本發(fā)明涉及水工金屬結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種船閘人字門門體水平位置跳變的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

船閘人字門是來(lái)往船只上下游通航的重要設(shè)施之一，長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷地承擔(dān)大量通航任務(wù)，在人字門反復(fù)開(kāi)閉及充放水過(guò)程中，由于受到水流沖擊、水下壓強(qiáng)變化和門體金屬化學(xué)腐蝕等因素的綜合作用，使得人字門門體出現(xiàn)不可逆的結(jié)構(gòu)性損傷，進(jìn)而產(chǎn)生安全隱患?，F(xiàn)有的檢測(cè)方法是定期對(duì)船閘進(jìn)行停航，耗費(fèi)大量人力物力進(jìn)行人工檢修，這種方法不僅影響正常的航運(yùn)運(yùn)輸，還存在漏檢的可能，最重要的是無(wú)法在長(zhǎng)時(shí)間的非檢修期內(nèi)獲知當(dāng)前船閘人字門的健康運(yùn)行狀態(tài)，所以有必要對(duì)人字門進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并及時(shí)進(jìn)行檢修。

人字門由于本身上百噸的重量和大量反復(fù)的開(kāi)閉，導(dǎo)致門體不可避免地出現(xiàn)磨損，而且磨損集中體現(xiàn)在人字門底部門軸蘑菇頭處，所以對(duì)蘑菇頭的磨損狀況監(jiān)測(cè)成為人字門運(yùn)行健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)的重要課題之一。但蘑菇頭處在人字門底部水下幾十米深的位置上，易磨損的接觸面在工作時(shí)處于閉合的狀態(tài)，很難直接通過(guò)現(xiàn)有的人工監(jiān)視或三維結(jié)構(gòu)測(cè)量技術(shù)觀測(cè)出當(dāng)前磨損程度。但因?yàn)槿俗珠T門體可以近似看作一個(gè)巨型剛體，門軸蘑菇頭的磨損及門體本身的結(jié)構(gòu)性損傷必然帶來(lái)人字門開(kāi)閉過(guò)程中門體水平位置的變化，產(chǎn)生相對(duì)于水平方向傾斜角的跳變，所以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人字門門體水平位置的跳變可以作為一項(xiàng)重要指標(biāo)間接對(duì)人字門健康狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，而傳統(tǒng)的基于振動(dòng)計(jì)算位置跳變的方法因?yàn)楦蓴_多極易失真，而且數(shù)據(jù)量巨大，無(wú)法真實(shí)反映當(dāng)前門體的跳變狀態(tài)，不適用于人字門跳變的監(jiān)測(cè)，所以急需一種成熟的相關(guān)技術(shù)針對(duì)人字門位置的水平跳變進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明要設(shè)計(jì)一種既能真實(shí)反映當(dāng)前門體的跳變狀態(tài)又方便實(shí)用的船閘運(yùn)行狀態(tài)下門體水平跳變實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置及其監(jiān)測(cè)方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：船閘運(yùn)行狀態(tài)下門體跳變實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置，包括傾角傳感器、人字門旋轉(zhuǎn)角度與水位傳感器、傾角傳感器數(shù)據(jù)獲取與發(fā)送模塊、人字門旋轉(zhuǎn)角度與水位傳感器數(shù)據(jù)獲取與發(fā)送模塊、計(jì)算機(jī)分析處理模塊，所述的人字門旋轉(zhuǎn)角度與水位傳感器包括人字門旋轉(zhuǎn)角度傳感器和水位傳感器，所述的人字門旋轉(zhuǎn)角度傳感器包括羅經(jīng)或編碼器；傾角傳感器和人字門旋轉(zhuǎn)角度與水位傳感器將采集的模擬信號(hào)分別經(jīng)傾角傳感器數(shù)據(jù)獲取與發(fā)送模塊和人字門旋轉(zhuǎn)角度與水位傳感器數(shù)據(jù)獲取與發(fā)送模塊進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與高速串行接口數(shù)據(jù)發(fā)送，并通過(guò)計(jì)算機(jī)分析處理模塊接收和保存，并在計(jì)算機(jī)分析處理模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理；

所述的傾角傳感器數(shù)據(jù)獲取與發(fā)送模塊包括AD轉(zhuǎn)換電路、嵌入式控制單元、存儲(chǔ)單元和高速串行數(shù)據(jù)接口；

所述的人字門旋轉(zhuǎn)角度與水位傳感器數(shù)據(jù)獲取與發(fā)送模塊包括AD轉(zhuǎn)換電路、嵌入式控制單元、存儲(chǔ)單元和高速串行數(shù)據(jù)接口；

所述的傾角傳感器有一個(gè)，沿平行于門體上表面長(zhǎng)邊的方向水平安裝在門體的上表面處；

所述的人字門旋轉(zhuǎn)角度傳感器水平安裝在門體的上表面處；

所述的水位傳感器安裝在船閘最低水位以下2-3米處的閘壁上；

所述的傾角傳感器數(shù)據(jù)獲取與發(fā)送模塊集成在傾角傳感器自身的嵌入式控制系統(tǒng)中，人字門旋轉(zhuǎn)角度與水位傳感器數(shù)據(jù)獲取與發(fā)送模塊集成在自身的嵌入式控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)分析處理模塊集成在主控計(jì)算機(jī)中；

船閘運(yùn)行狀態(tài)下門體水平跳變實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)方法，包含以下步驟：

A、安裝傾角傳感器

船閘人字門門體由于運(yùn)行時(shí)承受巨大的載荷，導(dǎo)致門體容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損傷，其中門體的水平跳變幅度是門體運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)，故采用傾角傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人字門門體的水平跳變幅度來(lái)監(jiān)測(cè)人字門門體當(dāng)前的安全運(yùn)行狀態(tài)；選定人字門的頂部為傾角傳感器的安裝位置，在平行于門體的水平方向安裝一個(gè)傾角傳感器，并使用工業(yè)膠水將傾角傳感器固定在規(guī)定位置；

B、安裝人字門旋轉(zhuǎn)角度與水位傳感器

由于船閘人字門門體出現(xiàn)水平跳變的過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，水平跳變的幅度也隨人字門工作運(yùn)行的狀態(tài)而改變，所以要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)船閘人字門門體當(dāng)前的開(kāi)合角度以及船閘內(nèi)的水位高度這些運(yùn)行狀態(tài)信息；將人字門旋轉(zhuǎn)角度傳感器平行于人字門門體安置在人字門門體的上表面處，從而獲取人字門與船閘墻體的夾角并實(shí)時(shí)上傳到計(jì)算機(jī)；將水位傳感器安裝在船閘最低水位以下-米處的閘壁上；

C、采集人字門門體傾角數(shù)據(jù)

傾角傳感器本質(zhì)上是運(yùn)用慣性原理的一種加速度傳感器，傾角傳感器重力加速度方向的重力垂直軸與加速度傳感器靈敏軸之間的夾角即為傾角；傾角傳感器數(shù)據(jù)獲取與發(fā)送模塊通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將傾角傳感器采集到的電學(xué)模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并通過(guò)計(jì)算得到船閘人字門門體的傾角，最后通過(guò)通訊接口上傳至計(jì)算機(jī)分析處理模塊進(jìn)行存儲(chǔ)并顯示；所述的傾角傳感器屬于二維傾角傳感器，具有兩個(gè)測(cè)量方向，分別測(cè)量得到平行于門體長(zhǎng)邊方向的傾角θ_x與垂直于門體長(zhǎng)邊方向的傾角θ_y；

D、通過(guò)人字門門體的傾角數(shù)據(jù)計(jì)算人字門門體的跳變量

人字門的跳變量是人字門的重要健康指標(biāo)之一，通過(guò)傾角值計(jì)算人字門靜態(tài)跳變量具有準(zhǔn)確快速的優(yōu)點(diǎn)，平行于門體長(zhǎng)邊方向的跳變量計(jì)算公式如下：

h_x＝r tanθ_x

式中：θ_x為平行于門體長(zhǎng)邊方向傾角值，r為人字門門體被測(cè)點(diǎn)與門軸之間的距離，h_x為平行于門體長(zhǎng)邊方向的人字門的跳變量；

垂直于門體長(zhǎng)邊方向的跳變量計(jì)算公式如下：

式中：θ_y(β)為旋轉(zhuǎn)角度是β時(shí)的垂直于門體長(zhǎng)邊方向的傾角值，β₀為人字門旋轉(zhuǎn)末時(shí)刻的角度值，h_y為垂直于門體長(zhǎng)邊方向的人字門的跳變量；

人字門門體的總跳變量計(jì)算公式如下：

式中：h為人字門門體的總跳變量；

通過(guò)分別計(jì)算傾角傳感器平行于門體長(zhǎng)邊方向與垂直于門體長(zhǎng)邊方向的跳變量，進(jìn)而計(jì)算得到人字門的總跳變量；

E、分析并處理人字門門體的動(dòng)態(tài)跳變量數(shù)據(jù)

通過(guò)主控計(jì)算機(jī)處理人字門門體的跳變量數(shù)據(jù)，將人字門旋轉(zhuǎn)角度與水位傳感器所得到的水位信息和開(kāi)合角信息與人字門門體的跳變量信息進(jìn)行整合，得到人字門跳變值的開(kāi)關(guān)門和船閘充放水時(shí)段的二維信息，對(duì)信息進(jìn)行逐個(gè)判斷，得到跳變量數(shù)據(jù)在不同條件下的取值范圍并確定傾角在不同工作條件下的安全閾值，當(dāng)此時(shí)段跳變量的最大值大于安全閾值就說(shuō)明此時(shí)段人字門處于異常運(yùn)行位置，當(dāng)此時(shí)段跳變量的最小值小于安全閾值說(shuō)明此時(shí)人字門處于正常運(yùn)行位置，公式如下：

式中S表示當(dāng)前安全狀態(tài)值，值為時(shí)代表此時(shí)段人字門處于異常運(yùn)行狀態(tài)，值為0時(shí)代表此時(shí)段人字門處于安全運(yùn)行狀態(tài)，h_r表示當(dāng)前時(shí)段總跳變量的長(zhǎng)度值，h_t表示當(dāng)前人字門工作狀態(tài)的跳變量的安全閾值，并以此判斷當(dāng)前人字門運(yùn)行的安全工作狀態(tài)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、傳統(tǒng)的基于振動(dòng)計(jì)算位置跳變的方法精度要求高，需要對(duì)振動(dòng)加速度通過(guò)算法轉(zhuǎn)換成振動(dòng)位移，計(jì)算復(fù)雜，對(duì)嵌入式控制系統(tǒng)的要求較高，需要處理大量的數(shù)據(jù)，很難保證數(shù)據(jù)不失真，導(dǎo)致研發(fā)時(shí)間長(zhǎng)，成本較高。而本發(fā)明使用傾角傳感器監(jiān)測(cè)人字門門體水平方向位置跳變，不僅方便有效，而且節(jié)約研究資源，方便安裝調(diào)試，適用于船閘人字門門體的位置跳變監(jiān)測(cè)。

2、本發(fā)明采用羅經(jīng)式角度傳感器、溫度傳感器和水位計(jì)等輔助傳感器，可以得到當(dāng)前人字門的運(yùn)行的動(dòng)態(tài)開(kāi)合角信息及動(dòng)態(tài)水位信息，從而準(zhǔn)確得到人字門當(dāng)前處于開(kāi)關(guān)門或充放水中的哪一個(gè)狀態(tài)，不同狀態(tài)的人字門門體傾角角度的安全閾值也不相同，通過(guò)不同工作狀態(tài)下的安全工作閾值判斷人字門現(xiàn)在的安全工作狀態(tài)，得出有效結(jié)論。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明共有附圖2幅，其中：

圖1為本發(fā)明的人字門結(jié)構(gòu)及安裝示意圖。

圖2為本發(fā)明方法的流程圖。

圖中：1、人字門頂部，2、傾角傳感器，3、輔助傳感器，4、傾角傳感器數(shù)據(jù)獲取與發(fā)送模塊，5、輔助傳感器數(shù)據(jù)獲取與發(fā)送模塊，6、計(jì)算機(jī)分析處理模塊。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述：

如圖1-2所示，船閘運(yùn)行狀態(tài)下門體跳變實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置，包括傾角傳感器2、人字門旋轉(zhuǎn)角度與水位傳感器3、傾角傳感器數(shù)據(jù)獲取與發(fā)送模塊4、人字門旋轉(zhuǎn)角度與水位傳感器數(shù)據(jù)獲取與發(fā)送模塊5、計(jì)算機(jī)分析處理模塊6，所述的人字門旋轉(zhuǎn)角度與水位傳感器3包括人字門旋轉(zhuǎn)角度傳感器和水位傳感器3，所述的人字門旋轉(zhuǎn)角度傳感器包括羅經(jīng)或編碼器；傾角傳感器2和人字門旋轉(zhuǎn)角度與水位傳感器3將采集的模擬信號(hào)分別經(jīng)傾角傳感器數(shù)據(jù)獲取與發(fā)送模塊4和人字門旋轉(zhuǎn)角度與水位傳感器數(shù)據(jù)獲取與發(fā)送模塊5進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與高速串行接口數(shù)據(jù)發(fā)送，并通過(guò)計(jì)算機(jī)分析處理模塊6接收和保存，并在計(jì)算機(jī)分析處理模塊6中進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理；

所述的傾角傳感器數(shù)據(jù)獲取與發(fā)送模塊4包括AD轉(zhuǎn)換電路、嵌入式控制單元、存儲(chǔ)單元和高速串行數(shù)據(jù)接口；

所述的人字門旋轉(zhuǎn)角度與水位傳感器數(shù)據(jù)獲取與發(fā)送模塊5包括AD轉(zhuǎn)換電路、嵌入式控制單元、存儲(chǔ)單元和高速串行數(shù)據(jù)接口；

所述的傾角傳感器2有一個(gè)，沿平行于門體上表面長(zhǎng)邊的方向水平安裝在門體的上表面處；

所述的人字門旋轉(zhuǎn)角度傳感器水平安裝在門體的上表面處；

所述的水位傳感器安裝在船閘最低水位以下2-3米處的閘壁上；

所述的傾角傳感器數(shù)據(jù)獲取與發(fā)送模塊4集成在傾角傳感器2自身的嵌入式控制系統(tǒng)中，人字門旋轉(zhuǎn)角度與水位傳感器數(shù)據(jù)獲取與發(fā)送模塊5集成在自身的嵌入式控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)分析處理模塊6集成在主控計(jì)算機(jī)中；

船閘運(yùn)行狀態(tài)下門體水平跳變實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)方法，包含以下步驟：

A、安裝傾角傳感器2

船閘人字門門體由于運(yùn)行時(shí)承受巨大的載荷，導(dǎo)致門體容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損傷，其中門體的水平跳變幅度是門體運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)，故采用傾角傳感器2實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人字門門體的水平跳變幅度來(lái)監(jiān)測(cè)人字門門體當(dāng)前的安全運(yùn)行狀態(tài)；選定人字門頂部1為傾角傳感器2的安裝位置，在平行于門體的水平方向安裝一個(gè)傾角傳感器2，并使用工業(yè)膠水將傾角傳感器2固定在規(guī)定位置；

B、安裝人字門旋轉(zhuǎn)角度與水位傳感器3

由于船閘人字門門體出現(xiàn)水平跳變的過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，水平跳變的幅度也隨人字門工作運(yùn)行的狀態(tài)而改變，所以要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)船閘人字門門體當(dāng)前的開(kāi)合角度以及船閘內(nèi)的水位高度這些運(yùn)行狀態(tài)信息；將人字門旋轉(zhuǎn)角度傳感器平行于人字門門體安置在人字門門體的上表面處，從而獲取人字門與船閘墻體的夾角并實(shí)時(shí)上傳到計(jì)算機(jī)；將水位傳感器安裝在船閘最低水位以下2-3米處的閘壁上；

C、采集人字門門體傾角數(shù)據(jù)

傾角傳感器2本質(zhì)上是運(yùn)用慣性原理的一種加速度傳感器，傾角傳感器2重力加速度方向的重力垂直軸與加速度傳感器靈敏軸之間的夾角即為傾角；傾角傳感器數(shù)據(jù)獲取與發(fā)送模塊4通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將傾角傳感器2采集到的電學(xué)模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并通過(guò)計(jì)算得到船閘人字門門體的傾角，最后通過(guò)通訊接口上傳至計(jì)算機(jī)分析處理模塊6進(jìn)行存儲(chǔ)并顯示；所述的傾角傳感器2屬于二維傾角傳感器，具有兩個(gè)測(cè)量方向，分別測(cè)量得到平行于門體長(zhǎng)邊方向的傾角θ_x與垂直于門體長(zhǎng)邊方向的傾角θ_y；

D、通過(guò)人字門門體的傾角數(shù)據(jù)計(jì)算人字門門體的跳變量

人字門的跳變量是人字門的重要健康指標(biāo)之一，通過(guò)傾角值計(jì)算人字門靜態(tài)跳變量具有準(zhǔn)確快速的優(yōu)點(diǎn)，平行于門體長(zhǎng)邊方向的跳變量計(jì)算公式如下：

h_x＝r tanθ_x

式中：θ_x為平行于門體長(zhǎng)邊方向傾角值，r為人字門門體被測(cè)點(diǎn)與門軸之間的距離，h_x為平行于門體長(zhǎng)邊方向的人字門的跳變量；

垂直于門體長(zhǎng)邊方向的跳變量計(jì)算公式如下：

式中：θ_y(β)為旋轉(zhuǎn)角度是β時(shí)的垂直于門體長(zhǎng)邊方向的傾角值，β₀為人字門旋轉(zhuǎn)末時(shí)刻的角度值，h_y為垂直于門體長(zhǎng)邊方向的人字門的跳變量；

人字門門體的總跳變量計(jì)算公式如下：

式中：h為人字門門體的總跳變量；

通過(guò)分別計(jì)算傾角傳感器平行于門體長(zhǎng)邊方向與垂直于門體長(zhǎng)邊方向的跳變量，進(jìn)而計(jì)算得到人字門的總跳變量；

E、分析并處理人字門門體的動(dòng)態(tài)跳變量數(shù)據(jù)

通過(guò)主控計(jì)算機(jī)處理人字門門體的跳變量數(shù)據(jù)，將人字門旋轉(zhuǎn)角度與水位傳感器3所得到的水位信息和開(kāi)合角信息與人字門門體的跳變量信息進(jìn)行整合，得到人字門跳變值的開(kāi)關(guān)門和船閘充放水時(shí)段的二維信息，對(duì)信息進(jìn)行逐個(gè)判斷，得到跳變量數(shù)據(jù)在不同條件下的取值范圍并確定傾角在不同工作條件下的安全閾值，當(dāng)此時(shí)段跳變量的最大值大于安全閾值就說(shuō)明此時(shí)段人字門處于異常運(yùn)行位置，當(dāng)此時(shí)段跳變量的最小值小于安全閾值說(shuō)明此時(shí)人字門處于正常運(yùn)行位置，公式如下：

式中S表示當(dāng)前安全狀態(tài)值，值為1時(shí)代表此時(shí)段人字門處于異常運(yùn)行狀態(tài)，值為0時(shí)代表此時(shí)段人字門處于安全運(yùn)行狀態(tài)，h_r表示當(dāng)前時(shí)段總跳變量的長(zhǎng)度值，h_t表示當(dāng)前人字門工作狀態(tài)的跳變量的安全閾值，并以此判斷當(dāng)前人字門運(yùn)行的安全工作狀態(tài)。

本發(fā)明不局限于本實(shí)施例，任何在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)的等同構(gòu)思或者改變，均列為本發(fā)明的保護(hù)范圍。