CN107130650B - 一种大直径单桩轴线垂直度实时监测系统 - Google Patents
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Abstract
本申请的目的是提供一种大直径单桩轴线垂直度实时监测系统，包括激光测距仪、三轴倾角计、通讯模块以及后台显示装置，所述激光测距仪和三轴倾角计将所测量的桩帽与桩柱间的夹角数据以及桩帽的水平数据通过通讯模块传输至后台显示装置。本申请利用激光测距仪来测量桩帽与铁砧的夹角即测量桩柱与桩帽的夹角，利用三轴倾角计来测量桩帽的水平程度，提高了施工工程中的自动化程度，降低了人为影响因素，提高了海上风电基础桩其垂直度的监测精度以及施工效率。
Description
技术领域
本申请涉及海上风电基础结构监测技术领域，尤其涉及一种大直径单桩轴线垂直度实时监测系统。
背景技术
海上风电机组基础结构有重力式结构、高桩承台结构、单桩结构、多桩结构、三角架结构、导管架结构、浮式结构等。而海上风电机组单桩基础结构因为其结构简单、施工周期短、造价低等优点，在海上风电建设中的应用越来越广泛。但是，大直径单管桩沉桩的关键技术和难点是单管桩垂直度控制，而单管桩垂直度是保证施工质量和风机运营期安全的一个重要参数。根据风机基础施工技术要求，钢管桩沉桩允许偏差：位置允许偏差≤50cm，高程允许偏差≤5cm，基础顶法兰水平度(桩轴线倾斜度)偏差≤3‰。如上，随着施工质量要求不断提高，对大直径钢管桩的沉桩技术提出了更高的要求，同时对施工过程中单管桩垂直度的控制也提出了更高的要求。
目前，现有技术中对单桩垂直度监测的常规办法为垂线法，一般采用外挂2个高2米的吊锤线，分别在X向和Y向，根据2米的吊锤线来观测桩身垂直度。然而，垂线法虽简单方便，但是易受锤击和风力等因素影响晃动，精度受人为影响较大，显然不能满足目前的精度要求。另外，东风电场基础桩施工采用全站仪观测法来实现对垂直度的控制，但是全站仪观测法操作较为复杂，不简便。综上，鉴于垂线法和全站仪观测法均有其自身的不足，常规的监测手段难以满足当前形势下对大直径单桩基础轴线垂直度监测的要求。所以有必要设计出一种适合海上施工的大直径单桩基础轴线垂直度监测系统，以满足海上风电单桩基础结构的施工要求。
发明内容
本申请的一个目的是提供一种可满足海上风电单桩基础结构施工要求的大直径单桩轴线垂直度实时监测系统，以解决现有常规监测手段监测精度低、操作复杂、易受人为因素影响等问题。
根据本申请的一个方面，提供了一种大直径单桩轴线垂直度实时监测系统，该系统包括：
激光测距仪、三轴倾角计、通讯模块以及后台显示装置，所述激光测距仪和三轴倾角计将所测量的桩帽与桩柱间的夹角数据以及桩帽的水平数据通过通讯模块传输至后台显示装置。
进一步地，上述大直径单桩轴线垂直度实时监测系统中，所述激光测距仪由激光光源、CCD相机和数据处理及传输模块组成，所述激光光源、CCD相机和桩柱呈三角形配置。
进一步地，上述大直径单桩轴线垂直度实时监测系统中，所述激光测距仪安装在桩帽底部。
进一步地，上述大直径单桩轴线垂直度实时监测系统中，所述激光测距仪通过打孔安装在桩帽底部。
进一步地，上述大直径单桩轴线垂直度实时监测系统中，所述三轴倾角计由微控制单元MCU、三轴MEMS加速度计、模数转换模块以及通讯单元组成。
进一步地，上述大直径单桩轴线垂直度实时监测系统中，所述三轴倾角计安装固定在桩帽上。
进一步地，上述大直径单桩轴线垂直度实时监测系统中，所述通讯模块采用无线Zigbee模块。
进一步地，上述大直径单桩轴线垂直度实时监测系统中，所述无线Zigbee模块采用贴片邮票孔封装。
进一步地，上述大直径单桩轴线垂直度实时监测系统中，所述激光测距仪、三轴倾角计以及通讯模块中均安装有减震器。
进一步地，上述大直径单桩轴线垂直度实时监测系统中，所述后台显示装置，具体用于显示激光测距数据、三轴倾角计方位及角度数据、融合水平数据、姿态位移数据、方位角俯仰角信息数据以及X、Y、Z轴角度值。
与现有技术相比，本申请大直径单桩轴线垂直度实时监测系统，包括激光测距仪、三轴倾角计、通讯模块以及后台显示装置，所述激光测距仪和三轴倾角计将所测量的桩帽与桩柱间的夹角数据以及桩帽的水平数据通过通讯模块传输至后台显示装置。本申请利用激光测距仪来测量桩帽与铁砧的夹角即测量桩柱与桩帽的夹角，利用三轴倾角计来测量桩帽的水平程度，提高了施工工程中的自动化程度，降低了人为影响因素，提高了海上风电基础桩其垂直度的监测精度以及施工效率。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示出根据本申请一个方面的大直径单桩轴线垂直度实时监测系统结构框图；
图2示出根据本申请一个方面的大直径单桩轴线垂直度实时监测系统安装测量示意图；
图3示出根据本申请一个方面的激光测距仪三角法测量原理示意图；
图4示出根据本申请一个方面的三轴倾角计测量原理示意图。
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
下面结合附图对本申请作进一步详细描述。
如图1所示，根据本申请的一个方面，提供一种大直径单桩轴线垂直度实时监测系统，该系统包括：激光测距仪、三轴倾角计、通讯模块以及后台显示装置，所述激光测距仪和三轴倾角计将所测量的桩帽与桩柱间的夹角数据以及桩帽的水平数据通过通讯模块传输至后台显示装置。
实施中，本申请激光测距仪具体用于测量桩帽与铁砧的夹角即测量桩柱与桩帽的夹角，三轴倾角计用于测量桩帽的水平程度，提高了施工工程中的自动化程度，降低了人为影响因素，提高了海上风电基础桩其垂直度的监测精度以及施工效率。
可选的，上述大直径单桩轴线垂直度实时监测系统中，所述激光测距仪安装在桩帽底部。具体的，所述激光测距仪通过打孔安装在桩帽底部。所述三轴倾角计安装固定在桩帽上。
优选的，如图2所示，本申请可由安装在桩帽上的四个激光测距仪1及一个三轴倾角计2组成。三轴倾角计2用来测量桩帽的水平程度，安装固定在桩帽上；激光测距仪1通过打孔的方式安装在桩帽底部，具体用于测量桩帽与铁砧的夹角即测量桩柱与桩帽的夹角。
本申请针对海上风电工程的特点，设计出了满足海上风电单桩基础结构施工要求的轴线垂直度实时监测系统，解决了现有海上风电基础桩其垂直度精确控制的施工难点问题，也解决了常规监测方法精度低、施工效率低、易受人为因素影响等问题，提高了施工工程中的自动化程度，对单桩基础机构风电场的建设具有重要意义。
进一步地，上述大直径单桩轴线垂直度实时监测系统中，所述激光测距仪由激光光源、CCD相机和数据处理及传输模块组成，所述激光光源、CCD相机和桩柱呈三角形配置。
实施中，如图3所示，本申请采用激光三角测量原理，将激光光源11、被测物(桩柱)、CCD相机三者呈三角形配置，激光光源11在被测物的投影点为P。在视平面上从P1点往P2、P3移动从而引起P点在视平面产生相应的位移P1`P2`、P2`P3`，实现测距。
进一步地，上述大直径单桩轴线垂直度实时监测系统中，所述三轴倾角计由微控制单元MCU、三轴MEMS加速度计、模数转换模块以及通讯单元组成。
实施中，本申请三轴倾角计由MCU、三轴MEMS加速度计、模数转换模块、通讯单元组成，直接输出角度等倾斜数据。当三轴倾角计静止时也就是侧面和垂直方向没有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直轴与加速度计灵敏轴之间的夹角就是倾斜角。如图4所示，三轴MEMS加速度计通过测量X、Y、Z三轴的加速度从而计算出桩柱与桩帽间的倾角。
进一步地，上述大直径单桩轴线垂直度实时监测系统中，所述通讯模块采用无线Zigbee模块。所述无线Zigbee模块采用贴片邮票孔封装。
优选的，本申请采用无线传输模块，即2.4GHZ无线Zigbee模块，该模块采用贴片封装，邮票孔工艺，输出功率最大为+20dBm，视距传输距离为2500米@5dbi天线，该模块采用1.9～3.3V供电，支持TTL串口通讯，具备定时器进入休眠及深度休眠功能，休眠电流最低，且尺寸小。
进一步地，上述大直径单桩轴线垂直度实时监测系统中，所述激光测距仪、三轴倾角计以及通讯模块中均安装有减震器。
优选的，本申请系统中的所有仪器，即激光测距仪、三轴倾角计以及通讯模块均采取单独封装，且在壳体内安装有高性能减震器。本申请采用上述减震措施可耐500G以上的震动冲击。
进一步地，上述大直径单桩轴线垂直度实时监测系统中，所述后台显示装置，具体用于显示激光测距数据、三轴倾角计方位及角度数据、融合水平数据、姿态位移数据、方位角俯仰角信息数据以及X、Y、Z轴角度值。
综上，本申请大直径单桩轴线垂直度实时监测系统提高了海上风电基础桩其垂直度的监测精度以及施工效率，降低了人为影响因素，提高了施工工程中的自动化程度，其可以进而推广至桩姿监测系统中，可以对直桩、斜桩等进行精确的角度控制。本申请具有较强的使用价值，可在海上风电基础结构施工中大规模推广应用，必将带来巨大的经济效益和社会效益，并促进我国海上风电的发展。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
Claims (10)
1.一种大直径单桩轴线垂直度实时监测系统，其特征在于，包括：激光测距仪、三轴倾角计、通讯模块以及后台显示装置，所述激光测距仪，用于将所测量的桩帽与桩柱间的夹角数据通过通讯模块传输至后台显示装置；所述三轴倾角计，用于将所测量的桩帽的水平数据通过通讯模块传输至后台显示装置。
2.根据权利要求1所述的大直径单桩轴线垂直度实时监测系统，其特征在于，所述激光测距仪由激光光源、CCD相机和数据处理及传输模块组成，所述激光光源、CCD相机和桩柱呈三角形配置。
3.根据权利要求1或2所述的大直径单桩轴线垂直度实时监测系统，其特征在于，所述激光测距仪安装在桩帽底部。
4.根据权利要求3所述的大直径单桩轴线垂直度实时监测系统，其特征在于，所述激光测距仪通过打孔安装在桩帽底部。
5.根据权利要求1所述的大直径单桩轴线垂直度实时监测系统，其特征在于，所述三轴倾角计由微控制单元MCU、三轴MEMS加速度计、模数转换模块以及通讯单元组成。
6.根据权利要求1或5所述的大直径单桩轴线垂直度实时监测系统，其特征在于，所述三轴倾角计安装固定在桩帽上。
7.根据权利要求1所述的大直径单桩轴线垂直度实时监测系统，其特征在于，所述通讯模块采用无线Zigbee模块。
8.根据权利要求7所述的大直径单桩轴线垂直度实时监测系统，其特征在于，所述无线Zigbee模块采用贴片邮票孔封装。
9.根据权利要求1所述的大直径单桩轴线垂直度实时监测系统，其特征在于，所述激光测距仪、三轴倾角计以及通讯模块中均安装有减震器。
10.根据权利要求1所述的大直径单桩轴线垂直度实时监测系统，其特征在于，所述后台显示装置，具体用于显示激光测距数据、三轴倾角计方位及角度数据、融合水平数据、姿态位移数据、方位角俯仰角信息数据以及X、Y、Z轴角度值。
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