CN113188498A - 一种位移测量方法和装置、膨胀位移检测方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种位移测量方法和装置、膨胀位移检测方法和装置，其位移测量方法包括：以初始点和终止点所构成的目标线段为对角线，构建虚拟长方体；根据虚拟长方体，以初始点为原点，将与初始点相连的三条边作为坐标轴，构建三维坐标系；获取移动后终止点与原点的距离值；获取目标线段在第一平面上的投影与Z轴所形成的第一夹角，以及目标线段在第二平面上的投影与Z轴所形成的第二夹角；第一平面为X轴和Z轴所构成的平面，第二平面为Y轴和Z轴所构成的平面；根据终止点与原点的距离值、第一夹角以及第二夹角，获得物体从初始点移动到终止点的三维空间位移。通过本发明可高效精准测量物体在三维空间的位移变化状态，尤其是锅炉、铁轨等的膨胀情况。

Description

一种位移测量方法和装置、膨胀位移检测方法和装置
技术领域
本发明涉及位移检测领域，尤指一种位移测量方法和装置、膨胀位移检测方法和装置。
背景技术
物体由于外部环境变化(温度、受力等)，在物理空间将产生位移。火力发电行业中锅炉以及高温高压管道；建筑行业中各种构筑物沉降观测；交通领域铁轨位移等。在现实工业应用中，对位移的精确测量有着重要意义。
然而在实际的工程应用中，物体(待测点)在三维空间发生位移时，经常会出现不便于直接测量出物体(待测点)在三维空间的实际位移情况，比如锅炉、铁轨等物体表面的测量点，在受热膨胀后，测量点会发生三维空间的位移。锅炉、铁轨受热后将产生膨胀，而由于各部位材质不同，受热温度不同，产生的膨胀量也不同。
以锅炉为例，若发生膨胀受阻却不能及时发现的地方，会导致过热器管屏因膨胀受阻产生严重变形，在长期作用下，导致管屏的焊口部位产生了应力集中问题，造成焊口部位发生金属疲劳，达到金属疲劳临界点时即导致焊口开裂，发生泄漏事件。
因此，如何准确测量物体在三维空间的位移情况，特别是如何准确、可靠地监测锅炉、铁轨等目标表面的膨胀位移变化量是本领域的技术人员急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种位移测量方法和装置、膨胀位移检测方法和装置，实现可高效精准测量待测点在三维空间的位移变化状态。
本发明提供的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种位移测量方法，应用于测量三维空间中物体从初始点移动到所述终止点的位移；所述测量方法包括：
以所述初始点和终止点所构成的目标线段为对角线，构建虚拟长方体；并根据所述虚拟长方体以所述初始点为原点，将与所述初始点相连的三条边作为坐标轴，构建三维坐标系；
获取移动后所述终止点与所述原点的距离值；
获取目标线段在第一平面上的投影与Z轴所形成的第一夹角，所述第一平面为X轴和Z轴所构成的平面；
获取所述目标线段在第二平面上的投影与Z轴所形成的第二夹角，所述第二平面为Y轴和Z轴所构成的平面；
根据所述终止点与所述原点的距离值、所述第一夹角以及所述第二夹角，获得所述物体从所述初始点移动到所述终止点的三维空间位移。
优选地，根据所述终止点与所述原点的距离值、所述第一夹角以及所述第二夹角，获得所述物体从所述初始点移动到所述终止点的三维空间位移具体包括：
将所述终止点与所述原点的距离值，所述第一夹角以及所述第二夹角代入下述公式，计算获得所述物体从所述初始点移动到所述终止点，所述物体分别在三维空间的X轴、Y轴、Z轴上的位移：
Figure BDA0003095794050000021
Figure BDA0003095794050000022
Figure BDA0003095794050000031
其中：L为所述终止点与所述原点的距离值；α为所述第一夹角；β为所述第二夹角；x、y和z分别为物体从初始点移动到终止点后物体分别在X轴、Y 轴和Z轴上的位移。
第二方面，本发明还提供一种位移测量装置，应用于测量物体从初始点移动到所述终止点的三维空间位移；所述测量装置包括：
坐标系建立模块，用于以所述初始点和终止点所构成的目标线段为对角线，构建虚拟长方体；根据所述虚拟长方体以所述初始点为原点，将与所述初始点相连的三条边作为坐标轴，构建三维坐标系；
位移传感器，用于获取移动后所述终止点与所述原点的距离值；
倾斜角度传感器，用于获取目标线段在第一平面上的投影与Z轴所形成的第一夹角，以及所述目标线段在第二平面上的投影与Z轴所形成的第二夹角；所述第一平面为X轴和Z轴所构成的平面，所述第二平面为Y轴和Z轴所构成的平面；
计算处理模块，用于根据所述终止点与所述原点的距离值、所述第一夹角以及所述第二夹角，获得所述物体从所述初始点移动到所述终止点的三维空间位移。
优选地，所述计算处理模块根据所述终止点与所述原点的距离值、所述第一夹角以及所述第二夹角，获得所述物体从所述初始点移动到所述终止点的三维空间位移；具体包括：
将所述位移传感器获取的所述终止点与所述原点的距离值，所述倾斜角度传感器获取的所述第一夹角以及所述第二夹角；代入下述公式，获得所述物体从所述初始点移动到所述终止点，所述物体在三维空间的X轴、Y轴、Z轴的位移：
Figure BDA0003095794050000041
Figure BDA0003095794050000042
Figure BDA0003095794050000043
其中：L为所述终止点与所述原点的距离值；α为所述第一夹角；β为所述第二夹角；x、y和z分别为物体从初始点移动到终止点后物体分别在X轴、Y 轴和Z轴上的位移。
第三方面，本发明提供了一种膨胀位移检测装置，包括：
壳体，所述壳体内设置有位移传感器、倾斜角度传感器、计算处理器；所述位移传感器的测距轴穿过所述壳体一端的通孔与第一转动连接件连接；所述壳体的另一端设置有安装座；通过安装座与第二转动连接件连接；其中：
所述第二转动连接件，用于将所述膨胀位移检测装置安装于固定参考点；
所述第一转动连接件，用于与待测物体表面的膨胀测量点上固定的测量连接杆连接，当所述膨胀测量点发生膨胀后，通过所述测量连接杆带动所述第一转动连接件及其所在的膨胀位移检测装置发生位移；
位移传感器，用于获取从初始状态下至所述膨胀测量点发生膨胀过程中，所述第一转动连接件的中心点沿测距轴的轴线方向移动的第一距离值；
倾斜角度传感器，用于获取所述膨胀位移检测装置相对所述待测物体往前或往后偏移的第一夹角；以及所述膨胀位移检测装置相对所述待测物体往左或往右偏移的第二夹角；
计算处理器，用于根据所述第一距离值、所述第一夹角和所述第二夹角，得到所述膨胀测量点基于三维空间的实际膨胀位移。
优选地，所述计算处理器具体包括：
坐标系建立子模块，用于以所述膨胀位移检测装置的固定参考点为原点，建立三维的空间坐标系；
位移获取子模块，用于根据所述第一距离值和所述膨胀位移检测装置的本体长度，获取所述原点到所述膨胀位移检测装置的第一转动连接件的中心点的距离值；所述距离值为参考距离值；
空间位移计算子模块，用于根据所述参考距离值、所述第一夹角和所述第二夹角，代入下述公式，获得所述膨胀测量点在移动后在三维空间的X轴和Y 轴的位移：
Figure BDA0003095794050000051
Figure BDA0003095794050000052
所述空间位移计算子模块，还用于根据所述参考距离值、所述第一夹角和所述第二夹角，代入下述公式，获得所述膨胀位移检测装置在移动后其在Z轴方向的分量：
Figure BDA0003095794050000053
上述各公式中，L表示所述参考距离值；α表示所述第一夹角；β表示所述第二夹角；
所述空间位移计算子模块，用于根据移动后所述膨胀位移检测装置在Z轴方向的分量Z1，结合所述膨胀位移检测装置的安装方式，获得所述膨胀测量点在三维空间的Z轴的位移。
第四方面，本发明还提供一种膨胀位移检测方法，应用于上述的任一膨胀位移检测装置；检测前，将所述膨胀位移检测装置安装于固定参考点，所述膨胀位移检测装置的测距轴通过第一转动连接件与待测物体表面的膨胀测量点上固定的测量连接杆连接；且所述膨胀位移检测装置与所述待测物体相对平行设置；所述膨胀位移检测方法具体包括：
通过所述膨胀位移检测装置的位移传感器，获取膨胀前后所述膨胀位移检测装置的第一转动连接件的中心点沿测距轴的轴线方向移动的第一距离值；
通过所述膨胀位移检测装置的倾斜角度传感器，获取所述膨胀位移检测装置相对所述待测物体往前或往后偏移的第一夹角；以及所述膨胀位移检测装置相对所述待测物体往左或往右偏移的第二夹角；
根据所述第一距离值、所述第一夹角和所述第二夹角，得到所述膨胀测量点基于三维空间的实际膨胀位移。
优选地，根据所述第一距离值、所述第一夹角和所述第二夹角，得到所述膨胀测量点基于三维空间的实际膨胀位移具体包括步骤：
以所述膨胀位移检测装置的固定参考点为原点，建立三维的空间坐标系；
根据所述第一距离值和所述膨胀位移检测装置的本体长度，获取所述原点到所述膨胀位移检测装置的第一转动连接件的中心点的距离值；所述距离值为参考距离值；
根据所述参考距离值、所述第一夹角和所述第二夹角，代入下述公式，获得所述膨胀测量点在移动后在三维空间的X轴和Y轴的位移：
Figure BDA0003095794050000061
Figure BDA0003095794050000062
根据所述参考距离值、所述第一夹角和所述第二夹角，代入下述公式，获得所述膨胀位移检测装置在移动后其在Z轴方向的分量Z1：
Figure BDA0003095794050000063
上述各公式中，L表示所述参考距离值；α表示所述第一夹角；β表示所述第二夹角；
根据移动后所述膨胀位移检测装置在Z轴方向的分量Z1，结合所述膨胀位移检测装置的安装方式，获得所述膨胀测量点在三维空间的Z轴的位移。
优选地，所述膨胀位移检测装置向下安装；具体包括：所述膨胀位移检测装置通过第二转动连接件安装于支撑面，所述支撑面远离地面，且与所述膨胀位移检测装置的测距轴顶端相连的所述第一转动连接件的中心点与地面之间高度等于所述膨胀测量点与所述地面之间高度；
根据所述第一距离值和所述膨胀位移检测装置的本体长度，通过下述公式获取所述参考距离值：
L＝k+s；
基于下述公式，获得所述膨胀测量点在移动后在三维空间的X轴、Y轴和 Z轴的位移：
Figure BDA0003095794050000071
Figure BDA0003095794050000072
Figure BDA0003095794050000073
其中，上述各公式中：L表示所述参考距离值；s表述所述第一距离值；k 表示所述膨胀位移检测装置的本体长度；α表示所述第一夹角；β表示所述第二夹角。
优选地，所述膨胀位移检测装置向上安装；具体包括：所述膨胀位移检测装置通过第二转动连接件安装于支撑面，所述支撑面靠近地面的平面或地面，且与所述膨胀位移检测装置的测距轴顶端相连的所述第一转动连接件中心点与地面之间高度等于所述膨胀测量点与所述地面之间高度；
根据所述第一距离值、所述膨胀位移检测装置的本体长度、以及所述膨胀位移检测装置的测距轴量程，通过下述公式获取所述参考距离值：
L＝k+m-s；
基于下述公式，获得所述膨胀测量点在移动后在三维空间的X轴、Y轴和 Z轴的位移：
Figure BDA0003095794050000081
Figure BDA0003095794050000082
Figure BDA0003095794050000083
其中，上述各公式中：L表示所述参考距离值；s表述所述第一距离值；k 表示所述膨胀位移检测装置的本体长度；α表示所述第一夹角；β表示所述第二夹角。
本申请至少包含以下一项有益技术效果：
(1)本申请只需简单采集几个移动的距离信息和两个偏移的角度信息，即可通过内置算法模型，获得物体在三维空间的移动位移，这对于不便直接测量物体移动位移的情况而言，非常具有实用价值，且简单高效。
(2)本申请的膨胀位移检测装置，通过第一转动连接件与测量点的测量连接杆连接，从而在测量点发生膨胀产生位移时，会同步传导给膨胀位移检测装置，带动膨胀位移检测装置产生相应位移，因而本申请的位移检测装置只需测量计算膨胀位移检测装置的位移情况即可获得测量点的膨胀位移情况，大大简化了膨胀位移的检测难度。
(3)本申请的膨胀位移检测装置通过简单的位移传感器和倾斜角度传感器采集相应的第一距离值和第一夹角、第二夹角，再基于计算处理器中内置的算法公式，便可快速计算出测量点在膨胀后，在三维空间产生的位移。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种位移测量方法和装置、膨胀位移检测方法和装置的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1是本发明实施例一提供的一种位移测量方法的流程图；
图2是本发明测量三维空间中物体从初始点移动到终止点的三维空间位移的测量模型原理示意图；
图3是本发明实施例三提供的膨胀位移检测装置的两种状态示意图；
图4是本发明实施例四提供的膨胀位移检测方法的流程图；
图5是本发明实施例四中计算膨胀测量点在三维空间的膨胀位移的数据处理流程图；
图6是本发明实施例六中提供的膨胀位移检测装置向下安装及检测的示意图；
图7是对应于图6所示膨胀位移检测装置向下安装的三维空间的测量模型原理示意图；
图8是本发明实施例六中提供的膨胀位移检测装置向上安装及检测的示意图；
图9是对应于图8所示膨胀位移检测装置向上安装的三维空间的测量模型原理示意图；
附图标记：
3--膨胀位移检测装置；4--第一转动连接件；5--待测物体；6--测量连接杆； 7--第二转动连接件；8--膨胀测量点；9--测距轴；10--显示仪表；31--壳体；32-- 安装座；33--上端盖；34--航空接头。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本申请。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所述描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或集合的存在或添加。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/ 或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
【实施例一】
本发明的一个实施例，如图1所示，一种膨胀位移检测方法，应用于测量三维空间中物体从初始点移动到所述终止点的位移；测量方法包括：
S110以所述初始点和终止点所构成的目标线段为对角线，构建虚拟长方体；并根据所述虚拟长方体以所述初始点为原点，将与所述初始点相连的三条边作为坐标轴，构建三维坐标系
S120获取移动后终止点与原点的距离值；
S130获取目标线段在第一平面上的投影与Z轴所形成的第一夹角，第一平面为X轴和Z轴所构成的平面；
S140获取目标线段在第二平面上的投影与Z轴所形成的第二夹角，第二平4 面为Y轴和Z轴所构成的平面；
S150根据终止点与原点的距离值、第一夹角以及第二夹角，获得物体从初始点移动到所述终止点的三维空间位移。
具体的，物体在三维空间中从初始点移动至终止点的过程中，可以通过距离值传感器测量得到初始点移动与终止点之间的距离值。对于不便直接测量的物体，我们也可采用间接测量的方式来采集移动距离信息。本实施例中，在获取到初始点和终止点(坐标数据未知)后，先要构建三维空间坐标系，具体的，先将初始点和终止点所构成的目标线段为对角线可以构建出虚拟长方体。由于构建有虚拟长方体，那么以初始点为原点，将与初始点相连的且属于虚拟长方体中的三条边作为坐标轴构建三维坐标系。然后，再获取物体在三维空间中移动后终止点与原点的距离值(比如可以通过位移传感器来获取)，由于虚拟长方体是由初始点和终止点连接形成的线段作对角线构建的，因此，物体在三维空间中移动后终止点与原点的距离值就等于目标线段在三维坐标系中的长度值。
获取到目标线段的长度值后，再获取目标线段在X轴和Z轴所构成的第一平面上的投影与Z轴所形成的第一夹角，以及目标线段在Y轴和Z轴所构成的第二平面上的投影与Z轴所形成的第二夹角。角度的获取一般可通过角度传感器来获得，最后根据终止点与原点的距离值、第一夹角以及第二夹角，通过立体几何中三维空间中夹角、线段和平面之间的关系，计算获得物体从初始点移动到所述终止点的三维空间位移。
基于上述实施例，S150根据终止点与原点的距离值、第一夹角以及第二夹角，获得物体从初始点移动到所述终止点的三维空间位移具体包括步骤：
S151将终止点D与原点的距离值，第一夹角以及第二夹角代入下述公式，计算获得物体从初始点A移动到终止点D，物体分别在三维空间的X轴、Y轴、 Z轴上的位移：
Figure BDA0003095794050000121
Figure BDA0003095794050000122
Figure BDA0003095794050000123
其中：L为终止点与原点的距离值；α为第一夹角；β为第二夹角；x、y和z 分别为物体从初始点移动到终止点后物体分别在X轴、Y轴和Z轴上的位移。
具体的，假定有一三维空间，物体由初始点A运动到终止点D，那么物体在三维空间的X轴、Y轴、Z轴上的位移的计算模型原理如图2所示：
客户端可根据勾股定理和空间距离值计算公式，可推理得到：
Figure BDA0003095794050000124
Figure BDA0003095794050000125
Figure BDA0003095794050000126
Figure BDA0003095794050000127
将公式(1-4)代入公式(1-3)计算得到下列公式(1-5)
Figure BDA0003095794050000128
由于公式(1-2)等于公式(1-5)，因此可推导出下列公式(1-6)：
Figure BDA0003095794050000131
根据公式(1-6)可推导得到物体由初始点A运动到终止点D，那么物体在三维空间的X轴上的位移x如下公式(1-7)所示：
Figure BDA0003095794050000132
将公式(1-7)代入公式(1-2)中可计算得到物体由初始点A运动到终止点D，那么物体在三维空间的Y轴上的位移y如下公式(1-8)所示：
Figure BDA0003095794050000133
将公式(1-4)代入公式(1-2)中可计算得到物体由初始点A运动到终止点D，那么物体在三维空间的Z轴上的位移z如下公式(1-9)所示：
Figure BDA0003095794050000134
本发明通过以初始点和终止点所构成的目标线段为对角线构建虚拟长方体，根据立体几何中三维空间中夹角、线段和平面之间的关系，计算获得物体在三维空间移动的过程中，从任意初始点移动到任意终止点的三维位移信息 (即物体由任意初始点运动到任意终止点，物体在三维空间的X、Y、Z三轴上的位移)，从而能够实现物体位移的高精度、高效率、动态、连续测量，能够全面真实地反映物体(待测点)的位移变化。
【实施例二】
基于相同的技术构思，本发明的实施例二提供了一种位移测量装置，应用于测量物体从初始点移动到所述终止点的三维空间位移；测量装置包括：
坐标系建立模块，用于以所述初始点和终止点所构成的目标线段为对角线，构建虚拟长方体；根据所述虚拟长方体以所述初始点为原点，将与所述初始点相连的三条边作为坐标轴，构建三维坐标系；
位移传感器，用于获取移动后终止点与原点的距离值；
倾斜角度传感器，用于获取目标线段在第一平面上的投影与Z轴所形成的第一夹角，以及目标线段在第二平面上的投影与Z轴所形成的第二夹角；第一平面为X轴和Z轴所构成的平面，第二平面为Y轴和Z轴所构成的平面；
计算处理模块，用于根据终止点与原点的距离值、第一夹角以及第二夹角，获得物体从初始点移动到所述终止点的三维空间位移。
具体的，本实施例是对应于上述位移测量方法实施例的装置实施例，与上述位移测量方法实施例相同的部分参见上述实施例，在此不再一一赘述。
基于前述实施例，计算处理模块根据终止点与原点的距离值、第一夹角以及第二夹角，获得物体从初始点移动到所述终止点的三维空间位移；具体包括：
将位移传感器获取的终止点与原点的距离值，倾斜角度传感器获取的第一夹角以及第二夹角；代入下述公式，获得物体从初始点移动到终止点，物体在三维空间的X轴、Y轴、Z轴的位移：
Figure BDA0003095794050000141
Figure BDA0003095794050000142
Figure BDA0003095794050000143
其中：L为终止点与原点的距离值；α为第一夹角；β为第二夹角；x、y和z 分别为物体从初始点移动到终止点后物体分别在X轴、Y轴和Z轴上的位移。
具体的，本实施例是对应于上述位移测量方法实施例的装置实施例，与上述位移测量方法实施例相同的部分参见上述实施例，在此不再一一赘述。
【实施例三】
本发明的另一实施例，公开了一种膨胀位移检测装置，如图3所示，具体的，包括：壳体31，所述壳体31内设置有位移传感器、倾斜角度传感器、计算处理器(壳体内设置的各器件未示出)；所述位移传感器的测距轴9穿过所述壳体31一端的上端盖33的通孔与第一转动连接件4连接；所述壳体31的另一端设置有安装座32；通过安装座32与第二转动连接件7连接；其中：
所述第二转动连接件7，用于将所述膨胀位移检测装置安装于固定参考点；
所述第一转动连接件4，用于与待测物体表面的膨胀测量点上固定的测量连接杆连接，当所述膨胀测量点发生膨胀后，通过所述测量连接杆带动所述第一转动连接件4及其所在的膨胀位移检测装置发生位移；
位移传感器，用于获取从初始状态下至所述膨胀测量点发生膨胀过程中，所述第一转动连接件4的中心点沿测距轴的轴线方向移动的第一距离值；
倾斜角度传感器，用于获取所述膨胀位移检测装置相对所述待测物体往前或往后偏移的第一夹角；以及所述膨胀位移检测装置相对所述待测物体往左或往右偏移的第二夹角；
计算处理器，用于根据所述第一距离值、所述第一夹角和所述第二夹角，得到所述膨胀测量点基于三维空间的实际膨胀位移。
其中，膨胀位移检测装置3的第一转动连接件4中心点在初始状态下的位置为初始点，膨胀测量点发生膨胀后膨胀位移检测装置3的第一转动连接件4中心点的位置为终止点，根据初始点和终止点构成目标线段。以初始点和终止点所构成的目标线段为对角线构建虚拟长方体，根据虚拟长方体以初始点为原点，将与初始点相连的三条边作为坐标轴构建三维坐标系。由于膨胀位移检测装置与待测物体相对设置，因此，当膨胀测量点发生膨胀过程带动膨胀位移检测装置3移动时，获取目标线段在第一平面上的投影与Z轴所形成的第一夹角，以及目标线段在第二平面上的投影与Z轴所形成的第二夹角，其中，第一平面为X轴和Z轴所构成的平面，第二平面为Y轴和Z轴所构成的平面。
本实施例中，膨胀位移检测装置的壳体31一般可以设置为筒状、或者长方体状，壳体内设置位移传感器、倾斜角度传感器、和计算处理器；且计算处理器分别与位移传感器和倾斜角度传感器通信连接，计算处理器计算获得的膨胀位移数据可再通过数据线从航空接头34引出；位移传感器采用市场上常规的带有测距轴的位移传感器即可。位移传感器获取到的测距轴9顶端相连的第一转动连接件的中心点的位移变化值，实际就是膨胀测量点在膨胀前后移动的距离。图3示出了膨胀位移传感器的测距轴9伸出和未伸出两种状态，也就是说测距轴9可以在第一转动连接件4的作用下发生移动。倾斜角度传感器方面，也可采用重力传感器或者加速度传感器，比如采用MEMS加速度传感器来测量物体倾斜角度。加速度传感器采用进口核心控制单元，采用电容微型摆锤原理，利用地球重力原理，当倾角单元倾斜时，地球重力在相应的摆锤上会产生重力的分量，相应的电容量会变化，通过对电容量处理放大，滤波，转换之后得出相应的第一夹角和第二夹角。计算处理器则根据位移传感器和倾斜角度传感器采集到的数据，结合内置的算法公式进行运算，获得膨胀测量点在三维空间发生的位移。
本实施例中设置在壳体31内的位移传感器带有测距轴9，该测距轴9穿过壳体一端的上端盖33的通孔与第一转动连接件4固定连接，该测距轴9可在第一转动连接件4的带动下伸出或缩回壳体，如图3所示，测距轴9的位移变化，会使得位移传感器的电位计触头发生位移变化，通过电位计捕捉位移数据，获得第一距离值。此外，本实施例中的第一转动连接件4、第二转动连接件7可以采用万向节或者鱼眼轴承等，检测时，膨胀测量点受热膨胀产生位移，膨胀测量点上设置的测量连接杆通过第一转动连接件4带动膨胀位移检测装置发生相应位移，因而，虽然膨胀测量点的膨胀位移不能直接测量获取，但是通过传动作用，膨胀位移检测装置也发生了同样的位移，因此，只需测量出膨胀位移传感器(其第一转动连接件的中心点)在三维空间的位移即可。
本实施例是上述位移测量装置的一个更为具体的工程应用测量装置，该膨胀位移检测装置用于监测锅炉、铁轨等物体的膨胀情况，简单高效。
【实施例四】
具体的，若采用上述实施例的膨胀位移检测装置，如何来检测膨胀前后的位移呢？本发明的另一个实施例，提供了一种膨胀位移检测方法，如图6所示，应用于膨胀位移检测装置3；测量前，膨胀位移检测装置3垂直于水平面，与待测物体5相对设置；且膨胀位移检测装置3的底座通过第二转动连接件7固定于固定参考点，膨胀位移检测装置3的测距轴9顶端通过第一转动连接件4与待测物体5的膨胀测量点8连接；膨胀测量点8膨胀后，使得膨胀位移检测装置3发生位移；本实施例的膨胀位移检测方法，如图4所示，具体包括：
S210通过膨胀位移检测装置3的位移传感器，获取膨胀前后所述膨胀位移检测装置的第一转动连接件的中心点沿所述测距轴的轴线方向移动的第一距离值；
S220通过膨胀位移检测装置3的倾斜角度传感器，获取膨胀位移检测装置3 相对待测物体5往前或往后偏移的第一夹角；以及膨胀位移检测装置3相对待测物体5往左或往右偏移的第二夹角；
S230根据所述第一距离值、所述第一夹角和所述第二夹角，得到所述膨胀测量点基于三维空间的实际膨胀位移。
具体的，被测物体包括锅炉、铁轨等等，锅炉壁面或者铁轨表面均具有多个膨胀测量点8，膨胀测量点8是指除了膨胀死点之外的，容易发生膨胀的部位，膨胀死点是指物体发生膨胀时位置不变的点，膨胀测量点8一般以膨胀死点为中心向外膨胀。
测距轴9与第一转动连接件4连接，在膨胀测量点8因为温度变化而自身发生膨胀时，由于随着膨胀测量点8发生膨胀时，第一转动连接件4是会随着膨胀测量点8的位移变化而移动的，一旦第一转动连接件4位移发生变化也会带动膨胀位移检测装置3的测距轴9的位移产生变化，进而使得膨胀位移检测装置相对待测物体5往前或往后移动产生角度变化，同样，会使得膨胀位移检测装置相对待测物体5往左或往右移动产生角度变化。此时，客户端通过膨胀位移检测装置3的倾斜角度传感器，获取膨胀位移检测装置3相对待测物体5 往前或往后偏移的第一夹角，以及膨胀位移检测装置3相对待测物体5往左或往右偏移的第二夹角。
参照图6、图7所示，膨胀前，膨胀位移检测装置3的测距轴未伸出，与待测物体5相对设置，且第一转动连接件4的中心点与膨胀测量点8处于同一水平面上。当待测物体5发生膨胀后，测量连接杆6受待测物体5上膨胀测量点8的膨胀影响，带动第一转动连接件4发生位移，与第一转动连接件4相连的测距轴9 从膨胀位移检测装置3的壳体中伸出。如图6所示中的测距轴9在膨胀前处于膨胀位移检测装置3的壳体内部，膨胀测量点8发生膨胀后，测距轴9在第一转动连接件4带动从壳体伸出，该测距轴9在壳体外伸出的长度值即为本实施例中的第一距离值，也就是第一转动连接件4沿测距轴的轴线方向移动的距离。同样的，如图3所示，如果膨胀前测距轴未伸出为初始状态，膨胀后，第一转动连接件4受膨胀测量点8膨胀影响发生移动，测距轴9从壳体伸出，该测距轴9在膨胀后伸出壳体的距离/长度，便是第一距离值。也就是膨胀前后第一转动连接件的中心点4沿所述测距轴9的轴线方向移动的距离值，即为第一距离值。
在获取到的第一转动连接件4的中心点移动的第一距离值、以及前面所述的第一夹角和第二夹角后，通过立体几何中三维空间中夹角、线段和平面之间的关系，计算获得第一转动连接件4的中心点从初始点F移动到所述终止点D'的三维空间位移。由于膨胀位移检测装置3的测距轴9顶端通过第一转动连接件4 与待测物体5的膨胀测量点8连接，因此，第一转动连接件4的中心点的位移就相当于膨胀测量点8基于三维空间的实际膨胀位移。
本发明根据第一夹角、第二夹角和第一转动连接件4的中心点移动的第一距离值，能够计算得到膨胀位移检测装置3所监控的膨胀测量点8的实际膨胀位移。以此类推，可获取所有膨胀位移检测装置3的测量数据(包括第一夹角、第二夹角和第一距离值)监测待测物体5(例如锅炉、铁轨)的所有膨胀测量点8的实际膨胀位移，进而可对待测物体5的整体膨胀状态进行监测。本发明的膨胀监测方法简单，现场维护成本低，而且能够科学地实现了膨胀的自动测量，这样即节省了人力物力，又可实时监控待测物体5的膨胀情况，有效提高了膨胀量的监测精度和监测效率。
基于前述实施例，如图5所示，S230根据所述第一距离值、第一夹角和第二夹角，得到膨胀测量点8基于三维空间的实际膨胀位移具体包括步骤：
S231以膨胀位移检测装置3的固定参考点为原点，建立三维的空间坐标系；
具体的，比如，安装时，膨胀位移检测装置与待测物体平行相对设置，且膨胀位移检测装置垂直于水平面设置，则可以固定参考点为原点，以待测物体相对膨胀位移检测装置的方向为X轴方向，以重力方向为Z轴，建立三维空间坐标系。
S232根据所述第一距离值和膨胀位移检测装置3的本体长度，获取原点到膨胀位移检测装置3的第一转动连接件4的中心点的距离值；该距离值为参考距离值；
具体的，膨胀位移检测装置中的测距轴穿过壳体一端的通孔与第一转动连接件相连，受膨胀测量点的膨胀影响，膨胀位移检测装置的测距轴在第一转动连接件的传动作用下会发生伸缩位移(该位移值等于第一距离值)，而根据膨胀位移检测装置初始状态的本体长度和第一距离，则可获得膨胀位移产生后，膨胀位移检测装置的参考点到第一转动连接件的中心点的距离值，即参考距离。
S233根据参考距离值、第一夹角和第二夹角，代入下述公式，获得膨胀测量点8在移动后在三维空间的X轴和Y轴的位移：
Figure BDA0003095794050000201
Figure BDA0003095794050000202
S234根据参考距离值、第一夹角和第二夹角，代入下述公式，获得所述膨胀位移检测装置3在移动后其在Z轴方向的分量：
Figure BDA0003095794050000203
上述各公式中，L表示参考距离值；α表示第一夹角；β表示第二夹角；
S235根据膨胀位移检测装置3在Z轴方向的位移，结合膨胀位移检测装置3 的安装方式，获得膨胀测量点在Z轴方向的位移。
具体的，由于第一转动连接件4连接的测距轴可伸缩移动，测距轴9与第一转动连接件4连接，因此，在膨胀测量点8因为温度变化而自身发生膨胀时，由于随着膨胀测量点8发生膨胀时，第一转动连接件4是会随着膨胀测量点8 的位移变化而移动的，一旦第一转动连接件4位移发生变化也会带动膨胀位移检测装置3的测距轴9的位移产生变化。由于以膨胀位移检测装置3的固定参考点为原点建立三维的空间坐标系，并且膨胀位移检测装置3的底座通过第二转动连接件7固定于固定参考点，因此，第一转动连接件4的中心点在任意空间位置处，在空间坐标系上相对于原点的位移均需添加膨胀位移检测装置3的本体长度。故而，获取原点到膨胀位移检测装置3的第一转动连接件4的中心点与空间坐标系原点之间的距离值等于所述第一距离值和膨胀位移检测装置3 的本体长度的和值。
客户端参照上述实施例，根据所述第一距离值和膨胀位移检测装置3的本体长度，即可获取在三维空间中原点移动到膨胀位移检测装置3的第一转动连接件4的中心点的距离值作为参考距离值。因此，客户端根据上述方式获取到的参考距离值、第一夹角和第二夹角，通过立体几何中三维空间中夹角、线段和平面之间的关系，计算获得从原点移动到终止点的位移。由于膨胀位移检测装置3的测距轴9顶端通过第一转动连接件4与待测物体5的膨胀测量点8连接，因此，可根据参考距离值、第一夹角和第二夹角，以及根据膨胀位移检测装置3的在移动后测距轴9在Z轴方向的位移，结合膨胀位移检测装置3的安装方式，获得膨胀测量点8在三维空间的Z轴的位移，至此，客户端能够计算得到膨胀测量点8基于三维空间的实际膨胀位移。
本发明的客户端根据第一夹角、第二夹角和原点到膨胀位移检测装置3的第一转动连接件4的中心点的距离值，能够计算得到膨胀位移检测装置3所监控的膨胀测量点8的实际膨胀位移。以此类推，可获取所有膨胀位移检测装置3的测量数据(包括第一夹角、第二夹角和参考距离值)监测待测物体5(例如锅炉、铁轨)的所有膨胀测量点8的实际膨胀位移，进而可对待测物体5的整体膨胀状态进行监测。本发明的膨胀监测方法简单，现场维护成本低，而且能够科学地实现了膨胀的自动测量，这样即节省了人力物力，又可实时监控待测物体 5的膨胀情况，有效提高了膨胀量的监测精度和监测效率。
【实施例五】
相应的，本发明的另一实施例，在上述实施例三的膨胀位移检测装置的基础上，所述计算处理器具体包括：
坐标系建立子模块，用于以所述膨胀位移检测装置的固定参考点为原点，建立三维的空间坐标系；
位移获取子模块，用于根据所述第一距离值和所述膨胀位移检测装置的本体长度，获取所述原点到所述膨胀位移检测装置的第一转动连接件的中心点的距离值；所述距离值为参考距离值；
空间位移计算子模块，用于根据所述参考距离值、所述第一夹角和所述第二夹角，代入下述公式，获得所述膨胀测量点在移动后在三维空间的X轴和Y 轴的位移：
Figure BDA0003095794050000221
Figure BDA0003095794050000222
所述空间位移计算子模块，还用于根据所述参考距离值、所述第一夹角和所述第二夹角，代入下述公式，获得所述膨胀位移检测装置在移动后其在Z轴方向的分量：
Figure BDA0003095794050000223
上述各公式中，L表示所述参考距离值；s表述所述第一距离值；α表示所述第一夹角；β表示所述第二夹角；
所述空间位移计算子模块，用于根据移动后所述膨胀位移检测装置在Z轴方向的分量Z1，结合所述膨胀位移检测装置的安装方式，获得所述膨胀测量点在三维空间的Z轴的位移。
本实施例的技术细节与上述相应的方法实施例(实施例四)中的技术细节相对应，为减少重复，此处不再赘述。
【实施例六】
本实施例在上述实施例四的基础上，提供了两种不同的安装方式的情况下，如何利用膨胀位移检测装置对膨胀测量点的膨胀位移进行检测；具体的，本实施例提供以下两种安装测量情况：
一、膨胀位移检测装置向下安装测量情况下：
如图6所示，膨胀位移检测装置3向下安装(膨胀位移检测装置3的测距轴9 的伸长方向向下，即测距轴9的伸长方向靠近地面)；具体包括：膨胀位移检测装置3通过第二转动连接件7(例如万向节或鱼眼轴承)安装于支撑面，支撑面远离地面，且与膨胀位移检测装置3的测距轴9顶端相连的第一转动连接件4 (例如万向节或鱼眼轴承)的中心点与地面之间高度等于膨胀测量点8与地面之间高度；
根据第一距离值(膨胀位移检测装置3处于初始状态下，至测量膨胀点8发生膨胀过程导致膨胀位移测量装置3跟随测量连接杆6发生位移变化的过程中，第一距离值就是从初始状态至测量膨胀点8发生膨胀的整个过程中，膨胀位移检测装置3的第一转动连接件4的中心点沿测距轴的轴线方向移动的距离值)和膨胀位移检测装置3的本体长度，通过下述公式获取参考距离值：
L＝s+k；
根据参考距离值、第一夹角和第二夹角，代入下述公式，获得膨胀测量点 8在移动后在三维空间的X轴、Y轴和Z轴的位移：
Figure BDA0003095794050000231
Figure BDA0003095794050000232
Figure BDA0003095794050000233
其中，上述各公式中：L表示参考距离值；s表述测距轴9移动的位移值；k 表示膨胀位移检测装置3的本体长度；α表示第一夹角；β表示第二夹角；Z1表示所述膨胀位移检测装置在Z轴方向的分量。
具体的，膨胀位移检测装置3通过第二转动连接件7安装于支撑面，支撑面为远离地面的平面。膨胀位移检测装置3通过测量连接杆6与目标表面的膨胀测量点8固定连接。如图6所示，初始状态下(即膨胀测量点8未发生膨胀现象时)，测距轴9位于初始位置，例如测距轴9未伸长使得第一转动连接件 4的中心点位于图6中的F点位置。当膨胀测量点8发生膨胀现象时测距轴 9伸长使得第一转动连接件4的中心点位于图6中的D′点位置。
由于膨胀位移检测装置3向下安装，空间坐标系以图6所示膨胀位移检测装置3的固定参考点为原点建立。因此，如图7所示，膨胀位移检测装置3测量得到的从F点位置到D′点位置的位移值FF′等于FD′的距离值投影在z轴上的Z轴分量数值，这个Z轴分量数值就是膨胀测量点8在移动后在三维空间上 Z轴的位移。同理，膨胀位移检测装置3测量得到的从F点位置到D′点位置的位移值FB等于FD′的距离值投影在x轴上的X轴分量数值，这个X轴分量数值就是膨胀测量点8在移动后在三维空间上X轴的位移。膨胀位移检测装置3 测量得到的从F点位置到D′点位置的位移值B′D′等于FD′的距离值投影在y 轴上的Y轴分量数值，这个Y轴分量数值就是膨胀测量点8在移动后在三维空间上Y轴的位移。
如图7所示，
Figure BDA0003095794050000241
由于位移值L＝s+k已知，并且根据图6可知∠F′AB′＝∠α，∠F′AE′＝∠β，由于第一夹角α和第二夹角β已知，因此，可根据勾股定理和空间距离值计算公式，参照上述公式(1-1)至公式(1-9) 可推导得到第一转动连接件4中心点在X上的位移x如下公式(1-10)所示：
Figure BDA0003095794050000242
将公式(1-10)代入公式(1-2)中可计算得到第一转动连接件4中心点在Y上的位移y如下公式(1-11)所示：
Figure BDA0003095794050000243
根据勾股定理可得到第一转动连接件4中心点在Z上的位移z如下公式 (1-12)所示：
Figure BDA0003095794050000244
其中，由于空间坐标系和世界坐标系(以膨胀死点为原点建立的三维坐标系)之间的矩阵关系固定，因此，通过上述过程计算得到第一转动连接件4的中心点分别在X、Y、Z轴上的位移后，可通过矩阵关系计算得到世界坐标系下膨胀测量点8分别在X、Y、Z轴上的膨胀位移，客户端即可确定世界坐标系下膨胀测量点8分别在X、Y、Z轴上的膨胀位移就是膨胀测量点8的实际膨胀位移。
第一转动连接件4通过测量连接杆6与待测物体5结构进行安装，以捕捉第一夹角、第二夹角和参考距离值的变化。第一夹角是膨胀位移检测装置 3相对待测物体往前或往后偏移的夹角，第二夹角是膨胀位移检测装置3相对待测物体往左或往右偏移的夹角，参考距离值是膨胀位移检测装置3的第一转动连接件的中心点的位移值和膨胀位移检测装置3的本体长度的和值。膨胀位移检测装置3的数量与待测物体5的膨胀测量点8的数量相同。客户端通过线缆与各个膨胀位移检测装置3进行连接。客户端从当前膨胀位移检测装置3获取其测量得到的第一夹角、第二夹角和参考距离值，进而根据第一夹角、第二夹角和参考距离值进行计算得到当前膨胀位移检测装置3所监控的膨胀测量点8的实际膨胀位移。以此类推，客户端可通过总线获取所有膨胀位移检测装置3的测量数据(包括第一夹角、第二夹角和参考距离值)监测待测物体5的所有膨胀测量点8的实际膨胀位移，进而可对待测物体5的整体膨胀状态进行监测。
客户端通过上述实施例获取到第一夹角、第二夹角和参考距离值后，如图 6所示，由于空间坐标系以膨胀位移检测装置3的固定参考点为原点建立的。如图7所示，设定第一转动连接件4中心点的初始位置为F，这个初始位置可投射至空间坐标系的一空间点，假设膨胀测量点8在发生膨胀后通过测量连接杆6带动第一转动连接件4中心点发生偏移后的目标位置为D′，这个目标位置可投射至空间坐标系的另一空间点。将第一夹角、第二夹角和参考距离值通过空间坐标系进行表征，可以根据勾股定理和空间距离计算公式，计算得到空间坐标系下膨胀测量点8在移动后在三维空间的X轴、Y轴和Z轴的位移。由于空间坐标系(以膨胀位移检测装置3的固定参考点为原点建立，此时的固定参考点为远离地面的支撑面的任意一处安装点)和世界坐标系(以膨胀死点为原点建立的三维坐标系)之间的矩阵关系固定，因此，通过上述过程计算得到膨胀位移检测装置3的第一转动连接件的中心点的位移值和膨胀位移检测装置3的本体长度后，可通过矩阵关系计算得到世界坐标系下膨胀测量点8分别在X、Y、Z轴上的膨胀位移，客户端即可确定世界坐标系下膨胀测量点8分别在X、Y、Z轴上的膨胀位移就是膨胀测量点8的实际膨胀位移。
本发明通过第一转动连接件4将测量连接杆6与膨胀位移检测装置3连接，通过第二转动连接件7将膨胀位移检测装置3安装在支撑面上，通过第一转动连接件4与测量连接杆6的配合连接带动膨胀位移检测装置3的测距轴13进行移动，进而实现位移值的测量，结构简单，现场维护成本低，而且能够科学地实现了膨胀的自动测量，这样即节省了人力物力，又可实时监控待测物体5的膨胀情况，有效提高了膨胀量的监测精度和监测效率。
本发明通过测量连接杆6，膨胀位移检测装置3，第一转动连接件4的连接，根据勾股定理和空间距离计算公式，可以快速、高效的获取膨胀测量点8的实际膨胀位移，准确高效地实现了锅炉膨胀的自动测量，这样即节省了人力物力，又可实时监控待测物体5的膨胀情况，有效提高了膨胀量的监测精度和监测效率。
二、膨胀位移检测装置向上安装测量情况下：
基于前述实施例，如图8所示，膨胀位移检测装置3向上安装(即膨胀位移检测装置3的测距轴9的伸长方向向上，即测距轴9的伸长方向远离地面)；具体包括：膨胀位移检测装置3通过第二转动连接件安装于支撑面，支撑面靠近地面的平面或地面，且与膨胀位移检测装置3的测距轴9顶端相连的第一转动连接件中心点与地面之间高度等于膨胀测量点8与地面之间高度；
根据所述第一距离值(膨胀位移检测装置3处于初始状态下，至测量膨胀点8发生膨胀过程导致膨胀位移测量装置3跟随测量连接杆6发生位移变化的过程中，第一距离值就是从初始状态至测量膨胀点8发生膨胀的整个过程中，膨胀位移检测装置3的第一转动连接件4的中心点沿测距轴的轴线方向移动的距离值)、膨胀位移检测装置3的本体长度、以及膨胀位移检测装置3的测距轴量程，通过下述公式获取参考距离值：
L＝k+m-s；
L表示参考距离值；k表示膨胀位移检测装置3的本体长度；m表示膨胀位移检测装置3的测距轴量程；s表示膨胀位移检测装置3的第一转动连接件的中心点的位移值；
根据参考距离值、第一夹角和第二夹角，代入下述公式，获得膨胀测量点 8在移动后在三维空间的X轴、Y轴和Z轴的位移：
Figure BDA0003095794050000271
Figure BDA0003095794050000272
Figure BDA0003095794050000273
其中，上述各公式中：L表示参考距离值；s表述测距轴9移动的位移值；m 表示膨胀位移检测装置3的测距轴量程；k表示膨胀位移检测装置3的本体长度；α表示第一夹角；β表示第二夹角；Z1表示所述膨胀位移检测装置在Z轴方向的分量。
具体的，膨胀位移检测装置3通过第二转动连接件7安装于支撑面，支撑面为地面或靠近地面的平面。膨胀位移检测装置3通过测量连接杆6与目标表面的膨胀测量点8固定连接。初始状态下(即膨胀测量点8未发生膨胀现象时)，测距轴9位于最大量程所在位置，例如测距轴9伸长使得第一转动连接件4 的中心点位于图8中的G点位置。当膨胀测量点8发生膨胀现象时测距轴9 伸长使得第一转动连接件4的中心点位于图8中的D′点位置。
由于膨胀位移检测装置3向上安装，空间坐标系以图8所示的膨胀位移检测装置3的固定参考点为原点建立。因此，如图9所示，膨胀位移检测装置3 测量得到的从G点位置到D′点位置的位移值GF′等于GD′的距离值投影在z 轴上的Z轴分量数值，这个Z轴分量数值就是膨胀测量点8在移动后在三维空间上Z轴的位移。同理，膨胀位移检测装置3测量得到的从G点位置到D′点位置的位移值F′B′等于GD′的距离值投影在x轴上的X轴分量数值，这个X 轴分量数值就是膨胀测量点8在移动后在三维空间上X轴的位移。膨胀位移检测装置3测量得到的从G点位置到D′点位置的位移值B′D′等于GD′的距离值投影在y轴上的Y轴分量数值，这个Y轴分量数值就是膨胀测量点8在移动后在三维空间上Y轴的位移。
如图9所示，
Figure BDA0003095794050000281
由于位移值L＝k+m-s已知，并且根据图6可知∠F′AB′＝∠α，∠F′AE′＝∠β，由于第一夹角α和第二夹角β已知，因此，可根据勾股定理和空间距离值计算公式，参照上述公式(1-1)至公式(1-9)可推导得到第一转动连接件4中心点在X上的位移x如下公式(1-13) 所示：
Figure BDA0003095794050000282
将公式(1-13)代入公式(1-2)中可计算得到第一转动连接件4中心点在Y上的位移y如下公式(1-14)所示：
Figure BDA0003095794050000283
根据勾股定理可得到第一转动连接件4中心点在Z上的位移z如下公式 (1-15)所示：
Figure BDA0003095794050000284
其中，由于空间坐标系和世界坐标系(以膨胀死点为原点建立的三维坐标系)之间的矩阵关系固定，因此，通过上述过程计算得到第一转动连接件4的中心点分别在X、Y、Z轴上的位移后，可通过矩阵关系计算得到世界坐标系下膨胀测量点8分别在X、Y、Z轴上的膨胀位移，客户端即可确定世界坐标系下膨胀测量点8分别在X、Y、Z轴上的膨胀位移就是膨胀测量点8的实际膨胀位移。
第一转动连接件4通过测量连接杆6与待测物体5结构进行安装，以捕捉第一夹角、第二夹角和参考距离值。第一夹角是膨胀位移检测装置相对待测物体往前或往后偏移的夹角，第二夹角是膨胀位移检测装置相对待测物体往左或往右偏移的夹角，参考距离值是膨胀位移检测装置3的第一转动连接件的中心点的位移值、膨胀位移检测装置3的本体长度、以及膨胀位移检测装置3的测距轴量程计算得到的数值。膨胀位移检测装置3的数量与待测物体5的膨胀测量点8的数量相同。客户端通过线缆与各个膨胀位移检测装置3进行连接。客户端从当前膨胀位移检测装置3获取其测量得到的第一夹角、第二夹角和参考距离值，进而根据第一夹角、第二夹角和参考距离值进行计算得到当前膨胀位移检测装置3所监控的膨胀测量点8的实际膨胀位移。以此类推，客户端可通过总线获取所有膨胀位移检测装置3的测量数据(包括第一夹角、第二夹角和参考距离值)监测待测物体5的所有膨胀测量点8的实际膨胀位移，进而可对待测物体5的整体膨胀状态进行监测。
客户端通过上述实施例获取到第一夹角、第二夹角和参考距离值后，如图 9所示，由于空间坐标系以膨胀位移检测装置3的固定参考点为原点建立的。设定第一转动连接件4中心点的初始位置为A，这个初始位置可投射至空间坐标系的一空间点，假设膨胀测量点8在发生膨胀后通过测量连接杆6带动第一转动连接件4中心点发生偏移后的目标位置为G，这个目标位置可投射至空间坐标系的另一空间点。将第一夹角、第二夹角和参考距离值通过空间坐标系进行表征，可以根据勾股定理和空间距离计算公式，计算得到空间坐标系下第一转动连接件4的中心点分别在X、Y、Z轴上的位移。由于空间坐标系(以膨胀位移检测装置3的固定参考点为原点建立的三维坐标系，此时的固定参考点为靠近地面的支撑面或者地面的任意一处安装点)和世界坐标系(以膨胀死点为原点建立的三维坐标系)之间的矩阵关系固定，因此，通过上述过程计算得到第一转动连接件4的中心点分别在X、Y、Z轴上的位移后，可通过矩阵关系计算得到世界坐标系下膨胀测量点8分别在X、Y、Z轴上的膨胀位移，客户端即可确定世界坐标系下膨胀测量点8分别在X、Y、Z轴上的膨胀位移就是膨胀测量点8的实际膨胀位移。
本发明通过第一转动连接件4将测量连接杆6与膨胀位移检测装置3连接，通过第二转动连接件7将膨胀位移检测装置3安装在支撑面上，通过第一转动连接件4与测量连接杆6的配合连接带动膨胀位移检测装置3的测距轴13进行移动，进而实现位移值的测量，结构简单，现场维护成本低，而且能够科学地实现了膨胀的自动测量，这样即节省了人力物力，又可实时监控待测物体5的膨胀情况，有效提高了膨胀量的监测精度和监测效率。
本发明通过测量连接杆6，膨胀位移检测装置3，第一转动连接件4的连接，根据勾股定理和空间距离计算公式，可以快速、高效的获取膨胀测量点8的实际膨胀位移，准确高效地实现了锅炉膨胀的自动测量，这样即节省了人力物力，又可实时监控待测物体5的膨胀情况，有效提高了膨胀量的监测精度和监测效率。
本申请的方法实施例与装置实施例对应，方法实施例的技术细节同样适用于装置实施例，为减少重复，不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各程序模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的程序模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的程序单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各程序模块可以集成在一个处理单元中，也可是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个处理单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件程序单元的形式实现。另外，各程序模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述或记载的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其他的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性、机械或其他的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可能集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种位移测量方法，其特征在于，应用于测量三维空间中物体从初始点移动到所述终止点的位移；所述测量方法包括：
以所述初始点和终止点所构成的目标线段为对角线，构建虚拟长方体；并根据所述虚拟长方体以所述初始点为原点，将与所述初始点相连的三条边作为坐标轴，构建三维坐标系；
获取移动后所述终止点与所述原点的距离值；
获取目标线段在第一平面上的投影与Z轴所形成的第一夹角，所述第一平面为X轴和Z轴所构成的平面；
获取所述目标线段在第二平面上的投影与Z轴所形成的第二夹角，所述第二平面为Y轴和Z轴所构成的平面；
根据所述终止点与所述原点的距离值、所述第一夹角以及所述第二夹角，获得所述物体从所述初始点移动到所述终止点的三维空间位移。
2.根据权利要求1所述的一种位移测量方法，其特征在于，根据所述终止点与所述原点的距离值、所述第一夹角以及所述第二夹角，获得所述物体从所述初始点移动到所述终止点的三维空间位移具体包括：
将所述终止点与所述原点的距离值，所述第一夹角以及所述第二夹角代入下述公式，计算获得所述物体从所述初始点移动到所述终止点，所述物体分别在三维空间的X轴、Y轴、Z轴上的位移：
Figure FDA0003095794040000011
Figure FDA0003095794040000012
Figure FDA0003095794040000013
其中：L为所述终止点与所述原点的距离值；α为所述第一夹角；β为所述第二夹角；x、y和z分别为物体从初始点移动到终止点后物体分别在X轴、Y轴和Z轴上的位移。
3.一种位移测量装置，其特征在于，应用于测量物体从初始点移动到所述终止点的三维空间位移；所述测量装置包括：
坐标系建立模块，用于以所述初始点和终止点所构成的目标线段为对角线，构建虚拟长方体；根据所述虚拟长方体以所述初始点为原点，将与所述初始点相连的三条边作为坐标轴，构建三维坐标系；
位移传感器，用于获取移动后所述终止点与所述原点的距离值；
倾斜角度传感器，用于获取目标线段在第一平面上的投影与Z轴所形成的第一夹角，以及所述目标线段在第二平面上的投影与Z轴所形成的第二夹角；所述第一平面为X轴和Z轴所构成的平面，所述第二平面为Y轴和Z轴所构成的平面；
计算处理模块，用于根据所述终止点与所述原点的距离值、所述第一夹角以及所述第二夹角，获得所述物体从所述初始点移动到所述终止点的三维空间位移。
4.根据权利要求3所述的一种位移测量装置，其特征在于，所述计算处理模块根据所述终止点与所述原点的距离值、所述第一夹角以及所述第二夹角，获得所述物体从所述初始点移动到所述终止点的三维空间位移；具体包括：
将所述位移传感器获取的所述终止点与所述原点的距离值，所述倾斜角度传感器获取的所述第一夹角以及所述第二夹角；代入下述公式，获得所述物体从所述初始点移动到所述终止点，所述物体在三维空间的X轴、Y轴、Z轴的位移：
Figure FDA0003095794040000031
Figure FDA0003095794040000032
Figure FDA0003095794040000033
其中：L为所述终止点与所述原点的距离值；α为所述第一夹角；β为所述第二夹角；x、y和z分别为物体从初始点移动到终止点后物体分别在X轴、Y轴和Z轴上的位移。
5.一种膨胀位移检测装置，其特征在于，包括：
壳体，所述壳体内设置有位移传感器、倾斜角度传感器、计算处理器；所述位移传感器的测距轴穿过所述壳体一端的通孔与第一转动连接件连接；所述壳体的另一端设置有安装座；通过安装座与第二转动连接件连接；其中：
所述第二转动连接件，用于将所述膨胀位移检测装置安装于固定参考点；
所述第一转动连接件，用于与待测物体表面的膨胀测量点上固定的测量连接杆连接，当所述膨胀测量点发生膨胀后，通过所述测量连接杆带动所述第一转动连接件及其所在的膨胀位移检测装置发生位移；
位移传感器，用于获取从初始状态下至所述膨胀测量点发生膨胀过程中，所述第一转动连接件的中心点沿测距轴的轴线方向移动的第一距离值；
倾斜角度传感器，用于获取所述膨胀位移检测装置相对所述待测物体往前或往后偏移的第一夹角；以及所述膨胀位移检测装置相对所述待测物体往左或往右偏移的第二夹角；
计算处理器，用于根据所述第一距离值、所述第一夹角和所述第二夹角，得到所述膨胀测量点基于三维空间的实际膨胀位移。
6.根据权利要求5所述的一种膨胀位移检测装置，其特征在于，所述计算处理器具体包括：
坐标系建立子模块，用于以所述膨胀位移检测装置的固定参考点为原点，建立三维的空间坐标系；
位移获取子模块，用于根据所述第一距离值和所述膨胀位移检测装置的本体长度，获取所述原点到所述膨胀位移检测装置的第一转动连接件的中心点的距离值；所述距离值为参考距离值；
空间位移计算子模块，用于根据所述参考距离值、所述第一夹角和所述第二夹角，代入下述公式，获得所述膨胀测量点在移动后在三维空间的X轴和Y轴的位移：
Figure FDA0003095794040000041
Figure FDA0003095794040000042
所述空间位移计算子模块，还用于根据所述参考距离值、所述第一夹角和所述第二夹角，代入下述公式，获得所述膨胀位移检测装置在移动后其在Z轴方向的分量：
Figure FDA0003095794040000043
上述各公式中，L表示所述参考距离值；α表示所述第一夹角；β表示所述第二夹角；
所述空间位移计算子模块，用于根据移动后所述膨胀位移检测装置在Z轴方向的分量Z1，结合所述膨胀位移检测装置的安装方式，获得所述膨胀测量点在三维空间的Z轴的位移。
7.一种膨胀位移检测方法，其特征在于，应用于权利要求5或6任一项所述的膨胀位移检测装置；检测前，将所述膨胀位移检测装置安装于固定参考点，所述膨胀位移检测装置的测距轴通过第一转动连接件与待测物体表面的膨胀测量点上固定的测量连接杆连接；且所述膨胀位移检测装置与所述待测物体相对平行设置；所述膨胀位移检测方法具体包括：
通过所述膨胀位移检测装置的位移传感器，获取膨胀前后所述膨胀位移检测装置的第一转动连接件的中心点沿所述测距轴的轴线方向移动的第一距离值；
通过所述膨胀位移检测装置的倾斜角度传感器，获取所述膨胀位移检测装置相对所述待测物体往前或往后偏移的第一夹角；以及所述膨胀位移检测装置相对所述待测物体往左或往右偏移的第二夹角；
根据所述第一距离值、所述第一夹角和所述第二夹角，得到所述膨胀测量点基于三维空间的实际膨胀位移。
8.根据权利要求7所述的膨胀位移测量方法，其特征在于，根据所述第一距离值、所述第一夹角和所述第二夹角，得到所述膨胀测量点基于三维空间的实际膨胀位移具体包括步骤：
以所述膨胀位移检测装置的固定参考点为原点，建立三维的空间坐标系；
根据所述第一距离值和所述膨胀位移检测装置的本体长度，获取所述原点到所述膨胀位移检测装置的第一转动连接件的中心点的距离值；所述距离值为参考距离值；
根据所述参考距离值、所述第一夹角和所述第二夹角，代入下述公式，获得所述膨胀测量点在移动后在三维空间的X轴和Y轴的位移：
Figure FDA0003095794040000051
Figure FDA0003095794040000052
根据所述参考距离值、所述第一夹角和所述第二夹角，代入下述公式，获得所述膨胀位移检测装置在移动后其在Z轴方向的分量Z1：
Figure FDA0003095794040000061
上述各公式中，L表示所述参考距离值；α表示所述第一夹角；β表示所述第二夹角；
根据所述膨胀位移检测装置在Z轴方向的分量Z1，结合所述膨胀位移检测装置的安装方式，获得所述膨胀测量点在三维空间的Z轴的位移。
9.根据权利要求8所述的膨胀位移测量方法，其特征在于，所述膨胀位移检测装置向下安装；具体包括：所述膨胀位移检测装置通过第二转动连接件安装于支撑面，所述支撑面远离地面，且与所述膨胀位移检测装置的测距轴顶端相连的所述第一转动连接件的中心点与地面之间高度等于所述膨胀测量点与所述地面之间高度；
根据所述第一距离值和所述膨胀位移检测装置的本体长度，通过下述公式获取所述参考距离值：
L＝s+k；
基于下述公式，获得所述膨胀测量点在移动后在三维空间的X轴、Y轴和Z轴的位移：
Figure FDA0003095794040000062
Figure FDA0003095794040000063
Figure FDA0003095794040000064
其中，上述各公式中：L表示所述参考距离值；s表述所述第一距离值；k表示所述膨胀位移检测装置的本体长度；α表示所述第一夹角；β表示所述第二夹角。
10.根据权利要求8所述的膨胀位移测量方法，其特征在于，所述膨胀位移检测装置向上安装；具体包括：所述膨胀位移检测装置通过第二转动连接件安装于支撑面，所述支撑面靠近地面的平面或地面，且与所述膨胀位移检测装置的测距轴顶端相连的所述第一转动连接件中心点与地面之间高度等于所述膨胀测量点与所述地面之间高度；
根据所述第一距离值、所述膨胀位移检测装置的本体长度、以及所述膨胀位移检测装置的测距轴量程，通过下述公式获取所述参考距离值：
L＝k+m-s；
基于下述公式，获得所述膨胀测量点在移动后在三维空间的X轴、Y轴和Z轴的位移：
Figure FDA0003095794040000071
Figure FDA0003095794040000072
Figure FDA0003095794040000073
其中，上述各公式中：L表示所述参考距离值；m表示膨胀位移检测装置的测距轴量程；s表述所述第一距离值；k表示所述膨胀位移检测装置的本体长度；α表示所述第一夹角；β表示所述第二夹角。
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