一种位移及振动监测装置
阅读说明：本技术 一种位移及振动监测装置 (Displacement and vibration monitoring device ) 是由 梁晓东 吉红军 周俊华 熊用 雷孟飞 于 2020-11-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种位移及振动监测装置,包括机架、测量机构和感知机构；机架设置在待测物上；测量机构设置在机架上,能对待测物的位移参量和振动参量进行监测；感知机构设置在机架上,且包括伸缩组件和感应件；伸缩组件与测量机构接触,能随测量机构动作而运动。应用本发明的技术方案,采用测量机构和感知机构的组合,效果是：通过感知机构对待测物振动的阈值进行监测,使得感知机构控制测量机构提高位移的采样频率,能实时有效地对待测物的位移参量和振动参量进行监测。(The invention discloses a displacement and vibration monitoring device, which comprises a frame, a measuring mechanism and a sensing mechanism, wherein the measuring mechanism is arranged on the frame; the frame is arranged on the object to be detected; the measuring mechanism is arranged on the frame and can monitor the displacement parameter and the vibration parameter of the object to be measured; the sensing mechanism is arranged on the rack and comprises a telescopic component and a sensing piece; the telescopic assembly is contacted with the measuring mechanism and can move along with the action of the measuring mechanism. By applying the technical scheme of the invention and adopting the combination of the measuring mechanism and the sensing mechanism, the effect is as follows: the sensing mechanism monitors the threshold value of the vibration of the object to be measured, so that the sensing mechanism controls the measuring mechanism to improve the sampling frequency of the displacement, and the displacement parameter and the vibration parameter of the object to be measured can be effectively monitored in real time.)
技术领域
本发明涉及安全监测领域，具体涉及一种位移及振动监测装置。
背景技术
在结构物安全监测领域，对结构物的安全状况进行分析判断主要基于测量参量的变化情况，目前常用的测量参量有位移、应力、应变和倾斜等，缺少对结构物振动参量的监测，而振动参量能直接反映了结构物当前的安全状况，因此，对结构物进行振动参量的监测十分重要。
中国专利CN201820281740.0公开了基于北斗卫星导航系统的一体式边坡监测桩，其通过定位天线的移动情况来实时监测结构物的位移参量，该专利只利用了北斗定位最基础的空间位移测量功能，缺少对结构物振动参量的监测，实用性不强。
综上所述，急需一种能对结构物的位移和振动进行监测的监测装置来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能对待测物(结构物)的位移参量和振动参量进行监测的监测装置，具体技术方案如下：
一种位移及振动监测装置，包括感知机构、测量机构和机架；所述机架设置在待测物上；所述测量机构设置在机架上，用于监测待测物的位移参量和振动参量；所述感知机构设置在机架上，用于触发测量机构提高位移的采样频率，且所述感知机构包括伸缩组件和感应件，所述伸缩组件与测量机构接触，所述感应件设置在伸缩组件上，伸缩组件及其上的感应件能随测量机构动作而产生运动。
以上技术方案优选的，所述伸缩组件包括支座、连杆和弹性件；所述支座设置在机架上；所述连杆活动设置在支座上，且一端与测量机构接触；所述弹性件套设在连杆上，且其一端与连杆连接，另一端与支座和/或机架接触；所述感应件包括第一感应单件和第二感应单件；第一感应单件设置在支座上；所述第二感应单件设置在连杆上，与第一感应单件配合触发测量机构提高对待测物位移的采样频率。
以上技术方案优选的，所述感知机构还包括配重件和限位件；所述配重件设置在连杆上；所述限位件一端设置在支座上，其另一端与连杆连接，能对连杆限位。
以上技术方案优选的，所述测量机构包括定位件、接收件、转盘和设置在机架上的动力单元；所述定位件设置在转盘上；所述转盘与动力单元连接，能进行转动；所述接收件用于接收定位件的位置信息。
以上技术方案优选的，所述转盘设有至少一组限位槽；所述限位槽与伸缩组件接触能实现对转盘的限位。
以上技术方案优选的，所述动力单元包括动力件、齿轮组和擒纵机构；所述动力件设置在机架上；所述齿轮组分别与动力件和转盘连接，用于传递动力；所述擒纵机构与齿轮组配合，用于控制齿轮组的转速。
以上技术方案优选的，所述动力单元还包括离合器；所述离合器分别连接齿轮组和动力件，用于控制动力件的动力输出。
应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明的监测装置包括机架、测量机构和感知机构；所述机架设置在待测物上；所述测量机构设置在机架上，能对待测物进行位移参量和振动参量的监测；所述感知机构设置在机架上且包括伸缩组件和感应件；所述伸缩组件与测量机构接触，能随测量机构动作而运动；所述感应件设置在伸缩组件上，待测物振动时给予伸缩组件一个加速度，与伸缩组件带动感应件动作，感应件触发测量机构提高对待测物位移的采样频率，实现振动参量的获取，在减少功耗的前提下，本发明能对待测物位移和振动参量进行监测；感知机构和测量机构机械配合，利用感知机构对待测物的振动进行感知(待测物振动达到阈值时感知机构的伸缩组件与测量机构脱离接触)，配合测量机构实现振动参量的监测，避免了电路设计带来的电磁信号干扰装置，从而造成误判。
(2)本发明的伸缩组件包括支座、连杆和弹性件；连杆动作，设置在连杆上的第二感应单件和设置在支座上的第一感应单件随之分离，与第一感应单件连接(优选无线连接)的测量机构提高对待测物的位移采样频率，满足待测物的振动参量测量需要的高频采集需求。本发明的感知机构还包括配重件和限位件；配重件设置在连杆上，便于伸缩组件对待测物振动阈值的监测；所述限位件能对连杆进行限位，保证了连杆能在竖直方向运动的同时，不会发生径向偏离，实用性强。此处优选，连杆包括第一连杆和第二连杆；配重件设置在第一连杆上，合理利用安装空间，能快速更换配重件；第二感应单件设置在第一连杆上，便于与设置在支座上的第一感应单件对应配合；第二连杆活动设置在支座上，弹性件(优选弹簧)套设在第二连杆上，两端分别连接第一连杆和限位件(具体是限位件的顶针座)，且弹性件伸缩方向与第二连杆运动方向一致，防止弹性件径向偏移，便于对待测物的振动进行监测。
(3)本发明的测量机构包括定位件、接收件、转盘和动力单元；转盘下端设有与伸缩组件接触的限位槽，当转盘脱离伸缩组件，动力单元带动转盘匀速运动，使得接收件接收的定位件的位置数据中，具有一个已知的周期性规律，便于数据的观测和分析，通过定位件的位置信息与定位件在转盘上的位移值做差，得到待测物更准确的位移及振动数据。本发明的测量机构还可以采用定位件(优选北斗定位天线)和接收件(优选北斗接收机)的配合；定位件设置在机架上，伸缩组件设置在机架上，待测物振动给予伸缩组件(具体是伸缩组件的连杆)一个向下的力，使得连杆向下运动，使得设置在支座上的第一感应单件和设置在连杆上的第二感应单件断开连接信号，接收件接收到第一感应单件的信号(此处接收件与感应件无线连接，能进行信息传递)，提高对待测物的位移采样频率，实现振动参量的获取。
(4)本发明的伸缩组件在待测物振动未达到伸缩组件设置的阈值时，第二连杆通过限位槽能对转盘进行限位，待测物振动达到伸缩组件设置的阈值时，第二连杆与限位槽脱离接触，待转盘转动至下一个限位槽时，第二连杆重新卡入下一限位槽内(第二连杆从限位槽转动卡入下一限位槽的同时，接收件快速接收定位件的位移信息)，避免转盘持续转动，造成动力单元动力不足。
(5)本发明的动力单元包括动力件(包括发条盒、发条旋扭以及旋转轴)、齿轮组和擒纵机构；通过动力件带动转盘转动，擒纵机构与齿轮组配合，控制转盘匀速运动，便于振动参量的获取以及便于基于此参量输出的振动曲线的观测。此处优选，动力单元还包括离合器(优选超越离合器)；所述离合器分别连接齿轮组和动力件的旋转轴，用于旋转轴的转动控制，保证动力件蓄力时，不对齿轮组造成影响。
(6)本发明的机架包括安装底座、筒身、玻璃钢罩和盖板；筒身设置在安装底座上，盖板设置在筒身端部与安装底座配合，使筒身形成一个用于部件安装的腔体，结构严谨，且筒身连接有玻璃钢罩，能对测量机构进行保护，延长装置使用寿命。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1是本实施例的监测装置的剖视图；(未示意接收件)
图2是图1齿轮组的结构示意图；
图3是图1中感知机构的结构示意图；
图4是图1中动力单元的原理示意图；
其中，1、感知机构；1.1、伸缩组件；1.1.1、支座；1.1.1.1、上支座；1.1.1.2、下支座；1.1.2、连杆；1.1.2.1、第一连杆；1.1.2.2、第二连杆；1.1.3、弹性件；1.2、感应件；1.2.1、第一感应单件；1.2.2.、第二感应单件；1.3、配重件；1.4、限位件；1.4.1、顶针座；1.4.2、顶针；2、测量机构；2.1、定位件；2.2、转盘；2.2.1、环形导轨；2.2.2、平面滚珠；2.2.3、金属触杆；2.3、动力单元；2.3.1、动力件；2.3.1.1；发条盒；2.3.1.2、发条旋扭；2.3.1.3、旋转轴；2.3.2、齿轮组；2.3.2.1、第一齿轮；2.3.2.2、第二齿轮；2.3.2.3、第三齿轮；2.3.3、擒纵机构；2.3.3.1、擒纵轮；2.3.3.2；摆轮游丝组件；2.3.4、离合器；3、机架；3.1、安装底座；3.2、筒身；3.3、玻璃钢罩；3.4、盖板；3.4.1、环形金属环。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例：
一种位移及振动监测装置，包括感知机构1、测量机构2和机架3；如图1-4所示。具体如下：
所示机架3包括安装底座3.1(优选为圆形垫板)、筒身3.2(圆形)、玻璃钢罩3.3和盖板3.4；如图2所示；所述安装底座设有多组腰形孔，安装底座通过腰形孔安装在待测物上；所述筒身的下端面设置在安装底座上，上端面上设有盖板3.4，盖板配合安装底座使得筒身形成一个用于安装感知机构和测量机构(具体是测量机构2的动力单元2.3)的腔体；所述测量机构(具体是定位件2.1和转盘2.2)设置在盖板上，且盖板上设有一个用于保护和密封测量机构的玻璃钢罩(玻璃钢罩能允许电磁波穿过，具体型号及材料参考现有技术)。
所述感知机构1包括伸缩组件1.1、感应件1.2、配重件1.3和限位件1.4，如图3所示，具体如下：
伸缩组件的结构具体是：所述伸缩组件1.1包括支座1.1.1、连杆1.1.2和弹性件1.1.3，所述支座1.1.1包括上支座1.1.1.1和下支座1.1.1.2，上支座和下支座之间通过连接板连接，下支座设置机架上(优选设置在安装底座上)；所述连杆包括第一连杆1.1.2.1和第二连杆1.1.2.2(形状均优选为圆形)，第一连杆的一端与第二连杆垂直连接，另一端上设有配重件和感应件；第二连杆的一端插入上支座的通孔内，活动设置在通孔内，且第二连杆的端部穿过设置在盖板上的通孔与测量机构接触，如图3所示；所述弹性件(优选弹簧)套设在第二连杆上，一端与第一连杆连，另一端与限位件连接。此处优选第二连杆、弹性件和限位件同中心轴线设置。
所述感应件的结构具体是：所述感应件1.2(如常开霍尔传感器)包括第一感应单件1.2.1和第二感应单件1.2.2；第一感应单件设置在上支座1.1.1.1上，与测量机构的接收件连接(优选无线连接)，第二感应单件设置在第一连杆上，与设置在上支座上的第一感应单件垂向对应。所述配重件(如木块)设置在第一连杆上，便于调节弹性件的伸缩长度。
所述限位件的结构具体是：所述限位件1.4包括顶针座1.4.1和顶针1.4.2，如图3所示；所述顶针座形状为圆形(上端设有能容纳弹性件的凹槽)，且外壁上设有外螺纹，下支座上设有能容纳顶针座的安装孔，且安装孔内设有与外螺纹配合的内螺纹；顶针座通过螺纹配合可调节式设置在下支座上(通过螺纹配合调节顶针座在下支座上的位置，便于调节弹性件伸缩长度)；所述顶针的一端设置在顶针座上，另一端插入第二连杆内(第二连杆设有能容纳顶针的盲孔)。
所述测量机构2有两种方案：
第一种是：测量机构包括定位件(如北斗定位天线)和接收件(如北斗接收机，北斗接收机连接外界电源，且接收件能向终端设备传输信息)，定位件设置在机架上，接收件接收定位件的位置信息(接收件与感知机构的感应件连接)，具体是：定位件设置在机架的盖板上，待测物振动产生的加速度给予伸缩组件的连杆一个向下的作用力，连杆向下运动使得设置在连杆(具体是第一连杆)上的第一感应单件和设置在伸缩组件的支座上的第二感应单件断开连接信号，接收件接收到第一感应单件的信号，提高对待测物的位移的采样频率，获取待测物的振动参量。
第二种是：测量机构包括定位件2.1、接收件、转盘2.2和动力单元2.3，如图2所示；所述定位件设置在转盘上，所述转盘的形状为圆环，圆环的下端沿周向设有用于导向的环形导轨2.2.1(优选导轨为槽面平整的凹槽)，环形导轨的槽底面设有至少一组限位槽(优选六组，六组限位槽沿周向等间距设置在环形导轨的槽底面上，且限位槽的槽深根据实际需求选择)；第二连杆的端部与限位槽接触，对转盘进行限位；动力单元设置在筒身内且与转盘连接，能带动转盘转动，具体是：所述转盘还包括两组交叉相交的横梁，横梁连接圆环的内侧壁，且横梁相交部位与圆环同中心轴线；机架的盖板3.4中心开设有通孔，动力单元的动力输出轴穿过通孔连接两组横梁的相交部位，能带动转盘以及设置在转盘上的定位件转动。此处优选，横梁下端设有平面滚珠2.2.2，便于转盘在盖板上转动。
优选的，定位件与接收件的连接方式是，如图2所示：横梁的下端设有金属触杆2.2.3，所述盖板3.4的上表面设有与金属触杆对应的金属涂层，所述金属涂层优选为环形金属环3.4.1，金属触杆能与环形金属环接触(横梁在转动过程中金属触杆能保持与环形金属环接触)，定位件通过线路连接金属触杆，接收件通过线路连接环形金属环，能实现接收件和定位件之间进行信息传递，同时解决了转盘转动过程中可能出现的线路缠绕问题。此处优选的，金属触杆与金属涂层接触处设有金属弹性片，保证金属触感与金属涂层接触的同时不会对转盘转动造成影响。
所述动力单元2.3包括动力件2.3.1、齿轮组2.3.2、擒纵机构2.3.3和离合器2.3.4，如图1-2所示，具体如下：
所述动力件的结构具体是，如图1所示：动力件包括发条盒2.3.1.1、发条旋扭2.3.1.2和旋转轴2.3.1.3；发条盒内的发条与旋转轴连接，所述离合器2.3.4(优选超越离合器)分别连接齿轮组和旋转轴，通过发条旋扭旋转收紧发条，离合器配合发条为旋转轴的旋转进行蓄力，保证蓄力过程中旋转轴不会带动齿轮组旋转，对齿轮组造成影响，同时在旋转轴旋转时平衡转速，保证旋转轴的匀速旋转。发条盒结构参考现有结构。
所述齿轮组的结构具体是：所述齿轮组2.3.2包括第一齿轮2.3.2.1、第二齿轮2.3.2.2和第三齿轮2.3.2.3；第一齿轮与离合器连接，通过离合器与旋转轴配合能带动第一齿轮运动；第二齿轮与第一齿轮啮合，且第二齿轮的动力输出轴与转盘(具体是转盘横梁的相交部位)连接，所述第三齿轮与第二齿轮啮合。
齿轮组的具体连接关系如下，如图4所示：
所述第二齿轮包括两组第二齿轮单件(分别为第二齿轮A和第二齿轮B)，两组第二齿轮单件通过连接轴连接，且第一齿轮与第二齿轮A啮合，第二齿轮B上设有动力输出轴，用于带动转盘转动。此处优选第二齿轮A和第二齿轮B传动比为3-7:1。
所述第三齿轮包括两组第三齿轮单件(分别为第三齿轮A和第三齿轮B)，两组第三齿轮单件通过连接轴连接，且第三齿轮A与第二齿轮B啮合。此处优选第三齿轮A与第三齿轮B的传动比为3-7:1。
所述擒纵机构的结构具体是，如图4所示：所述擒纵机构2.3.3包括擒纵轮2.3.3.1、擒纵叉和摆轮游丝组件2.3.3.2；所述擒纵轮包括两组擒纵轮单件(分别为擒纵轮A和擒纵轮B)；擒纵轮A和擒纵轮B通过连接轴连接，且擒纵轮B与第三齿轮B啮合，擒纵叉的第一端(设置进瓦和出瓦的一端)与擒纵轮A配合，第二端与摆轮游丝组件配合(摆轮游丝组件结构参考现有结构)，能实现对第二齿轮的转速控制，保证第二齿轮能带动转盘匀速转动。此处擒纵轮A和擒纵轮B传动比为1:3-7。
应用本实施例的监测装置，具体是：
首先，根据待测物的加速度阈值设置相应的伸缩组件；当振动发生时，监测装置从静止状态向振动状态变化，变化过程中产生加速度，加速度导致连杆的受力状态发生变化，当加速度产生时，连杆受到一个在加速度作用下的向下的力，同时连杆向下运动受到两个向上的滑动摩擦力，分别是连杆与限位槽的滑动摩擦力，连杆与支座(具体是上支座)的滑动摩擦力，连杆向下移动导致弹性件受压，产生向上的弹力，具体受力分析如表达式1)所示：
G＝(m+Δm)g
Fa＝(m+Δm)a
Fk＝k(x0+Δx)
f1＝μ1×N1
f2＝μ2×N2
N1×L＝N2×1
为了让连杆在加速度的作用下离开限位槽，释放转盘转动，连杆的受力需满足表达式2)：
G+Fa≥Fk+f1+f2 2)；
联立表达式1)和表达式2)，得出表达式3)：
其中：
G为连杆及配重件的重力；
g为重力加速度；
a为监测装置从静止状态向振动状态变化产生的加速度；
Fa为监测装置从静止状态向振动状态变化产生的加速度对连杆的作用力；
Fk为弹性件的弹力；
f1为连杆与限位槽的滑动摩擦力；
f2为连杆与支座的滑动摩擦力；
m为连杆的质量；
Δm为配重件的质量；
k为弹性件的弹性系数；
x0为弹性件的初始伸缩长度；
Δx为连杆完全离开限位槽的位移量(即连杆完全离开限位槽时对弹性件的压缩量)；
N1为限位槽在动力单元驱动力作用下对连杆的压力；
N2为支座在动力单元驱动力作用下对连杆的压力；
μ1为限位槽与连杆的滑动摩擦系数；
μ2为支座与连杆的滑动摩擦系数；
M为动力单元给予转盘的稳定力矩；
R为限位槽的中点与转盘旋转中心的距离；
L为连杆滑动时限位槽与连杆接触点到连杆质心(具体是第二连杆)的距离；
l为连杆滑动时支座与连杆接触点到连杆质心(具体是第二连杆)的距离；
n为滑动时限位槽和连杆接触点到连杆质心(具体是第二连杆)的距离与支座和连杆接触点到连杆质心的距离的比值。
结合表达式1)、表达式2)和表达式3)得出：释放转盘转动需要的加速度大小与配重件的质量成反比，与弹性件的预压程度及弹性系数成正比；通过调节配重件的质量及弹性件的伸缩量或更换不同的弹性系数，可以实现对待测物的不同振动阈值进行监测。
其次、将监测装置设置在待测物上，具体是：监测装置的机架上设有多组腰形孔，待测物上设有对应的安装孔，通过固定件(如螺栓)将监测装置固定在待测物上。
最后、进行位移参量及振动参量的监测：
针对有转盘的情况，具体如下：
待测物从静止到振动状态的转换产生一个加速度，加速度给予伸缩组件的连杆一个作用力，当作用力未超过伸缩组件的预设阈值时，接收件对定位件位移参量的采样频率为5-10min/次(采样频率根据实际需求设定)，同时伸缩组件能通过限位槽对转盘进行限位，保证转盘不能进行转动；当作用力超过伸缩组件的预设阈值时，伸缩组件的第二连杆与测量机构的转盘脱离接触(即第二连杆带动第一连杆向下运动)，接收件提高对定位件位移参量的采样频率至0.01-1s/次(第二连杆从限位槽转动卡入下一限位槽的同时，接收件快速接收定位件的位移信息)，接收件接收到的定位件的位移数据与定位件的位移值做差，得到待测物的振动参量，具体做差规则如下：
假设接收机收到的定位件位移数据在某一时刻t的坐标为：(xa，ya)，由于转盘的转动为匀速转动，所以在转盘转动下导致的天线位移(Δx，Δy)可通过下式计算(俯视转盘，以转盘圆心为坐标原点，定位件到转盘的圆心的距离为ρ，转盘逆时针转动，角速度恒定为ω)：
Δx＝ρ·cosωt
Δy＝ρ·sinωt
定位件在某一时刻t的实际位移值，即振动参量(xz，yz)为：
xz＝xa-ρ·cosωt
yz＝ya-ρ·sinωt
式中：
(xa，ya)为定位件位移数据在某一时刻t的绝对坐标；
(Δx，Δy)为定位件位移数据在某一时刻t由于圆盘转动附加的坐标值；
ρ为定位件到转盘的圆心的距离；
ω为转盘转动的角速度；
(xz，yz)为待测物的振动参量，即待测物在振动过程中的真实坐标。
针对无转盘的情况，具体如下：
当作用力未超过伸缩组件的预设阈值时，接收件对定位件位移参量的采样频率为5-10min/次(采样频率根据实际需求设定)；当作用力超过伸缩组件的预设阈值时，伸缩组件的连杆运动，设置在连杆上的第一感应单件与设置在支座上的第二感应单件断开连接，接收件提高对定位件位移参量的采样频率至0.01-1s/次，采样持续时间为1-5s(此处优选为3s)，接收件接收到的定位件的位移数据为待测物的振动参量。此处接收件采用北斗高精度GNSS接收机，型号为BD-DM-001。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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