CN220391463U - 一种具有测量航道波浪垂直方向运动幅值功能的浮标 - Google Patents

Abstract

一种具有测量航道波浪垂直方向运动幅值功能的浮标，包括内浮筒和外浮筒，外浮筒滑动套设在内浮筒外侧，在内浮筒和外浮筒的上方设置有测量装置，测量装置由支架、弹簧、拉力传感器、线条灯、控制单元和供电电源组成，支架固定设置在外浮筒上，在支架上固定有拉力传感器、线条灯、控制单元和供电电源，供电电源向拉力传感器和控制单元供电，拉力传感器通过弹簧与内浮筒的轴心位置连接，拉力传感器的输出端与控制单元输入端连接，控制单元的输出端与线条灯连接，线条灯固定在支架的顶部，线条灯根据拉力传感器的拉力值显示对应比例的亮灯长度。有效地测量航道波浪垂直方向运动幅值，并把该运动幅值以亮灯长度的形式实时显示出来。

Description

一种具有测量航道波浪垂直方向运动幅值功能的浮标

技术领域

本实用新型涉及电子测量领域，具体说的是一种具有测量航道波浪垂直方向运动幅值功能的浮标。

背景技术

无论是内河航道，或是海岸线的进出港航道，其航道附近的垂直方向波浪幅值对于行船的安全性至关重要。当前，位于航道附近的浮标及其信号灯，大多处于恒定运行状态（信号灯常亮或恒频率闪烁），不具备测量和显示附近垂直方向波浪幅值的功能。

在当前航道浮标结构的基础上，进行适当地改装和完善，实现航道附近垂直方向波浪幅值的测量和显示，可以提高行船安全性和航道管理人员的服务质量。当前市场中缺少航道波浪垂直方向运动幅值的测量和显示装置。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种具有测量航道波浪垂直方向运动幅值功能的浮标，有效地测量航道波浪垂直方向运动幅值，并把该运动幅值以亮灯长度的形式实时显示出来。

为实现上述技术目的，本实用新型采用的技术方案是：一种具有测量航道波浪垂直方向运动幅值功能的浮标，包括内浮筒和外浮筒，内浮筒竖直设置，外浮筒滑动套设在内浮筒外侧，其轴线与内浮筒轴线重合，在内浮筒和外浮筒的上方设置有测量装置，所述的测量装置由支架、弹簧、拉力传感器、线条灯、控制单元和供电电源组成，支架固定设置在外浮筒上，在支架上固定有拉力传感器、线条灯、控制单元和供电电源，供电电源向拉力传感器和控制单元供电，拉力传感器通过弹簧与内浮筒的轴心位置连接，拉力传感器的输出端与控制单元输入端连接，控制单元的输出端与线条灯连接，线条灯固定在支架的顶部，线条灯根据拉力传感器的拉力值显示对应比例的亮灯长度。

本实用新型所述的控制单元包括依次串联的AD转换模块、控制器、DA转换模块和比例放大器，AD转换模块的输入端与拉力传感器的输出端连接，比例放大器的输出端与线条灯连接。

本实用新型所述的控制器上连接有用于与手机通信的4G/5G通信模块。

本实用新型所述的AD转换模块选用XPT2046模块，控制器选用STC89C52系列单片机，DA转换模块选用DAC0832模块，比例放大器选用四位运算放大器LM324。

本实用新型所述的外浮筒上下方的内浮筒上分别设有上阻尼块和下阻尼块，上阻尼块和下阻尼块用于对外浮筒进行上下滑动限位。

本实用新型所述的外浮筒为圆环形结构。

本实用新型所述的内浮筒的底端内部填充有第一配重，外浮筒的底部内部填充有第二配重。

本实用新型所述的内浮筒的底部连接有阻尼盘，阻尼盘的表面积大于内浮筒的投影面积。

本实用新型所述的内浮筒通过锚链和沉石固定在水底面上。

本实用新型所述的锚链的一端与内浮筒的底面中心固定。

本实用新型有益效果是：

1、本实用新型利用原有浮标特性结合拉力传感器、控制单元和线条灯，实现对航道波浪垂直方向运动幅值的测量与显示，该测量为实时测量，直观高效，便于提高行船的安全性，可以应用到内河航道之中，也可以应用到沿海进出港口的航道之中。

2、控制单元将数字信号转换为够输出幅值变化的模拟量电压，并利用线条灯直接显示该模拟量电压的幅值，或者通过4G/5G通信模块供工作人员远距离查询航道波浪垂直方向运动幅值的历史时间序列。

3、在内浮筒上设置对外浮筒进行滑动限位的上阻尼块，防止外浮筒从内浮筒上脱离，并且通过设置下阻尼块，避免内浮筒上端部与拉力传感器碰撞。

4、将外浮筒设计为无棱角的圆环形结构，在不同方向入射波浪的影响下保持良好的运行状态，减少轴向旋转。

5、在内浮筒和外浮筒的底部增加配重，保证整个浮标在静水面情况下的状态稳定。

6、通过在内浮筒的底部增加阻尼盘，进一步阻止内浮筒受波浪影响在垂直方向发生运动，提升测量精度。

7、将内浮筒进行固定，防止内浮筒在垂直方向产生运动，使浮标在水面做圆周运动，限定浮标的移动范围，又不影响测量结果。

附图说明

图1为波浪运动的基本原理图；

图2为本实用新型的结构示意图；

图3为本实用新型的控制单元原理框图；

图4为本实用新型的航道波浪垂直方向运动幅值简图；

图中：1、入射方向，2、椭圆运动，3、水底面，4、水深，5、入射波浪，6、水平面，7、内浮筒，8、外浮筒，9、支架，10、弹簧，11、拉力传感器，12、线条灯，13、测量装置，14-1、上阻尼块，14-2、下阻尼块，15-1、第二配重，15-2、第一配重，16、阻尼盘，17、锚链，18、沉石，19、静水面，20、实线，21、虚线。

具体实施方式

下面结合具体附图，对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，该图是波浪运动的基本原理。图1之中，水深4是水平面6与水底面3之间的距离；入射波浪5在水平面6与水底面3之间做椭圆运动2，且距离水平面6越深（亦是距离水底面3越近），其椭圆运动2的周长越小。因此，由图1可得：入射波浪5在水平面6处的垂直方向运动幅值最大，并随着水深的增加，入射波浪在垂直方向运动幅值减小。在充分理解波浪运动原理的基础上，才能设计出符合实际的航道波浪垂直方向运动幅值的浮标。

如图2所示，在上述图1所示的波浪运动原理基础上，本实用新型设计了双浮筒结构的航道浮标。包括内浮筒7和外浮筒8，内浮筒7从上至下等径竖直设置，外浮筒8滑动套设在内浮筒7外侧，其轴线与内浮筒7轴线重合，外浮筒8与内浮筒7之间为间隙配合。

在内浮筒7和外浮筒8的上方设置有测量装置13，所述的测量装置13由支架9、弹簧10、拉力传感器11、线条灯12、控制单元和供电电源组成，支架9固定设置在外浮筒8上，为保证平衡，支架9应当为规则对称结构，使支架9的轴心与外浮筒8的轴线一致，在支架9上固定有拉力传感器11、线条灯12、控制单元和供电电源，供电电源向拉力传感器11和控制单元供电，拉力传感器11对应内浮筒7轴心固定设置，拉力传感器11通过弹簧10与内浮筒7的轴心位置转动连接，内浮筒7与外浮筒8之间通过支架9、弹簧10和拉力传感器11形成软连接，拉力传感器11的输出端与控制单元输入端连接，控制单元的输出端与线条灯12连接，线条灯12固定在支架9的顶部中心，线条灯12根据拉力传感器11的拉力值显示对应比例的亮灯长度。

线条灯12安装在支架9的上端部平面的上方，且线条灯由东西南北四个观察面组成，便于航道管理人员和行船船长观察线条灯的显示状态。在本实用新型测量装置的作用下，线条灯12的点亮高度与垂直方向波浪幅值成正比，从而便于航道管理人员和船长观察航道波浪垂直方向运动的幅值。

内浮筒7和外浮筒8由聚乙烯材料加工而成，目的是提高浮筒的抗海水腐蚀性能；所述的外浮筒8为圆环形结构，目的是在不同方向入射波浪5的情况下保持良好的运行状态（减少发生轴向旋转运动的情况）。

弹簧10的下端部与内浮筒7通过万向节实现转动连接，目的是避免在海洋波浪作用下，因内浮筒7与外浮筒8之间发生不同步的圆周位移，导致弹簧10或拉力传感器11因剧烈扭动而损坏。

控制单元包括依次串联的AD转换模块、控制器、DA转换模块和比例放大器，AD转换模块的输入端与拉力传感器11的输出端连接，比例放大器的输出端与线条灯12连接。

支架9的上端部是一个平面，拉力传感器11和AD转换模块、控制器、DA转换模块、比例放大器、供电电源组成的测量装置13安装在该平面的下部，设置位置应当保证浮标的平衡，目的是防雨淋和防太阳暴晒。并且，为了保障拉力传感器11和测量装置13的安全性，内浮筒7与外浮筒8之间的垂直方向运动行程L1略大于L2（图2所示的行程L2=L3）。

根据上述波浪运动原理，按入射方向1运动的入射波浪5的作用下，由于内浮筒7的吃水深度较大，则内浮筒7基本处于静止状态，而外浮筒8则会在入射波浪5的作用下做垂直方向运动，进而驱动弹簧10和拉力传感器11工作，从而把入射波浪在垂直方向的运动幅值转换成拉力传感器11的测量值。

外浮筒8上下方的内浮筒7上分别设有上阻尼块14-1和下阻尼块14-2，上阻尼块14-1和下阻尼块14-2用于对外浮筒8进行上下滑动限位。内浮筒7的上端部设置有上阻尼块14-1，目的是避免外浮筒8与内浮筒7之间相互脱离，并保障弹簧10和拉力传感器11运行于安全值范围内（不因内浮筒7与外浮筒8之间过大的运动幅值而损坏）；内浮筒7的中间部位圆周方向设置有4个下阻尼块14-2，目的是避免内浮筒7的上端部与支架9的上端部平面相碰撞，进而避免拉力传感器11因该碰撞而损坏。

内浮筒7的底端内部填充有第一配重15-2，外浮筒8的底部内部填充有第二配重15-1，其目的是在静水面19的情况下，保持图2所示的状态，亦是静水面19与外浮筒8的竖直方向中间部位处于同一水平线：此时，弹簧10处于半拉伸状态，内浮筒7的上阻尼块14-1处于支架9的竖直方向中间部位。

内浮筒7的底部连接有阻尼盘16，阻尼盘16的表面积大于内浮筒7的投影面积，可提供平衡力。阻尼盘16由具有抗海水腐蚀能力的不锈钢材料构成，其重量包含在内浮筒7之中（以内浮筒7和阻尼盘16的重量、体积计算第一配重15-2）。阻尼盘16的作用是：在入射波浪5的垂直方向作用力下，进一步阻止内浮筒7在垂直方向发生运动，从而保持内浮筒7在入射波浪5的作用下处于静止状态，最终可以提高整个航道波浪垂直方向运动幅值的测量精度。

内浮筒7通过锚链17和沉石18固定在水底面3，锚链17的一端连接在阻尼盘16或内浮筒7的中间位置，其另一端连接在沉石18的上端部。在不同方向的入射波浪5的情况下，整个航道浮筒、航道波浪垂直方向运动幅值的测量装置和显示模块通过锚链17围绕沉石18做圆周运动，从而提高了整个航道浮标和测量装置的灵活应用性。

利用浮标测量航道波浪垂直方向运动幅值的步骤是：

步骤一：通过图2所示的航道浮标结构，把波浪垂直方向运动幅值转换成弹簧10的拉力（0～100Nm），该弹簧的拉力直接作用于拉力传感器11；

需要注意是的：根据上述图2所示的航道浮标结构，当弹簧拉力是最大值（100Nm）的时候，表示波浪垂直运动至波谷；当弹簧拉力是最小值（0Nm）的时候，表示波浪垂直运动至波峰。

步骤二：拉力传感器11通过图2所示的航道浮标结构，把波浪垂直方向运动产生的弹簧拉力（0～100Nm）转换成直流电压信号0V～3V；

步骤三：AD转换模块把0V～3V的直流电压信号转换成数字信号，然后传送给控制器；

步骤四：控制器接收AD转换模块上传的数字信号之后，利用计算机程序对该数字信号进行分析和处理，然后驱动DA转换模块和比例放大器运行，从而把拉力传感器输出的0V～3V直流电压信号反比转换成12V～0V的直流电压信号；

特别地，拉力传感器输出的模拟量直流电压（0V～3V）经过AD转换模块的处理之后，控制器需对该处理过的信号进行进一步的分析和处理，其原则是：根据上述图2所示的航道浮标结构，以及拉力传感器11和弹簧10的安装位置，当拉力传感器输出信号是0V的时候，此时表示航道波浪处于波峰，控制器驱动DA转换模块和比例放大器输出代表高电压值（12V）的模拟信号；当拉力传感器输出信号是3V的时候，此时表示航道波浪处于波谷，控制器驱动DA转换模块和比例放大器输出代表高低压值（0V）的模拟信号。

步骤五：比例放大器输出的直流电压将会直接驱动线条灯运行。并且，比例放大器输出的直流电压幅值与线条灯点亮的长度呈正比关系。

举例说明1：在入射波浪的幅值最大，且处于峰值的情况下，内浮筒7接近支架9的上端部底面的时候，弹簧10受到的拉力值最小（0Nm为例），则拉力传感器输出的模拟量电压值最小（0V），该电压值经过AD转换模块上传至控制器，控制器驱动DA转换模块和比例放大器输出最大的电压幅值（12V），进而使线条灯的点亮长度最大。

举例说明2：在入射波浪的幅值最小，且该波浪幅值处于静水平面19的情况下，内浮筒7达到支架9的中间部位，弹簧10受到的拉力值为中等值（50Nm为例），则拉力传感器输出的模拟量电压值也为中等值（1.5V），该电压值经过AD转换模块上传至控制器，控制器驱动DA转换模块和比例放大器输出最小的电压幅值（0V），进而使线条灯的点亮长度为零。

综上，通过拉力传感器、AD转换模块、控制器、DA转换模块、比例放大器和线条灯，把航道波浪垂直方向运动幅值转换成了线条灯点亮的长度，从而便于航道管理人员和船长观察航道波浪垂直方向运动的幅值，以及在较大波浪垂直方向幅值的情况下采集必要的安全防范措施。

特别地，直流电源能够输出3V、5V和12V的电压，便于向不同用电器件供电。

优选地，AD转换模块选用XPT2046模块，控制器选用STC89C52系列单片机，DA转换模块选用DAC0832模块，比例放大器选用四位运算放大器LM324，目的是提高整个航道波浪垂直方向运动幅值测量装置的系统兼容性。

特别地，控制器上连接有用于与手机通信的4G/5G通信模块，控制器通过RS485/232通信协议，把航道波浪垂直方向运动幅值的数据信息传送给4G/5G无线通信模块，然后以无线传输的形式上传至手机APP软件，供工作人员和船长远距离查询航道波浪垂直方向运动幅值的历史时间序列。当航道波浪垂直方向运动幅值大于安全值的时候，则手机APP软件自动发出报警信号，从而提示航道管理人员和船长采集必要的安全防范措施。

图4是控制器采集航道波浪垂直方向运动幅值显示简图。控制器通过AD转换模块，以设定频率的形式采集拉力传感器11上传的电压信号。

特别地，控制器只对航道波浪垂直方向运动的正值幅值进行分析和处理（亦是图4所示的纵向坐标轴的正半轴幅值数据）。

举例说明1：图4所示的实线20是航道波浪最大（其垂直方向运动的M3点达到最大值），则控制器只对拉力传感器11上传的M1点，M2点，M3点，M4点和M5点等正向幅值的数据信息进行处理和分析，并把这些幅值数据正比地转换成与线条灯12的点亮长度。

特别地，对于拉力传感器11上传的实线20的N1点，N2点，N3点，N4点和N5点等负向幅值的数据信息，控制器不做处理和分析。

举例说明2：图4所示的虚线21是航道波浪垂直方向运动幅值较小的情况下，此时控制器也只对拉力传感器11上传的K1点，K2点，K3点，K4点和K5点等正向幅值的数据信息进行处理和分析，并把这些幅值数据正比地转换成与线条灯12的点亮长度。

特别地，提高控制器采集拉力传感器上传的电压信号频率，可以提高航道波浪垂直方向运动幅值变化的数据密度，便于手机APP软件绘制航道波浪垂直方向运动幅值的历史时间序列。

以上对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际结构并不局限于此。总而言之，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有测量航道波浪垂直方向运动幅值功能的浮标，包括内浮筒（7）和外浮筒（8），内浮筒（7）竖直设置，外浮筒（8）滑动套设在内浮筒（7）外侧，其轴线与内浮筒（7）轴线重合，其特征在于：在内浮筒（7）和外浮筒（8）的上方设置有测量装置（13），所述的测量装置（13）由支架（9）、弹簧（10）、拉力传感器（11）、线条灯（12）、控制单元和供电电源组成，支架（9）固定设置在外浮筒（8）上，在支架（9）上固定有拉力传感器（11）、线条灯（12）、控制单元和供电电源，供电电源向拉力传感器（11）和控制单元供电，拉力传感器（11）通过弹簧（10）与内浮筒（7）的轴心位置转动连接，拉力传感器（11）的输出端与控制单元输入端连接，控制单元的输出端与线条灯（12）连接，线条灯（12）固定在支架（9）的顶部，线条灯（12）根据拉力传感器（11）的拉力值显示对应比例的亮灯长度。

2.如权利要求1所述的一种具有测量航道波浪垂直方向运动幅值功能的浮标，其特征在于：所述的控制单元包括依次串联的AD转换模块、控制器、DA转换模块和比例放大器，AD转换模块的输入端与拉力传感器（11）的输出端连接，比例放大器的输出端与线条灯（12）连接。

3.如权利要求2所述的一种具有测量航道波浪垂直方向运动幅值功能的浮标，其特征在于：所述的控制器上连接有用于与手机通信的4G/5G通信模块。

4.如权利要求2所述的一种具有测量航道波浪垂直方向运动幅值功能的浮标，其特征在于：所述的AD转换模块选用XPT2046模块，控制器选用STC89C52系列单片机，DA转换模块选用DAC0832模块，比例放大器选用四位运算放大器LM324。

5.如权利要求1所述的一种具有测量航道波浪垂直方向运动幅值功能的浮标，其特征在于：所述的外浮筒（8）上下方的内浮筒（7）上分别设有上阻尼块（14-1）和下阻尼块（14-2），上阻尼块（14-1）和下阻尼块（14-2）用于对外浮筒（8）进行上下滑动限位。

6.如权利要求1所述的一种具有测量航道波浪垂直方向运动幅值功能的浮标，其特征在于：所述的外浮筒（8）为圆环形结构。

7.如权利要求1所述的一种具有测量航道波浪垂直方向运动幅值功能的浮标，其特征在于：所述的内浮筒（7）的底端内部填充有第一配重（15-2），外浮筒（8）的底部内部填充有第二配重（15-1）。

8.如权利要求1或7所述的一种具有测量航道波浪垂直方向运动幅值功能的浮标，其特征在于：所述的内浮筒（7）的底部连接有阻尼盘（16），阻尼盘（16）的表面积大于内浮筒（7）的投影面积。

9.如权利要求1所述的一种具有测量航道波浪垂直方向运动幅值功能的浮标，其特征在于：所述的内浮筒（7）通过锚链（17）和沉石（18）固定在水底面（3）。

10.如权利要求9所述的一种具有测量航道波浪垂直方向运动幅值功能的浮标，其特征在于：所述的锚链（17）的一端与内浮筒（7）的底面中心固定。