胡 珂，龔 俊，何 智

（蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

1 引言

槽式太陽能光熱發(fā)電是收集太陽光輻射加熱導(dǎo)熱介質(zhì)直接驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的技術(shù)[1]。該光熱發(fā)電系統(tǒng)主要由聚光集熱系統(tǒng)，換熱系統(tǒng)，發(fā)電系統(tǒng)，蓄熱系統(tǒng)和輔助能源系統(tǒng)五部分構(gòu)成[2]。截止2010 年，全世界槽式光熱發(fā)電已經(jīng)占到所有光熱發(fā)電的90%[3]。該發(fā)電模式按反光鏡支架不同主要分為3類：扭矩框式，扭矩盒式，扭矩管式[4]。國內(nèi)多采用扭矩管式。扭矩管式反光鏡支架由八塊連接板和支撐臂組成，其中兩塊扭矩管連接板，三塊反光鏡內(nèi)連接板，三塊外連接板。反光鏡支架體積大，焊接在支架上的八塊連接板在加工過程中很難保證連接板面的位置精度，加工后的面最終產(chǎn)生空間的平移和角度傾轉(zhuǎn)。具體影響按連接板性質(zhì)不同分為兩類：（1）反光鏡連接板在與反光鏡裝配連接后導(dǎo)致鏡面發(fā)生變形；（2）扭矩管連接板面平移偏轉(zhuǎn)后與扭矩管的剛性連接使得整個(gè)支架變形，導(dǎo)致整張鏡面發(fā)生扭轉(zhuǎn)，反射光線不能反射至集熱器上，集熱效率下降。研究表明，由幾何誤差引起的能量損失達(dá)到了全部系統(tǒng)能量損失的60%以上，其中大部分因?yàn)橹Ъ艿膸缀握`差[5]。因此，槽式光熱發(fā)電反光鏡支架連接板面位置精度的檢測對(duì)整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)具有重要意義。

目前，針對(duì)空間平面位置精度檢測的方法有：2016年，文獻(xiàn)[6]提出了基于Stewart 平臺(tái)的空間平面靜態(tài)位置檢測方法，利用激光傳感器測量與計(jì)算Stewart 平臺(tái)三個(gè)點(diǎn)的空間位置求得一個(gè)平面靜態(tài)空間位置。2005年，文獻(xiàn)[7]基于電磁感應(yīng)原理提出了一種平面位置感測系統(tǒng)，并分析了測量原理與算法。2011年，文獻(xiàn)[8]為解決槽式太陽能支架測量問題采用近景攝影測量技術(shù)研制出QFOTO在線測量系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)槽式太陽能聚光器支架在線快速精確測量。2016年，天津某研發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制造了基于接觸式檢測法的槽式光熱支架檢測模具，通過人工塞入塞規(guī)檢測間隙大小。該方法效率低，精度差，難以滿足要求。

2 比較測量法檢測原理

針對(duì)檢測支架體積大，八個(gè)連接板面間隔跨距大，基于支架整體檢測精度很難保證。為此，我們提出的比較測量法，即以一個(gè)非常理想的標(biāo)準(zhǔn)件作為理想的檢測面，通過檢測其八個(gè)連接板面的空間位置，以此數(shù)據(jù)作為所建坐標(biāo)系的零位置，然后，將檢測到的實(shí)際支架待測面位置代入標(biāo)準(zhǔn)面的坐標(biāo)系中作比較，求得間隙值。對(duì)此，我們標(biāo)定了檢測坐標(biāo)并建立了計(jì)算模型。

2.1 連接板面誤差源分析

槽式光熱發(fā)電反光鏡連接支架共有八塊連接板，標(biāo)號(hào)順序，如圖1所示。其中兩塊扭矩管連接板位于同一平面π1上，π2平面上的兩塊連接板和π3平面的一塊連接板固定連接著內(nèi)側(cè)反光鏡；π4平面兩塊連接板和π5平面的一塊連接板固定連接著外側(cè)反光鏡。

連接板的誤差示意圖，如圖2所示。標(biāo)準(zhǔn)面在空間位置平移一段距離△h后，到達(dá)平移標(biāo)準(zhǔn)面，而后繞平面內(nèi)過幾何中心的一條軸線旋轉(zhuǎn)Δθ角。由此產(chǎn)生最大間隙dmax和最小間隙dmin。間隙使得反光鏡裝配誤差變大，進(jìn)而導(dǎo)致與連接板連接的反光鏡支點(diǎn)處發(fā)生變形；而處于π1平面的兩塊扭矩管連接板則直接整個(gè)支架變形，導(dǎo)致整張反光鏡發(fā)生扭轉(zhuǎn)，降低集熱效率。

圖2 連接板面的誤差示意圖Fig.2 Schematic Diagram of the Error of the Connecting Plate

2.2 比較測量法的幾何計(jì)算關(guān)系

傳感器檢測頭在反光鏡連接面上的測點(diǎn)位置，如圖3所示。圖中三個(gè)測點(diǎn)的位置呈等腰直角三角形分布，在坐標(biāo)軸方向上相隔30mm。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)面的幾何坐標(biāo)關(guān)系Fig.3 Geometric Coordinate Relationship of Standard Faces

當(dāng)位于檢測頭上的幾何中心點(diǎn)捕捉源對(duì)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)面的幾何中心點(diǎn)pi時(shí)，以此時(shí)檢測頭位置中心為基準(zhǔn)建立笛卡爾直角坐標(biāo)系，如圖3所示。由此確定各點(diǎn)的坐標(biāo)關(guān)系為：

式中：zi1，zi2，zi3—PSD位移傳感器的距離；i=1，2表示扭矩管連接板面，i=3，4，5，6，7，8表示反光鏡連接板面，以下文中表示方法與此相同。

同理待測面的標(biāo)定點(diǎn)坐標(biāo)為：

式中：Pi1、Pi2、Pi3—連接板面的檢測點(diǎn)。

法向量單位化，根據(jù)公式：

如圖4所示，Oi1Oi2Oi3—待測面上測得的三個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，Oi—待測面上的幾何中心點(diǎn)，h—平移間隙，j—旋轉(zhuǎn)間隙，在XOY平面移動(dòng)檢測頭，當(dāng)幾何中心點(diǎn)捕捉源對(duì)準(zhǔn)幾何中點(diǎn)時(shí)，即可確定此時(shí)標(biāo)定點(diǎn)坐標(biāo)。

圖4 槽式支架連接板標(biāo)準(zhǔn)面與待測面的幾何計(jì)算關(guān)系Fig.4 Geometric Calculation Relationship Between Standard Surface and Surface to be Tested

由點(diǎn)到平面的距離公式：d=。結(jié)合式（3）代入點(diǎn)到平面距離公式的一般式中，計(jì)算得：

平移標(biāo)準(zhǔn)面繞l軸線旋轉(zhuǎn)變?yōu)榇郎y面，旋轉(zhuǎn)夾角即兩個(gè)平面的單位法向量的夾角。

在平移標(biāo)準(zhǔn)面上過幾何中心點(diǎn)Oi作l的垂線交于B點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)后該點(diǎn)處于A點(diǎn)，此時(shí)AOi即待測面內(nèi)過Oi垂直于l的垂線；過A點(diǎn)作BOi垂線交于C點(diǎn)，此時(shí)構(gòu)成△Oi AC，E點(diǎn)為過Oi點(diǎn)垂直于長邊的垂足，如圖5所示。因?yàn)榕ぞ毓苓B接板是（180×70）mm矩形，反光鏡連接板為（100×45）mm 的矩形，我們用連接板幾何中心到連接板其中一角D的距離DOi代替直線AOi的距離。

圖5 旋轉(zhuǎn)間隙的幾何計(jì)算關(guān)系Fig.5 Geometric Calculation Relationship of Rotating Gap

即待測面的實(shí)際旋轉(zhuǎn)間隙位：

已知扭矩管|DOi|=96.566反光鏡連接板|DOi|=54.829，代入式（6）中可確定扭矩管旋轉(zhuǎn)間隙j=96.566·sinθ，反光鏡旋轉(zhuǎn)間隙j=54.829·sinθ。

連接板面的位置發(fā)生傾轉(zhuǎn)，一角遠(yuǎn)離標(biāo)準(zhǔn)面，相對(duì)角則靠近標(biāo)準(zhǔn)面，為此，產(chǎn)生待測面與標(biāo)準(zhǔn)面之間的最大間隙dmax和最小間隙dmin。

則扭矩管連接板面間隙計(jì)算關(guān)系為：

反光鏡連接板面間隙：

3 檢測儀器的研制

槽式光熱發(fā)電反光鏡支架連接板面的位置精度檢測采用基于理想標(biāo)準(zhǔn)件的比較測量法。與以往的基于雙目視覺和投影圓提出的非接觸式測量方法[9]和應(yīng)用斜射式光學(xué)三角法針對(duì)平面度迭代測量的方法[10]不同。我們假定車刀一次加工成的連接板面擁有理想的標(biāo)準(zhǔn)平面度，將支架夾持于檢測臺(tái)上，檢測滑臺(tái)移動(dòng)保證幾何中心基準(zhǔn)源對(duì)準(zhǔn)連接板面幾何中心點(diǎn)；高精度位移傳感器記錄檢測數(shù)據(jù)；結(jié)合開發(fā)的專用檢測軟件可以快速顯示此時(shí)傳感器數(shù)據(jù)以及計(jì)算出各檢測面的位置數(shù)據(jù)。并以檢測到的標(biāo)準(zhǔn)件檢測數(shù)據(jù)作為坐標(biāo)零點(diǎn)，即每次標(biāo)準(zhǔn)件檢測是校準(zhǔn)歸零過程。檢測系統(tǒng)由高精度二維移動(dòng)滑臺(tái)、非接觸式PSD微位移組合檢測頭和我們自身編寫的檢測軟件組成。

支架檢測臺(tái)，如圖6所示。為落地支撐架式結(jié)構(gòu)，每個(gè)連接板位置下裝有高精度二維平面滑臺(tái)，X軸行程范圍100mm，Y軸行程范圍100mm，檢測頭運(yùn)行速度30mm/s。

圖6 高精度槽式支架檢測臺(tái)Fig.6 High Precision Trough Support Test Bench

位移傳感器檢測頭裝置由非接觸式PSD微位移光電型傳感器，XOY坐標(biāo)二維滑臺(tái)，信息通信和處理模塊組成，如圖7所示。三組位移傳感器中通過延長受光部分與受光元件（CMOS）之間的光路長度，從而可獲得精度更高、更穩(wěn)定的測量值，內(nèi)部安裝的新型反射鏡光學(xué)系統(tǒng)，縮短進(jìn)深方向的尺寸；源數(shù)據(jù)模擬電壓（0～5）V輸出，測量中心距離50mm，量程30mm，光束直徑約?70um，重復(fù)精度可達(dá)30um；同時(shí)高精度CMOS影像傳感器，使用獨(dú)特的算法，保證了距離設(shè)定反射型傳感器的高精度。

圖7 非接觸式微位移傳感器Fig.7 Non-Contact Micro Displacement Sensor

在如圖8所示的專用檢測軟件控制下先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件檢測進(jìn)行原始數(shù)據(jù)采集，校準(zhǔn)歸零建立基準(zhǔn)檢測坐標(biāo)系，而后對(duì)待測支架進(jìn)行檢測，針對(duì)反光鏡檢測頭，滑臺(tái)在XOY平面移動(dòng)待測面保證幾何中心點(diǎn)重合于組合式檢測頭中心點(diǎn)，記錄滑臺(tái)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件在X軸和Y軸的位移值，以及探頭輸出的模擬量電壓（扭矩管檢測頭滑臺(tái)在XOZ平面移動(dòng)，記錄X軸和Z軸位移值）。經(jīng)軟件計(jì)算，得到所檢測到的最大間隙和最小間隙，誤差允許值和合格性判斷等信息，如表1所示。

圖8 槽式支架檢測專用軟件Fig.8 Trough Bracket Detection Software

表1 第8號(hào)反光鏡標(biāo)準(zhǔn)面檢測數(shù)據(jù)Tab.1 Mirror Standard Surface Inspection Data

4 實(shí)驗(yàn)與誤差分析

因?yàn)檫B接板面數(shù)量多，為方便驗(yàn)證該檢測儀的準(zhǔn)確性，我們選取檢測某一扭矩管式反光鏡支架，對(duì)8號(hào)反光鏡連接板面檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行測量誤差分析。

4.1 支架檢測實(shí)驗(yàn)

檢測儀針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件的8號(hào)反光鏡連接面進(jìn)行檢測，如表1所示。由采集到的模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到位移數(shù)據(jù)。每個(gè)傳感器在檢測位置連續(xù)采樣10次，求得平均值作為最終檢測數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)件測得數(shù)據(jù)作為坐標(biāo)系零點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，因此檢測頭在XOY平面的位移量均為零。檢測儀對(duì)待測件8號(hào)反光鏡連接板面檢測得到的數(shù)據(jù)，如表2所示。xi，yi為待測面幾何中點(diǎn)在XOY平面相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件幾何中心點(diǎn)位置的位移值。

表2 第8號(hào)反光鏡待測面檢測數(shù)據(jù)Tab.2 Mirror Standard Surface Inspection Data

由于在每次實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)距離測量中我們的重復(fù)測量次數(shù)為10次，所以計(jì)算得到的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差不是標(biāo)準(zhǔn)偏差的無偏估計(jì)，也就避免了測量系統(tǒng)的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差[11-12]。將測得的數(shù)據(jù)代入式（7）中，求得平移間隙0.419mm，旋轉(zhuǎn)間隙0.951mm，最小間隙dmin=0.532mm；而該檢測件通過接觸式人工測量，最大允許誤差為0.6mm，檢測結(jié)果為0.5mm塞尺可以勉強(qiáng)塞入，而0.6mm塞尺不能塞入，即人工測量間隙為0.5mm ≤d≤0.6mm。因此通過快速檢測儀檢測儀檢測得結(jié)果精度達(dá)到0.001mm，小于最大誤差允許值，檢測結(jié)果滿足要求。

4.2 檢測儀的檢測精度分析

經(jīng)分析，槽式支架連接板面非接觸式快速測量儀的測量誤差主要為以下三點(diǎn)：（1）對(duì)實(shí)際支架的檢測以標(biāo)準(zhǔn)件為檢測基準(zhǔn)，而標(biāo)準(zhǔn)件本身加工產(chǎn)生的誤差不可避免，標(biāo)準(zhǔn)件的加工精度直接決定著所檢測得槽式支架的檢測精度。為此，要提高檢測儀的檢測精度，需保證標(biāo)準(zhǔn)件的加工精度；（2）檢測頭移動(dòng)滑臺(tái)在移動(dòng)對(duì)準(zhǔn)待測面的幾何中心過程中，直接影響著待測面幾何中心點(diǎn)到標(biāo)準(zhǔn)面的平移間隙，滑臺(tái)本身精度±0.001mm，而連接板面與理想面見的間隙主要由待測面的傾轉(zhuǎn)引起，因此，滑臺(tái)本身精度滿足，對(duì)最小間隙影響不大，最終檢測不確定度小于±0.01mm。

通過非接觸式快速測量系統(tǒng)對(duì)天津?yàn)I海光熱有限公司生產(chǎn)制造的槽式支架檢測選取了三十副合格件，與槽式反光鏡連接，測量單塊聚光單元光線截?cái)嘁蜃悠骄_(dá)0.983，相比于人工接觸式測量合格件連接的聚光鏡高出0.028。

5 結(jié)束語

（1）基于標(biāo)準(zhǔn)件與待測件檢測平面的比較測量法，我們研制出了國內(nèi)第一套槽式光熱發(fā)電反光鏡支架連接板面位置精度非接觸式快速測量系統(tǒng)，檢測精度優(yōu)于0.01mm，經(jīng)檢測的合格支架極大地保證了反光鏡的截?cái)嘁蜃印?/p>

（2）與以往的人工接觸式測量相比較，該檢測系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)包括了理想面位置，標(biāo)準(zhǔn)面位置實(shí)際待測面位置，最大最小間隙，允許誤差范圍，合格性判斷等。真實(shí)反映了待檢測支架的連接板面的位置精度。同時(shí)該系統(tǒng)檢測速度快，精度高，非接觸式檢測，結(jié)果準(zhǔn)確，直觀，在國內(nèi)槽式反光鏡支架檢測方面未見同類報(bào)道，因此對(duì)槽式光熱電站建設(shè)運(yùn)行具有重要意義。