張 偉， 劉 雷， 陳偉偉

1. 上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070 2. 上海電氣電站設(shè)備有限公司 發(fā)電機(jī)廠 上海 200240

1 設(shè)計(jì)背景

發(fā)電機(jī)定子鐵心是發(fā)電機(jī)的重要部件，其片間壓力及分布是影響定子制造質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)，壓力分布情況直接影響定子的使用壽命。目前，國(guó)內(nèi)發(fā)電機(jī)廠家在生產(chǎn)發(fā)電機(jī)定子鐵心時(shí)均由人工或機(jī)器進(jìn)行硅鋼片的疊裝。整個(gè)發(fā)電機(jī)定子鐵心由幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)個(gè)硅鋼片環(huán)形疊加而成，由于硅鋼片的尺寸誤差等原因，定子鐵心疊片間存在壓力分布不均等現(xiàn)象，因此在疊裝過(guò)程中需要進(jìn)行片間壓力監(jiān)測(cè)及補(bǔ)償[1-3]。

當(dāng)前，定子加工工藝中需要對(duì)定子進(jìn)行冷熱壓，傳統(tǒng)片間壓力監(jiān)測(cè)方法為在硅鋼片間放置壓鉛后疊加到一定高度，借助冷熱壓工藝對(duì)未成形定子進(jìn)行加壓，然后拆掉壓鉛上面的硅鋼片，取出壓鉛，觀察壓鉛被壓情況，并采用人工經(jīng)驗(yàn)制訂補(bǔ)償方案。這種方法存在工作量大、人工成本高、效率低、誤差大等多種問(wèn)題，而且在制造過(guò)程中無(wú)法對(duì)片間壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并做出調(diào)整[4-6]。

筆者研究了發(fā)電機(jī)定子鐵心片間壓力監(jiān)測(cè)的意義及生產(chǎn)環(huán)境，選定適用于環(huán)境的壓力傳感器，設(shè)計(jì)硬件采集系統(tǒng)，并基于LabVIEW軟件設(shè)計(jì)了一套用于發(fā)電機(jī)定子鐵心片間壓力監(jiān)測(cè)的傳感器標(biāo)定系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了壓力傳感器輸出電阻值與所受壓力值的轉(zhuǎn)換，將多個(gè)傳感器合理內(nèi)置于定子鐵心疊片間后即可實(shí)現(xiàn)定子鐵心片間壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，這一標(biāo)定系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)傳感器標(biāo)定的同時(shí)，能夠降低傳感器的測(cè)量誤差。

2 標(biāo)定系統(tǒng)硬件

2.1 傳感器

FlexiForce生產(chǎn)的一種薄膜型撓性印制電路，可用于集成應(yīng)用?；贔lexiForce電路的FlexiForce傳感器具有紙一樣的超薄結(jié)構(gòu)，能夠隨意彎折扭曲，同時(shí)還能在一些特殊環(huán)境下保持良好的測(cè)力性能，這使得它在測(cè)量面接觸壓力時(shí)有極大優(yōu)勢(shì)。FlexiForce HT201-H型傳感器如圖1所示。

圖1 FlexiForce HT201-H型傳感器

FlexiForce HT201-H型傳感器厚度為 0.203mm，感應(yīng)區(qū)域是直徑為9.53mm的圓，測(cè)量最大壓力值為440N，是發(fā)電機(jī)定子鐵心片間壓力平均值的兩倍多。這一傳感器的工作溫度為-9～204℃，完全滿足發(fā)電機(jī)定子鐵心內(nèi)熱壓工藝中最高溫度150℃的要求。傳感器的線性度誤差為總量程的1.2%，相對(duì)測(cè)量誤差為5%左右，同時(shí)這一傳感器符合嵌入發(fā)電機(jī)定子內(nèi)所需的安全性等其它要求。

綜上所述，F(xiàn)lexiForce HT201-H型傳感器可以在發(fā)電機(jī)定子鐵心成形的冷熱壓等工藝環(huán)境下進(jìn)行片間壓力監(jiān)測(cè)[7-8]。

2.2 硬件采集系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)整個(gè)定子鐵心疊片間壓力分布監(jiān)測(cè)，選用98個(gè)FlexiForce HT201-H型傳感器合理布置在同一層定子圓周上。這一傳感器為壓阻式傳感器，其供應(yīng)商雖然提供了一套單通道的傳感器輸出電阻轉(zhuǎn)換為電壓的調(diào)制模塊和采集軟件，但是軟件只能顯示采集到的數(shù)據(jù)，無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合及數(shù)據(jù)保存。當(dāng)前市面上能夠采集電阻的采集卡并不多，因此根據(jù)上述要求，筆者設(shè)計(jì)了一套硬件采集系統(tǒng)。

硬件采集系統(tǒng)主要包括PXIe-1082型機(jī)箱、PXIe-8840型控制器、PXI-4071型萬(wàn)用表及 PXIe-2575 型復(fù)接器。

PXIe-8840型控制器為雙槽高價(jià)值嵌入式控制器，將這一控制器集成至PXIe-1082型機(jī)箱，構(gòu)成一個(gè)輕巧型、高性價(jià)比的平臺(tái)。在平臺(tái)上可根據(jù)使用需要安裝Windows操作系統(tǒng)，開發(fā)采集程序。PXI-4071型萬(wàn)用表為7位半數(shù)字萬(wàn)用表，可采集電壓、電流及電阻，在保持精確性和穩(wěn)定測(cè)量精度的同時(shí)，處理速率尤為出眾，可達(dá)1.8MS/s。PXIe-2575型復(fù)接器為高密度多路復(fù)用器開關(guān)模塊，有196路一線通道或98路兩線通道兩種配置，能將數(shù)百個(gè)信號(hào)分路到測(cè)量設(shè)備或從信號(hào)源進(jìn)行信號(hào)分路，最大切換速度可達(dá)到每秒140周。

根據(jù)采集方案，將98個(gè)傳感器分組后，將每組傳感器的信號(hào)輸出線與PXIe-2575型復(fù)接器配備的接線端子連接，復(fù)接器依次將每個(gè)傳感器的信號(hào)傳輸至PXI-4071型萬(wàn)用表。在采集軟件中對(duì)采集頻率、采集時(shí)間等設(shè)置后，由PXI-4071型萬(wàn)用表對(duì)各傳感器的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，再由采集軟件對(duì)各通道采集到的信號(hào)值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并分別顯示，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器的多通道測(cè)量。硬件采集系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 硬件采集系統(tǒng)

3 標(biāo)定系統(tǒng)軟件

通過(guò)設(shè)計(jì)硬件采集系統(tǒng)解決了使用大量壓阻式傳感器的多通道數(shù)據(jù)采集問(wèn)題，然而由于每個(gè)傳感器的壓阻特性都不相同，即傳感器受到同樣的壓力時(shí)輸出的電阻值不相同，因此需要針對(duì)每個(gè)傳感器的壓阻特性建立輸出電阻值與所受壓力值的函數(shù)關(guān)系[9-10]。用于發(fā)電機(jī)定子鐵心片間壓力監(jiān)測(cè)的傳感器標(biāo)定系統(tǒng)軟件界面如圖3所示。

圖3 標(biāo)定系統(tǒng)軟件界面

標(biāo)定系統(tǒng)軟件主要有三大模塊： 數(shù)據(jù)記錄模塊、數(shù)據(jù)擬合模塊、數(shù)據(jù)驗(yàn)證和存儲(chǔ)模塊。數(shù)據(jù)記錄模塊主要采集傳感器在所受到特定壓力后輸出的電阻值，為確保被測(cè)值的準(zhǔn)確性，程序采集在同一壓力下的多個(gè)電阻值并求出平均值。數(shù)據(jù)擬合模塊主要提供所計(jì)算的電阻平均值與傳感器所受壓力值之間的擬合公式。數(shù)據(jù)驗(yàn)證和存儲(chǔ)模塊主要驗(yàn)證通過(guò)公式轉(zhuǎn)換后的壓力值是否與真實(shí)壓力值相近，并將擬合公式按傳感器編號(hào)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，在后期開發(fā)的定子鐵心片間壓力監(jiān)測(cè)軟件中可根據(jù)傳感器編號(hào)直接調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)中的擬合公式，計(jì)算并顯示壓力值。

基于標(biāo)定系統(tǒng)功能分析，將系統(tǒng)的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)為生產(chǎn)者與消費(fèi)者架構(gòu)，程序主要有三個(gè)循環(huán)： 主循環(huán)響應(yīng)用戶在界面上的操作，并控制采集過(guò)程；采集循環(huán)在接收主循環(huán)中傳遞的指令后，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集操作；事務(wù)處理循環(huán)處理主循環(huán)中發(fā)出的除采集外的其它指令，如數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)擬合及數(shù)據(jù)保存等[11-13]。標(biāo)定系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖4所示。

圖4 標(biāo)定系統(tǒng)軟件架構(gòu)

4 標(biāo)定試驗(yàn)

由于傳感器的特性，其相對(duì)輸出誤差在5%以內(nèi)，因此在標(biāo)定試驗(yàn)中使用同一個(gè)傳感器分別用供應(yīng)商提供的標(biāo)定系統(tǒng)和筆者設(shè)計(jì)的標(biāo)定系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。試驗(yàn)使用東莞市智取精密儀器有限公司生產(chǎn)的 Q-22A 型壓力機(jī)對(duì)FlexiForce HT201-H型傳感器進(jìn)行施壓，該壓力機(jī)的最大壓力值為 1000N，試驗(yàn)使用標(biāo)定FlexiForce HT201-H型傳感器的專用壓頭。記錄壓力機(jī)分別施壓100N、200N、300N、400N時(shí)的傳感器輸出值，兩套標(biāo)定系統(tǒng)的輸出值及擬合公式見表1。

表1 標(biāo)定系統(tǒng)對(duì)比

將各自的擬合數(shù)據(jù)輸入各自標(biāo)定系統(tǒng)補(bǔ)償模塊，都能直接顯示傳感器所受壓力值。為驗(yàn)證標(biāo)定系統(tǒng)的補(bǔ)償效果，重新使用壓力機(jī)向傳感器施加100N、200N、300N、400N的力，并記錄輸出壓力值，兩套標(biāo)定系統(tǒng)的輸出壓力值及誤差見表2。

表2 標(biāo)定系統(tǒng)壓力值及誤差

通過(guò)大量對(duì)比試驗(yàn)表明，筆者設(shè)計(jì)的標(biāo)定系統(tǒng)與供應(yīng)商提供的標(biāo)定系統(tǒng)相比，測(cè)量誤差更小，同時(shí)筆者設(shè)計(jì)的標(biāo)定系統(tǒng)可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，擬合結(jié)果自動(dòng)保存，為傳感器的使用提供了便利。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)了一套用于發(fā)電機(jī)定子鐵心片間壓力監(jiān)測(cè)的傳感器標(biāo)定系統(tǒng)，這一標(biāo)定系統(tǒng)具有軟件界面友好、測(cè)量誤差小、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，解決了定子鐵心片間因工作環(huán)境惡劣無(wú)法直接進(jìn)行壓力分布監(jiān)測(cè)等難點(diǎn)。同時(shí)，這一標(biāo)定系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)擬合和保存等功能，適用于其它類型的壓阻式傳感器標(biāo)定，為后期壓力分布監(jiān)測(cè)軟件的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

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