一种波浪浮标波高、波周期的检定装置

摘要

本申请公开了一种波浪浮标波高、波周期的检定装置，包括波浪模拟装置、电机与制动装置、控制器装置、终端控制装置，波浪模拟装置包括浮标搭载平台、摆动机构、北环半轴、双环桁架机构和南环半轴。本申请可以更逼真的模拟出波浪浮标在海面上运动轨迹，波浪浮标在随检定装置转动时，在平动的基础上可以摆动，且摆动的角度可以调节，可更加精确的模拟波浪正弦特性运动，更准确的测量检定波浪浮标的波高、波周期，而且波浪浮标在一次装夹完成后，不必装卸即可完成浮标的方位转至下一个检测点。本申请可以检定波高范围为2m至10m，波周期为3.7s—60s，本申请的旋转方向可变，可对应模拟两个相反的波向。

说明书

技术领域

本申请涉及海洋波浪浮标计量检定技术领域，具体地说是一套静态的能够模拟海洋波浪正弦运动规律的装置，主要用于对波浪浮标的波高和波周期进行计量检定。

背景技术

波浪是海洋水文观测的六大要素之一，也是海水的重要运动形式之一。重力加速度式波浪浮标则是目前使用最广泛的测波浮标之一，随着海洋技术的不断发展，各国对波浪浮标的准确度要求越来越高。现有已研制的检定校准装置大多只可验证浮标是否工作，对于波高、波周期两项参数的校准不精确，且可检测波高和周期范围有限，已经不满足现在的技术发展需求。在美国海洋大气局资料浮标中心（NOAA、NDBC）建有垂直升降式正弦模拟校准装置，但其结构复杂，易磨碎部件多，电机负载不均，维护费用较高。

波浪理论认为，海浪表面的水质点是在其平衡位置附近作周期性振动，在不同的时刻有不同的垂直加速度，测出此加速度，经二次积分即可得到海浪的垂直位移即波高。静态模拟波浪检定装置都是赋予被检浮标或加速度计以某种方式的正弦振动或近似正弦的垂直振动、或圆周运动。旋转式正弦模拟检定装置，将被检浮标安装在一个绕水平轴旋转的刚性臂上，旋转直径即为波高，旋转周期即为波浪周期，此种旋转式装置结构简单、参数易调整、模拟方式接近海浪理论要求。而技术关键点就是如何逼真的模拟出波浪浮标在海洋波浪中运动的形式状态。

发明内容

本申请要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种波浪浮标波高、波周期的检定装置。

为解决上述技术问题，本申请采用的技术方案是：

 一种波浪浮标波高、波周期的检定装置，包括波浪模拟装置、电机与制动装置、控制器装置、终端控制装置和用于安装整个波浪浮标波高、波周期检定装置的安装平台，其中，波浪模拟装置包括浮标搭载平台、摆动机构、北环半轴、双环桁架机构和南环半轴；电机与制动装置包括制动装置、电磁离合器、减速电机和绝对值编码器；所述双环桁架机构中心两侧分别连接北环半轴和南环半轴，北环半轴和南环半轴的旋转中心线重合，北环半轴上连接摆动机构，北环半轴为空心三层轴结构，包括心轴、中轴、外轴，心轴通过轴承装入中轴中，中轴通过轴承装入外轴中；南环半轴上依次连接电磁离合器、减速电机和绝对值编码器；浮标搭载平台设置在双环桁架机构的两端，制动装置设置在安装平台上；制动装置、电磁离合器、减速电机和绝对值编码器的输出端分别与控制器装置的输入端连接，控制器装置的输出端与浮标搭载平台的输出端分别与终端控制装置的输入端连接。

本申请所述双环桁架机构包括横梁、X型加强杆、主梁a、主梁b以及直径相等的南环桁架和北环桁架，南环桁架和北环桁架通过横梁及X型加强杆连接，X型加强杆设置在横梁之间；南环桁架和北环桁架均以主梁a作为主臂一，南环桁架和北环桁架均以主梁b作为主臂二，主臂一与主臂二呈十字形状设置；南环桁架与北环桁架上相互平行的主臂一中设置导轨，导轨两端对称设置浮标搭载平台。

本申请所述南环半轴和北环半轴的旋转中心线重合度误差小于等于2mm。

本申请所述摆动机构包括传动链条、从动链轮、摆动链轮a、摆动链轮b、链轮a、链轮b、摆动齿轮a、摆动齿轮b、导向滑块机构和角度调节机构，其中，从动链轮固定在导轨两端的浮标搭载平台上；摆动齿轮a和摆动链轮a分别安装在中轴两端，摆动链轮a安装在中轴上靠近双环桁架机构中心的一端，摆动齿轮a安装在中轴的另一端；摆动链轮b和摆动齿轮b分别安装在心轴两端，摆动链轮b安装在心轴上靠近双环桁架机构中心的一端，摆动齿轮b安装在心轴的另一端；链轮a依次与角度调节机构、导向滑块机构连接并布置在北环半轴的一侧，链轮b依次与角度调节机构、导向滑块机构连接并布置在北环半轴的另一侧；导向滑块机构通过其上的齿条与摆动齿轮a啮合连接，另一侧的导向滑块机构通过其上的齿条与摆动齿轮b啮合连接；链轮a、链轮b、导向滑块机构、角度调节机构共同组成一个曲柄滑块机构；外轴上安装第一固定链轮和第二固定链轮，其中第一固定链轮与链轮a连接，第二固定链轮与链轮b连接；摆动链轮a与固定在一端浮标搭载平台上的从动链轮通过传动链条连接，摆动链轮b与固定在另一端浮标搭载平台上的从动链轮通过传动链条连接。

本申请所述北环桁架的主梁a上等间距设置张紧轮机构和固定座，主梁a端部安装有端部张紧装置。

本申请采用上述结构后，带来如下的技术效果：

本申请所述的一种波浪浮标波高、波周期的检定装置，可以更逼真的模拟出波浪浮标在海面上运动轨迹，波浪浮标在随检定装置转动时，在平动的基础上可以摆动，且摆动的角度可以调节，可更加精确的模拟波浪正弦特性运动，更准确的测量检定波浪浮标的波高、波周期，而且波浪浮标在一次装夹完成后，不必装卸即可完成浮标的方位转至下一个检测点。

本申请所述的一种波浪浮标波高、波周期的检定装置，可以检定波高范围为2m至10m，波周期为3.7s—60s，本申请的旋转方向可变，可对应模拟两个相反的波向。

附图说明

图1是本申请所述波浪浮标波高、波周期的检定装置系统构成示意图；

图2是正弦特性波浪波高、波周期图示意图；

图3是旋转双环桁架式波浪模拟装置原理图；

图4是本申请所述波浪浮标波高、波周期的检定装置总体示意图；

图5是本申请所述波浪浮标波高、波周期的检定装置结构组成图；

图6是本申请所述旋转双环桁架的结构示意图；

图7是链条张紧机构示意图（图4中A向局部放大图）；

图8是图5中B向局部放大图；

图9是浮标搭载平台结构示意图。

其中有：1、波浪模拟装置；2、电机与制动装置；3、控制器装置；4、终端控制装置；10、浮标搭载平台；11、摆动机构；12、北环半轴；13、双环桁架机构；21、制动装置；101、南环半轴；102、刹车片；103、端部张紧装置；106、北环桁架；107、横梁；108、X型加强杆；110、南环桁架；111、主梁a；112、主梁b；113、辐射梁a；114、辐射梁b；115、加强板；116、加强筋；117、固定座；120、圆盘；121、张紧轮机构；122、传动链条；123、从动链轮；124、摆动链轮a；125、摆动链轮b；126、链轮a；127、链轮b；128、摆动齿轮a；129、摆动齿轮b；130、导向滑块机构；131、角度调节机构；132、心轴；133、中轴；134、外轴；201、电磁离合器；202、减速电机；203、绝对值编码器；204、导柱；205、第一固定链轮；206、第二固定链轮。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本申请作进一步详细的说明。

如图1所示，一种波浪浮标波高、波周期的检定装置，包括波浪模拟装置1、电机与制动装置2、控制器装置3、终端控制装置4和用于安装整个波浪浮标波高、波周期的检定装置的安装平台，其中，波浪模拟装置1包括浮标搭载平台10、摆动机构11、北环半轴12、双环桁架机构13和南环半轴101；电机与制动装置2包括制动装置21、电磁离合器201、减速电机202和绝对值编码器203；所述双环桁架机构13中心两侧分别连接北环半轴12和南环半轴101，北环半轴12和南环半轴101的旋转中心线重合，北环半轴12上连接摆动机构11，南环半轴101上依次连接电磁离合器201、减速电机202和绝对值编码器203；浮标搭载平台10设置在双环桁架机构13的两端，制动装置21设置在安装平台上；制动装置21、电磁离合器201、减速电机202和绝对值编码器203的输出端分别与控制器装置3的输入端连接，控制器装置3的输出端、浮标搭载平台10的输出端分别与终端控制装置4的输入端连接。

优选地，南环半轴101、北环半轴12同心误差不大于2mm。

如图4、5、6所示，本装置中的双环桁架机构13包括横梁107、X型加强杆108、主梁a111、主梁b112以及直径相等的南环桁架110和北环桁架106，南环桁架110和北环桁架106通过横梁107及X型加强杆108连接，X型加强杆108设置在横梁107之间；南环桁架110和北环桁架106均以主梁a111作为主臂一，南环桁架110和北环桁架106均以主梁b112作为主臂二，主臂一与主臂二呈十字形状装配安装在圆盘120上，用不同长度规格的辐射梁a113、辐射梁b114组成辐射状结构，各梁之间通过加强板115、加强筋116和刹车片102加强连接，以提高双环桁架机构13的刚强度。南环桁架110与北环桁架106上相互平行的主臂一中设置导轨，导轨两端对称设置浮标搭载平台10。

在装配完成的双环桁架机构13的两侧圆盘120上装入北环半轴12和南环半轴101，南环半轴101直接与轴承座、电磁离合器202、减速电机203和绝对值编码器203相连，北环半轴12为空心三层轴结构，包括心轴132、中轴133、外轴134，心轴132通过轴承装入中轴133中，中轴133通过轴承装入外轴134中；内部的心轴132和中轴134分别控制浮标搭载平台10的摆动，外轴134则通过轴承座固定。在北、南环桁架106、110上的共四根主梁a111上对称设置导轨，并装入线性滑块，浮标搭载平台10安装在线性滑块上，可在导轨上自由滑动。

如图7所示，北环桁架106的主梁a111上等间距设置有一组张紧轮机构121和固定座117，主梁a111端部均装有端部张紧装置103；张紧轮机构121主要用于张紧传动链条122，使得传动链条122不脱链，固定座117用于固定浮标搭载平台10，而端部张紧装置103除具有张紧的作用外，还使得浮标搭载平台10自由滑动定位至检测点的操作变得快捷、方便。

如图2所示，在旋转式正弦模拟检定装置中，为更逼真的模拟出浮标随海面上运动轨迹，要求浮标在随双环桁架机构13旋转时，在平动的基础上摆动，且摆动的角度可以调节。

如图3、8所示，当位于双环桁架机构13中心的主动链轮和位于浮标搭载平台10上的从动链轮123的节距、齿数完全相同，传动链节距的变化可忽略时，相对于任一惯性系，不论主动链轮、从动链轮123空间相对位置如何变化，任一时刻两轮的旋转速度，旋转方向均相同。

在北环半轴12中心固定主动链轮，浮标搭载平台10上设置从动链轮123，保证主动链轮、从动链轮123位于同一平面内，主动链轮与从动链轮123通过传动链条122连接。当双环桁架机构13旋转时，从动链轮123将随双环桁架机构13绕主动链轮旋转（公转），如果主动链轮相对于地面无转动，则从动链轮123相对于地面必定也无转动（即无自转），若主动链轮作摆动动作，相应的从动链轮123同步动作。

本申请中，主动链轮包括摆动链轮a124、摆动链轮b125、链轮a126、链轮b127、摆动齿轮a128、摆动齿轮b129、第一固定链轮205和第二固定链轮206。

由此，如图8所示，本申请中所述的摆动机构11包括传动链条122、从动链轮123、摆动链轮a124、摆动链轮b125、链轮a126、链轮b127、摆动齿轮a128、摆动齿轮b129、导向滑块机构130和角度调节机构131；其中，从动链轮123固定在导轨两端的浮标搭载平台10上；摆动齿轮a128和摆动链轮a124分别安装在中轴133两端，摆动链轮a124安装在中轴133上靠近双环桁架机构13中心的一端，摆动齿轮a128安装在中轴133的另一端；摆动链轮b125和摆动齿轮b129分别安装在心轴132两端，摆动链轮b125安装在心轴132上靠近双环桁架机构13中心的一端，摆动齿轮b129安装在心轴132的另一端；链轮a126依次与角度调节机构131、导向滑块机构130连接并布置在北环半轴12的一侧，链轮b127依次与角度调节机构131、导向滑块机构130连接并布置在北环半轴12的另一侧；导向滑块机构130通过其上的齿条与摆动齿轮a128啮合连接，另一侧的导向滑块机构130通过其上的齿条与摆动齿轮b129啮合连接；链轮a126、链轮b127、导向滑块机构130、角度调节机构131共同组成一个曲柄滑块机构；外轴134上安装第一固定链轮205和第二固定链轮206，其中第一固定链轮205与链轮a126连接，第二固定链轮206与链轮b127连接；摆动链轮a124与固定在一端浮标搭载平台10上的从动链轮123通过传动链条122连接，摆动链轮b125与固定在另一端浮标搭载平台10上的从动链轮123通过传动链条122连接。

由图8可知，浮标搭载平台10随双环桁架机构13做旋转运动的同时摆动的运动机理在于：双环桁架机构13做旋转运动时，带动外轴134上的第一固定链轮205和第二固定链轮206旋转，通过链条传动分别带动链轮a126同向旋转运动，通过导向滑块机构130将旋转运动转变为导向滑块机构130上的齿条上下往复运动，齿条带动摆动齿轮a128以一定角度摆动，同时带动安装于中轴133另外一端的摆动链轮a124摆动，通过传动链条122将带动从动链轮123运动，即变成浮标搭载平台10一定角度的摆动。摆动的角度可通过调节角度调节机构131来调节。

针对以上描述，提供以下实施例：

南环桁架110和北环桁架106直径均为11m，每环均以四根14#槽钢作为主臂，用10#槽钢作为辐射梁；双环桁架机构13的最外层采用厚度为12mm的钢板拼接，总装完成后打磨光整，钢板边缘凸出双环桁架机构13框架60mm以作为制动装置21的刹车片102。此种刹车方式有效减少了制动力对整个框架的冲击。

浮标搭载平台10安装在以上所述导轨上，可根据需要调节选择距离中心的位置，可调节量程为1m至5m，分别对应模拟波高为2m至10m。

如图9所示，本申请上述所述的浮标搭载平台10，具体可见“海洋波浪浮标检定装置的机电优化设计与实现” 刘山  《天津大学硕士学士论文》2012年12月。与其区别在于增加了导柱204，使得在旋紧螺柱推动V型块夹紧波浪浮标时，V型块不会摆动，减少了装夹时的难度，提高了工作效率。

为保证整个装置在旋转过程中浮标搭载平台10相对稳定（固定摆幅的往返摆动），整个检定装置只有一个变频电机驱动，检定装置旋转速度为1rpm—16rpm，对应波周期为3.7s—60s，旋转机构转向可变，对应模拟两个相反的波向。

上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。