CN106012950A - 一种搭载实时动态监测系统的伺服造波装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种搭载实时动态监测系统的伺服造波装置及方法，包括试验水渠和一个安装在试验水渠侧壁上的冲箱，所述的冲箱在驱动装置的驱动下实时的控制试验水渠内波浪的振幅、频率以及相位；在所述的试验水渠内安装有水位检测装置，在冲箱的底部安装有能量感应装置，所述的水位检测装置和能量感应装置将采集的数据发送给数据处理装置，所述的数据处理装置将处理后的数据发送给伺服控制系统，所述的伺服控制系统根据接收的数据控制冲箱的驱动装置，得到期望的波形。

Description

一种搭载实时动态监测系统的伺服造波装置及方法

技术领域

本发明涉及一种搭载实时动态监测系统的伺服造波装置。

背景技术

海底滑坡是常见的一种海洋灾害,它能将沉积物运移数百公里,可能引起深水油气开发钻井平台的倾复、海底铺设的输油管道和海底电缆扭曲甚至被切断等,还可能导致巨大破坏性的海啸,因此应当对海底滑坡的机理、地质风险及预防引起足够的重视。通过波浪对浅水区海底岩质边坡稳定性影响模型试验，研究在不同边坡坡度与结构面倾角条件下海底岩质边坡在波浪作用下坡面压力的变化规律，结构面内孔隙水压力、应力、位移的分布规律以及受波浪影响的变化规律和结构面两侧边界水流的变化情况，结合试验结果探讨岩质边坡在波浪作用下的破坏过程，对边坡防护技术的建立具有很大的作用。

相应的波浪模拟实验装置应运而生，以往的造波装置多为板状造波结构，无法消除造波板来回运动产生反射波的影响。部分造波装置采用鼓风机制造波浪，存在波浪模拟频率低、控制精度不高等固有缺陷，实现定量化的控制波浪的物理参数存在较大的困难。目前，尚没有能够有效消除反射波影响，并且能够实时控制波浪振幅、频率、相位的造波装置。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有造波装置的不足，提供一种搭载实时动态监测系统的伺服造波装置。本发明的计算机伺服控制系统接收来自水位显示器、能量感应装置的信息，经过数据整理分析获得波浪的振幅、频率、相位，通过计算机与液压千斤顶之间建立的伺服控制系统，实时的调整伺服电机框架的升降，真正实现了参数定量化的产生波浪，控制精度大大提高。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种搭载实时动态监测系统的伺服造波装置，包括试验水渠和一个安装在试验水渠侧壁上的冲箱，所述的冲箱在驱动装置的驱动下实时的控制试验水渠内波浪的振幅、频率以及相位；在所述的试验水渠内安装有水位检测装置，在冲箱的底部安装有能量感应装置，所述的水位检测装置和能量感应装置将采集的数据发送给数据处理装置，所述的数据处理装置将处理后的数据发送给伺服控制系统，所述的伺服控制系统根据接收的数据控制冲箱的驱动装置，得到期望的波形。

进一步的，所述的驱动装置包括一个伺服电机，伺服电机的输出轴与凸轮轴相连，所述的凸轮轴与一个传动杆相连，所述的传动杆通过一个球铰与冲箱相连。这一构造在满足试验 需要的情况下，极大简化了传动装置的复杂性。转轴与冲箱用传动杆相连，传动杆下部由一球铰固定在冲箱上，球铰的设计有效的避免了传动杆运动所造成的冲箱与水渠侧壁的左右碰撞。

进一步的，所述的伺服电机安装在一个框架上，在框架的底部安装液压驱动装置驱动框架上下运动；伺服电机的转动频率通过伺服控制系统调整，通过综合控制冲箱最大入水深度、行程和频率，实现调节波浪波高、波长和周期的功能。

所述的液压驱动装置包括四个安装在框架四个角上的液压千斤顶，所述的液压千斤顶的升降由伺服控制系统控制。

伺服电机框架由液压千斤顶控制可以上下移动，从而调节冲箱最大入水深度，与伺服电机转轴连接的凸轮轴，作用为控制冲箱工作时的行程，伺服电机的转动频率可调，通过综合控制冲箱最大入水深度、行程和频率，实现调节波浪波高、波长和周期的功能。

进一步的，所述的试验水渠的左右两侧为透明的钢化玻璃，伺服电机转动带动冲箱上下运动产生波浪，透过钢化玻璃侧壁可以直接观察产生的波浪特征；钢化玻璃内壁上相隔一定距离内嵌带有水位感应装置的刻度尺，由数据连接线与外部显示器相连。

进一步的，所述的冲箱为筒状结构，与水面的撞击面为圆弧形，其顶面为水平面，背面为垂直面；冲箱在面向试验区的一侧制造波浪，背侧与水渠壁紧密贴合，这种设计使得背侧不会产生反射波的影响，有效的将反射波影响降到最低。

进一步的，冲箱下方安装能量感应装置，可以实时的获取冲箱推动水体运动产生的能量，最后，通过数据连接线将显示器、能量感应装置连接到数据处理装置。

本发明的有益效果如下：

本发明通过调整液压千斤顶，控制造波机的高度，从而调节冲箱最大入水深度，与伺服电机转轴连接的凸轴，作用为控制冲箱工作时的行程，伺服电机的转动频率可调，通过综合控制冲箱最大入水深度、行程和频率，实现调节波浪波高、波长和周期的功能。伺服电机转动带动冲箱上下运动产生波浪，透过钢化玻璃侧壁可以直接观察产生的波浪特征，安装在钢化玻璃侧壁上的实时水位监测装置可以获取波浪高度随时间的数据信息，通过数据连接线传输到数据处理器上，计算得到波高、波长、波浪周期等信息并记录、显示。筒状冲箱上下运动接触水体，推动水体运动产生能量，冲箱下方安装能量感应装置，实时的获取上述能量。通过将波浪的波高、周期信息和能量信息输入数据处理装置，即可通过数据整理分析得出波浪的振幅、频率、相位，通过伺服控制系统即可实时调节液压千斤顶和伺服电机，得到期望波形。

数据处理装置接收来自水位显示器、能量感应装置的信息，经过数据整理分析获得波浪 的振幅、频率、相位，通过计算机与液压千斤顶之间建立的伺服控制系统，实时的调整伺服电机的转动频率，控制冲箱最大入水深度、行程，真正实现了定量化的产生波浪，控制精度大大提高。

附图说明

图1 是本发明的原理示意图；

图2 是本发明的冲箱示意图；

其中1. 试验水渠；2.钢化玻璃；3.水位监测刻度尺；4.冲箱；5.球铰；6. 能量感应装置；7.传动杆；8.固定支架；9.液压千斤顶；10.伺服电机；11.转轴；12.导轨；13. 数据连接线；14.水位显示器；15.液压控制器；16.托环； 17.伺服控制系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1、2所示，搭载实时动态监测系统的伺服造波装置，包括试验水渠1、钢化玻璃2、水位监测刻度尺3、冲箱4、球铰5、能量感应装置6、传动杆7、固定支架8、液压千斤顶9、伺服电机框架10、转轴11、导轨12、数据连接线13、水位显示器14、液压控制器15、托环16，伺服控制系统17；具体的连接结构如下：

试验水渠1的侧壁利用钢化玻璃2装配，钢化玻璃侧壁2上带有5组水位监测刻度尺3，外部通过数据连接线13连接到水位显示器14上。

液压控制器15和液压千斤顶9控制伺服电机框架10的升降，为有效避免因为伺服电机转轴过长导致的伺服电机晃动，加设托环15和固定支架7予以固定。

伺服电机框架由液压千斤顶控制可以上下移动，从而调节冲箱最大入水深度，与伺服电机转轴连接的凸轮轴，作用为控制冲箱工作时的行程，伺服电机的转动频率可调，通过综合控制冲箱最大入水深度、行程和频率，实现调节波浪波高、波长和周期的功能。

为监测冲箱4工作时与水面接触产生的能量，在冲箱4底部安装能量感应装置6，利用数据连接线13将能量信息与水位显示器14信息一同输入数据处理装置，数据处理装置将数据传送给伺服控制系统17。伺服控制系统17与液压控制器15和伺服电机10相连，通过数据整理分析，实时调节液压控制器15控制框架升降以及伺服电机的转动频率，得到期望振幅、频率、相位的波浪。

伺服电机10的输出轴与凸轮轴相连，凸轮轴与一个传动杆相连，传动杆7通过一个球铰5与冲箱4相连。这一构造在满足试验需要的情况下，极大简化了传动装置的复杂性。转轴与冲箱用传动杆相连，传动杆下部由一球铰固定在冲箱上，球铰的设计有效的避免了传动杆运动所造成的冲箱与水渠侧壁的左右碰撞。

试验水渠1的左右两侧为透明的钢化玻璃2，伺服电机转动带动冲箱上下运动产生波浪，透过钢化玻璃侧壁可以直接观察产生的波浪特征；钢化玻璃内壁上相隔一定距离内嵌带有水位感应装置的刻度尺，由数据连接线与外部显示器相连。

冲箱4为筒状结构，与水面的撞击面为圆弧形，其顶面为水平面，背面为垂直面；冲箱在面向试验区的一侧制造波浪，背侧与水渠壁紧密贴合，这种设计使得背侧不会产生反射波的影响，有效的将反射波影响降到最低。

为有效避免因为伺服电机转轴11过长导致的伺服电机晃动，加设托环16和固定支架8予以固定；伺服电机转轴11上加设有托环16，转轴的末端通过一个固定支架8固定。

伺服电机转轴11与凸轮轴一体化设计，带动传动杆7的运动，传动杆7下端通过球铰5与冲箱4相连，球铰5有效的避免了冲箱4工作时与试验水渠1侧壁的碰撞。

利用上述装置进行试验的方法，包括一下步骤：

(1)安装试验水渠1的钢化玻璃侧壁2，布设带有水位监测功能的刻度尺3，将刻度尺3用数据连接线13连接至侧壁水位显示器14和数据处理装置上。

(2)向试验水渠1内部注入一定量的水，启动液压控制装置15，由液压千斤顶9将伺服电机框架10提升到水面以上一定高度。

(3)启动伺服电机10开关，由转轴11的凸轴带动传动杆7，球铰5的设计使冲箱4沿导轨12上下运动。

(4)位于冲箱4下方的能量监测装置6开始收集信息，水位显示器实时显示来自五组水位监测刻度尺3上的数据，通过位监测刻度尺3和能量监测装置6波浪的波高、周期信息便可以获取，通过数据连接线13将两种信息传送至数据处理装置，数据处理装置通过数据整理分析得出波浪的振幅、频率、相位。

(5)由伺服控制系统17根据步骤(4)得到的数据，实时调整液压控制装置15以及伺服电机10，定量化的选定伺服电机框架10升降距离，合理控制冲箱4的工作入水深度，即可得到期望波形的波浪。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种搭载实时动态监测系统的伺服造波装置，其特征在于，包括试验水渠和一个安装在试验水渠侧壁上的冲箱，所述的冲箱在驱动装置的驱动下实时的控制试验水渠内波浪的振幅、频率以及相位；在所述的试验水渠内安装有水位检测装置，在冲箱的底部安装有能量感应装置，所述的水位检测装置和能量感应装置将采集的数据发送给数据处理装置，所述的数据处理装置将处理后的数据发送给伺服控制系统，所述的伺服控制系统根据接收的数据控制冲箱的驱动装置，得到期望的波形。

2.如权利要求1所述的搭载实时动态监测系统的伺服造波装置，其特征在于，所述的驱动装置包括一个伺服电机，伺服电机的输出轴与凸轮轴相连，所述的凸轮轴与一个传动杆相连，所述的传动杆通过一个球铰与冲箱相连。

3.如权利要求2所述的搭载实时动态监测系统的伺服造波装置，其特征在于，所述的伺服电机安装在一个框架上，在框架的底部安装液压驱动装置驱动框架上下运动。

4.如权利要求3所述的搭载实时动态监测系统的伺服造波装置，其特征在于，所述的液压驱动装置包括四个安装在框架四个角上的液压千斤顶，所述的液压千斤顶的升降以及电动的转动频率由伺服控制系统控制。

5.如权利要求1所述的搭载实时动态监测系统的伺服造波装置，其特征在于，所述的试验水渠的左右两侧为透明的钢化玻璃，在所述的钢化玻璃内壁上相隔一定距离内嵌带有水位检测装置。

6.如权利要求5所述的搭载实时动态监测系统的伺服造波装置，其特征在于，所述的水位检测装置分别与数据处理装置、水位显示器相连。

7.如权利要求1所述的搭载实时动态监测系统的伺服造波装置，其特征在于，所述的冲箱为筒状结构，与水面的撞击面为圆弧形，其顶面为水平面，背面为垂直面；冲箱在面向试验区的一侧制造波浪，背侧与水渠壁紧密贴合。

8.如权利要求1所述的搭载实时动态监测系统的伺服造波装置，其特征在于，所述的能量感应装置通过数据连接线与能量显示装置相连。

9.利用权利要求1-8任一所述的伺服造波装置进行试验的方法，其特征在于，如下：

(1)安装试验水渠的钢化玻璃侧壁，布设带有水位监测功能的刻度尺，将刻度尺连接至侧壁水位显示器和数据处理装置相连；

(2)向试验水渠内部注入一定量的水，启动液压控制装置，由液压千斤顶将伺服电机框架提升到水面以上一定高度；

(3)启动伺服电机开关，由转轴的凸轴带动传动杆，传动杆带动冲箱上下运动；

(4)位于冲箱下方的能量监测装置开始收集信息，水位显示器实时显示来自水位监测刻度尺上的数据，获取波浪的波高、周期信息，且将数据传送给数据处理装置，数据处理装置对数据处理后传送至伺服控制系统，通过数据整理分析得出波浪的振幅、频率、相位；

(5)计算机伺服控制系统实时调整驱动装置，定量化的选定驱动装置的升降距离以及转动频率，得到期望波形的波浪。