CN113008209B - 基于丝杠和直线导轨的波浪浮标或传感器检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于丝杠和直线导轨的波浪浮标或传感器检测系统及方法，包括有运动姿态模拟装置，分别连接在运动姿态模拟装置两侧用于带动运动姿态模拟装置进行升降运动的丝杠驱动机构，连接在丝杠驱动机构一侧用于读取运动姿态模拟装置在丝杠驱动机构的驱动下升降数据的光栅尺装置，连接在丝杠驱动机构另一侧用于检测运动姿态模拟装置升降运动时零点位置的光电开关机构，分别连接丝杠驱动机构、光栅尺装置、运动姿态模拟装置和光电开关机构的控制单元，控制单元用于控制丝杠驱动机构的动作和运动姿态模拟装置的姿态模拟，以及分别采集光栅尺装置的读数和运动姿态模拟装置的运动姿态状况信号。本发明可实现浮标整机和传感器的全参数检测校准，完成量值传递工作。
Description
技术领域
本发明涉及一种波浪浮标或波浪传感器波浪浮标或传感器检测装置。特别是涉及一种基于丝杠和直线导轨的波浪浮标或传感器检测系统及方法。
背景技术
波浪是海洋水文观测的基本要素之一，波浪观测资料的准确与否，对海洋工程、海上交通、海洋渔业、海洋研究及海洋军事活动等都有重大影响。
监测波浪，目前主要有人工目测和仪器测量两种方式。人工目测时，观测员目测并评估海况、海浪外貌特征，判读波高、波周期与波向等波浪场数值，此种方式对人员技能要求较高。仪器测量方式选用波浪浮标仪器观测波浪参数，波浪浮标测量技术主要有重力加速度式、压力式、声学式等，其中重力加速度式波浪浮标，是目前对波浪进行长期、定时、定点观测的主要设备。我国沿海海域布放了几百台套波浪浮标，用于时刻监测我国海域波浪场数据。
为保证波浪场监测数据的准确可靠，需要定期(一般为一年)对重力加速度式波浪传感器进行检测。
国家海洋标准计量中心在2004年建立了双环桁架式波浪浮标检定装置，可检测直径(0.5～1.0)m、质量小于180kg的波浪浮标或波浪传感器。检测试验时，首先将波浪浮标或波浪传感器加装在桁架一端的卡具上，然后完成桁架动平衡调配工作，即将适量平衡重块固定在桁架另一端，实现当桁架打开刹车部件、处于自由状态、旋转至任意位置时，波浪浮标或波浪传感器与平衡重块绕旋转中心保持平衡不动，接着控制系统控制桁架以指定的转速匀速旋转，完成检测工作。
国内外已公布多种波浪浮标或波浪传感器检测装置专利技术。国内的有自升降式测波浮标模拟试验装置(CN201420110403_CN203759964U_CN)和波/潮测试检定系统装置及其应用(CN201210311099_CN102829799A_CN)，国外方面有美国发布的Waverider buoyaccelerometer calibration testing device(专利号US4158956A)、韩国发布的ACalibration device for wave height ofocean(专利号KR20170139468)。以上专利部分发明内容相似且方法雷同，均是采用控制器控制电机转动，驱动连接件(钢丝绳或尼龙绳)伸缩，模拟海面起伏，从而实现与连接件(钢丝绳或尼龙绳)相连的波浪浮标或波浪传感器升降运动。模拟海面上升时，竖直拉升波浪浮标，模拟海面下降时，利用波浪浮标自重下降或利用钢丝绳向下拖动。或者采用类似跷跷板原理，跷跷板一侧安装波浪浮标，另一侧装载配重，模拟波浪升降运动。
以上检测技术为保证我国波浪量值准确性起到一定作用，但也存在一定问题，具体如下：
(1)目前现有检测装置波高范围较小，最大仅可模拟3m波高的波浪，距离实海况时十几米的波高还存在一定差距。
(2)目前现有检测装置开展波浪浮标检测时，不能开展波浪全要素(波高、波周期、波向)检测试验，每次试验最多只能同步开展波高、波周期参数测试，波向参数需要单独进行检测测试。
(3)不能对波浪浮标整机和波浪传感器开展频谱响应分析，性能评价技术不全面。
(4)对于加速度大于重力加速度g的波浪升降运动，自升降式测波浮标模拟试验装置无法实现，距离实际海况模拟需求存在一定差距。
(5)钢丝绳或尼龙绳具有一定弹性伸缩变化，模拟波高误差较大，精度较低，不能满足推陈出新、日新月异的波浪浮标或波浪传感器技术需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可实现波浪浮标整机和波浪传感器的全参数(波高、波周期和波向)检测的基于丝杠和直线导轨的波浪浮标或传感器检测系统及方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于丝杠和直线导轨的波浪浮标或传感器检测系统及方法，检测系统包括有能够模拟海面运动姿态用于放置并提供波浪传感器或波浪浮标运动姿态的运动姿态模拟装置，分别连接在所述运动姿态模拟装置两侧用于带动运动姿态模拟装置进行升降运动的丝杠驱动机构，连接在所述丝杠驱动机构一侧用于读取运动姿态模拟装置在所述丝杠驱动机构的驱动下升降数据的光栅尺装置，连接在所述丝杠驱动机构另一侧用于检测运动姿态模拟装置升降运动时零点位置的光电开关机构，分别连接丝杠驱动机构、光栅尺装置、运动姿态模拟装置和光电开关机构的控制单元，所述控制单元用于控制丝杠驱动机构的动作和运动姿态模拟装置的姿态模拟，以及分别采集光栅尺装置的读数和运动姿态模拟装置的运动姿态状况信号。
方法包括：确定检测对象：检测对象为波浪浮标或波浪传感器；建立空间坐标系；确定检测参数，包括波高、波周期、波向；选取检测波型，所述的检测波型有两种：理想波型和Stokes二阶波型；根据检测波型不同，选择对应的检测流程，开展检测工作；在理想波型姿态下将波浪浮标和波浪传感器在检测时的运动作为波浪信号，在频率域对波浪浮标和波浪传感器数值进行幅频响应分析。
本发明的基于丝杠和直线导轨的波浪浮标或传感器检测系统及方法，结构简洁、原理清晰、功能齐全，并且方便装卸，节省大量人力物力，每次检测试验可大幅度降低能源消耗。本发明可实现浮标整机和传感器的全参数(波高、波周期和波向)检测校准，完成量值传递工作。可实现最大20m的波高、最小1s的波周期、全波向波浪的海况模拟，可实现最大加速度1.5g的波浪模拟，可对波浪浮标或波浪传感器进行幅频响应分析评价，填补国内外技术空白。
附图说明
图1是本发明基于丝杠和直线导轨的波浪传感器或浮标检测系统第一实例的结构示意图；
图2是本发明中六自由度平台的结构示意图；
图3是图2中固定底座、转动电机、旋转轴和A轴机构的整体结构示意图；
图4是A轴机构的俯视图；
图5是图2中B轴机构与试验平台机构的整体结构示意图；
图6是B轴机构的俯视图；
图7是试验平台机构的结构示意图；
图8是本发明基于丝杠和直线导轨的波浪传感器或浮标检测系统第二实例的结构示意图；
图9是Stokes二阶波型模拟原理图；
图10是波浪参数计算原理示意图；
图11a是与试验平台相连、输出轴与Y轴重合的摇摆电机结构示意图；
图11b是图11a的俯视图；
图11c是叠加波波周期计算原理示意图。
其中
1：滚柱丝杠 2：丝杠旋块
3：固定轴承 4：顶部固定模块
5：直线导轨 6：导轨滑块
7：底部固定模块 8：伺服电机
9：光栅尺 10：光栅尺限位高点
11：光栅尺限位低点 12：控制单元
13：变频驱动器 14：试验波形示例
15：试验托盘 16：波浪传感器
17：六自由度平台 18：锂电池
19：旋转编码器 20：连接杆
21：波浪浮标 22：支撑环
23：读数头 24：光电开关
25：光电开关反射板固定架 26：光电开关反射板
A：A轴机构 B：B轴机构
1701：固定底座 1702：转动电机
1703：旋转轴 1704：A轴槽钢
1705：A轴直线导轨 1706：A轴滚珠丝杠
1707：A轴直线导轨滑块 1708：A轴丝杠驱动电机
1709：A轴旋转编码器 1710：A轴光栅尺
1711：A轴光栅尺读数头 1712：B轴槽钢
1713：B轴直线导轨 1714：B轴滚珠丝杠
1715：B轴直线导轨滑块 1716：B轴丝杠驱动电机
1717：B轴旋转编码器 1718：B轴光栅尺
1719：B轴光栅尺读数头 1720：试验平台
1721：磁通门罗盘 1722：数据收发模块
1723：摇摆电机 1724：试验平台旋转编码器
1725：B轴丝杠旋块 1726：电机支架
1727：连接支架 1728：第一连接件
1729：A轴丝杠旋块 1730：第二连接件
1731：第三连接件 1732：第四连接件
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的基于丝杠和直线导轨的波浪浮标或传感器检测系统及方法做出详细说明。
本发明的基于丝杠和直线导轨的波浪浮标或传感器检测系统，选用并竖直安装高强度丝杠和高精度直线导轨，设计机械支撑结构，采用伺服电机和变频驱动器，大幅提升波浪模拟范围，符合波浪浮标或波浪传感器测量原理，可实现波浪浮标或波浪传感器的波高、波周期检测需求；设计六自由度平台，可实现波浪传感器的全参数(波高、波周期和波向)检测需求，满足传感器检测工作需求。机械部件选用铝、无磁钢、无磁合金等无磁材料，电气部件进行电磁屏蔽，检测系统工作时不干扰地球磁场环境，满足波向检测需求。
如图1所示，本发明的基于丝杠和直线导轨的波浪浮标或传感器检测系统，包括有能够模拟海面运动姿态用于放置并提供波浪传感器16或波浪浮标21运动姿态的运动姿态模拟装置，分别连接在所述运动姿态模拟装置两侧用于带动运动姿态模拟装置进行升降运动的丝杠驱动机构，连接在所述丝杠驱动机构一侧用于读取运动姿态模拟装置在所述丝杠驱动机构的驱动下升降数据的光栅尺装置，连接在所述丝杠驱动机构另一侧用于检测运动姿态模拟装置升降运动时零点位置的光电开关机构，分别连接丝杠驱动机构、光栅尺装置、运动姿态模拟装置和光电开关机构的控制单元12，所述控制单元12用于控制丝杠驱动机构的动作和运动姿态模拟装置的姿态模拟，以及分别采集光栅尺装置的读数和运动姿态模拟装置的运动姿态状况信号。
如图1所示，所述的运动姿态模拟装置包括有：用于放置波浪传感器16或波浪浮标21的2个以上的试验托盘15，所述2个以上的试验托盘15通过连接杆20上下依次连接，每个试验托盘15上都设置有用于供电的锂电池18，最上面一个试验托盘15上设置有一个六自由度平台17，被测波浪传感器16或波浪浮标21放置在所述六自由度平台17上，其余试验托盘15上均直接放置波浪传感器16或波浪浮标21，每个波浪传感器16或波浪浮标21的信号输出端都通过无线连接方式连接至所述控制单元12的信号接收端，2个以上试验托盘15中的位于中间的一个试验托盘15的两侧分别连接丝杠驱动机构，并在丝杠驱动机构的驱动下带动所有试验托盘15进行上下移动。
如图2所示，所述的六自由度平台17包括有设置在试验托盘15上的固定底座1701，安装在所述固定底座1701上的转动电机1702，连接在所述转动电机1702的旋转轴1703上并随旋转轴1703进行水平方向旋转的A轴机构A，连接在所述A轴机构A上并能够沿所述A轴机构A长度方向进行移动的B轴机构B，设置在所述B轴机构B上并能够沿所述B轴机构B长度方向进行移动的试验平台机构，所述试验平台机构上放置有波浪传感器16或波浪浮标21和磁通门罗盘1721，所述固定底座1701上还设置有用于与控制单元12进行无线数据通信的数据收发模块1722，所述数据收发模块1722用于接收控制单元12发出的无线控制信号，并将所述的控制信号无线转发给对应的转动电机1702、A轴机构A、B轴机构B和试验平台机构，所述数据收发模块1722还接收A轴机构A、B轴机构B和试验平台机构发出的无线信号并无线转发给控制单元12，所述数据收发模块1722对所有接收和发送数据进行存储。
如图3、图4所示，所述的A轴机构A包括有底部与所述旋转轴1703固定连接的A轴槽钢1704，沿A轴槽钢1704的长度方向设置在A轴槽钢1704内的A轴直线导轨1705，滑动的连接在A轴直线导轨1705上的A轴直线导轨滑块1707，所述的B轴机构B通过连接支架1727连接在所述A轴直线导轨滑块1707上，所述A轴直线导轨1705的一侧面平行设置有A轴光栅尺1710，A轴光栅尺1710上的A轴光栅尺读数头1711通过第一连接件1728连接所述的A轴直线导轨滑块1707，所述A轴直线导轨1705的另一侧设置有A轴滚珠丝杠1706，连接在所述A轴滚珠丝杠1706上的A轴丝杠旋块1729通过第二连接件1730连接所述的A轴直线导轨滑块1707，A轴丝杠旋块1729用于驱动A轴直线导轨滑块1707沿所述A轴直线导轨1705直线移动，所述A轴滚珠丝杠1706的一端连接A轴丝杠驱动电机1708，A轴丝杠驱动电机1708输出轴连接A轴滚珠丝杠1706，A轴丝杠驱动电机1708驱动A轴滚珠丝杠1706旋转，驱动A轴丝杠旋块1729运动，A轴滚珠丝杠1706另一端连接A轴旋转编码器1709，所述A轴光栅尺读数头1711、A轴丝杠驱动电机1708和A轴旋转编码器1709均无线连接数据收发模块1722。
如图3、图5、图6所示，所述的B轴机构B包括底部通过连接支架1727连接在A轴机构A中的A轴直线导轨滑块1707上的B轴槽钢1712，沿B轴槽钢1712的长度方向设置在B轴槽钢1712内的B轴直线导轨1713，滑动的连接在B轴直线导轨1713上的B轴直线导轨滑块1715，所述的试验平台1720通过电机支架1726连接在所述B轴直线导轨滑块1715上，所述B轴直线导轨1713的一侧平行设置有B轴光栅尺1718，B轴光栅尺1718上的B轴光栅尺读数头1719通过第三连接件1731连接所述的B轴直线导轨滑块1715，所述B轴直线导轨1713的另一侧设置有B轴滚珠丝杠1714，连接在所述B轴滚珠丝杠1714上的B轴丝杠旋块1725通过第四连接件1732连接所述的B轴直线导轨滑块1715，用于驱动B轴直线导轨滑块1715沿所述B轴直线导轨1713直线移动，所述B轴滚珠丝杠1714的一端连接B轴丝杠驱动电机1716，另一端连接B轴旋转编码器1717，所述B轴光栅尺读数头1719、B轴丝杠驱动电机1716和B轴旋转编码器1717均无线连接数据收发模块1722。
如图5、图7所示，所述的试验平台机构包括有用于放置波浪传感器16或波浪浮标21和磁通门罗盘1721的试验平台1720，所述试验平台1720的一侧连接在摇摆电机1723的输出轴上，与该侧相对应的另一侧设置有试验平台旋转编码器1724，所述的摇摆电机1723通过电机支架1726连接B轴机构B中的B轴直线导轨滑块1715，所述磁通门罗盘1721、摇摆电机1723和试验平台旋转编码器1724均无线连接数据收发模块1722。
如图1、图8所示，所述的丝杠驱动机构包括有对应设置在所述运动姿态模拟装置两侧的两根滚柱丝杠1和分别设置在所述两根滚柱丝杠1外侧的两根直线导轨5，两根滚柱丝杠1上的丝杠旋块2的一侧分别与运动姿态模拟装置中的用于放置波浪传感器16或波浪浮标21的一个试验托盘15的两侧边或用于支撑波浪浮标21的支撑环22的两侧边相连接，丝杠旋块2与试验托盘15机械连接，为波浪浮标或波浪传感器竖直起伏升降运动提供动力，实现波浪起伏运动，从而实现波浪浮标或波浪传感器检测目标。两根滚柱丝杠1上的丝杠旋块2的另一侧分别对应与相邻的直线导轨5上的导轨滑块6相连接，所述两根滚柱丝杠1的下端分别连接一台用于驱动滚柱丝杠1旋转的伺服电机8，两台所述的伺服电机8均通过变频驱动器13连接控制单元12，变频驱动器13控制伺服电机8旋转方向、速度和力矩，可实现波浪浮标或波浪传感器竖直上升或下降运动。两根所述的滚柱丝杠1的顶端各通过一个固定轴承3连接在顶部固定模块4上，其中一根滚柱丝杠1的顶端连接一个旋转编码器19，所述旋转编码器19的信号输出端连接所述控制单元12，两根所述的直线导轨5的下端均固定连接在底部固定模块7上，上端固定连接在顶部固定模块4上；所述的光栅尺装置包括有平行设置在一根直线导轨5外侧的光栅尺9，光栅尺9的读数头23连接该直线导轨5上的导轨滑块6，用于采集导轨滑块6沿直线导轨5竖直移动的位移数据，所述读数头23的信号输出端连接至所述控制单元12，所述光栅尺9的上端固定连接在顶部固定模块4上，下端固定连接在底部固定模块7上，所述光栅尺9上分别设置有光栅尺限位高点10和光栅尺限位低点11。光栅尺9的读数头23可在光栅尺9上滑动精密测量，给出竖直上升或下降运动位移即波高的精密数值。
如图1、图8所示，所述的光电开关机构包括有固定连接在丝杠驱动机构中的导轨滑块6外侧的用于检测波浪传感器16或波浪浮标21升降运动时零点位置的光电开关24，以及固定设置在光电开关反射板固定架25上的用于触发光电开关24的光电开关反射板26，所述光电开关反射板固定架25的上端固定连接在顶部固定模块4上，下端固定连接在底部固定模块7上，所述光电开关24的信号输出端连接控制单元12。
如图8所示，当所述的运动姿态模拟装置只用于放置并检测波浪浮标21时，包括有：用于支撑所述波浪浮标21的支撑环22，所述支撑环22的两侧分别连接丝杠驱动机构，并在丝杠驱动机构的驱动下带动所述波浪浮标21进行升降移动。此时，所述的丝杠驱动机构包括有对应设置在所述运动姿态模拟装置两侧的两根滚柱丝杠1和分别设置在所述两根滚柱丝杠1外侧的两根直线导轨5，两根滚柱丝杠1上的丝杠旋块2的一侧分别与用于支撑波浪浮标21的支撑环22的两侧边相连接，两根滚柱丝杠1上的丝杠旋块2的另一侧分别对应与相邻的直线导轨5上的导轨滑块6相连接，所述两根滚柱丝杠1的下端分别连接一台用于驱动滚柱丝杠1旋转的伺服电机8，两台所述的伺服电机8均通过变频驱动器13连接控制单元12，两根所述的滚柱丝杠1的顶端各通过一个固定轴承3连接在顶部固定模块4上，其中一根滚柱丝杠1的顶端连接一个旋转编码器19，所述旋转编码器19的信号输出端连接所述控制单元12，两根所述的直线导轨5的下端均固定连接在底部固定模块7上，上端固定连接在顶部固定模块4上；所述的光栅尺装置包括有平行设置在一根直线导轨5外侧的光栅尺9，光栅尺9的读数头23连接该直线导轨5上的导轨滑块6，用于采集导轨滑块6沿直线导轨5竖直移动的位移数据，所述读数头23的信号输出端连接至所述控制单元12，所述光栅尺9的上端固定连接在顶部固定模块4上，下端固定连接在底部固定模块7上，所述光栅尺9上分别设置有光栅尺限位高点10和光栅尺限位低点11。
进行波浪浮标21或波浪传感器16检测试验时，首先根据拟模拟的实海况海面运动姿态，人工向控制单元12输入设定波高、波周期、波向和时长等控制参数，然后控制单元12启动变频驱动器13，控制伺服电机8输出瞬时加速度和力矩，驱动滚柱丝杠1旋转，丝杠旋块2带动导轨滑块6、试验托盘15和波浪浮标21或波浪传感器16升降运动，实现波浪起伏运动，完成波浪浮标21或波浪传感器16的检测工作，可得到试验波形示例14。
本发明中，
1、伺服电机，采用：
安川公司：型号SGM7G1EA7C6C，15kW；或三菱公司；型号MR-J4-15kW，15kW；
2、旋转编码器：
欧姆龙公司：型号E6D-CWZ1E；或长春衡纬光电有限公司：型号HW58S；
3、光栅尺：
广州信和光栅数显有限公司：型号KA-300；或HEIDENHAIN海德汉公司：型号LC291M；
4、磁通门罗盘
湖北麦格森斯科技有限公司：型号MS-03A；或北京华信昊通科技有限公司：型号：CPS380T。
5、数据收发模块
济南有人物联网技术有限公司：型号USR-G780 V2；黑马物联科技(湖州)有限公司：型号D100-4GB。
本发明的基于丝杠和直线导轨的波浪浮标或传感器检测系统的检测方法，包括如下步骤：
1)确定检测对象：检测对象为波浪浮标或波浪传感器；
2)建立空间坐标系：建立右手空间直角坐标系OXYZ，选取与两根直线导轨平行等距直线作为Z轴，Z轴正向竖直向上，过光电开关反射板所在点向Z轴作垂线，垂线与Z轴交点为O点，过O点向光电开关反射板所在点作射线为X轴，右手拇指指向Z轴正向，右手四指从X轴正向以90度直角转向形成Y轴正向；波浪浮标或波浪传感器的几何中心点坐标为(xt，yt，zt)，起始坐标为(x0，y0，z0)。
3)确定检测参数，包括波高、波周期、波向，已知t为时间，ti为时间t中的第i个时刻，其中，
如图10所示，波高H是指波浪运动中，坐标点(xt，yt，zt)运动轨迹线的波峰到波谷的竖直位移，ti时刻的波高
波周期T是指波浪运动中，坐标点(xt，yt，zt)连续两次上跨过水平线X轴的时刻差值，如ti时刻的波周期Ti＝ti-ti-1；
波向θ是指在XOY平面内，坐标点(xt，yt)运动轨迹方向与地磁北水平向的夹角，ti时刻的波向
4)选取检测波型，所述的检测波型有两种：理想波型和Stokes二阶波型，其中，
理想波型检测控制模型如下：
(4.1)波浪浮标或波浪传感器几何中心(xt，yt，zt)理想波型检测控制模型：
Ht＝a(t)cos(z0-ωtt) (1)
式中，t为时间，单位为s；Ht为波浪浮标或波浪传感器随时间t变化的理想波高值，单位为m；a(t)为检测装置伺服电机调节值，单位为m；Hmax为调节极大值，单位为m；z0为波浪浮标或波浪传感器几何中心在坐标系中Z轴上的初始值，单位为m；ωt为角频率，单位为rad/s；
(4.2)Stokes二阶波型检测控制模型如下：
坐标点(xt，yt，zt)势函数方程为
坐标点(xt，yt，zt)运动方程为
式中，
为波浪浮标或波浪传感器几何中心xt，yt，zt的势能，单位为焦耳；η波浪浮标或波浪传感器几何中心xt，yt，zt运动方程；k为波数；T为波周期，单位为s；cosh为双曲余弦函数；sinh双曲正弦函数；hw为设定模拟水深，单位为m；c为波速，单位为m/s；L为波长，单位为m；
5)根据检测波型不同，选择对应的检测流程，开展检测工作，具体如下：
(5.1)在理想波型姿态下检测波高、波周期
人工调整波浪浮标或波浪传感器位置，设置起始坐标点(x0＝0，y0＝0，z0＝0)，然后向检测装置的控制单元中置入波浪模拟设定值：波高Hs、波周期Ts；
在每一个波高设定值Hs，对应7个波周期模拟值，其中最大波周期Tmax＝25.0s，最小波周期
各波周期模拟值根据
计算得到；
例如设定模拟波高Hs＝1m，则对应7个模拟波周期Ts从小到大依次是2.6s、3.0s、3.7s、4.7s、6.4s、10.3s、25.0s，此处选Ts＝25.0s，运动时长Tw设定为1h。将Hs＝1m、Ts＝25.0s、Tw＝1h输入控制单元，控制单元设定伺服电机调节值a(t)＝1m，滚柱丝杠导程即滚柱丝杠每旋转一圈丝杠旋块移动的直线距离为Dmm，则丝杠旋块直线运动a(t)＝1m时丝杠杆需旋转圈数
运动角频率
时长Tw限制为3600s，控制单元将N、ωt、Tw置入变频驱动器，然后波浪浮标或波浪传感器开始做竖直余弦运动，运动过程控制方程为Ht＝a(t)cos(z0-ωtt)＝cos(0.251t)。
波浪浮标或波浪传感器上升或下降运动经过光电开关反射板26位置时，光电开关反射板26触发光电开关24得到时刻脉冲信号，选取上升运动触发脉冲时刻信号，即上跨零点计时信号
给控制单元，k为时间t中的第k个时刻，控制单元计算对应波周期
然后计算模拟波周期误差
光栅尺9向控制单元实时反馈竖直位移值
控制单元计算与波高Hs对应的波高误差
(5.2)在Stokes二阶波型状态下检测波高、波周期和波向
如图9所示，Stokes二阶波属于非线性波浪，η分解为主波η1和叠加波η2；主波和叠加波均有波高和波周期，运动姿态模拟装置进行主波η1模拟，六自由度平台完成叠加波η2模拟；运动方程如下：
η＝η1+η2 (6)
人工调整波浪浮标或波浪传感器在六自由度平台的位置，设置波浪浮标或波浪传感器起始坐标点x0＝0，y0＝0，z0＝0，然后向检测装置的控制单元中置入波浪模拟设定值：主波波高
主波波周期
叠加波波高
叠加波波周期
和波向θs；
在每一个主波波高设定值
对应7个主波波周期模拟值，其中主波最大波周期
控制单元计算对应最小波周期
控制单元根据
计算得到主波各波周期模拟值
人工设定运动时长Twη1，控制单元计算得到a1(t)，滚柱丝杠导程即滚柱丝杠每旋转一圈丝杠旋块移动的直线距离为D1，则丝杠旋块进行直线运动a1(t)时丝杠杆需旋转圈数
运动角频率
控制单元将Nη1、ωtη1、Twη1置入变频驱动器，然后运动姿态模拟装置中的伺服电机驱动试验托盘、带动六自由度平台开始进行竖直余弦运动，主波η1运动方程为
例如设定主波波高
则对应7个主波波周期
从小到大依次是6.4s、7.3s、8.5s、10.2s、12.7s、16.8s、25.0s，此处选
运动时长Twη1设定为1h。将
Twη1＝1h＝3600s输入控制单元，控制单元计算后设定a1(t)＝12m，滚柱丝杠导程即滚柱丝杠每旋转一圈丝杠旋块移动的直线距离为D1mm，则丝杠旋块进行直线运动a1(t)＝12m时丝杠杆需旋转圈数
运动角频率
时长Twη1限制为3600s，控制单元将Nη1、ωtη1、Twη1置入变频驱动器，然后运动姿态模拟装置中的伺服电机驱动试验托盘、带动六自由度平台开始进行竖直余弦运动，主波运动方程为：
六自由度平台负责完成叠加波η2运动模拟，叠加波波高
设置范围为0～30cm，本发明实施例选
叠加波波周期
设置范围为1s～30s，本发明实施例选
波速c设置范围为0.01m/s～0.05m/s，本发明实施例选c＝0.02m/s；波长
水深hw设置范围为10m～100m，本发明实施例选hw＝50m；波数k设置范围为100～1000，本发明实施例选k＝500；人工设定
c、hw、k后，控制单元计算得到L数值，控制单元通过式(8)计算得到a2(t)数值，A轴机构和B轴机构的滚珠丝杠导程均为D2，A轴机构或B轴机构的丝杠旋块进行直线运动L时丝杠杆需旋转圈数
运动角频率
控制单元将Nη2、ωtη2、c、L、hw、k置入A轴机构或B轴机构的伺服电机，完成方程
的运动模拟；
六自由度平台模拟波向θs，θs设置范围为0°～359°，本发明实施例选θs＝345°，具体实现过程如下：令A轴机构与X轴重合、B轴机构与Y轴重合，放置摇摆电机使摇摆电机输出轴位于(θs-90)°角，摇摆电机带动试验平台实现θs波向运动；
六自由度平台整体上升运动经过光电开关反射板26时，安装在导轨滑块6上的光电开关24触发得到上跨零点计时信号
给控制单元，p为时间t中的第p个时刻，控制单元计算对应主波波周期
然后计算模拟主波波周期误差
光栅尺9向控制单元实时发送与主波波周期
对应的主波波高
控制单元计算主波波高误差
A轴机构、B轴机构上的A轴光栅尺和B轴光栅尺，测量叠加波在水平面上坐标(xη2，yη2)，试验平台旋转编码器测量波浪浮标或波浪传感器的运动倾角θη2，叠加波波高
叠加波波高误差
如图11a、图11b和图11c所示，设摇摆电机输出轴与Y轴重合，水平状态的试验平台位于XOY平面内，摇摆电机驱动试验平台摇摆运动，每个摇摆周期内，试验平台旋转编码器采集试验平台平面与XOY平面夹角θη2，在tη21、tη23、tη25时刻θη2值为0°，控制单元记录试验平台平面左侧上跨XOY平面的时刻tη21、tη25，计算得到叠加波实际波周期tη2＝tη25-tη21，叠加波波周期误差
设置在六自由度平台上的磁通门罗盘测量运动波向θr，Stokes二阶波波向误差Δθ＝θs-θr。
6)在理想波型姿态下将波浪浮标和波浪传感器在检测时的运动作为波浪信号，在频率域对波浪浮标和波浪传感器数值进行幅频响应分析。包括：
对波浪浮标或波浪传感器检测时，根据试验时间顺序，控制单元对波浪模拟波周期
和每个波周期对应的分辨力为0.1mm的高精度波浪幅度
进行离散化采样，q为时间t中的第q个时刻，控制单元计算每个波周期
对应的波浪频率
然后对波浪幅度、波浪频率的离散数据对
fA0、
fA1、
fA2、…、
fAq进行离散傅里叶变换DFT，得到对应幅度频率函数值XH，如式(9)所示；
式中，
是波浪幅度，为实信号，即虚部为0，此时(9)式展开成(10)式：
式中，N为检测试验采样次数；u是自然数；XH表示波浪幅度
在不同频率fAq时分布情况。
采用幅频响应变化分析源数据准确度高，分析结果科学可信，为提升波浪浮标或波浪传感器性能评价技术水平做出一定贡献。
Claims (8)
1.一种基于丝杠和直线导轨的波浪浮标或传感器检测系统，其特征在于，包括有能够模拟海面运动姿态用于放置并提供波浪传感器(16)或波浪浮标(21)运动姿态的运动姿态模拟装置，分别连接在所述运动姿态模拟装置两侧用于带动运动姿态模拟装置进行升降运动的丝杠驱动机构，连接在所述丝杠驱动机构一侧用于读取运动姿态模拟装置在所述丝杠驱动机构的驱动下升降数据的光栅尺装置，连接在所述丝杠驱动机构另一侧用于检测运动姿态模拟装置升降运动时零点位置的光电开关机构，分别连接丝杠驱动机构、光栅尺装置、运动姿态模拟装置和光电开关机构的控制单元(12)，所述控制单元(12)用于控制丝杠驱动机构的动作和运动姿态模拟装置的姿态模拟，以及分别采集光栅尺装置的读数和运动姿态模拟装置的运动姿态状况信号；
所述的运动姿态模拟装置包括有：用于放置波浪传感器(16)或波浪浮标(21)的2个以上的试验托盘(15)，所述2个以上的试验托盘(15)通过连接杆(20)上下依次连接，每个试验托盘(15)上都设置有用于供电的锂电池(18)，最上面一个试验托盘(15)上设置有一个六自由度平台(17)，被测波浪传感器(16)或波浪浮标(21)放置在所述六自由度平台(17)上，其余试验托盘(15)上均直接放置波浪传感器(16)或波浪浮标(21)，每个波浪传感器(16)或波浪浮标(21)的信号输出端都通过无线连接方式连接至所述控制单元(12)的信号接收端，2个以上试验托盘(15)中的位于中间的一个试验托盘(15)的两侧分别连接丝杠驱动机构，并在丝杠驱动机构的驱动下带动所有试验托盘(15)进行上下移动；
所述的六自由度平台(17)包括有设置在试验托盘(15)上的固定底座(1701)，安装在所述固定底座(1701)上的转动电机(1702)，连接在所述转动电机(1702)的旋转轴(1703)上并随旋转轴(1703)进行水平方向旋转的A轴机构(A)，连接在所述A轴机构(A)上并能够沿所述A轴机构(A)长度方向进行移动的B轴机构(B)，设置在所述B轴机构(B)上并能够沿所述B轴机构(B)长度方向进行移动的试验平台机构，所述试验平台机构上放置有波浪传感器(16)或波浪浮标(21)和磁通门罗盘(1721)，所述固定底座(1701)上还设置有用于与控制单元(12)进行无线数据通信的数据收发模块(1722)，所述数据收发模块(1722)用于接收控制单元(12)发出的无线控制信号，并将所述的控制信号无线转发给对应的转动电机(1702)、A轴机构(A)、B轴机构(B)和试验平台机构，所述数据收发模块(1722)还接收A轴机构(A)、B轴机构(B)和试验平台机构发出的无线信号并无线转发给控制单元(12)，所述数据收发模块(1722)对所有接收和发送数据进行存储。
2.根据权利要求1所述的基于丝杠和直线导轨的波浪浮标或传感器检测系统，其特征在于，所述的A轴机构(A)包括有底部与所述旋转轴(1703)固定连接的A轴槽钢(1704)，沿A轴槽钢(1704)的长度方向设置在A轴槽钢(1704)内的A轴直线导轨(1705)，滑动的连接在A轴直线导轨(1705)上的A轴直线导轨滑块(1707)，所述的B轴机构(B)通过连接支架(1727)连接在所述A轴直线导轨滑块(1707)上，所述A轴直线导轨(1705)的一侧面平行设置有A轴光栅尺(1710)，A轴光栅尺(1710)上的A轴光栅尺读数头(1711) 通过第一连接件(1728)连接所述的A轴直线导轨滑块(1707)，所述A轴直线导轨(1705)的另一侧设置有A轴滚珠丝杠(1706)，连接在所述A轴滚珠丝杠(1706)上的A轴丝杠旋块(1729)通过第二连接件(1730)连接所述的A轴直线导轨滑块(1707)，A轴丝杠旋块(1729)用于驱动A轴直线导轨滑块(1707)沿所述A轴直线导轨(1705)直线移动，所述A轴滚珠丝杠(1706)的一端连接A轴丝杠驱动电机(1708)，另一端连接A轴旋转编码器(1709)，所述A轴光栅尺读数头(1711)、A轴丝杠驱动电机(1708)和A轴旋转编码器(1709)均无线连接数据收发模块(1722)。
3.根据权利要求1所述的基于丝杠和直线导轨的波浪浮标或传感器检测系统，其特征在于，所述的B轴机构(B)包括底部通过连接支架(1727)连接在A轴机构(A)中的A轴直线导轨滑块(1707)上的B轴槽钢(1712)，沿B轴槽钢(1712)的长度方向设置在B轴槽钢(1712)内的B轴直线导轨(1713)，滑动的连接在B轴直线导轨(1713)上的B轴直线导轨滑块(1715)，所述的试验平台(1720)通过电机支架(1726)连接在所述B轴直线导轨滑块(1715)上，所述B轴直线导轨(1713)的一侧平行设置有B轴光栅尺(1718)，B轴光栅尺(1718)上的B轴光栅尺读数头(1719)通过第三连接件(1731)连接所述的B轴直线导轨滑块(1715)，所述B轴直线导轨(1713)的另一侧设置有B轴滚珠丝杠(1714)，连接在所述B轴滚珠丝杠(1714)上的B轴丝杠旋块(1725)通过第四连接件(1732)连接所述的B轴直线导轨滑块(1715)，用于驱动B轴直线导轨滑块(1715)沿所述B轴直线导轨(1713)直线移动，所述B轴滚珠丝杠(1714)的一端连接B轴丝杠驱动电机(1716)，另一端连接B轴旋转编码器(1717)，所述B轴光栅尺读数头(1719)、B轴丝杠驱动电机(1716)和B轴旋转编码器(1717)均无线连接数据收发模块(1722)。
4.根据权利要求1所述的基于丝杠和直线导轨的波浪浮标或传感器检测系统，其特征在于，所述的试验平台机构包括有用于放置波浪传感器(16)或波浪浮标(21)和磁通门罗盘(1721)的试验平台(1720)，所述试验平台(1720)的一侧连接在摇摆电机(1723)的输出轴上，与该侧相对应的另一侧设置有试验平台旋转编码器(1724)，所述的摇摆电机(1723)通过电机支架(1726)连接B轴机构(B)中的B轴直线导轨滑块(1715)，所述磁通门罗盘(1721)、摇摆电机(1723)和试验平台旋转编码器(1724)均无线连接数据收发模块(1722)。
5.根据权利要求1所述的基于丝杠和直线导轨的波浪浮标或传感器检测系统，其特征在于，所述的丝杠驱动机构包括有对应设置在所述运动姿态模拟装置两侧的两根滚柱丝杠(1)和分别设置在所述两根滚柱丝杠(1)外侧的两根直线导轨(5)，两根滚柱丝杠(1)上的丝杠旋块(2)的一侧分别与运动姿态模拟装置中的用于放置波浪传感器(16)或波浪浮标(21)的一个试验托盘(15)的两侧边相连接，两根滚柱丝杠(1)上的丝杠旋块(2)的另一侧分别对应与相邻的直线导轨(5)上的导轨滑块(6)相连接，所述两根滚柱丝杠(1)的下端分别连接一台用于驱动滚柱丝杠(1)旋转的伺服电机(8)，两台所述的伺服电机(8)均通过变频驱动器(13)连接控制单元(12)，两根所述的滚柱丝杠(1)的顶端各通过一个固定轴承(3)连接在顶部固定模块(4)上，其中一根滚柱丝杠(1)的顶端连接一个旋转编码器(19)，所述旋转编码器(19)的信号输出端连接所述控制单元(12)，两根所述的直线导轨(5)的下端均固定连接在底部固定模块(7)上，上端固定连接在顶部固定模块(4)上；所述的光栅尺装置包括有平行设置在一根直线导轨(5)外侧的光栅尺(9)，光栅尺(9)的读数头(23)连接该直线导轨(5)上的导轨滑块(6)，用于采集导轨滑块(6)沿直线导轨(5)竖直移动的位移数据，所述读数头(23)的信号输出端连接至所述控制单元(12)，所述光栅尺(9)的上端固定连接在顶部固定模块(4)上，下端固定连接在底部固定模块(7)上，所述光栅尺(9)上分别设置有光栅尺限位高点(10)和光栅尺限位低点(11)。
6.根据权利要求1所述的基于丝杠和直线导轨的波浪浮标或传感器检测系统，其特征在于，所述的光电开关机构包括有固定连接在丝杠驱动机构中的导轨滑块(6)外侧的用于检测波浪传感器(16)或波浪浮标(21)升降运动时零点位置的光电开关(24)，以及固定设置在光电开关反射板固定架(25)上的用于触发光电开关(24)的光电开关反射板(26)，所述光电开关反射板固定架(25)的上端固定连接在顶部固定模块(4)上，下端固定连接在底部固定模块(7)上，所述光电开关(24)的信号输出端连接控制单元(12)。
7.根据权利要求1所述的基于丝杠和直线导轨的波浪浮标或传感器检测系统，其特征在于，当所述的运动姿态模拟装置只用于放置并检测波浪浮标(21)时，包括有：用于支撑所述波浪浮标(21)的支撑环(22)，所述支撑环(22)的两侧分别连接丝杠驱动机构，并在丝杠驱动机构的驱动下带动所述波浪浮标(21)进行升降移动；所述的丝杠驱动机构包括有对应设置在所述运动姿态模拟装置两侧的两根滚柱丝杠(1)和分别设置在所述两根滚柱丝杠(1)外侧的两根直线导轨(5)，两根滚柱丝杠(1)上的丝杠旋块(2)的一侧分别与用于支撑波浪浮标(21)的支撑环(22)的两侧边相连接，两根滚柱丝杠(1)上的丝杠旋块(2)的另一侧分别对应与相邻的直线导轨(5)上的导轨滑块(6)相连接，所述两根滚柱丝杠(1)的下端分别连接一台用于驱动滚柱丝杠(1)旋转的伺服电机(8)，两台所述的伺服电机(8)均通过变频驱动器(13)连接控制单元(12)，两根所述的滚柱丝杠(1)的顶端各通过一个固定轴承(3)连接在顶部固定模块(4)上，其中一根滚柱丝杠(1)的顶端连接一个旋转编码器(19)，所述旋转编码器(19)的信号输出端连接所述控制单元(12)，两根所述的直线导轨(5)的下端均固定连接在底部固定模块(7)上，上端固定连接在顶部固定模块(4)上；所述的光栅尺装置包括有平行设置在一根直线导轨(5)外侧的光栅尺(9)，光栅尺(9)的读数头(23)连接该直线导轨(5)上的导轨滑块(6)，用于采集导轨滑块(6)沿直线导轨(5)竖直移动的位移数据，所述读数头(23)的信号输出端连接至所述控制单元(12)，所述光栅尺(9)的上端固定连接在顶部固定模块(4)上，下端固定连接在底部固定模块(7)上，所述光栅尺(9)上分别设置有光栅尺限位高点(10)和光栅尺限位低点(11)。
8.一种权利要求1所述的基于丝杠和直线导轨的波浪浮标或传感器检测系统的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)确定检测对象：检测对象为波浪浮标或波浪传感器；
2)建立空间坐标系；包括：
建立右手空间直角坐标系OXYZ，选取与两根直线导轨平行等距直线作为Z轴，Z轴正向竖直向上，过光电开关反射板所在点向Z轴作垂线，垂线与Z轴交点为O点，过O点向光电开关反射板所在点作射线为X轴，右手拇指指向Z轴正向，右手四指从X轴正向以90度直角转向形成Y轴正向；波浪浮标或波浪传感器的几何中心点坐标为xt,yt,zt，起始坐标为x0,y0,z0；
3)确定检测参数，包括波高、波周期、波向；包括：
已知t为时间，ti为时间t中的第i个时刻，其中，
波高H是指波浪运动中，坐标点xt,yt,zt运动轨迹线的波峰到波谷的竖直位移，ti时刻的波高
波周期T是指波浪运动中，坐标点xt,yt,zt连续两次上跨过水平线X轴的时刻差值，如ti时刻的波周期Ti＝ti-ti-1；
波向θ是指在XOY平面内，坐标点xt,yt运动轨迹方向与地磁北水平向的夹角，ti时刻的波向
4)选取检测波型，所述的检测波型有两种：理想波型和Stokes二阶波型；其中，
理想波型检测控制模型如下：
(4.1)波浪浮标或波浪传感器几何中心xt,yt,zt理想波型检测控制模型：
Ht＝a(t)cos(z0-ωtt) (1)
式中，t为时间，单位为s；Ht为波浪浮标或波浪传感器随时间t变化的理想波高值，单位为m；a(t)为检测装置伺服电机调节值，单位为m；Hmax为调节极大值，单位为m；z0为波浪浮标或波浪传感器几何中心在坐标系中Z轴上的初始值，单位为m；ωt为角频率，单位为rad/s；
(4.2)Stokes二阶波型检测控制模型如下：
坐标点(xt,yt,zt)势函数方程为
坐标点xt,yt,zt运动方程为
式中，
为波浪浮标或波浪传感器几何中心xt,yt,zt的势能，单位为焦耳；η波浪浮标或波浪传感器几何中心xt,yt,zt运动方程；k为波数；T为波周期，单位为s；cosh为双曲余弦函数；sinh双曲正弦函数；hw为设定模拟水深，单位为m；c为波速，单位为m/s；L为波长，单位为m；
5)根据检测波型不同，选择对应的检测流程，开展检测工作；包括：
(5.1)在理想波型姿态下检测波高、波周期
人工调整波浪浮标或波浪传感器位置，设置起始坐标点x0＝0,y0＝0,z0＝0，然后向检测装置的控制单元中置入波浪模拟设定值：波高Hs、波周期Ts；
在每一个波高设定值Hs，对应7个波周期模拟值，其中最大波周期Tmax＝25.0s，最小波周期
各波周期模拟值根据
计算得到；
波浪浮标或波浪传感器上升或下降运动经过光电开关反射板(26)位置时，光电开关反射板(26)触发光电开关(24)得到时刻脉冲信号，选取上升运动触发脉冲时刻信号，即上跨零点计时信号
给控制单元，k为时间t中的第k个时刻，控制单元计算对应波周期
然后计算模拟波周期误差
光栅尺9向控制单元实时反馈竖直位移值
控制单元计算与波高Hs对应的波高误差
(5.2)在Stokes二阶波型状态下检测波高、波周期和波向
Stokes二阶波属于非线性波浪，η分解为主波η1和叠加波η2；主波和叠加波均有波高和波周期，运动姿态模拟装置进行主波η1模拟，六自由度平台完成叠加波η2模拟；运动方程如下：
η＝η1+η2 (6)
人工调整波浪浮标或波浪传感器在六自由度平台的位置，设置波浪浮标或波浪传感器起始坐标点x0＝0,y0＝0,z0＝0，然后向检测装置的控制单元中置入波浪模拟设定值：主波波高
主波波周期
叠加波波高
叠加波波周期
和波向θs；
在每一个主波波高设定值
对应7个主波波周期模拟值，其中主波最大波周期
控制单元计算对应最小波周期
控制单元根据
计算得到主波各波周期模拟值
人工设定运动时长Twη1，控制单元计算得到a1(t)，滚柱丝杠导程即滚柱丝杠每旋转一圈丝杠旋块移动的直线距离为D1，则丝杠旋块进行直线运动a1(t)时丝杠杆需旋转圈数
运动角频率
控制单元将Nη1、ωtη1、Twη1置入变频驱动器，然后运动姿态模拟装置中的伺服电机驱动试验托盘、带动六自由度平台开始进行竖直余弦运动，主波η1运动方程为
六自由度平台负责完成叠加波η2运动模拟，叠加波波高
设置范围为0～30cm，叠加波波周期
设置范围为1s～30s；波速c设置范围为0.01m/s～0.05m/s，波长
水深hw设置范围为10m～100m，波数k设置范围为100～1000，人工设定
c、hw、k后，控制单元计算得到L数值，控制单元通过式(8)计算得到a2(t)数值，A轴机构和B轴机构的滚珠丝杠导程均为D2，A轴机构或B轴机构的丝杠旋块进行直线运动L时丝杠杆需旋转圈数
运动角频率
控制单元将Nη2、ωtη2、c、L、hw、k置入A轴机构或B轴机构的伺服电机，完成方程
的运动模拟；
六自由度平台模拟波向θs，θs设置范围为0°～359°，具体实现过程如下：令A轴机构与X轴重合、B轴机构与Y轴重合，放置摇摆电机使摇摆电机输出轴位于(θs-90)°角，摇摆电机带动试验平台实现θs波向运动；
六自由度平台整体上升运动经过光电开关反射板(26)时，安装在导轨滑块(6)上的光电开关(24)触发得到上跨零点计时信号
给控制单元，p为时间t中的第p个时刻，控制单元计算对应主波波周期
然后计算模拟主波波周期误差
光栅尺(9)向控制单元实时发送与主波波周期
对应的主波波高
控制单元计算主波波高误差
A轴机构、B轴机构上的A轴光栅尺和B轴光栅尺，测量叠加波在水平面上坐标(xη2，yη2)，试验平台旋转编码器测量波浪浮标或波浪传感器的运动倾角θη2，叠加波波高
叠加波波高误差
设摇摆电机输出轴与Y轴重合，水平状态的试验平台位于XOY平面内，摇摆电机驱动试验平台摇摆运动，每个摇摆周期内，试验平台旋转编码器采集试验平台与XOY平面夹角
在tη21、tη23、tη25时刻
值为0°，控制单元记录试验平台左侧上跨XOY平面的时刻tη21、tη25，计算得到叠加波实际波周期tη2＝tη25-tη21，叠加波波周期误差
设置在六自由度平台上的磁通门罗盘测量运动波向θr，Stokes二阶波波向误差Δθ＝θs-θr；
6)在理想波型姿态下将波浪浮标和波浪传感器在检测时的运动作为波浪信号，在频率域对波浪浮标和波浪传感器数值进行幅频响应分析；包括：
对波浪浮标或波浪传感器检测时，根据试验时间顺序，控制单元对波浪模拟波周期
和每个波周期对应的分辨力为0.1mm的波浪幅度
进行离散化采样，q为时间t中的第q个时刻，控制单元计算每个波周期
对应的波浪频率
然后对波浪幅度、波浪频率的离散数据对
进行离散傅里叶变换DFT，得到对应幅度频率函数值XH，如式(9)所示；
式中，
是波浪幅度，为实信号，即虚部为0，此时(9)式展开成(10)式：
式中，N为检测试验采样次数；u是自然数；XH表示波浪幅度
在不同频率fAq时分布情况。
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