CN109946010B - 一种网片受力的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种网片受力的测试装置，包括支架、套筒、升降装置、三分力传感器及网片固定架；所述支架固定于所述套筒外侧壁；所述套筒套设于所述升降装置外侧；所述升降装置的升降端通过第一连接板与所述三分力传感器的一端连接；所述三分力传感器的另一端通过第二连接板与所述网片固定架连接。本发明所述的网片受力的测试装置结构简单、操作方便，实现了直接测量网片在实验水域内在x、y、z三个方向的受力情况，大大减少了测量误差和计算误差，提高了实验效率，降低了试验成本。

Description

一种网片受力的测试装置及方法

技术领域

本发明属于水动力参数测量技术领域，尤其是涉及一种网片受力的测试装置及方法。

背景技术

现有的技术中受到测量方法的限制，很少对单独的网片受力进行测量，都是测量整体网箱的受力情况，而针对整体网箱的测量，由于网箱在波浪作用下会往复运动，无法直接进行测量，通常采用间接测量的方法，即通过测量约束网箱的弹簧受到的拉力来求解网箱的整体受力，再计算网片受力情况，导致数据处理效率低，结果误差较大。同时在网箱整体受力测量的过程中，拉力传感器仅能测出沿弹簧方向受力，由于网箱位置的改变其拉力角度的变化无法得到，从而导致在根据弹簧受力推导网箱受力时会产生误差，进而在对网片受力进行计算时，会进一步导致更大的误差。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种操作方便、抗干扰能力强、数据处理效率高且准确的网片测量装置及方法，以解决上述问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种网片受力的测试装置，包括支架、套筒、升降装置、三分力传感器及网片固定架；所述支架固定于所述套筒外侧壁，起到支撑整个装置的作用；所述套筒套设于所述升降装置外侧；所述升降装置的升降端通过第一连接板与所述三分力传感器的一端连接；所述三分力传感器的另一端通过第二连接板与所述网片固定架连接。

进一步的，所述升降装置包括螺杆、升降杆及滚珠轴承；所述套筒沿其轴向开设有通孔；所述螺杆的下端经所述套筒顶端插设于所述通孔内，所述套筒内侧壁与所述螺杆外侧壁通过滚珠轴承转动连接；所述升降杆的上端经所述套筒底端插入所述通孔内，所述升降杆的上端和所述螺杆的下端通过螺纹连接；所述升降杆的外侧壁沿其轴向设有滑槽，所述套筒内侧壁设有与所述滑槽滑动连接的滑块。

进一步的，所述螺杆的下端外侧壁设有外螺纹；所述升降杆为顶端敞口的空腔结构，所述升降杆的内侧壁设有与所述外螺纹相适应的内螺纹。

进一步的，所述螺杆的上端设有旋转把手。

进一步的，所述滑槽有两个，两个所述滑槽对称的设置于所述升降杆外壁两侧。

进一步的，所述网片固定架通过扎带、铁丝或夹子固定测试网片。

进一步的，所述支架为对称设置于所述套筒两侧可搭接在试验水槽侧壁上的搭接臂。

一种利用网片受力的测试装置测试网片受力的方法，包括如下步骤：

(1)将测试网片安装于所述网片固定架上，将测试装置安装于待测区域，调整升降杆，将测试网片垂直水流方向放置于实验水域内；

(2)通过三分力传感器测量测试网片在水中的受力数据，分别绘制网片在x、y、z三个方向上的受力数据随时间t的变化曲线，记为F_i(t)，其中 i＝x,y,z；

(3)分析F_i(t)，采用数据变换的方式消除F_i(t)受到的干扰，得到不受干扰的网片受力随t的变化曲线，记为

(4)对i方向的采用上跨零点法或下跨零点法得到n_i个网片的受力幅值f_ki，其中k＝1,2,…,n_i；

(5)针对规则波作用下网片受力，计算网片在i方向上受力幅值的平均值

针对不规则波作用下网片受力，分别计算网片在i方向上的受力幅值的最大值f_maxi、有效值和平均值/>将f_ki从大到小排列，求取最大值和平均值，而有效值则为前(n_i/3)个受力幅值求平均值得到的值，/>

进一步的，还包括在测试之前采用标准砝码对三分力传感器在x、y、z 三个方向上的受力进行标定。

进一步的，步骤(3)中消除干扰的方法为：①对测量的i方向的网片受力随时间的变化曲线F_i(t)进行第一步数据变换得到幅值谱曲线F_i(ω)，其中N表示第一步数据变换的数据个数，e指数中上标i 表示欧拉公式中虚数单位，ω表示数据变换的频率，F_i(ω)表示i方向的受力时间序列经变换后的横坐标为频率的变换结果，表示该时间序列在不同频率下的能量分布；

②分析幅值谱曲线F_i(ω)，选取有效频率段(如+ω₁到+ω₂)，将其它无效频率段的幅值赋予0，保留有效频率范围内的数据，得到处理后的幅值谱曲线；

③对处理后的幅值谱曲线进行第二步数据变换：

得到近乎不受干扰的预期结果/>进而得到不受干扰的i方向的网片受力随时间的变化曲线。

相对于现有技术，本发明所述的网片受力的测试装置及方法具有以下优势：

(1)本发明所述的网片受力的测试装置结构简单、操作方便，实现了直接测量网片在实验水域内在x、y、z三个方向的受力情况，无需通过网箱测量等其他间接方法计算网片受力，大大减少了测量误差和计算误差，提高了实验效率，降低了试验成本；

(2)本发明所述的网片受力的测试装置的能够调整测试网片的入水深度，通过旋转螺杆控制升降杆的升降，进而实现对绑扎在网片固定架上的测试网片的入水深度的调整，操作简单快捷、可适用于不同深度的水位，装置结构简单、制造成本低。

(3)本发明所述的测试网片受力的方法配合自主研发的网片受力的测试装置，能够准确、直接、高效的测试网片在波浪中的受力情况，提高了处理数据的速度，同时能够有效去除其他信号的干扰，确保数据的纯净准确。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的网片受力的测试装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的套筒及升降装置的结构示意图；

图3为本发明实施例所述的升降杆的结构示意图；

图4为本发明实施例所述的规则波作用下网片在x方向上的受力随时间的变化曲线(测量值)；

图5为图4所示曲线经第一步变换得到的横坐标为频率的幅值谱曲线；

图6为对图5所示幅值谱曲线选取有效频率段后的幅值谱曲线；

图7为图4所示曲线消除干扰后的网片受力随时间的变化曲线；

图8为本发明实施例所述的不规则波作用下网片在x方向上的受力随时间的变化曲线(测量值)；

图9为图8所示曲线消除干扰后的网片受力随时间的变化曲线。

附图标记说明：

1-支架；2-套筒；3-升降装置；4-三分力传感器；5-网片固定架；6-第一连接板；7-第二连接板；8-滑槽；9-螺杆；10-升降杆；11-滚珠轴承；12- 滑块；13-外螺纹；14-内螺纹；15-旋转把手；16-测试网片。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例

1.1网片受力的测试装置

如图1到3所示，一种网片受力的测试装置，包括支架1、套筒2、升降装置3、三分力传感器4及网片固定架5；

支架1固定于套筒2外侧壁，起到支撑整个装置的作用，支架1可以为对称设置于套筒2两侧可搭接在试验水槽侧壁上的搭接臂；

套筒2沿其轴向开设有通孔，套筒2套设于升降装置3的外侧；升降装置3包括螺杆9、升降杆10及滚珠轴承11；螺杆9的上端设有旋转把手15，螺杆9的下端经套筒2顶端插设于通孔内，套筒2内侧壁与螺杆9外侧壁通过滚珠轴承11转动连接；升降杆10的上端经套筒2底端插入通孔内，升降杆10的外侧壁沿其轴向设有两条对称设置的滑槽8，套筒2内侧壁设有与滑槽8滑动连接的滑块12；升降杆10为顶端敞口的空腔结构，升降杆10的内侧壁设有内螺纹14，螺杆9的下端外侧壁设有与内螺纹14相适应的外螺纹 13，升降杆10和螺杆9的下端通过螺纹连接；当旋转螺杆9时，螺杆9和升降杆10通过螺纹的配合而运动，由于升降杆10受到滑块12的限制，无法转动而是在螺杆9带动下在竖直方向做升降运动；

升降杆10的下端安装有第一连接板6，第一连接板6通过螺栓与三分力传感器4的一端连接；三分力传感器4的另一端通过螺栓与第二连接板7连接，第二连接板7与网片固定架5连接，网片固定架5通过扎带、铁丝、夹子等固定测试网片16；

本实施例中三分力传感器采用的是扬州科动电子有限责任公司的三向测力天平，三分力传感器将采集到的数据传输给外部中央处理显示装置，如计算机。

1.2利用1.1所述的网片受力的测试装置测试网片受力的方法，包括如下步骤：

(1)在使用前，采用标准砝码对三分力传感器x、y、z三个方向受力分别进行标定，使测量精度满足试验要求：首先，建立三个方向目标值与测量值的关系式：f_i＝k_iΔ_i+c_i(f_i代表i方向的受力目标值，Δ_i代表i方向测量值， k_i和c_i为i方向的修正系数)；其次，测量不同砝码重量下的测量值，绘制曲线，采用回归分析，得到斜率和截距的值，进而得到k_i和c_i值，带入关系式f_i＝k_iΔ_i+c_i使目标值满足试验精度；

(1)将测试网片通过扎带、铁丝或夹子系于网片固定架上，通过支架搭接在实验水槽的侧壁上，将测试装置安装于实验水槽的上方，根据水槽水深及实验要求，旋转螺杆，控制升降杆的位移，将测试网片垂直水流方向放置于实验水域内；

(2)实验时，测试网片在外部载荷(波浪和水流)作用下受力，通过三分力传感器测量测试网片在水中的受力数据，分别绘制网片在x、y、z三个方向上的受力随时间的变化曲线，记为F_i(t)，其中i＝x,y,z分别表示x,y, z方向；

(3)分析F_i(t)，会发现采集的受力数据有很多干扰，需要消除干扰，得到不受干扰的网片受力随时间的变化曲线，具体方式如下：

对测量的F_i(t)进行第一步数据变换：其中N表示进行变换的数据个数，e指数中上标i表示欧拉公式中虚数单位，ω表示变换的频率；F_i(ω)表示i方向的受力时间序列经变换后的横坐标为频率的变换结果，表示该时间序列在不同频率下的能量分布；

通过第一步数据转换，得到i方向网片受力随时间的变化曲线的幅值谱曲线F_i(ω)，分析幅值谱曲线，选取有效频率段(如+ω₁到+ω₂)，将其它无效频率段的幅值赋予0，保留有效频率范围内的数据，得到处理后的幅值谱曲线；

再对处理后的幅值谱曲线进行第二步数据变换：

得到近乎不受干扰的预期结果/>进而得到不受干扰的i方向的网片受力随时间的变化曲线；

(4)对i方向的采用上跨零点法或下跨零点法得到n_i个网片的受力幅值f_ki，其中k＝1,2,…,n_i；

(5)针对规则波作用下网片受力，分别计算网片在i方向上受力幅值的平均值

针对不规则波中网片受力，分别计算网片在i方向上的受力的最大值f_maxi、有效值和平均值/>将f_ki分别从大到小排列，求取最大值和平均值，有效值则为前(n_i/3)个力的幅值求平均值得到的值，/>

1.3采用1.2所述方法测试网片在规则波作用下的受力

①如图4所示，为规则波作用下通过本实施例所述的测试装置直接测量的网片在x方向上的网片受力随时间的变化曲线F_x(t)，可以发现有很多干扰，影响了试验数据的准确性；

②对F_x(t)进行第一步数据变换，得到F_x(t)的幅值谱曲线(如图5所示)；

③分析图5所示的幅值谱曲线，选取有效频率段0.6Hz到1.0Hz，将其它无效频率段的幅值赋予0，得到处理后的幅值谱曲线(如图6所示)；

④再对处理后的幅值谱曲线进行第二步数据变换，得到不受干扰的x向网片受力随时间的变化曲线(如图7所示)；

⑤采用上跨零点法或下跨零点法分析图7所示曲线，可得到规则波在x 方向上有效段的受力峰值和谷值，进而得到6组受力幅值f_1x到f_6x，见表1

表1

	第一组	第二组	第三组	第四组	第五组	第六组
							峰值(N)	18.14	18.93	18.33	18.78	17.98	18.51
谷值(N)	-18.20	-18.67	-18.60	-18.59	-18.42	-18.17
							受力幅值(N)	36.34	37.60	36.93	37.37	36.40	36.68

取六组f_kx的平均值得到x方向上的平均受力幅值为36.89N。

在y,z方向上的数据处理方法同上述x方向的数据处理方式相同，在此不做赘述。

1.4采用1.2所述方法测试网片在不规则波作用下的受力

①如图8所示，为不规则波作用下通过本实施例所述的测试装置直接测量的网片在x方向上的网片受力随时间的变化曲线F_x(t)，可以发现有很多干扰，影响了试验数据的准确性；

②依次采用第一步数据变换和第二步数据变换的方式消除F_x(t)中的干扰，得到不受干扰的x向网片受力随时间的变化曲线(如图9所示)；

③分析图9所示曲线，可得到不规则波在x方向上有效段的受力峰值和谷值，进而得到多组受力幅值f_kx，将多组受力幅值f_kx从大到小排列，得到最大值f_maxx为44.55N、平均受力幅值为13.28N、有效受力值/>为25.33 N。

在y,z方向上的数据处理方法同上述x方向的数据处理方式相同，在此不做赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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)

1.一种网片受力的测试装置，其特征在于：包括支架(1)、套筒(2)、升降装置(3)、三分力传感器(4)及网片固定架(5)；所述支架(1)固定于所述套筒(2)外侧壁；所述套筒(2)套设于所述升降装置(3)外侧；所述升降装置(3)的升降端通过第一连接板(6)与所述三分力传感器(4)的一端连接；所述三分力传感器(4)的另一端通过第二连接板(7)与所述网片固定架(5)连接；所述升降装置(3)包括螺杆(9)、升降杆(10)及滚珠轴承(11)；所述套筒(2)沿其轴向开设有通孔；所述螺杆(9)的下端经所述套筒(2)顶端插设于所述通孔内，所述套筒(2)内侧壁与所述螺杆(9)外侧壁通过所述滚珠轴承(11)转动连接；所述升降杆(10)的上端经所述套筒(2)底端插入所述通孔内，所述升降杆(10)的上端和所述螺杆(9)的下端通过螺纹连接；所述升降杆(10)的外侧壁沿其轴向设有滑槽(8)，所述套筒(2)内侧壁设有与所述滑槽(8)滑动连接的滑块(12)；所述螺杆(9)的下端外侧壁设有外螺纹(13)；所述升降杆(10)为顶端敞口的空腔结构，所述升降杆(10)的内侧壁设有与所述外螺纹(13)相适应的内螺纹(14)；所述滑槽(8)有两个，两个所述滑槽(8)对称的设置于所述升降杆(10)外壁两侧；所述网片固定架(5)通过扎带、铁丝或夹子固定测试网片(16)。

2.根据权利要求1所述的一种网片受力的测试装置，其特征在于：所述螺杆(9)的上端设有旋转把手(15)。

3.根据权利要求1所述的一种网片受力的测试装置，其特征在于：所述支架(1)为对称设置于所述套筒(2)两侧可搭接在试验水槽侧壁上的搭接臂。

4.一种利用权利要求1到3任一项所述网片受力的测试装置测试网片受力的方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)将测试网片安装于所述网片固定架上，将测试装置安装于待测区域，调整升降杆，将测试网片垂直水流方向放置于实验水域内；

(2)通过三分力传感器测量测试网片在水中的受力数据，分别绘制测试网片在x、y、z三个方向上的受力数据随时间t的变化曲线，记为Fi(t)，其中i＝x,y,z；

(3)分析F i(t)，采用数据变换的方式消除F i(t)中的干扰，得到不受干扰的测试网片受力随t的变化曲线，记为

(4)对得到的i方向的采用上跨零点法或下跨零点法得到ni个测试网片的受力幅值fki，其中k＝1,2,…,n i；

(5)针对规则波作用下测试网片受力，计算测试网片在x、y、z三个方向上受力幅值的平均值其中i＝x,y,z；针对不规则波作用下测试网片受力，计算测试网片在x、y、z三个方向上的受力幅值的最大值f maxi、有效值和平均值其中i＝x,y,z。

5.根据权利要求4所述的测试网片受力的方法，其特征在于：还包括在测试之前采用标准砝码对三分力传感器在x、y、z三个方向上的受力进行标定。

6.根据权利要求4所述的测试网片受力的方法，其特征在于：步骤(3)中消除干扰的方法为：①对测量的i方向测试网片受力随时间的变化曲线Fi(t)进行第一步数据变换得到幅值谱曲线Fi(ω)，其中N表示第一步数据变换的数据个数，e指数中上标i表示欧拉公式中虚数单位，ω表示数据变换的频率，Fi(ω)表示i方向的受力时间序列经变换后的横坐标为频率的变换结果，表示该时间序列在不同频率下的能量分布；②分析幅值谱曲线F i(ω)，选取有效频率段，将其它无效频率段的幅值赋予0，保留有效频率范围内的数据，得到处理后的幅值谱曲线；③对处理后的幅值谱曲线进行第二步数据变换得到不受干扰的i方向测试网片受力随时间的变化曲线

7.据权利要求4所述的测试网片受力的方法，其特征在于：所述步骤(5)中的规则波作用下或不规则波作用下受力幅值的平均值不规则波作用下受力幅值的有效值。