传输模块研发中，主要是将无线传感器网络应用于激光测距仪中。无 线 传 感 器 网 络（Wireless Sensor Network，WSN）是一组传感器节点以自组织的方式构成的无线网络，这些传感器节点由处理器、存储器、接收器、感知单元、电池组成，使得传感器节点具有感知、计算和通信能力。

此外在无线模块研发中，要充分考虑现场实际环境，由于受限空间的影响，部分应用环境需要额外增加中继天线。在实际试验过程中，发现在水轮机层至发电机层中存在信号传输薄弱的问题，需要在主要通道上安装中继。

4 结论

本文进行激光测量技术研究，并结合现场试验，得出在水电站检修过程中，手持式激光测量技术能够有效应用在水电站机械检修中，但目前仍有一些问题仍需进一步解决：一是为提高精度，需要在硬件研发中增加特殊支架，此支架的设计还需结合实际测量，不太便利。二是在整体硬件封装上，如果需要成为工业化的成品，成本较高。三是在无线信号传输的过程中，部分封闭、半封闭环境下，需要额外安装路由。

目前，相关技术还在持续的研究中，通过细化，持续改善，相关问题将持续被解决。