CN105571510A - 水下耐压微变形测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下耐压微变形测量装置，包括试验舱、观测平台、数据采集处理单元、压力传感器和加压泵，观测平台设置在试验舱内，数据采集处理单元设置在试验舱外。利用随竖直移动电机轴转动而上下移动的激光位移微测量探头测量随水平旋转电机水平转动的被测物体上测点距离，并分别测量试验舱水中未加压时和额定试验压力下被测物体测点距离，测量数据上传到数据采集处理单元进行数据处理，实时获取不同水压现场海洋仪器壳体的微变形数据，为海洋水下测量仪器设备壳体设计提供更实际的试验数据，使计算的设备壳体允许变形量和现场水下试验得到相互印证，促进深海水下测量仪器设备的研发。

Description

水下耐压微变形测量装置

技术领域

本发明涉及海洋仪器设备检测装置，特别是涉及海洋仪器设备水下耐压变形检测装置。

背景技术

随着海洋开发事业的发展，急需大量水下测量仪器，而研发此类仪器首先遇到的技术难点就是解决仪器壳体的水下耐压和形变问题。特别是，深海高压环境下仪器壳体的水下耐压和形变问题更为突出。

目前，在海洋仪器设备壳体强度设计中，通过采用有限元分析，进行耐压强度设计、壳体厚度计算、耐压壳体质量评价等，得出仪器壳体允许变形量数据，然后再进行高压现场试验，以检验仪器设备壳体水下耐压和形变的具体状况。

但是，设计中有限元分析得出的壳体允许微变形数据与在高压水体中试验实际出现的微变形数据有较大差距，无法相互印证。而且，目前尚没有可在高压水体环境中实时进行仪器设备的微变形现场检测的装置，这都影响海洋水下测量仪器设备壳体强度的设计和海洋水下测量仪器设备的研发。

发明内容

针对现有技术中计算海洋仪器设备壳体允许变形量和在高压水体中试验无法得到相互印证的问题，本发明推出一种水下耐压微变形测量装置，其目的在于，利用耐水压摄像机和耐水压激光微测量探头对设置在高压水体试验舱中移动平台上的海洋仪器壳体进行测量，实时获得不同水压下海洋仪器壳体微变形数据，为海洋水下测量仪器设备壳体强度的设计提供更实际的试验数据。

本发明涉及的水下耐压微变形测量装置，包括试验舱、观测平台、数据采集处理单元、压力传感器和加压泵，观测平台设置在试验舱内，数据采集处理单元设置在试验舱外，观测平台的测量装置与数据采集处理单元连接，压力传感器的测量探头设置在试验舱内，压力传感器与数据采集处理单元连接，设置在试验舱外部的加压泵与试验舱内部连通，加压泵与数据采集处理单元连接。

所述的试验舱为圆筒状的高压密封试验舱，具有不锈钢舱体外壳。试验舱与试验舱外的加压泵连通，试验舱内观测平台的测量装置与试验舱外的数据采集处理单元由穿过试验舱舱盖的水密电缆连接。

所述的观测平台包括固定底座、固定支架、竖直移动托架、竖直移动电机、水平旋转电机；观测平台的测量装置设置在竖直移动托架上，包括耐水压照明灯、耐水压摄像机和耐水压激光微测量模块。

固定底座为圆柱状结构，固定在试验舱的舱底上。固定底座上设置固定支架以及竖直移动电机和水平旋转电机。

固定支架为框架结构，包括固定杆、竖直滑动导轨和连接横杆。固定杆和竖直滑动导轨竖直设置在固定底座上，固定杆下端固定在固定底座的侧面，竖直滑动导轨的下端固定在固定底座的顶面上，固定杆和竖直滑动导轨与固定底座的顶面垂直。连接横杆将固定杆和竖直滑动导轨的上端固定连接，连接横杆与固定杆和竖直滑动导轨垂直。

竖直移动电机和水平旋转电机分别固定在固定底座上，竖直移动电机和水平旋转电机分别通过穿过试验舱舱盖的水密电缆连接数据采集处理单元。

水平旋转电机上侧设置载物托盘，载物托盘与水平旋转电机的电机轴连接，水平旋转电机带动载物托盘及其托盘上的被测物体水平转动。

竖直移动电机的电机轴连接竖直设置的丝杠，丝杠与固定支架的竖直滑动导轨平行，丝杠上端插入固定支架的连接横杆中并与连接横杆转动配合。丝杠上设置升降螺母，竖直移动电机带动丝杠转动，升降螺母可沿丝杠上下移动。

竖直移动托架为条形块，沿与竖直移动电机的电机轴连接的丝杠平行设置，与丝杠上的升降螺母固定在一起。竖直移动托架条形块与丝杠上的升降螺母一起在竖直移动电机带动下沿丝杠上下运动。

耐水压照明灯、耐水压摄像机和耐水压激光微测量模块作为观测平台的测量装置固定安装在竖直移动托架上，并分别通过穿过试验舱舱盖的水密电缆连接数据采集处理单元。耐水压照明灯、耐水压摄像机和耐水压激光微测量模块可以随竖直移动托架沿丝杠上下移动，以便对准载物托盘上的被测物体。

耐水压激光测量模块包括两个结构相同、性能一致的激光位移微测量探头，激光位移微测量探头的光轴与固定支架的竖直滑动导轨垂直。激光位移微测量探头的耐水压壳体选用钛合金材料，前端耐高水压视窗选用高透光率高强度的圆柱形玻璃构件，后端设置耐高水压电器接插件，耐高水压电器接插件连接水密电缆，水密电缆连接试验舱外的数据采集处理单元。

两个激光位移微测量探头分别为主测单元和补偿单元，补偿单元的激光位移微测量探头视窗前标准距离处固定一反光板。补偿单元的激光位移微测量探头发出红外激光透过视窗照射到反光板上，测得反光板的标准距离。主测单元的激光位移微测量探头发出红外激光透过视窗照射到被测物体上，测得被测物体上测点的距离。主测单元和补偿单元的激光位移微测量探头测得距离数值传至数据采集处理单元，用于确定试验样品的微变形数据。

耐水压摄像机获取试验舱内部影像，利用数据采集处理单元控制键，控制竖直移动托架上下移动，配合载物托盘水平旋转，将激光位移微测量探头发出的激光光斑对准载物托盘上的被测物体。

所述的数据采集处理单元分别与耐水压照明灯、耐水压摄像机、激光位移微测量探头、竖直移动电机、水平旋转电机、压力传感器、加压泵连接，数据采集处理单元的显示屏显示测量距离数值、压力传感器数据、舱内影像以及相应部件的工作状况，两个主测单元和补偿单元的激光位移微测量探头所获得的被测物体测点距离和反光板标准距离用于确定试验样品的微变形数据。

本发明涉及的水下耐压微变形测量装置，利用随竖直移动电机丝杠转动而上下移动的激光位移微测量探头测量被测物体上测点距离，载有被测物体的载物托盘随水平旋转电机的水平转动使激光位移微测量探头对准被测物体被测位置。主测单元的激光位移微测量探头测量试验舱水中未加压时和额定试验压力下被测物体测点距离，补偿单元的激光位移微测量探头测量空气中和试验舱水中额定试验压力下反光板标准距离，测量数据上传到数据采集处理单元进行数据处理，得到作为被测物体的试验样品的被测点微变形测量值。

作为被测物体的试验样品被测点微变形测量值T由下式确定：

T＝(L_a—L_p)XL_k/(L_k—L_s)

L_k为空气中测量反光板标准距离，

L_s为试验舱水中额定试验压力下测量反光板标准距离，

L_a试验舱水中未加压时测量被测物体测点距离,

L_p试验舱水中额定试验压力下测量被测物体测点距离。

所述试验舱内部压力上升由试验舱外加压泵将水箱中水加压到试验舱中实现，其工作压力环境为1Mpa至100Mpa。对试验舱内部加压到试验要求的额定试验压力后，经过一段时间的保压，再通过截止阀卸压和排水。然后，打开试验舱盖取出深水耐压微变形测量装置连同被测物体，拆下被测物体打印实验测量数据结束试验。

本发明涉及的水下耐压微变形测量装置，实时获取不同水压现场海洋仪器壳体的微变形数据，为海洋水下测量仪器设备壳体设计提供更实际的试验数据，使计算的设备壳体允许变形量和现场水下试验得到相互印证，促进深海水下测量仪器设备的研发。

附图说明

图1为本发明涉及的水下耐压形变微测量装置结构示意图。

图中标记说明：

1、数据采集处理单元2、试验舱

3、升降螺母4、竖直移动托架

5、固定杆6、丝杠

7、竖直移动电机8、固定底座

9、压力传感器10、连接横杆

11、耐水压照明灯12、耐水压摄像机

13、耐压水下激光微测量模块14、竖直滑动导轨

15、载物托盘16、水平旋转电机

具体实施方式

现结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。如图所示，本发明涉及的水下耐压微变形测量装置，包括试验舱2、观测平台、数据采集处理单元1、压力传感器9和加压泵，观测平台设置在试验舱2内，数据采集处理单元1设置在试验舱2外，观测平台的测量装置与数据采集处理单元1连接，压力传感器9的测量探头设置在试验舱2内，压力传感器9与数据采集处理单元1连接，设置在试验舱2外部的加压泵与试验舱内部连通，加压泵与数据采集处理单元1连接。

所述的试验舱2为圆筒状的高压密封试验舱，具有不锈钢舱体外壳。设置在试验舱内观测平台的测量装置与试验舱外的数据采集处理单元1由穿过试验舱舱盖的水密电缆连接。

所述的观测平台包括固定底座8、固定支架、竖直移动托架4、竖直移动电机7和水平旋转电机16。观测平台的测量装置设置在竖直移动托架4上，包括耐水压照明灯11、耐水压摄像机12和耐水压激光微测量模块13。

固定底座8为圆柱状结构，固定在试验舱2的舱底上。固定底座8上设置固定支架以及竖直移动电机7和水平旋转电机16。

固定支架为框架结构，包括固定杆5、竖直滑动导轨14和连接横杆10。固定杆5和竖直滑动导轨14竖直设置在固定底座8上，固定杆5下端固定在固定底座8的侧面，竖直滑动导轨14的下端固定在固定底座8的顶面上，固定杆5和竖直滑动导轨14与固定底座8的顶面垂直。连接横杆10将固定杆5和竖直滑动导轨14的上端固定连接，连接横杆10与固定杆5和竖直滑动导轨14垂直。

竖直移动电机7和水平旋转电机16分别固定在固定底座8上，竖直移动电机7和水平旋转电机16分别通过穿过试验舱2的舱盖的水密电缆连接数据采集处理单元1。

水平旋转电机16上侧设置载物托盘15，载物托盘15与水平旋转电机16的电机轴连接，水平旋转电机16带动载物托盘15及其托盘上的被测物体水平转动。

竖直移动电机7的电机轴连接竖直设置的丝杠6，丝杠6与固定支架的竖直滑动导轨14平行，丝杠6上端插入固定支架的连接横杆10中并与连接横杆10转动配合。丝杠6上设置升降螺母3，竖直移动电机7带动丝杠6转动，升降螺母3可沿丝杠6上下移动。

竖直移动托架4为条形块，沿与竖直移动电机的电机轴连接的丝杠6平行设置，与丝杠6上的升降螺母3固定在一起。竖直移动托架4的条形块与丝杠6上的升降螺母3一起在竖直移动电机7带动下沿丝杠6上下运动。

耐水压照明灯11、耐水压摄像机12和耐水压激光微测量模块13作为观测平台的测量装置固定安装在竖直移动托架4上，并分别通过穿过试验舱2的舱盖的水密电缆连接数据采集处理单元1。耐水压照明灯11、耐水压摄像机12和耐水压激光微测量模块13可以随竖直移动托架4沿丝杠6上下移动，以便对准载物托盘15上的被测物体。

耐水压激光测量模块13包括两个结构相同、性能一致的激光位移微测量探头。激光位移微测量探头的耐水压壳体选用钛合金材料，前端耐高水压视窗选用高透光率高强度的圆柱形玻璃构件，后端设置耐高水压电器接插件，耐高水压电器接插件连接水密电缆，水密电缆连接试验舱2外的数据采集处理单元1。

两个激光位移微测量探头分别为主测单元和补偿单元，补偿单元的激光位移微测量探头视窗前标准距离处固定一反光板。补偿单元的激光位移微测量探头发出红外激光透过视窗照射到反光板上，测得反光板的标准距离。主测单元的激光位移微测量探头发出红外激光透过视窗照射到被测物体上，测得被测物体上测点的距离。主测单元和补偿单元的激光位移微测量探头测得距离数值传至数据采集处理单元1，用于确定试验样品的微变形数据。

耐水压摄像机12获取试验舱内部影像，利用数据采集处理单元1的控制键，控制竖直移动托架4上下移动，配合载物托盘15水平旋转，将激光位移微测量探头发出的激光光斑对准载物托盘15上的被测物体。

所述的数据采集处理单元1分别与耐水压照明灯11、耐水压摄像机12、激光位移微测量探头、竖直移动电机7、水平旋转电机16、压力传感器9和加压泵连接，数据采集处理单元1的显示屏显示测量距离数值、压力传感器数据、舱内影像以及相应部件的工作状况，两个主测单元和补偿单元的激光位移微测量探头所获得的被测物体测点距离和反光板标准距离用于确定试验样品的微变形数据。

本发明涉及的水下耐压微变形测量装置，利用随竖直移动电机7的丝杠6转动而上下移动的激光位移微测量探头测量被测物体上测点距离，载有被测物体的载物托盘随水平旋转电机的水平转动使激光位移微测量探头对准被测物体被测位置。主测单元的激光位移微测量探头测量试验舱水中未加压时和额定试验压力下被测物体测点距离，补偿单元的激光位移微测量探头测量空气中和试验舱水中额定试验压力下反光板标准距离，测量数据上传到数据采集处理单元1进行数据处理，得到作为被测物体的试验样品的被测点微变形测量值。

作为被测物体的试验样品被测点微变形测量值T由下式确定：

T＝(L_a—L_p)XL_k/(L_k—L_s)

L_k为空气中测量的反光板标准距离，

L_s为试验舱水中额定试验压力下测量的反光板标准距离，

L_a试验舱水中未加压时测量的被测物体测点距离,

L_p试验舱水中额定试验压力下测量的被测物体测点距离。

所述试验舱2内部压力上升由试验舱外加压泵将水箱中水加压到试验舱中实现的，其工作压力环境为1Mpa至100Mpa。对试验舱2内部加压到试验要求的额定试验压力后，经过一段时间的保压，再通过截止阀卸压和排水。然后，打开试验舱盖取出深水耐压微变形测量装置连同被测物体，拆下被测物体打印实验测量数据结束试验。

Claims (6)

1.一种水下耐压微变形测量装置，其特征在于，包括试验舱、观测平台、数据采集处理单元、压力传感器和加压泵，观测平台设置在试验舱内，数据采集处理单元设置在试验舱外，观测平台的测量装置与数据采集处理单元连接，压力传感器的测量探头设置在试验舱内，压力传感器与数据采集处理单元连接，设置在试验舱外部的加压泵与试验舱内部连通，加压泵与数据采集处理单元连接；

所述的观测平台包括固定底座、固定支架、竖直移动托架、竖直移动电机、水平旋转电机；固定底座为圆柱状结构，固定在试验舱的舱底上，固定底座上设置固定支架、竖直移动电机和水平旋转电机；观测平台的测量装置设置在竖直移动托架上，包括耐水压照明灯、耐水压摄像机和耐水压激光微测量模块；

所述的固定支架为框架结构，包括固定杆、竖直滑动导轨和连接横杆，固定杆和竖直滑动导轨竖直设置在固定底座上，连接横杆将固定杆和竖直滑动导轨的上端固定连接；

所述的水平旋转电机上侧设置载物托盘，载物托盘与水平旋转电机的电机轴连接，水平旋转电机带动载物托盘及其托盘上的被测物体水平转动；

所述的竖直移动电机的电机轴连接竖直设置的丝杠，丝杠上设置升降螺母，竖直移动电机带动丝杠转动，升降螺母可沿丝杠上下移动；

所述的竖直移动托架为条形块，沿着与竖直移动电机的电机轴连接的丝杠平行设置，与丝杠上的升降螺母固定在一起；竖直移动托架上固定安装耐水压照明灯、耐水压摄像机和耐水压激光微测量模块，耐水压照明灯、耐水压摄像机和耐水压激光微测量模块可以随竖直移动托架沿丝杠上下移动；

所述的耐水压激光测量模块包括两个结构相同、性能一致的激光位移微测量探头，激光位移微测量探头的光轴与固定支架的竖直滑动导轨垂直；

所述的两个激光位移微测量探头分别为主测单元和补偿单元，补偿单元的激光位移微测量探头视窗前标准距离处固定一反光板，补偿单元的激光位移微测量探头发出红外激光透过视窗照射到反光板上，测得反光板的标准距离；主测单元的激光位移微测量探头发出红外激光透过视窗照射到被测物体上，测得被测物体上测点的距离；主测单元和补偿单元的激光位移微测量探头测得距离数值传至数据采集处理单元，用于确定试验样品的微变形数据。

2.根据权利要求1所述的一种水下耐压微变形测量装置，其特征在于，所述的激光位移微测量探头的耐水压壳体选用钛合金材料，前端耐高水压视窗选用高透光率高强度的圆柱形玻璃构件，后端设置耐高水压电器接插件，耐高水压电器接插件连接水密电缆，水密电缆连接试验舱外的数据采集处理单元。

3.根据权利要求1所述的一种水下耐压微变形测量装置，其特征在于，所述的固定支架的固定杆下端固定在固定底座的侧面，竖直滑动导轨的下端固定在固定底座的顶面上，固定杆和竖直滑动导轨与固定底座的顶面垂直；所述的固定支架的连接横杆与固定杆和竖直滑动导轨垂直。

4.根据权利要求1所述的一种水下耐压微变形测量装置，其特征在于，所述的丝杠与固定支架的竖直滑动导轨平行，丝杠上端插入固定支架的连接横杆中并与连接横杆转动配合。

5.根据权利要求1所述的一种水下耐压微变形测量装置，其特征在于，所述的试验舱为圆筒状的高压密封试验舱，试验舱与试验舱外的加压泵连通，试验舱内部压力上升由试验舱外加压泵将水箱中水加压到试验舱中实现，其工作压力环境为1Mpa至100Mpa。

6.用权利要求1所述的水下耐压微变形测量装置进行作为被测物体的试验样品被测点微变形测量值的测量方法，其特征在于，利用随竖直移动电机丝杠转动而上下移动的激光位移微测量探头测量被测物体上测点距离，载有被测物体的载物托盘随水平旋转电机的水平转动使激光位移微测量探头对准被测物体被测位置；主测单元的激光位移微测量探头测量试验舱水中未加压时和额定试验压力下被测物体测点距离，补偿单元的激光位移微测量探头测量空气中和试验舱水中额定试验压力下反光板标准距离，测量数据上传到数据采集处理单元进行数据处理，得到作为被测物体的试验样品的被测点微变形测量值；

作为被测物体的试验样品被测点微变形测量值T由下式确定：

T＝(L_a—L_p)XL_k/(L_k—L_s)

L_k为空气中测量反光板标准距离，

L_s为试验舱水中额定试验压力下测量反光板标准距离，

L_a试验舱水中未加压时测量被测物体测点距离,

L_p试验舱水中额定试验压力下测量被测物体测点距离。