船闸运行状态下门体水平跳变实时监测装置及其监测方法与流程

本发明涉及水工金属结构监测技术领域，特别涉及一种船闸人字门门体水平位置跳变的实时监测方法。

背景技术：

船闸人字门是来往船只上下游通航的重要设施之一，长时间高负荷地承担大量通航任务，在人字门反复开闭及充放水过程中，由于受到水流冲击、水下压强变化和门体金属化学腐蚀等因素的综合作用，使得人字门门体出现不可逆的结构性损伤，进而产生安全隐患。现有的检测方法是定期对船闸进行停航，耗费大量人力物力进行人工检修，这种方法不仅影响正常的航运运输，还存在漏检的可能，最重要的是无法在长时间的非检修期内获知当前船闸人字门的健康运行状态，所以有必要对人字门进行实时监测，及早发现问题，并及时进行检修。

人字门由于本身上百吨的重量和大量反复的开闭，导致门体不可避免地出现磨损，而且磨损集中体现在人字门底部门轴蘑菇头处，所以对蘑菇头的磨损状况监测成为人字门运行健康状态监测的重要课题之一。但蘑菇头处在人字门底部水下几十米深的位置上，易磨损的接触面在工作时处于闭合的状态，很难直接通过现有的人工监视或三维结构测量技术观测出当前磨损程度。但因为人字门门体可以近似看作一个巨型刚体，门轴蘑菇头的磨损及门体本身的结构性损伤必然带来人字门开闭过程中门体水平位置的变化，产生相对于水平方向倾斜角的跳变，所以实时监测人字门门体水平位置的跳变可以作为一项重要指标间接对人字门健康状态进行测量，而传统的基于振动计算位置跳变的方法因为干扰多极易失真，而且数据量巨大，无法真实反映当前门体的跳变状态，不适用于人字门跳变的监测，所以急需一种成熟的相关技术针对人字门位置的水平跳变进行实时测量。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种既能真实反映当前门体的跳变状态又方便实用的船闸运行状态下门体水平跳变实时监测装置及其监测方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：船闸运行状态下门体跳变实时监测装置，包括倾角传感器、人字门旋转角度与水位传感器、倾角传感器数据获取与发送模块、人字门旋转角度与水位传感器数据获取与发送模块、计算机分析处理模块，所述的人字门旋转角度与水位传感器包括人字门旋转角度传感器和水位传感器，所述的人字门旋转角度传感器包括罗经或编码器；倾角传感器和人字门旋转角度与水位传感器将采集的模拟信号分别经倾角传感器数据获取与发送模块和人字门旋转角度与水位传感器数据获取与发送模块进行AD转换、数据存储与高速串行接口数据发送，并通过计算机分析处理模块接收和保存，并在计算机分析处理模块中进行数据的分析和处理；

所述的倾角传感器数据获取与发送模块包括AD转换电路、嵌入式控制单元、存储单元和高速串行数据接口；

所述的人字门旋转角度与水位传感器数据获取与发送模块包括AD转换电路、嵌入式控制单元、存储单元和高速串行数据接口；

所述的倾角传感器有一个，沿平行于门体上表面长边的方向水平安装在门体的上表面处；

所述的人字门旋转角度传感器水平安装在门体的上表面处；

所述的水位传感器安装在船闸最低水位以下2-3米处的闸壁上；

所述的倾角传感器数据获取与发送模块集成在倾角传感器自身的嵌入式控制系统中，人字门旋转角度与水位传感器数据获取与发送模块集成在自身的嵌入式控制系统中，计算机分析处理模块集成在主控计算机中；

船闸运行状态下门体水平跳变实时监测装置的监测方法，包含以下步骤：

A、安装倾角传感器

船闸人字门门体由于运行时承受巨大的载荷，导致门体容易出现结构性损伤，其中门体的水平跳变幅度是门体运行状态的一个重要指标，故采用倾角传感器实时监测人字门门体的水平跳变幅度来监测人字门门体当前的安全运行状态；选定人字门的顶部为倾角传感器的安装位置，在平行于门体的水平方向安装一个倾角传感器，并使用工业胶水将倾角传感器固定在规定位置；

B、安装人字门旋转角度与水位传感器

由于船闸人字门门体出现水平跳变的过程是一个动态的过程，水平跳变的幅度也随人字门工作运行的状态而改变，所以要实时监测船闸人字门门体当前的开合角度以及船闸内的水位高度这些运行状态信息；将人字门旋转角度传感器平行于人字门门体安置在人字门门体的上表面处，从而获取人字门与船闸墙体的夹角并实时上传到计算机；将水位传感器安装在船闸最低水位以下-米处的闸壁上；

C、采集人字门门体倾角数据

倾角传感器本质上是运用惯性原理的一种加速度传感器，倾角传感器重力加速度方向的重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角即为倾角；倾角传感器数据获取与发送模块通过模数转换电路将倾角传感器采集到的电学模拟量转化为数字量，并通过计算得到船闸人字门门体的倾角，最后通过通讯接口上传至计算机分析处理模块进行存储并显示；所述的倾角传感器属于二维倾角传感器，具有两个测量方向，分别测量得到平行于门体长边方向的倾角θ_x与垂直于门体长边方向的倾角θ_y；

D、通过人字门门体的倾角数据计算人字门门体的跳变量

人字门的跳变量是人字门的重要健康指标之一，通过倾角值计算人字门静态跳变量具有准确快速的优点，平行于门体长边方向的跳变量计算公式如下：

h_x＝r tanθ_x

式中：θ_x为平行于门体长边方向倾角值，r为人字门门体被测点与门轴之间的距离，h_x为平行于门体长边方向的人字门的跳变量；

垂直于门体长边方向的跳变量计算公式如下：

式中：θ_y(β)为旋转角度是β时的垂直于门体长边方向的倾角值，β₀为人字门旋转末时刻的角度值，h_y为垂直于门体长边方向的人字门的跳变量；

人字门门体的总跳变量计算公式如下：

式中：h为人字门门体的总跳变量；

通过分别计算倾角传感器平行于门体长边方向与垂直于门体长边方向的跳变量，进而计算得到人字门的总跳变量；

E、分析并处理人字门门体的动态跳变量数据

通过主控计算机处理人字门门体的跳变量数据，将人字门旋转角度与水位传感器所得到的水位信息和开合角信息与人字门门体的跳变量信息进行整合，得到人字门跳变值的开关门和船闸充放水时段的二维信息，对信息进行逐个判断，得到跳变量数据在不同条件下的取值范围并确定倾角在不同工作条件下的安全阈值，当此时段跳变量的最大值大于安全阈值就说明此时段人字门处于异常运行位置，当此时段跳变量的最小值小于安全阈值说明此时人字门处于正常运行位置，公式如下：

式中S表示当前安全状态值，值为时代表此时段人字门处于异常运行状态，值为0时代表此时段人字门处于安全运行状态，h_r表示当前时段总跳变量的长度值，h_t表示当前人字门工作状态的跳变量的安全阈值，并以此判断当前人字门运行的安全工作状态。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、传统的基于振动计算位置跳变的方法精度要求高，需要对振动加速度通过算法转换成振动位移，计算复杂，对嵌入式控制系统的要求较高，需要处理大量的数据，很难保证数据不失真，导致研发时间长，成本较高。而本发明使用倾角传感器监测人字门门体水平方向位置跳变，不仅方便有效，而且节约研究资源，方便安装调试，适用于船闸人字门门体的位置跳变监测。

2、本发明采用罗经式角度传感器、温度传感器和水位计等辅助传感器，可以得到当前人字门的运行的动态开合角信息及动态水位信息，从而准确得到人字门当前处于开关门或充放水中的哪一个状态，不同状态的人字门门体倾角角度的安全阈值也不相同，通过不同工作状态下的安全工作阈值判断人字门现在的安全工作状态，得出有效结论。

附图说明

本发明共有附图2幅，其中：

图1为本发明的人字门结构及安装示意图。

图2为本发明方法的流程图。

图中：1、人字门顶部，2、倾角传感器，3、辅助传感器，4、倾角传感器数据获取与发送模块，5、辅助传感器数据获取与发送模块，6、计算机分析处理模块。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述：

如图1-2所示，船闸运行状态下门体跳变实时监测装置，包括倾角传感器2、人字门旋转角度与水位传感器3、倾角传感器数据获取与发送模块4、人字门旋转角度与水位传感器数据获取与发送模块5、计算机分析处理模块6，所述的人字门旋转角度与水位传感器3包括人字门旋转角度传感器和水位传感器3，所述的人字门旋转角度传感器包括罗经或编码器；倾角传感器2和人字门旋转角度与水位传感器3将采集的模拟信号分别经倾角传感器数据获取与发送模块4和人字门旋转角度与水位传感器数据获取与发送模块5进行AD转换、数据存储与高速串行接口数据发送，并通过计算机分析处理模块6接收和保存，并在计算机分析处理模块6中进行数据的分析和处理；

所述的倾角传感器数据获取与发送模块4包括AD转换电路、嵌入式控制单元、存储单元和高速串行数据接口；

所述的人字门旋转角度与水位传感器数据获取与发送模块5包括AD转换电路、嵌入式控制单元、存储单元和高速串行数据接口；

所述的倾角传感器2有一个，沿平行于门体上表面长边的方向水平安装在门体的上表面处；

所述的人字门旋转角度传感器水平安装在门体的上表面处；

所述的水位传感器安装在船闸最低水位以下2-3米处的闸壁上；

所述的倾角传感器数据获取与发送模块4集成在倾角传感器2自身的嵌入式控制系统中，人字门旋转角度与水位传感器数据获取与发送模块5集成在自身的嵌入式控制系统中，计算机分析处理模块6集成在主控计算机中；

船闸运行状态下门体水平跳变实时监测装置的监测方法，包含以下步骤：

A、安装倾角传感器2

船闸人字门门体由于运行时承受巨大的载荷，导致门体容易出现结构性损伤，其中门体的水平跳变幅度是门体运行状态的一个重要指标，故采用倾角传感器2实时监测人字门门体的水平跳变幅度来监测人字门门体当前的安全运行状态；选定人字门顶部1为倾角传感器2的安装位置，在平行于门体的水平方向安装一个倾角传感器2，并使用工业胶水将倾角传感器2固定在规定位置；

B、安装人字门旋转角度与水位传感器3

由于船闸人字门门体出现水平跳变的过程是一个动态的过程，水平跳变的幅度也随人字门工作运行的状态而改变，所以要实时监测船闸人字门门体当前的开合角度以及船闸内的水位高度这些运行状态信息；将人字门旋转角度传感器平行于人字门门体安置在人字门门体的上表面处，从而获取人字门与船闸墙体的夹角并实时上传到计算机；将水位传感器安装在船闸最低水位以下2-3米处的闸壁上；

C、采集人字门门体倾角数据

倾角传感器2本质上是运用惯性原理的一种加速度传感器，倾角传感器2重力加速度方向的重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角即为倾角；倾角传感器数据获取与发送模块4通过模数转换电路将倾角传感器2采集到的电学模拟量转化为数字量，并通过计算得到船闸人字门门体的倾角，最后通过通讯接口上传至计算机分析处理模块6进行存储并显示；所述的倾角传感器2属于二维倾角传感器，具有两个测量方向，分别测量得到平行于门体长边方向的倾角θ_x与垂直于门体长边方向的倾角θ_y；

D、通过人字门门体的倾角数据计算人字门门体的跳变量

人字门的跳变量是人字门的重要健康指标之一，通过倾角值计算人字门静态跳变量具有准确快速的优点，平行于门体长边方向的跳变量计算公式如下：

h_x＝r tanθ_x

式中：θ_x为平行于门体长边方向倾角值，r为人字门门体被测点与门轴之间的距离，h_x为平行于门体长边方向的人字门的跳变量；

垂直于门体长边方向的跳变量计算公式如下：

式中：θ_y(β)为旋转角度是β时的垂直于门体长边方向的倾角值，β₀为人字门旋转末时刻的角度值，h_y为垂直于门体长边方向的人字门的跳变量；

人字门门体的总跳变量计算公式如下：

式中：h为人字门门体的总跳变量；

通过分别计算倾角传感器平行于门体长边方向与垂直于门体长边方向的跳变量，进而计算得到人字门的总跳变量；

E、分析并处理人字门门体的动态跳变量数据

通过主控计算机处理人字门门体的跳变量数据，将人字门旋转角度与水位传感器3所得到的水位信息和开合角信息与人字门门体的跳变量信息进行整合，得到人字门跳变值的开关门和船闸充放水时段的二维信息，对信息进行逐个判断，得到跳变量数据在不同条件下的取值范围并确定倾角在不同工作条件下的安全阈值，当此时段跳变量的最大值大于安全阈值就说明此时段人字门处于异常运行位置，当此时段跳变量的最小值小于安全阈值说明此时人字门处于正常运行位置，公式如下：

式中S表示当前安全状态值，值为1时代表此时段人字门处于异常运行状态，值为0时代表此时段人字门处于安全运行状态，h_r表示当前时段总跳变量的长度值，h_t表示当前人字门工作状态的跳变量的安全阈值，并以此判断当前人字门运行的安全工作状态。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。