CN106767688B - 基于激光测距的储罐基础沉降监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光测距技术的储罐基础沉降监测装置，包括：步进电机、丝杠、激光测距模块、滑台、光滑导杆、顶盖、下底板、中间板、电路控制板、电源、方形外壳、光电门、碰撞开关；下底板顶面上设有两个盲孔，分别用以固定丝杠和光滑导杆，丝杠和光滑导杆从下到上依次穿过滑台和中间板，丝杠上端固定在步进电机上，光滑导杆上端固定于中间板；滑台通过螺母与丝杠配合，滑台设有支撑板和L形板用以固定激光测距模块；中间板固定步进电机和光滑导杆，中间板上有长方形通孔用以排线穿过，下部设有光电门；电源放置在中间板的上部，电路控制板放置在步进电机上方。本发明具有成本低、误差小、高精度、高效率、高度自动化的特点。

Description

基于激光测距的储罐基础沉降监测装置

技术领域

本发明属于结构沉降监测领域，具体地，涉及一种基于激光测距技术的储罐基础沉降监测装置。

背景技术

大型储罐作为国家石油储备的主要设备，其建设一直朝着大型化的方向发展。由于储罐的体积庞大，微小的沉降在日常巡检和维护中难以用肉眼观察到。只有当沉降量积累到一定程度，发生功能性故障时，才会被发现。但此时沉降已不可逆转，严重时会导致浮盘倾斜、油罐倾覆等重大事故。因此，需要通过科学的检测手段来消除事故隐患。储罐在试水预压沉降后，随着基础不断压实而沉降；储罐在风压和地震等不均匀外载荷长期作用下，易产生不均匀基础压力；基础施工质量，基础下地层自然缓慢沉降，也会产生储罐基础沉降。储罐基础沉降量主要由三部分组成：均匀沉降、平面倾斜沉降和不均匀沉降。其中平面倾斜沉降和不均匀沉降对储罐能否正常工作产生直接影响。储罐沉降量与储罐直径大小、基础底面压力的高低、地基土质的好坏等因素有关。另外，大量工程实例证明，地基承载力不是一成不变的；不同等级的地震对储罐遭到不同程度的破坏。这两类问题，都可能引发了严重的次生灾害，导致原油泄漏，造成的环境污染、火灾等，既给人民群众和国家造成了重大经济损失，也使地球生态环境受到很大程度的威胁。

储罐基础沉降的检测评定，前提是要测量出基础各个点在空间中的坐标，然后对这些测量点进行相应的计算，从而对储罐的基础沉降做出评估。根据国内外学术期刊论文及专利的调查与研究，储罐沉降的检测系统基本采用常规测量方法——全站仪。全站仪是一种光机电算一体化的高精度测量仪器，可以精确测量空间坐标点，具有功能强、精度高、速度快等特点。但该方法误差大、效率低,无法实现自动、实时监测,需要固定人员、使用固定仪器,以免引入更大的人为误差。因此，需要实时准确掌握储罐沉降量，通过理论分析和数值仿真计算给出高精度的储罐基础沉降评估临界值，基于多参数监测数据与评估临界值对比分析，给出可靠的安全评价，为安全运行或及时维修提供可靠的保障。

发明内容

为了解决现有技术所存在的不足，本发明提供一种基于激光测距的储罐基础沉降监测装置，以激光测距模块为核心可实时地监测储罐基础沉降并记录数据。同时结合历史监测数据和预设的临界值进行分析，系统可以给出储罐当前运行状态的科学判断及预测结果。

为实现上述目的，本发明采用下述方案：

基于激光测距的储罐基础沉降监测装置，包括：步进电机、丝杠、激光测距模块、滑台、光滑导杆、顶盖、下底板、中间板、电路控制板、电源、方形外壳、光电门、碰撞开关；方形外壳、顶盖和下底板构成整体外壳；下底板顶面上设有两个盲孔，分别用以固定丝杠和光滑导杆，丝杠和光滑导杆从下到上依次穿过滑台和中间板，丝杠上端固定在步进电机上，光滑导杆上端固定于中间板；滑台通过螺母与丝杠配合，将丝杠的旋转运动转换为自身的直线运动，滑台通过直线轴承与光滑导杆配合，保证自身平动且减小摩擦，滑台设有支撑板和L形板用以固定激光测距模块；中间板固定在装置约三分之二高度处，用以固定步进电机和光滑导杆，中间板上有长方形通孔用以排线穿过，下部设有光电门；电源放置在中间板的上部，电路控制板放置在步进电机上方，电路控制板主要包括主控芯片、无线通信模块以及RTC模块。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：基于激光测距的储罐基础沉降监测装置具有成本低、误差小、高精度、高效率、高度自动化的特点；可以得到储罐沉降的精确数值，为储罐的安全运行或及时维修提供可靠保障。

附图说明

图1a是储罐基础沉降监测装置的立体示意图；

图1b是储罐基础沉降监测装置的剖视示意图；

图2是储罐基础沉降监测装置内部的立体示意图；

图3是下底板的立体示意图；

图4a是滑台的立体示意图；

图4b是滑台的剖视示意图；

图5是中间板的立体示意图；

图6是激光标识装置的立体示意图；

图中：1、方形外壳，2、顶盖，3、电源，4、光电门发射端，5、碰撞开关，6、激光测距模块，7、光滑导杆，8、下底板，9、丝杠，10、滑台，11、光电门接收端，12、中间板，13、步进电机，14、电路控制板，15、凸台，16、橡胶塞，17、L形板，18、螺母，19、直线轴承，20、激光标识装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1a、图1b、图2，基于激光测距的储罐基础沉降监测装置，包括：步进电机13、丝杠9、激光测距模块6、滑台10、光滑导杆7、顶盖2、下底板8、中间板12、电路控制板14、电源3、方形外壳1、光电门4和11、碰撞开关5；方形外壳1、顶盖2和下底板8构成整体外壳；下底板8顶面上设有两个盲孔，分别用以固定丝杠9和光滑导杆7，丝杠9和光滑导杆7从下到上依次穿过滑台10和中间板12，丝杠9上端固定在步进电机13上，光滑导杆7上端固定于中间板12；滑台10通过螺母18与丝杠9配合，将丝杠9的旋转运动转换为自身的直线运动，滑台10通过直线轴承19与光滑导杆7配合，保证自身平动且减小摩擦，滑台10设有支撑板和L形板用以固定激光测距模块6；中间板12固定在装置约三分之二高度处，用以固定步进电机13和光滑导杆7，中间板12上有长方形通孔用以排线穿过，同时下部设有光电门4、11；电源3放置在中间板12的上部，电路控制板14放置在步进电机13上方，电路控制板14主要包括主控芯片、无线通信模块以及RTC模块。

如图1a和图1b所示，方形外壳1上每一侧面设有四个沉头孔，其中与底端相邻两个沉头孔与下底板8通过螺丝连接，使下底板8与方形外壳水平固定；每一侧面上距底端大约三分之二处的两个沉头孔与中间板12通过螺丝连接，使中间板12与方形外壳水平固定；方形外壳1顶部的四个角各有一个螺纹孔，用于与顶盖2的四个角上的沉头孔配合连接，使方形外壳1与顶盖2固定；方形外壳1的正面有矩形开口，矩形开口处用胶粘合玻璃，玻璃的透明性便于激光测距模块6发射激光进而正常工作；玻璃和顶盖2的密封效果保证内部零件不受外界环境干扰。

如图3所示，下底板8顶面设有两个圆形盲孔，一个较大、一个较小，其中较大盲孔放置滚动轴承，滚动轴承内壁与丝杠9配合，减少丝杠9在转动时的摩阻；较小盲孔固定光滑导杆7；下底板8侧面各设两个螺纹孔，下底板8通过螺丝固定于方形外壳1上。

如图2所示，丝杠9上端与步进电机13连接，即步进电机13带动丝杠9转动，丝杠9从下到上依次穿过下底板8、滑台10和中间板12，丝杠9下端穿过轴承固定于下底板8的圆形盲孔，上端穿过中间板12后与步进电机13连接；丝杠9与滑台10上的螺母18相配合，将丝杠9的旋转运动转换为滑台10的直线运动；光滑导杆7从下到上依次经过下底板8、滑台10及中间板12，上端穿过与中间板固定，下端与下底板8通过盲孔固定，通过直线轴承19与滑台10滑动连接，保证滑台10平动时减小摩擦。

如图4a、4b所示，滑台10上部有两个阶梯型圆孔，较大的阶梯圆孔上通过三个螺栓与螺母18连接，螺母18与丝杠9配合，将丝杠9的旋转运动转换为直线运动；较小的阶梯圆孔放置直线轴承19，并用带有中央孔的橡胶塞16加紧固定，该中央孔与直线轴承19的中央孔同轴心，光滑导杆7穿过橡胶塞16和直线轴承19的中央孔，用以保证滑台10可上下平动，减少摩擦。滑台10上部有两个螺纹孔，用于与L形板17上的两个沉头孔相配合，以固定L形板17；滑台10底部向侧面延伸出一个支撑板，支撑板结合L形板17固定激光测距模块6；滑台10顶部有一个凸台15，用以接触碰撞开关5，保证装置安全运行；碰撞开关5放置在中间板12底部上的凸台15的对应位置处，用以配合光电门实现限位与保护的作用。

如图5所示，中间板12板面有一较大的圆孔，周边均匀分布四个小通孔。步进电机13底部放置在较大圆孔上，通过螺丝与四个小通孔连接固定。中间板12旁侧有一较小的圆形通孔，用以固定光滑导杆7；中间板12上有长方形通孔用以排线穿过；中间板12四个侧面各有两个螺纹孔，通过螺丝固定于方形外壳1上；中间板12下方3-4cm处放置光电门，光电门发射端4和光电门接收端11固定在方形外壳1对称的两侧，用以提供初始位置的精准信号。

如图2所示，电源3放置在中间板12的上部，电路控制板14放置在步进电机13上方，电源3通过电线给电路控制板提供电能，电路控制板14主要包括主控芯片、无线通信模块以及RTC模块，分别实现数据的存储、传输及处理；电路控制板14输出脉冲信号，控制步进电机13带动丝杠9进行旋转运动，电路控制板14记录滑台10的位置信息和激光测距模块6测量的距离信号，并通过无线通信模块发送给系统。

本发明的基于激光测距的储罐基础沉降监测装置对储罐基础沉降监测过程的实现，以一个周期为例说明如下：

罐壁底部周围布设一个特定的激光标识装置20，由于该装置有半圆状凸起，激光照射至其上不同点时，使激光测距模块6接收到反射回激光的时间间隔不同，根据光速与时间间隔换算得出距离公式，从而得到不同的距离信息。

脉冲信号控制步进电机13带动激光测距模块5从初始位置逐步向下移动，当激光测距模块6通过光电门发射端4和光电门接收端11时，电路控制板14开始计时，并由脉冲个数推算激光测距模块6下降的距离；当激光测距模块6检测到激光标识装置20时，滑台10的位置信号和测量的距离信号一一对应，电路控制板14记录滑台10的位置信息和测量的距离信号，并通过电路控制板14中的无线通信模块发送给系统。当步进电机13下降的距离达到预设值时，步进电机13反向转动，使激光测距模块6上移，在接触到碰撞开关5后，即回到初始位置，步进电机13停止运行，一个周期结束。如此进行下一个周期，求出对应周期的相对距离，即可得到特定时间段内沉降量。根据电路控制板14发射的滑台10的位置信息和测量的距离信号，系统可以得到此次扫描的距离曲线，进而得出激光标识装置20半圆状凸起的圆心位置，也即该次扫描后得到的储罐基础的当前状态。

若该周期监测到的沉降量大于预设临界值，则系统发出警告，其中预设临界值可以通过SHT3528-2005《石油化工钢铁储罐地基与基础施工及验收规范》，API652-2009《TankInspection，Repair，Alteration and Reconstruction》和SY/T5921-2011《立式圆筒型钢制焊接储罐操作维护修理规程》等标准计算并获得。

以上所述仅为本发明的较佳实例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于激光测距的储罐基础沉降监测装置，包括：步进电机、丝杠、激光测距模块、滑台、光滑导杆、顶盖、下底板、中间板、电路控制板、电源、方形外壳、光电门、碰撞开关；方形外壳、顶盖和下底板构成整体外壳；下底板顶面上设有两个盲孔，分别用以固定丝杠和光滑导杆，丝杠和光滑导杆从下到上依次穿过滑台和中间板，丝杠上端固定在步进电机上，光滑导杆上端固定于中间板；滑台通过螺母与丝杠配合，将丝杠的旋转运动转换为自身的直线运动，滑台通过直线轴承与光滑导杆配合，保证自身平动且减小摩擦，滑台设有支撑板和L形板用以固定激光测距模块；中间板固定在装置三分之二高度处，用以固定步进电机和光滑导杆，中间板上有长方形通孔用以排线穿过，中间板下方3-4cm处放置光电门，光电门发射端和光电门接收端固定在方形外壳对称的两侧，用以提供初始位置的精准信号；电源放置在中间板的上部，电路控制板放置在步进电机上方，电路控制板主要包括主控芯片、无线通信模块以及RTC模块；滑台顶部有一个凸台，碰撞开关放置在中间板底部上的凸台的对应位置处，用以配合光电门实现限位与保护的作用；测量沉降过程：通过激光测距模块从上到下扫描激光标识装置，同时记录激光测距模块位置信息和测量的激光标识装置距离，分析扫描得到的曲线，找到激光标识装置半圆状凸起的圆心位置，即该次扫描后得到的储罐基础的当前状态，下一个扫描周期，同样得到激光标识装置半圆状凸起的圆心位置，与初次扫描结果相比较，即可得到特定时间段内储罐基础的沉降量。

2.根据权利要求1所述的基于激光测距的储罐基础沉降监测装置，其特征在于，方形外壳上每一侧面设有四个沉头孔，其中与底端相邻两个沉头孔与下底板通过螺丝连接，使下底板与方形外壳水平固定；每一侧面上距底端大约三分之二处的两个沉头孔与中间板通过螺丝连接，使中间板与方形外壳水平固定；方形外壳顶部的四个角各有一个螺纹孔，用于与顶盖的四个角上的沉头孔配合连接，使方形外壳与顶盖固定；方形外壳的正面有矩形开口，矩形开口处用胶粘合玻璃，玻璃的透明性便于激光测距模块发射激光进而正常工作。

3.根据权利要求2所述的基于激光测距的储罐基础沉降监测装置，其特征在于，下底板顶面设有两个圆形盲孔，一个较大、一个较小，其中较大盲孔放置滚动轴承，滚动轴承内壁与丝杠配合，较小盲孔固定光滑导杆；下底板侧面各设两个螺纹孔，下底板通过螺丝固定于方形外壳上。

4.根据权利要求3所述的基于激光测距的储罐基础沉降监测装置，其特征在于，丝杠从下到上依次穿过下底板、滑台和中间板，丝杠下端穿过轴承固定于下底板的圆形盲孔，上端穿过中间板后与步进电机连接；丝杠与滑台上的螺母相配合，将丝杠的旋转运动转换为滑台的直线运动；光滑导杆从下到上依次经过下底板、滑台及中间板，上端穿过与中间板固定，下端与下底板通过盲孔固定，通过直线轴承与滑台滑动连接。

5.根据权利要求4所述的基于激光测距的储罐基础沉降监测装置，其特征在于，滑台上部有两个阶梯型圆孔，较大的阶梯圆孔上通过三个螺栓与螺母连接，螺母与丝杠配合，将丝杠的旋转运动转换为直线运动；较小的阶梯圆孔放置直线轴承，并用带有中央孔的橡胶塞夹紧固定，该中央孔与直线轴承的中央孔同轴心，光滑导杆穿过橡胶塞和直线轴承的中央孔；滑台上部有两个螺纹孔，用于与L形板上的两个沉头孔相配合，以固定L形板；滑台底部向侧面延伸出一个支撑板，支撑板结合L形板固定激光测距模块。

6.根据权利要求5所述的基于激光测距的储罐基础沉降监测装置，其特征在于，中间板板面有一较大的圆孔，周边均匀分布四个小通孔；步进电机底部放置在较大圆孔上，通过螺丝与四个小通孔连接固定；中间板旁侧有一较小的圆形通孔，用以固定光滑导杆；中间板上有长方形通孔用以排线穿过；中间板四个侧面各有两个螺纹孔，通过螺丝固定于方形外壳上。

7.根据权利要求6所述的基于激光测距的储罐基础沉降监测装置，其特征在于，电源放置在中间板的上部，电路控制板放置在步进电机上方，电源通过电线给电路控制板提供电能，电路控制板主要包括主控芯片、无线通信模块以及RTC模块，分别实现数据的存储、传输及处理；电路控制板输出脉冲信号，控制步进电机带动丝杠进行旋转运动，电路控制板记录滑台的位置信息和激光测距模块测量的距离信号，并通过无线通信模块发送给系统。