CN108020224A - 一种自主式闸门开度仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自主式闸门开度仪及其测量方法，包括壳体、显示屏、功能按钮、电源及数据线缆。壳体内电路板上集成有高精度三轴加速度计、三轴陀螺仪和重力感应计。本发明基于先进的惯性导航理论，通过加速度计和陀螺仪测量闸门运动过程中的加速度值和姿态偏摆，并对时间进行积分运算，从而得出闸门运动过程中的运动速度和开启方向的位移距离。该自主式闸门开度仪安装简单，适用于任何闸门门型，无须外界参考，理论测量范围无限制，可广泛应用于水利水电闸门开度的检测。

Description

一种自主式闸门开度仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种自主式闸门开度仪及其测量方法，属于水利水电工程领域中闸门开度仪的创新产品。

背景技术

在水利水电行业中，闸门起着排水蓄水的重要作用。人们需要随时知道闸门的开度状态，而闸门的启闭大多依靠液压缸来推动，于是绝大多数闸门开度仪都安装在液压缸上，来检测活塞杆的行程，从而检测出闸门开度值。目前，常用的测量闸门开度的位移传感器装置有多种形式，大致可分为三种：钢丝绳旋转编码器、黑色陶瓷活塞杆加CIMS行程检测、磁致伸缩位移传感器。

钢丝绳旋转编码器是水利工程上最早成熟的产品，它的主要部件有：旋转编码器、钢丝绳、自动收缆装置。其测量原理是：当液压缸缸陶瓷活塞杆运动时，钢丝绳被拉动并带动旋转编码器旋转，从中便得知陶瓷活塞杆运动的距离，从而得出闸门的开度。钢丝绳旋转编码器在液压缸上的安装分为内置式与外置式。内置式精度高，抗干扰性强，受环境影响小，不用考虑冬季防冰冻问题，其缺点是安装要求较高，现场保养维护困难，一旦钢丝绳拉断，则有可能损伤液压缸内壁加工面，这不仅是传感器的更换，更涉及到液压缸本身的损伤与拆卸，工程量巨大。外置式钢丝绳可作为独立部件安装在液压缸表面或闸墙上，虽然有效避开内置式的缺点，但这种安装方式受环境因素影响较大，尤其是当钢丝绳浸入水中时，水流冲击、水面结冰、水中漂浮物等因素都会使读数失准。此外，钢丝绳还存在打滑和零点漂移等问题，影响读数稳定性。

陶瓷活塞杆传感器也是水利工程上较为常用的产品之一，主要部件有：陶瓷活塞杆、CIMS行程检测装置。陶瓷活塞杆在喷涂陶瓷之前做了刻槽预处理，CIMS行程检测装置安装在液压缸与陶瓷活塞杆的结合处，并通过采集陶瓷活塞杆上的多行小齿槽来确定陶瓷活塞杆的位移。这类传感器制造困难，成本高，且齿槽处容易被泥沙堵塞，影响读数准确性。

磁致伸缩类位移传感器大多采用内置式，其核心原理是波导管在磁场中运动发出电信号来确定位移量。这类传感器虽然能够获得较高的精度，但其检测长度越长，误差则越大，目前其量程大多在5米内，行程过长对液压缸工作状态也有限制，液压缸水平状态时会导致波导管因挠度弯曲而磨损，导致传感器的使用寿命缩短，后期维护也不方便。

发明内容

本发明要解决的技术问题是巧妙避开上述现有产品的使用缺陷，提出一种自主式闸门开度仪，改变传统闸门开度测量方式，无须任何外界设备参照，可实现闸门开度的直接测量，适用于各种闸门门型，测量无接触无磨损。

在此基础上，本发明进一步提供一种测量方法，基于惯性导航原理，将高精度三轴加速度计、三轴陀螺仪和重力感应计集成在闸门开度仪中，将本发明闸门开度仪直接安装固定在闸门上，通过测量闸门运动中的加速度和姿态变化，来确定闸门位移行程，其量程不受任何闸门门型及行程限制，且测量精度满足要求。

本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种自主式闸门开度仪，包括壳体，壳体上有显示屏、功能按钮，壳体内含有电路板，电路板分别与功能按钮和显示屏电连接；其特征在于：电路板中集成有三轴加速度计、三轴陀螺仪、重力感应计和控制器；三轴加速度计设置为随闸门运动检测闸门运动时的加速度值，三轴陀螺仪设置为检测闸门每时每刻的位置姿态角度，重力感应计设置为确定闸门开启的绝对竖直方向；自主式闸门开度仪直接固定安装在闸门的上端，通过电源与数据线将自主式闸门开度仪和外部闸门控制***连接。

进一步的，初始安装时，在闸门全闭状态下将闸门开度仪固定在闸门上。

进一步的，闸门开度仪固定在闸门上后，对三轴加速度计、三轴陀螺仪、重力感应计各传感器数据初始化，并设置好闸门相对各传感器运动方向。

进一步的，所述闸门为竖直方向开启门。

进一步的，所述闸门为竖直升降门、弧形门、人字形翻板式闸门。

进一步的，所述闸门为水平侧向移动开启闸门时，只需在三轴陀螺仪调零后，将闸门开启方向参数代替竖直方向上测得夹角使用即可。

进一步的，能够测量任意闸门的开度状态，开度测量范围理论上无限制。

采用自主式闸门开度仪测量闸门开度的方法，其特征在于：基于惯性导航原理，将高精度三轴加速度计、三轴陀螺仪和重力感应计集成在闸门开度仪中，将闸门开度仪直接安装固定在闸门上，通过测量闸门运动中的加速度和姿态变化，来确定闸门位移行程。

进一步的，进一步的，所述闸门为竖直方向开启门；当所述闸门为水平侧向移动开启闸门时，只需在三轴陀螺仪调零后，将闸门开启方向参数代替竖直方向上测得夹角使用即可。

进一步的，能够测量任意闸门的开度状态，开度测量范围理论上无限制。

进一步的，所述的加速度值和姿态角度，可得出闸门在启动后每个时刻的速度值和开度值：

v_n＝v_n-1+a_nΔt(n＝1，2，3…)

其中，v_n为闸门开启后第n个Δt时刻的速度值，a_n为闸门开启后第n个Δt时刻的加速度值，S_n开度为闸门开启后第n个Δt时刻的闸门开度值，θ_n闸门开启后第n个Δt时刻速度方向与所设置的闸门开度方向的夹角值。实施例中Δt＝2ms，初始值v₀＝0，S₀＝0。

本发明另辟蹊径，巧妙避开上述现有产品的使用缺陷，提出一种自主式闸门开度仪，本发明与其他现有技术相比，其优点如下：

1.安装简便，直接安装在闸门顶部即可，维护成本低。

2.改变传统闸门开度测量方式，无须任何外界设备参照，可实现闸门开度的直接测量，适用于各种闸门门型，测量无接触无磨损。

3.测量范围广，理论上无限制。

4.环境适应能力强，不同的环境可选择不同的外型材料，耐腐蚀，耐高压，防水、防尘、防震，且具有宽泛的工作温度范围。

5.灵敏度高，可重复性好，线性度高，响应速度快可达到毫秒级。

附图说明

图1是本发明自主式闸门开度仪的立体视图。

图2是本发明核心处理电路板的控制模块结构图。

图3是本发明自主式闸门开度仪安装在闸门上的示意图(弧形门)。

图4是图3的侧视图。

图5是本发明自主式闸门开度仪安装在闸门上的示意图(人字形门俯视方向)。

图6是闸门运动启动到停止的速度-时间图像示意图。

图1-5中，各附图标记对应如下：1、壳体；2、显示屏；3、功能按钮；4、电源及数据线缆；5、闸门。

具体实施方式

本发明的自主式闸门开度仪结构示意图如图1-5所示，包括有壳体1、显示屏2、功能按钮3和电源及数据线缆4。所述壳体1内部包含有核心处理电路板，电路板上如图2所示，重力感应计主要包括集成高精度三轴加速度计、三轴陀螺仪和重力感应计和控制器的芯片和***供电电路。

自主式闸门开度仪整体固定在闸门上并随闸门运动，三轴加速度计、三轴陀螺仪和重力感应计分别与控制器信号连接，将加速度值、姿态角、绝对竖直方向数据发送给控制器，控制器与显示屏2连接将数据显示在显示屏上，同时控制器与闸门控制***信号连接，以便将开度检测信息发送给闸门控制***，用于闸门开度控制。

如图3-4所示，是自主式闸门开度仪在弧形闸门5上安装结构图。弧形闸门5在闸门控制***控制下，绕旋转启闭轴旋转而将左侧上游来水隔绝而将水库封闭。将自主式闸门开度仪(图中壳体1)设置在闸门5的上端，电源及数据线缆4经过防水处理，电源及数据线缆4将壳体1与外部电源和闸门控制***连接。当闸门全闭时，如图3所示，将本发明自主式闸门开度仪的壳体1部分安装固定在闸门5上方，连接好电源及数据线缆4，通过功能按钮3将数据初始化，并设置好闸门运动方向。

如图5为本发明自主式闸门开度仪在人字形翻板式闸门5上安装结构图。俯视方向看去，人字形两扇门以中间竖直轴(中点位置)为旋转轴转动开合而将后侧上游水位封闭或开启。其余与图3-4实施例相同。同样，对于竖直方向开启的闸门通用，如竖直升降门。对于水平侧向移动开启的闸门也能适用，只需在三轴陀螺仪调零后，将闸门开启方向参数代替竖直方向上测得夹角使用即可。

在上述各实施例中，所述壳体1采用不锈钢材质，且全密封封装，耐候性好，可长期处于户外恶劣环境中使用。高精度三轴加速度计和陀螺仪具有很高的灵敏度，可以检测微小的加速度值和姿态变化角度。集成高精度三轴加速度计、三轴陀螺仪和重力感应计和控制器的芯片优选InvenSense MPU-9250。高精度三轴加速度计工作频率为500Hz，即当闸门启动时，加速度计每隔2ms输出一个加速度值，同时，高精度三轴陀螺仪也输出一个闸门姿态角度，重力感应计用来确定绝对竖直方向。通过加速度值对时间进行积分，可得出闸门运动速度和移动距离，再根据姿态角度，可得出闸门在开启方向的移动距离，即闸门的开度。

本发明的工作原理：

本发明基于先进的惯性导航理论，利用高精度三轴加速度计、三轴陀螺仪和重力感应计，对闸门的运动加速度、姿态偏摆进行测量，并对时间进行积分，从而得出闸门的运动距离。

闸门从静止状态启动到停止，其速度-时间图像示意图如图4所示，基于加速度测量值，可以得到速度和距离：

式中，v_n为t_n时刻的瞬时速度，a_n为t_n时刻的瞬时加速度，S_n为t_n时刻的初始状态到t_n的时间内的总位移，ΔS_n为时间t_n-1到t_n时刻内位移增量。

因为加速度计输出的是离散数据，且采样频率很高，根据高等数学微积分原理，可将闸门在加速度计采样间隔内的运动看做匀加速直线运动，

则：

初始状态下，v₀＝0，S₀＝0，加速度计采样时间间隔：

Δt＝t₁-t₀＝t₂-t₁＝…＝t_n-t_n-1(n＝1，2，3…) (4)

则：

v_n＝v_n-1+a_nΔt(n＝1，2，3…) (5)

此时每个Δt(实施例中Δt＝2ms)时间内测得的速度和位移均为矢量值，因此要得到某个方向上的速度和位移值，还得配合三轴陀螺仪的测量值。

不妨设三轴陀螺仪在水平xy平面上测得夹角分别为α、β，在竖直方向上测得夹角为γ，则以垂直闸门门型为例，闸门开度值为：

公式(7)对竖直方向开启的闸门通用，如竖直升降门、弧形门、人字形翻板门。同理，对于水平侧向移动开启的闸门只需在传感器调零后，将α或β(闸门开启方向)代替公式(7)中γ即可。

由此，本发明公开了一种自主式闸门开度仪及其测量方法，包括壳体、显示屏、功能按钮、电源及数据线缆。壳体内电路板上集成有高精度三轴加速度计、三轴陀螺仪和重力感应计。本发明基于先进的惯性导航理论，通过加速度计和陀螺仪测量闸门运动过程中的加速度值和姿态偏摆，并对时间进行积分运算，从而得出闸门运动过程中的运动速度和开启方向的位移距离。该自主式闸门开度仪安装简单，适用于任何闸门门型，无须外界参考，理论测量范围无限制，可广泛应用于水利水电闸门开度的检测。

Claims (10)

1.一种自主式闸门开度仪，包括壳体，壳体上有显示屏、功能按钮，壳体内含有电路板，电路板分别与功能按钮和显示屏电连接；其特征在于：电路板中集成有三轴加速度计、三轴陀螺仪、重力感应计和控制器；三轴加速度计设置为随闸门运动检测闸门运动时的加速度值，三轴陀螺仪设置为检测闸门每时每刻的位置姿态角度，重力感应计设置为确定闸门开启的绝对竖直方向；自主式闸门开度仪直接固定安装在闸门的上端，通过电源与数据线将自主式闸门开度仪和外部闸门控制***连接。

2.根据权利要求1所述的自主式闸门开度仪，其特征在于：初始安装时，在闸门全闭状态下将闸门开度仪固定在闸门上。

3.根据权利要求1或2所述的自主式闸门开度仪，其特征在于：闸门开度仪固定在闸门上后，对三轴加速度计、三轴陀螺仪、重力感应计各传感器数据初始化，并设置好闸门相对各传感器运动方向。

4.根据权利要求1所述的自主式闸门开度仪，其特征在于：所述闸门为竖直方向开启门。

5.根据权利要求1所述的自主式闸门开度仪，其特征在于：所述闸门为竖直升降门、弧形门、人字形翻板式闸门。

6.根据权利要求1所述的自主式闸门开度仪，其特征在于：所述闸门为水平侧向移动开启闸门时，只需在三轴陀螺仪调零后，将闸门开启方向参数代替竖直方向上测得夹角使用即可。

7.采用自主式闸门开度仪测量闸门开度的方法，其特征在于：基于惯性导航原理，将高精度三轴加速度计、三轴陀螺仪和重力感应计集成在闸门开度仪中，将闸门开度仪直接安装固定在闸门上，通过测量闸门运动中的加速度和姿态变化，来确定闸门位移行程。

8.根据权利要求7所述的采用自主式闸门开度仪测量闸门开度的方法，其特征在于：所述闸门为竖直方向开启门；当所述闸门为水平侧向移动开启闸门时，只需在三轴陀螺仪调零后，将闸门开启方向参数代替竖直方向上测得夹角使用即可。

9.根据权利要求7所述的采用自主式闸门开度仪测量闸门开度的方法，其特征在于：能够测量任意闸门的开度状态，开度测量范围理论上无限制。

10.根据权利要求7所述的采用自主式闸门开度仪测量闸门开度的方法，其特征在于：所述的加速度值和姿态角度，可得出闸门在启动后每个时刻的速度值和开度值：

v_n＝v_n-1+a_nΔt(n＝1，2，3…)

其中，v_n为闸门开启后第n个Δt时刻的速度值，a_n为闸门开启后第n个Δt时刻的加速度值，S_n开度为闸门开启后第n个Δt时刻的闸门开度值，θ_n闸门开启后第n个Δt时刻速度方向与所设置的闸门开度方向的夹角值。