CN112254645A - 一种橡胶膨胀节空间姿态检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种橡胶膨胀节空间姿态检测装置及方法，该装置包括：拉线式传感器模块，拉线式传感器模块包括三个拉线式传感器，三个拉线式传感器的安装块端固定于橡胶膨胀节另一侧的第一法兰盘上，三个拉线式传感器的线端固定于橡胶膨胀节一侧的第二法兰盘同一固定点；PSD光电位置传感器模块，PSD光电位置传感器模块包括两个PSD光电位置传感器、两个固体激光器，两个PSD光电位置传感器固定于橡胶膨胀节一侧的第一法兰盘，两个固体激光器固定于橡胶膨胀节另一侧的第二法兰盘，两个固体激光器射出激光分别打在两个PSD光电位置传感器四象限上；信号接收及处理模块，用于接收拉线式传感器和PSD光电传感器产生的电压信号，通过计算获得橡胶膨胀节空间姿态。

Description

一种橡胶膨胀节空间姿态检测装置及方法

技术领域

本发明涉及空间目标姿态检测领域，特别是一种橡胶膨胀节的空间姿态检测装置及方法。

背景技术

刚体在三维空间中的6D空间姿态估计，指的是估计空间坐标系中刚体的6D空间姿态。刚体在三维空间的运动具有六个自由度，即三个位移自由度与三个旋转自由度，因此检测刚体的空间姿态可转化为、检测刚体在六个自由度上的运动。核电站用橡胶膨胀节由与一节山状橡胶管道及两侧各一个金属法兰压板组成，在实际使用中，管道中液体流过时会产生压力，使得橡胶管道可能发生轴向压缩或拉伸、轴向扭转，同时金属法兰压板会有角向位移或轴向扭转等。此前常采用的方式是人工巡查和目视观察，难以定量分析且存在安全隐患。

因此为了保障核电站安全智能运行，提供一种可实时监测橡胶膨胀节的管道位移，并在位移达到临界安全阈值时报警的装置很有意义。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种橡胶膨胀节空间姿态检测装置及方法，以解决现有存在的人工巡查和目视观察，难以定量分析且存在安全隐患的问题。

为了达到上述目的，本发明实施例所采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供一种橡胶膨胀节空间姿态检测装置，包括：

拉线式传感器模块，所述拉线式传感器模块包括第一拉线式传感器、第二拉线式传感器和第三拉线式传感器，第一、第二、第三拉线式传感器的安装块端固定于橡胶膨胀节另一侧的第一法兰盘上，三个安装块呈三角形分布，第一、第二、第三拉线式传感器的线端固定于橡胶膨胀节一侧的第二法兰盘同一固定点；

PSD光电位置传感器模块，所述PSD光电位置传感器模块包括第一PSD光电位置传感器、第二PSD光电位置传感器、第一固体激光器和第二固体激光器，所述第一、第二PSD光电位置传感器固定于橡胶膨胀节一侧的第一法兰盘，所述第一、第二固体激光器固定于橡胶膨胀节另一侧的第二法兰盘，所述第一、第二固体激光器射出激光分别打在第一、第二PSD光电位置传感器四象限上；

信号接收及处理模块，用于接收三个拉线式传感器产生的电压信号和所述两个PSD光电传感器产生的电压信号，并将电压信号转换成数字信号，再计算确定空间位置变换后的坐标位置，从而获得橡胶膨胀节空间姿态。

进一步地，还包括上位机，所述信号接收及处理模块与上位机相连。

进一步地，所述信号接收及处理模块包括单片机、多级放大电路和AD数模转化模块，所述单片机控制多级放大电路和AD数模转换模块，所述多级放大电路对电压信号进行放大去噪后，经过所述AD数模转化模块将模拟信号转换成数字信号。

进一步地，所述信号接收及处理模块上还连接有通信模块，通过数字信号所述通信模块传输至上位机。

第二方面，本发明实施例还提供一种橡胶膨胀节空间姿态检测方法，该方法在第一方面所述的一种橡胶膨胀节空间姿态检测装置中实现，该方法包括：

步骤(1)，以第一法兰盘中心轴线与三个拉线式传感器安装块端确立的平面的交点为原点，中心轴线指向第二法兰盘的方向为z轴正方向，中心轴轴线指向第一PSD光电位置传感器的方向为x轴正方向，中心轴轴线指向第二PSD光电位置传感器的方向为y轴正方向，从而建立坐标系；

步骤(2)，通过第一法兰盘面上三拉线式传感器固定端坐标及线长确定线端坐标，从而确定第二法兰盘面，信号接收及处理模块接收拉线式传感器传输的电信号并将电信号转换成数字信号，对数字信号进行计算确定空间位置变换后的坐标位置，从而获得法兰盘轴向压缩、拉伸、角向位移、轴向扭转的空间姿态；

步骤(3)，通过第一、第二PSD光电位置传感器电压数据确定第一法兰盘的两个方向上的位移，信号接收及处理模块接收PSD光电传感器传输的电信号并将信号转换成数字信号，再计算确定空间位置变换后的坐标位置，从而获得法兰盘径向、横向位移的空间姿态。

进一步地，还包括：将所述坐标位置值与预先设置的阈值进行对比，当该坐标位置值超过阈值时警报响起，未超过阈值时，警报不响。

进一步地，还包括：利用通信端口和上位机，对空间姿态进行实时监测与可视化，在相对运动超过安全阈值时报警。上位机可以实时检测姿态，超过阈值自动报警，为核电站用橡胶膨胀节的实时空间姿态检测提供了一种有效解决方案。

根据以上技术方案，本发明通过拉线式传感器模块、PSD光电位置传感器模块、信号接收及处理模块，实现了核电站用橡胶膨胀节的三维空间姿态检测，减轻了传统核电站中人工巡查的工作量，提高了核电站运行的安全性和可靠性，也避免了人眼观测的不精准性。本发明的橡胶膨胀节空间姿态检测装置，可以获取实时坐标，刷新率高，定位精准。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，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是本发明的实施例所提供的橡胶膨胀节的示意图；

图2是本发明的实施例所提供的橡胶膨胀节空间姿态检测装置的拉线式传感器模块的示意图；

图3是本发明的实施例所提供的橡胶膨胀节空间姿态检测装置的PSD光电位置传感器模块的示意图；

图4是本发明的实施例所提供的橡胶膨胀节空间姿态检测装置的拉线式传感器模块的示意图；

图5是本发明的实施例所提供的橡胶膨胀节空间姿态检测装置工作机制的流程图；

图中附图标记表示：拉线式传感器模块100、第一拉线式传感器101、第二拉线式传感器102和第三拉线式传感器103、第一拉线式传感器拉线1012、第二拉线式传感器拉线1022、第三拉线式传感器1032、第一拉线式传感器线端1013、第二拉线式传感器线端1023、第三拉线式传感器线端1033、第一拉线式传感器安装块1014、第二拉线式传感器安装块1024、第三拉线式传感器安装块1034、橡胶膨胀节200、橡胶膨胀环2001、第一法兰盘201、第二法兰盘202、PSD光电位置传感器模块300、第一PSD光电位置传感器301、第二PSD光电位置传感器302、第一固体激光器303、第二固体激光器304、第一激光3031、第二激光3041、信号接收及处理模块400。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

如图1-4所示，本发明实施例提供一种橡胶膨胀节空间姿态检测装置，包括：拉线式传感器模块100、PSD光电位置传感器模块300和信号接收及处理模块400，所述拉线式传感器模块100包括第一拉线式传感器101、第二拉线式传感器102和第三拉线式传感器103，端固定于橡胶膨胀节200一侧的第一法兰盘201上，第一、第二、第三拉线式传感器安装块(1014、1024、1034)呈三角形分布，第一、第二、第三拉线式传感器线端(1013、1023、1033)固定于橡胶膨胀节200另一侧的第二法兰盘202对应固定点；保证第一、第二、第三拉线式传感器拉线(1012、1022、1032)保持水平并无任何角度的倾斜，提高后续的测量精度。所述PSD光电位置传感器模块300包括第一PSD光电位置传感器301、第二PSD光电位置传感器302、第一固体激光器303和第二固体激光器304，所述第一、第二PSD光电位置传感器(301、302)固定于橡胶膨胀节200一侧的第一法兰盘201，所述第一、第二固体激光器(303、304)固定于橡胶膨胀节200另一侧的第二法兰盘202，所述第一、第二固体激光器(303、304)射出第一、第二激光3031，3041分别打在第一、第二PSD光电位置传感器(301、302)的四象限上。所述信号接收及处理模块400接收三个拉线式传感器(101、102、103)产生的电压信号和两个PSD光电传感器(301、302)产生的电压信号，并对接收到的电压信号进行放大和去噪处理，得到更精确的电信号，减少噪声带来的误差影响，提高图像的清晰度。

如图2所示，在本发明的一个实施例G50橡胶膨胀节中，橡胶膨胀环2001和第一法兰盘201、第二法兰盘202采用硫化粘合，在高压下也不会分离，第一法兰盘201与第二法兰盘202初始态平行，运行过程中会发生相对位移。

如图3所示，在本发明的一个实施例中，第一、第二、第三拉线式传感器安装块(1014、1024、1034)安装呈等边三角形在第一法兰盘201上，第一、第二、第三拉线式传感器拉线(1012、1022、1032)固定在第一、第二、第三拉线式传感器线端(1013、1023、1033)，第一、第二任、第三拉线式传感器线端(1013、1023、1033)随着第二法兰盘202的移动而移动，从而拉线自动伸缩拉伸，拉线式传感器输出脉冲信号。

结合图5，本实施例采用上述检测拉线式传感器模块100的线端位置来确定第二法兰盘202于第一法兰盘201相对位置坐标；具体地，在第一法兰盘201安装三个所述装置，将其拉线端固定于第二法兰盘202上，在已知第一法兰盘201三坐标情况下即可求得第二法兰盘202上三点坐标，将其转化至同一坐标系下，即可检测第二法兰盘202于第一法兰盘201的轴向压缩、拉伸、角向位移、轴向扭转等，同时PSD固定位置传感器模块300可以精准得到两法兰盘间的径向、横向位移，从而完整确定两法兰盘的空间姿态，保证了橡胶膨胀节的安全有效。

本申请可选地，还包括上位机，所述信号接收及处理模块400与上位机相连。

本申请进一步地方案是，所述信号接收及处理模块400包括单片机、多级放大电路和AD数模转化模块，所述单片机控制多级放大电路和AD数模转换模块，所述多级放大电路对电压信号进行放大去噪后，经过所述AD数模转化模块将模拟信号转换成数字信号。数字信号能更加直观的表现出橡胶膨胀节200的空间姿态，非专业人员也能更加快速的判断出橡胶膨胀节200的空间姿态是否正常，是否需要进行维修处理。

本申请进一步地方案是，所述信号接收及处理模块400上还连接有通信模块，通过数字信号所述通信模块传输至上位机。

如图5所示，本申请实施例还提供一种橡胶膨胀节空间姿态检测方法，该方法在上述的一种橡胶膨胀节200空间姿态检测装置中实现，该方法包括：

步骤(1)，以第一法兰盘201中心轴线与第一、第二、第三拉线式传感器安装块(1014、1024、1034)端确立的平面的交点为原点，中心轴线指向第二法兰盘202的方向为z轴正方向，中心轴轴线指向第一PSD光电位置传感器301的方向为x轴正方向，中心轴轴线指向第二PSD光电位置传感器302的方向为y轴正方向，从而建立坐标系；

步骤(2)，通过第一法兰盘201面上三拉线式传感器固定端坐标及线长确定线端坐标，从而确定第二法兰盘202面，信号接收及处理模块400接收拉线式传感器传输的电信号并将电信号转换成数字信号，对数字信号进行计算确定空间位置变换后的坐标位置，从而获得法兰盘轴向压缩、拉伸、角向位移、轴向扭转的空间姿态；

其中第一、第二、第三拉线式传感器安装块(1014、1024、1034)端的坐标分别表示为(x₁，y₁，z₁)，(x₂，y₂，z₂)，(x₃，y₃，z₃)，拉线式传感器可测得自身拉线的线长，第一、第二、第三拉线式传感器(101、102、103)的拉线长度分别表示为r₁，r₂，r₃；

根据三点定位法，可以得到各拉线式传感器线端坐标有如下关系，其中拉线式传感器模块100表示如下：

可推导得各线端传感器模块线端坐标如下：

x＝B₀+B₁z；

y＝C₀+C₁z；

其中有，X_ij＝x_i-x_j；Y_ij＝y_i-y_j；Z_ij＝z_i-z_j；[i＝1，2，3]；

D＝X₂₁Y₃₁-Y₂₁X₃₁；

F＝B₁(B₀-x₁)+C₁*(C₀-y₁)-z₁；

式中：x，y，z表示坐标，A，B，C，D，E，F，G表示中间变量无具体意义。

所述方程组可得到拉线式传感器模块100线端的空间坐标，从而确定第二法兰面；

在确定第一、第二法兰面及面上各点坐标的情况下，根据三维坐标系变换得到第二法兰面相对于第一法兰面的相对空间姿态。

步骤(3)，通过第一、第二PSD光电位置传感器302电压数据确定第一法兰盘201的两个方向上的位移，信号接收及处理模块400接收PSD光电传感器传输的电信号并将信号转换成数字信号，单片机对数字信号进行计算确定空间位置变换后的210坐标位置，从而获得法兰盘径向、横向位移的空间姿态。

本申请可选地，还包括：将所述坐标位置值与预先设置的阈值进行对比，当该坐标位置值超过阈值时警报响起，未超过阈值时，警报不响。

本申请可选地，还包括：利用通信端口和上位机，对空间姿态进行实时监测与可视化，在相对运动超过安全阈值时报警。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (7)

1.一种橡胶膨胀节空间姿态检测装置，其特征在于，包括：

拉线式传感器模块，所述拉线式传感器模块包括第一拉线式传感器、第二拉线式传感器和第三拉线式传感器，第一、第二、第三拉线式传感器的安装块端固定于橡胶膨胀节另一侧的第一法兰盘上，三个安装块呈三角形分布，第一、第二、第三拉线式传感器的线端固定于橡胶膨胀节一侧的第二法兰盘同一固定点；

PSD光电位置传感器模块，所述PSD光电位置传感器模块包括第一PSD光电位置传感器、第二PSD光电位置传感器、第一固体激光器和第二固体激光器，所述第一、第二PSD光电位置传感器固定于橡胶膨胀节一侧的第一法兰盘，所述第一、第二固体激光器固定于橡胶膨胀节另一侧的第二法兰盘，所述第一、第二固体激光器射出激光分别打在第一、第二PSD光电位置传感器四象限上；

信号接收及处理模块，用于接收三个拉线式传感器产生的电压信号和所述两个PSD光电传感器产生的电压信号，并将电压信号转换成数字信号，再计算确定空间位置变换后的坐标位置，从而获得橡胶膨胀节空间姿态。

2.根据权利要求1所述的一种橡胶膨胀节空间姿态检测装置，其特征在于，还包括上位机，所述信号接收及处理模块与上位机相连。

3.根据权利要求1所述的一种橡胶膨胀节空间姿态检测装置，其特征在于，所述信号接收及处理模块包括单片机、多级放大电路和AD数模转化模块，所述单片机控制多级放大电路和AD数模转换模块，所述多级放大电路对电压信号进行放大去噪后，经过所述AD数模转化模块将模拟信号转换成数字信号。

4.根据权利要求1所述的一种橡胶膨胀节空间姿态检测装置，其特征在于，所述信号接收及处理模块上还连接有通信模块，通过数字信号所述通信模块传输至上位机。

5.一种橡胶膨胀节空间姿态检测方法，其特征在于，该方法在权利要求1的所述的一种橡胶膨胀节空间姿态检测装置中实现，该方法包括：

步骤(1)，以第一法兰盘中心轴线与三个拉线式传感器安装块端确立的平面的交点为原点，中心轴线指向第二法兰盘的方向为z轴正方向，中心轴轴线指向第一PSD光电位置传感器的方向为x轴正方向，中心轴轴线指向第二PSD光电位置传感器的方向为y轴正方向，从而建立坐标系；

步骤(2)，通过第一法兰盘面上三拉线式传感器固定端坐标及线长确定线端坐标，从而确定第二法兰盘面，信号接收及处理模块接收拉线式传感器传输的电信号并将电信号转换成数字信号，对数字信号进行计算确定空间位置变换后的坐标位置，从而获得法兰盘轴向压缩、拉伸、角向位移、轴向扭转的空间姿态；

步骤(3)，通过第一、第二PSD光电位置传感器电压数据确定第一法兰盘的两个方向上的位移，信号接收及处理模块接收PSD光电传感器传输的电信号并将信号转换成数字信号，再计算确定空间位置变换后的坐标位置，从而获得法兰盘径向、横向位移的空间姿态。

6.根据权利要求5所述的一种橡胶膨胀节空间姿态检测方法，其特征在于，还包括：

将所述坐标位置值与预先设置的阈值进行对比，当该坐标位置值超过阈值时警报响起，未超过阈值时，警报不响。

7.根据权利要求5所述的一种橡胶膨胀节空间姿态检测方法，其特征在于，还包括：

利用通信端口和上位机，对空间姿态进行实时监测与可视化，在相对运动超过安全阈值时报警。

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