用于模拟和监测海缆变形和振动的实验台架和实验方法技术

本发明专利技术涉及海缆变形监测技术，旨在提供一种用于模拟和监测海缆变形和振动的实验台架和实验方法。该实验台架包括：由断面水槽和造波机组成的环境模拟系统，由支撑架和长条形台面组成的台架支撑系统；在台面上沿其长度方向间隔布置若干条相互平行的贯通开槽，开槽垂直于台面的长度方向，台面用于放置拟测试的海缆；由设于开槽下方的多组驱动装置组成的运动模拟系统；以及扫描监测系统和上位的工控机。本发明专利技术的实验台架能够模拟系固状态下海缆在原位相似环境中结构的变化；创新性地提出了使用伺服电机及传动机构，观察位移对海缆结构稳定性的影响。可结合传统的监测装置进行静态测试，模拟原位长期工作环境，实现全方位的性能评价。评价。评价。

【技术实现步骤摘要】
用于模拟和监测海缆变形和振动的实验台架和实验方法


[0001]本专利技术涉及海缆变形监测技术，特别涉及一种用于模拟和监测海缆变形和振动的实验台架和实验方法。

技术介绍

[0002]随着海洋观测技术的发展，海底观测网、作业型ROV等应用广泛，海洋输电技术也进一步成熟。海底观测网需要缆进行电能和信号传输，ROV需要脐带缆与母船进行通讯，海底电缆需要保证输电的安全性和稳定性。这些缆系应用在各自的应用环境中起到了至关重要的作用，但是又都在复杂恶劣的环境下工作，存在一定的安全隐患。
[0003]水下缆系物体的监测与陆地上的不同，一方面无法直接用肉眼观察其缠绕、绷直受力等具体状态。另一方面，海底电缆、浮式风机的漂浮缆和半潜式平台的锚系缆等需要长期工作，其状态与作业的安全性密切相关。因此，目前已有基于光纤光栅传感器、MEMS传感器等技术原理的缆系原位在线监测系统被陆续研发出来。
[0004]在投入实际生产和使用之前，需要对于缆系的响应速度、振动情况等动态指标进行测试，以便为生产设计和实海安装应用提供技术参考。基于光纤光栅传感器、MEMS传感器等技术原理的标定和监测技术和评价能力，基本上只能局限于相对位置误差、分辨率等静态指标。目前仍缺乏能够实现动态指标测试的实验平台。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是，克服现有技术中存在的不足，提供一种用于模拟和监测海缆变形和振动的实验台架，可用于实现缆状物体的X
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Y方向和X
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Z方向上的变形和振动，并记录对应位置的位移量。
[0006]为解决技术问题，本专利技术的解决方案如下：
[0007]提供一种用于模拟和监测海缆变形和振动的实验台架，包括：环境模拟系统，包括断面水槽和造波机，断面水槽用于加注海水以模拟海洋环境；台架支撑系统，包括安置在断面水槽中的支撑架，以及设于支撑架上方的长条形台面；在台面上沿其长度方向间隔布置若干条相互平行的贯通开槽，开槽垂直于台面的长度方向，台面用于放置拟测试的海缆；运动模拟系统，包括设于所述开槽下方的多组驱动装置，各驱动装置均包括固定在支撑架上的水下电机，水下电机通过减速器和传动齿轮连接丝杠机构；在丝杠机构上竖向布置套环固定杆，其顶端的套环穿过台面开槽后露出于台面上方，所述海缆穿过各套环后放置于台面上；扫描监测系统，包括设于断面水槽上方的至少一组三维激光扫描仪，以及设于海缆上的光纤光栅传感器或MEMS传感器；上位的工控机，通过信号线与运动模拟系统相连。
[0008]作为本专利技术的优选方案，所述运动模拟系统包括电机通讯板，电机通讯板上设有电源模块、RS232模块、USB
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232转换器和多个RS485模块；电源模块通过线缆与各水下电机相连实现供电，每个RS485模块通过信号线连接一台水下电机用于传递控制信号；RS232模块通过USB
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232转换器连接至所述上位的工控机，用于接收工控机的控制命令和上传各电
机的运行数据。
[0009]作为本专利技术的优选方案，所述造波机设于断面水槽的端部，包括上位机、运动控制器、功率驱动设备、伺服电机、机械执行机构和传感器。
[0010]作为本专利技术的优选方案，台面上的开槽为等间距布置。
[0011]作为本专利技术的优选方案，所述丝杠机构包括水平丝杠和竖向丝杠，丝杠之间、丝杠与套环固定杆之间通过滑台连接，用于实现套环固定杆在水平方向和竖直方向上的位移。
[0012]作为本专利技术的优选方案，所述扫描监测系统还包括一个上位的上位机，该上位机通过信号线连接所述三维激光扫描仪；或者，所述三维激光扫描仪直接通过信号线连接至与运动模拟系统相连的工控机。
[0013]本专利技术进一步提供了利用前述实验台架模拟和监测海缆变形和振动的实验方法，包括：
[0014](1)将拟测试的海缆穿过各套环后放置于台面上，然后向断面水槽中加注海水，并加入常见附着型海洋生物或微生物；使海水淹没台面至少50cm，以模拟实海场景；
[0015](2)使海缆保持一定时间的静止状态，观察海缆表面的生物附着和铠装结构变化；
[0016](3)启动造波机并控制水位，模拟原位波浪和潮流环境，观察不同频率谱波浪和潮汐对海缆本体和所处位置产生的影响；
[0017](4)启动水下电机改变海缆固定点的相对位置使其处于受力状态，持续一段时间；利用传统监测装置对海缆结构破坏情况进行监测；
[0018](5)使水下电机进行周期性往复运动，观察单源低频振动、多源低频振动和振动叠加的情况下对海缆结构的影响；
[0019](6)根据设计的测试方案，重复步骤(2)
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(5)或调整各步骤的顺序，获得不同实海场景条件对海缆造成的影响；在测试过程中，始终利用三维激光扫描仪对海缆与参考点之间的相对位置进行测量，并将测量结果与各光纤光栅传感器、MEMS传感器和水下电机的运动数据进行比对，以提高监测数据的准确性。
[0020]专利技术原理描述：
[0021]本专利技术中，将海水没过整个台架，利用造波机制造的波浪模拟海浪环境，可以观察缆本体和相对位置的变化；将三维激光扫描仪的扫描结果和水下电机运行数据相比较，可以在三维空间上评价实验系统的精度和分辨率。
[0022]启动多台电机分别在X
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Y平面和X
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Z平面上进行运动，使其发生进行往复运动，可以观察海缆的变化和监测系统的动态响应速度。进一步比较激光扫描结果和电机数据监测结果的对应点位置误差，分析海缆在高动态环境下的监测的准确性。对于振动监测而言，可以先启动一台电机进行周期性往复运动，对比设置的运动周期和监测结果。再启动不同方向上的多台电机周期运动，在振动叠加的情况下分析结果并判断实验装置的有效性和可靠性。
[0023]关闭电机，使被测海缆长期(几个月以上)保持在一个非受力的正常状态，可以分析模拟海洋环境下海缆结构的稳定性，同时判断实验系统长期原位使用的可行性和数据变化。也可以启动电机，改变相对位置使海缆保持在一个弯曲受力状态，分析比较非自然状态下缆使用寿命变化。
[0024]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0025](1)本专利技术的实验台架，能够利用造波机和海水近似模拟系固状态下，海洋缆系物体的在原位相似环境中结构的变化。
[0026](2)本专利技术创新性地提出了使用伺服电机及传动机构使缆上对应点的位置发生变化，观察位移对其结构稳定性的影响；此外伺服电机可以在控制下进行往复运动，从而可以实现缆不同位置的低频振动的模拟。
[0027](3)本专利技术中，可以将传统的监测装置(光纤光栅传感器、MEMS传感器等)布放于试验缆上进行静态测试。可在模拟台架上长期布放监测系统模拟原位长期工作环境，实现全方位的性能评价。
[0028](4)本专利技术还能通过波浪或者伺服电机改变相应位置，同时利用三维激光扫描仪扫描测试缆的形状与监测结果和电机运动参数进行对比。通过多个伺服电机同时改变缆在空本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于模拟和监测海缆变形和振动的实验台架，其特征在于，包括：环境模拟系统，包括断面水槽和造波机，断面水槽用于加注海水以模拟海洋环境；台架支撑系统，包括安置在断面水槽中的支撑架，以及设于支撑架上方的长条形台面；在台面上沿其长度方向间隔布置若干条相互平行的贯通开槽，开槽垂直于台面的长度方向，台面用于放置拟测试的海缆；运动模拟系统，包括设于所述开槽下方的多组驱动装置，各驱动装置均包括固定在支撑架上的水下电机，水下电机通过减速器和传动齿轮连接丝杠机构；在丝杠机构上竖向布置套环固定杆，其顶端的套环穿过台面开槽后露出于台面上方，所述海缆穿过各套环后放置于台面上；扫描监测系统，包括设于断面水槽上方的至少一组三维激光扫描仪，以及设于海缆上的光纤光栅传感器或MEMS传感器；上位的工控机，通过信号线与运动模拟系统相连。2.根据权利要求1所述的实验台架，其特征在于，所述运动模拟系统包括电机通讯板，电机通讯板上设有电源模块、RS232模块、USB
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232转换器和多个RS485模块；电源模块通过线缆与各水下电机相连实现供电，每个RS485模块通过信号线连接一台水下电机用于传递控制信号；RS232模块通过USB
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232转换器连接至所述上位的工控机，用于接收工控机的控制命令和上传各电机的运行数据。3.根据权利要求1所述的实验台架，其特征在于，所述造波机设于断面水槽的端部，包括上位机、运动控制器、功率驱动设备、伺服电机、机械执行机构和传感器。4.根据权利要求1所述的实验台架，其特征在于，台面上的开槽为等...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈家旺，曹晨，郭进，王豪，王威，高峰，周朋，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：