CN104236585B - 一种波浪浮标的波向检定装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种波浪浮标的波向检定装置，包括波向检定机构、驱动装置、控制器装置及终端控制装置，其中，平摇机构包括主轴、第一齿轮、第二齿轮、曲柄滑块机构、摆杆；第一齿轮与第二齿轮同轴安装于主轴上，平摇机构通过曲柄滑块机构驱动摆杆，带动三维搭载转台的摆动。本发明填补了国内对于波浪浮标、重力加速度式传感器的波向参数的检定试验方法及设备装置的空白。相对于美国NOAA建有的垂直升降式正弦模拟校准装置，具有以下优点：本发明通过巧妙的设计，创造性采用两个单向超越离合器装置实现了三维搭载转台在升降往复运动时实现左右摆动，使得垂直升降正弦运动更接近真实波浪运动规律，且结构设计简单。

Description

一种波浪浮标的波向检定装置

技术领域

本发明涉及海洋波浪浮标计量检定技术领域，具体地说是一种波浪浮标的波向检定装置，用于对多种类波浪浮标或重力加速度传感器的波向进行计量检定，脱离海洋环境，静态模拟海洋波浪正弦运动规律的装置。

背景技术

波浪是海洋水文观测的六大要素之一，也是海水的重要运动形式之一。重力加速度式波浪浮标则是目前使用最广泛的测波浮标之一，随着海洋技术的不断发展，各国对波浪浮标的准确度要求越来越高。现有已研制的检定校准装置大多只可验证浮标是否工作，以及波高、波周期两项参数的校准。而波向是与波高、波周期同等重要的观测量，为了满足波向参数的检定试验能力，波浪浮标的波向检定装置的研发迫在眉睫。

在美国海洋大气局资料浮标中心（NOAA、NDBC）建有垂直升降式正弦模拟校准装置，但其结构复杂，易磨碎部件多，电机负载不均，维护费用较高。

波向检定装置原理的依据是：根据波浪理论，海浪是由多个单一正弦波合成的复杂波形，其表面的水质点在其平衡位置附近作周期性振动，在不同时刻有不同的垂直加速度。测出此加速度，经二次积分后即可得到海浪的垂直位移，重力加速度式波浪浮标就是基于这一原理。因此，要检测重力加速度式波浪浮标的技术参数，就必须模拟波浪运动。而现有公认的波浪浮标检定装置多采用桁架结构（根据桁架结构不同，分为悬臂梁式、双臂式、单环式和双环式），匀速旋转运动来模拟波浪正弦运动，但此类装置存在水平加速度干扰。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种用于对多种类波浪浮标或重力加速度传感器的波向进行计量检定的波浪浮标的波向检定装置。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案是实现的：

一种波浪浮标的波向检定装置，包括波向检定机构、驱动装置、控制器装置及终端控制装置，波向检定机构与驱动装置通过绳索连接，绳索上间隔设置张紧轮组，波向检定机构与控制器装置的输入端连通，驱动装置和终端控制装置分别连接于控制器装置的输出端，所述波向检定机构包括三维搭载平台、平摇机构，其中，平摇机构包括主轴、第一齿轮、第二齿轮、曲柄滑块机构、摆杆；第一齿轮与第二齿轮同轴安装于主轴的一端，曲柄滑块机构安装于主轴的另一端，曲柄滑块机构驱动摆杆带动三维搭载平台摆动。

本申请所述波向检定机构还包括：调平机构、底座、主体框架、配重机构导轨、配重机构、轮组、平衡机构导轨、平衡机构，其中，底座设置在调平机构上，主体框架设置在底座上，主体框架上对称设置第一齿条、第二齿条，第一齿轮与第一齿条啮合，第二齿轮与第二齿条啮合；配重机构导轨和平衡机构导轨分别对称固定在主体框架的两侧；平衡机构通过绳索绕过轮组与三维搭载平台连接，平衡框架能在平衡机构导轨上自由滑动，带动三维搭载平台上下运动；配重机构通过绳索绕过轮组与三维搭载平台连接，配重机构能在配重机构导轨上自由滑动。

本申请所述主轴上安装两个超越离合器，分别与第一齿轮、第二齿轮配合安装，两个超越离合器的安装方向相同。

本申请所述控制器装置包括变频器、PLC、绝对值编码器、限位开关，其中，PLC信号输出端与变频器信号输入端连接，变频器状态信号输出端与PLC连接，绝对值编码器输出信号接入PLC输入端，绝对值编码器的输出信号接入变频器的输入端子，限位开关的输出端接入变频器的输入端子。

本申请所述驱动装置包括编码器、线性滑块滑轨、滚珠丝杆、减速电机、齿轮组和驱动装置支座，其中，减速电机输出动力，经过齿轮组带动滚珠丝杆转动，转变为滚珠丝杆上的丝杆螺母在线性滑块滑轨上的直线滑动，并牵引绳索带动三维搭载平台做上下运动，编码器安装于滚珠丝杆上。

本申请所述终端控制装置包括PC机硬件及测控软件。

本申请通过调节曲柄滑块机构实现三维搭载平台的摆动，三维搭载平台最大摆动角度为±25°。

本发明采用以上技术方案具有如下优点：

本发明所述的一种波浪浮标的波向检定装置，可以精确的模拟波浪正弦特性运动，避免了水平加速干扰，更准确的测量检定波浪浮标的波向参数；波浪浮标在一次装夹完成后，不必装卸即可完成浮标的方位转至下一个检测点。

本发明填补了国内对于波浪浮标、重力加速度式传感器的波向参数的检定试验方法及设备装置的空白。相对于美国NOAA建有的垂直升降式正弦模拟校准装置，具有以下优点：本发明通过巧妙的设计，创造性采用两个单向超越离合器装置实现了三维搭载平台在升降往复运动时实现左右摆动，使得垂直升降正弦运动更接近真实波浪运动规律，且结构设计简单，大大提高了可维护性和可靠性。

本发明采用了新颖的拽引垂直升降测控***方案，提出了一种高效灵活的重力加速式传感器浮标的波向检定新方法和新体制。

附图说明

图1为波浪浮标的波向检定装置构成示意图；

图2为检定机构与驱动装置的结构示意图；

图3为正弦特性波形示意图；

图4为正弦特性上升摆动原理图；

图5为正弦特性下降摆动原理图；

图6为图4的A向视图；

图中：1—三维搭载平台、2—平摇机构、10—波向检定机构、11—驱动装置、12—控制器装置、13—终端控制装置、101—调平机构、102—底座、103—主体框架、104—配重机构导轨、105—配重机构、106—绳索、107—轮组、108—平衡机构导轨、109—平衡机构、110—张紧轮组、111—编码器、112—线性滑块滑轨、113—滚珠丝杆、114—减速电机、115—齿轮组、116—驱动装置支座、117—第一齿条、118—主轴、119—第二齿条、120—第一齿轮、121—第二齿轮、122—超越离合器、123—曲柄滑块机构、124—摆杆。

具体实施方式

测量波向是利用波高倾斜传感器配合位于其上方的方位传感器进行波向参数的测量。当浮标随波面发生倾斜时，垂摆绕其摆心保持“铅直状态”，垂摆位角不同，摆轴做顺时针或逆时针转动。通过测量摆轴的转角大小和方向就可以得到浮标随波面纵倾和横倾两组参数，利用这两组参数便可以计算出浮标倾斜的方位角，这个方位角也反映了波面倾斜的方向。然而通过测量摆轴旋转角度和方向计算出来的这个波面倾斜方向，是相对于波倾传感器自身测量基线的方向。这个相对方向经由方位传感器测得的浮标方位对传感器基线做校正，最后得到波面倾斜的地磁方向。

如图1所示，本发明所述的一种波浪浮标的波向检定装置包括波向检定机构10、驱动装置11、控制器装置12、终端控制装置13，波向检定机构10与驱动装置11通过绳索106连接，绳索106上间隔设置张紧轮组110，波向检定机构10与控制器装置12的输入端连接，驱动装置11和终端控制装置13分别连接在控制器装置12的输出端。

如图2所示，本发明所述的驱动装置11包括编码器111、线性滑块滑轨112、滚珠丝杆113、减速电机114、齿轮组115和驱动装置支座116，其中，减速电机114输出动力，经过齿轮组115带动滚珠丝杆113转动，转变为丝杆螺母在线性滑块滑轨112上的直线滑动，通过拖拽绳索106带动三维搭载平台1做上下运动，编码器111安装于滚珠丝杆113上。驱动装置11坐落在驱动装置支座116上。

控制器装置12包括变频器、PLC、绝对值编码器、限位开关；终端控制装置13则包括PC机硬件及测控软件，终端控制装置13与PLC通过通讯端子相连，PLC信号输出端与变频器信号输入端连接，变频器控制信号输出端与减速电机114连接，变频器状态信号输出端与PLC连接，用于测量三维搭载平台1的摆动角度，绝对值编码器输出信号接入PLC输入端，安装于滚珠丝杆113一端，用于测量减速电机114转速的绝对值编码器输出信号接入变频器输入端子，用于实现三维搭载平台1垂直升降的限位开关的输出端接入变频器输入端子，以此控制减速电机114的正反转。通过齿轮组115的传动，滚珠丝杆113的正反转带动其上的螺母在线性导轨上往复运动，拉动绳索106拽拉三维搭载平台1，实现0.8m波高上下往复匀速运动。

如图2所示，所述波向检定机构10包括三维搭载平台1、平摇机构2，平摇机构2包括第一齿轮120、第二齿轮121、曲柄滑块机构123、摆杆124、主轴118，其中，第一齿轮120与第二齿轮121同轴安装于主轴118的一端，曲柄滑块机构123安装于主轴118的另一端，平摇机构2通过曲柄滑块机构123驱动摆杆124，带动三维搭载平台1的摆动，如图6所示。

所述波向检定机构10还包括调平机构101、底座102、主体框架103、配重机构导轨104、轮组107、平衡机构导轨108、平衡机构109，其中，底座102设置在调平机构101上，主体框架103设置在底座102上，主体框架103上对称设置第一齿条117、第二齿条119，第一齿轮120与第一齿条117啮合，第二齿轮121与第二齿条119啮合；配重机构导轨104和平衡机构导轨108分别对称固定在主体框架103的两侧；平衡机构109通过绳索106绕过轮组107与三维搭载平台1连接，平衡框架109能在平衡机构导轨108上自由滑动，带动三维搭载平台1上下运动。

在装配三维搭载平台1和平摇机构2时，需注意在上下往复行程最低点位置，三维搭载平台1应处于水平状态。

优选地，为了减轻减速电机114的负载，所述波向检定机构10上设置配重机构105，配重机构105通过绳索106绕过轮组107与三维搭载平台1连接，配重机构105能在配重机构导轨104上自由滑动。配重机构105需根据三维搭载平台1的自重及被检浮标的重量进行增减配重块，以保证两侧重量大致相等，减少减速电机114的负载。

为实现波浪浮标或是重力加速度式传感器一次装夹，不需多次装卸即可完成波向检测点的转换（即浮标方位周向转动）。本发明方案采取将三维搭载平台1分为方位旋转机构和浮标组合装夹机构组成。浮标组合装夹机构可装夹直径0.4m到0.9m不同尺寸的波浪浮标，也可加装固定板用于装夹、检测重力加速度式传感器。详细可见“一种检测波浪浮标的专用夹具”专利申请。方位旋转机构是安装在三维搭载平台1上的可旋转装置，并在三维搭载平台1上刻有360度刻度。

优选地，本发明上述方位旋转机构最小调节旋转角度为5°，并能方便、快捷地进行定位、锁紧固定。

优选地，如图6所示，第一齿轮120与第二齿轮121安装在同一主轴118上，通过超越离合器122连接，超越离合器122的安装方向相同；第一齿轮120和第一齿条117啮合，第二齿轮121和第二齿条119啮合，采用2片齿轮配2个超越离合器122与2根齿条分别啮合实现。齿轮与主轴118一同升降。

由图3所示的正弦波可知，本方案的垂直升降正弦波浪模拟装置，在最低、最高点时，需使得三维搭载平台1处于水平状态；在上升过程中，三维搭载平台1先是逆时针摆动至中点时角度最大，然后顺时针摆动至最高点时处于水平状态；而在下降过程中，三维搭载平台1先是顺时针摆动至中点时角度最大，然后逆时针回摆至最低点时再次处于水平状态，此时为一个升降摆动周期，即为波周期，而升降行程则是波高。

为了更逼真的模拟出正弦运动规律的波浪，本方案采用一个动力源带动三维搭载平台1做上下升降运动，而平摇机构2实现了三维搭载平台1的升降运动与摆动建立联系。

如图4所示，平摇机构2其上齿轮和主体框架103上固定的齿条啮合，利用自身上下运动，通过曲柄滑块机构123，将摆动齿轮的圆周运动转化为摆杆124的摆动运动，使平摇机构2实现摆动动作，通过调节曲柄滑块机构123中滑块离摆动齿轮旋转中心的距离实现摆动角度的调节，这样就同步实现了三维搭载平台1的升降运动与摆动建立联系。

如图4、5所示，三维搭载平台1位于最高点和最低点时，平摇机构2也正好处于0°位置，当升降机构完成一个周期的运动时，平摇机构2也同步完成一个周期的平摇（摆动）运动。

如图4所示，上升过程中，起始位置时摆杆为0°，第一齿轮120和第一齿条117啮合，随着主轴118上升，第一齿轮120顺时针旋转，带动曲柄顺时针转动，当主轴118上升800mm时第一齿轮120转动半圈，使摆杆124又处于水平位置。此过程中第二齿轮121和第二齿条119啮合，第二齿轮121逆时针转动，由于安装超越离合器122，第二齿轮121不能驱动齿轮中心轴转动，即不能驱动曲柄滑块机构123转动。

三维搭载平台1上下往复运动的同时带动齿轮上下运动，同时与齿条齿合带动齿轮转动；因同向安装的超越离合器122的作用，三维搭载平台1上下运动过程中，只有一对齿轮与齿条齿合以带动主轴118转动。

如图5所示，当下降时，第二齿轮121和第二齿条119啮合，使第二齿轮121顺时针转动，使曲柄继续顺时针转动，下降到最低点时曲柄滑块机构123处于水平位置，摆杆124也处于水平位置；在此过程中第一齿轮120和第一齿条117啮合，第一齿轮120逆时针转动，由于安装超越离合器122，第一齿轮120不能驱动齿轮中心轴转动，即不能驱动曲柄滑块机构123转动。上升时摆杆124向下摆动20°，下降时摆杆124向上摆动20°，为一个周期。

进一步地，本发明上述主体框架103及其上所有的零部件材料均使用铝型材或是奥氏体不锈钢等非导磁性材质，以避免对浮标传感器的干扰。

优选地，本发明上述驱动装置11因含有磁性材料，需远离波向检定机构10m以上，通过不锈钢绳索传递动力。

优选地，本发明上述平摇机构2中的曲柄滑块机构123最大调节摆动角度不得小于±25°，以确保技术要求的±20°摆动的实现。

上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种波浪浮标的波向检定装置，其特征在于，包括波向检定机构（10）、驱动装置（11）、控制器装置（12）及终端控制装置（13），波向检定机构（10）与驱动装置（11）通过绳索（106）连接，绳索（106）上间隔设置张紧轮组（110），波向检定机构（10）与控制器装置（12）的输入端连通，驱动装置（11）和终端控制装置（13）分别连接于控制器装置（12）的输出端，所述波向检定机构（10）包括三维搭载平台（1）、平摇机构（2），其中，平摇机构（2）包括主轴（118）、第一齿轮（120）、第二齿轮（121）、曲柄滑块机构（123）、摆杆（124）；第一齿轮（120）与第二齿轮（121）同轴安装于主轴（118）的一端，曲柄滑块机构（123）安装于主轴（118）的另一端；曲柄滑块机构（123）驱动摆杆（124）带动三维搭载平台（1）摆动。

2.根据权利要求1所述的一种波浪浮标的波向检定装置，其特征在于，波向检定机构（10）还包括：调平机构（101）、底座（102）、主体框架（103）、配重机构导轨（104）、配重机构（105）、轮组（107）、平衡机构导轨（108）、平衡机构（109），其中，底座（102）设置在调平机构（101）上，主体框架（103）设置在底座（102）上，主体框架（103）上对称设置第一齿条（117）、第二齿条（119），第一齿轮（120）与第一齿条（117）啮合，第二齿轮（121）与第二齿条（119）啮合；配重机构导轨（104）和平衡机构导轨（108）分别对称固定在主体框架（103）的两侧；平衡机构（109）通过绳索（106）绕过轮组（107）与三维搭载平台（1）连接，平衡框架（109）能在平衡机构导轨（108）上自由滑动，带动三维搭载平台（1）上下运动；配重机构（105）通过绳索（106）绕过轮组（107）与三维搭载平台（1）连接，配重机构（105）能在配重机构导轨（104）上自由滑动。

3.根据权利要求2所述的一种波浪浮标的波向检定装置，其特征在于，所述主轴（118）上安装两个超越离合器（122），分别与第一齿轮（120）、第二齿轮（121）配合安装，两个超越离合器（122）的安装方向相同。

4.根据权利要求1所述的一种所述的波浪浮标的波向检定装置，其特征在于，所述控制器装置（12）包括变频器、PLC、绝对值编码器、限位开关，其中，PLC信号输出端与变频器信号输入端连接，变频器状态信号输出端与PLC连接，绝对值编码器输出信号接入PLC输入端，绝对值编码器的输出信号接入变频器的输入端子，限位开关的输出端接入变频器的输入端子。

5.根据权利要求1所述的一种波浪浮标的波向检定装置，其特征在于，驱动装置（11）包括编码器（111）、线性滑块滑轨（112）、滚珠丝杆（113）、减速电机（114）、齿轮组（115）和驱动装置支座（116），其中，减速电机（114）输出动力，经过齿轮组（115）带动滚珠丝杆（113）转动，转变为滚珠丝杆（113）上的丝杆螺母在线性滑块滑轨（112）上的直线滑动，并牵引绳索（106）带动三维搭载平台（1）做上下运动，编码器（111）安装于滚珠丝杆（113）上。

6.根据权利要求1所述的一种所述的波浪浮标的波向检定装置，其特征在于，所述终端控制装置（13）包括PC机硬件及测控软件。

7.根据权利要求1所述的一种所述的波浪浮标的波向检定装置，其特征在于，通过调节曲柄滑块机构（123）实现三维搭载平台（1）的摆动，三维搭载平台（1）最大摆动角度为±25°。