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深水管道回接位姿检测系统研究 摘要 能源，是世界各国可持续发展的战略物资，石油则是最主要的能源，而现探明的陆 地石油资源正逐步枯竭，故人们不得不将目光转向海洋。海洋油气资源极为丰富，勘探 开发正在迅速发展。为保障未来深海油气资源的开发，我国在十一五规划期间制定了国 家“8 6 3 ”计划南海深水油气勘探开发关键技术及装备专题，本课题即来源于此。本文的 主要研究对象为海底管道的硬质法兰，在对海底管网进行回接时需对两被接管道法兰的 相对位姿进行测量，从而确定其之间的相对物理关系，进一步在施工船上按测量结果预 置相应的管道进行水下管道连接。 论文首先针对深水测量领域的关键技术进行了分析与研究，确定了深水管道回接位 姿测量系统的拉绳测量整体结构方案，并在此基础上研究了测量系统的整体检测系统， 明确了水下测量时所涉及的关键技术点，即水下精确角度检测，及水下动力伺服控制技 术。 其次，本文提出了基于集成霍尔检测芯片的深水高精度角度检测编码器研究，提出 了该编码器的基本结构组成；对承压薄壳进行了基于a n s y sw o r k b e n c h 的静力学优化设 计，确定了零部件尺寸参数；研究了霍尔检测、信号处理电路，及检测系统的程序结构； 在此基础上对编码器试验件进行精度校核及耐压试验，保证其符合设计要求。 同时，论文基于磁联轴器技术设计了深水绞车系统。对绞车用磁联轴器、隔离密封 壳体等关键件进行了研究，并研究了无刷电机的伺服驱动控制系统，为测量系统的测量 绳工作时提供稳定的张紧力。除此之外，本文还对深水测量检测系统中的其他设备进行 了研究，完成了整个检测系统的设计与实现。 在上述研究的基础上，最后对整个测量系统进行了试验与校准，具体涉及压力试验、 陆地测量精度校准、水下测量试验。经过试验，验证了本文所设计的深水管道位姿检测 系统在工作中稳定、可靠，且精度、耐压等指标满足设计要求。 关键词：深水测量；姿态检测；编码器；伺服绞车；倾角检测； 深水管道同接位姿检测系统研究 a b s t r a c t e n e r g y , i sa ni m p o r t a n ts t r a t e g i cm a t e r i a lo ft h ec o u n t r i e sf o rs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ， a n do i li st h em a i ns o u r c eo f e n e r g y , b u tt h el a n d - b a s e do i lr e s o u r c e sw h i c hh a sb e e np r o v e n e d a r eg r a d u a l l yd e p l e t e d w em u s tl o o kt ot h em a r i n e , o f f s h o r eo i la n dg a sr e s o u r c ：c sa r ev e r y r i c h ，a n dt h ee x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n ta r er a p i d l yd e v e l o p i n g t op r o t e c tt h ed e v e l o p m e n t o fd e e p s e ao i la n dg a sr e s o u r c e si nt h ef u t u r e ，t h ek e yt e c h n o l o g i e sa n de q u i p m e n tt o p i cf o r d e e ps o u t hc h i n as e ao i la n dg a se x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n ti sf o r m u l a t e db ye r c i n e l e v e n t hh v e - y e a rp l a np e r i o di nt h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a l ”8 6 3 ”，m yr e s e a r c hi s s u e c o m e sf r o mt h i s i nt h i sp a p e r , t h eo b j e c to fs t u d yi st h es u b m a r i n eg a sp i p e l i n e sf l a n g e ，t h e r e l a t i v ep o s i t i o no ft w of l a n g ec e n t e r sa r en e e dt ob em e a s u r e dw h e nt i e - i nt h ed e 印一s e a0 i l p i p e l i n e ，t h ep r e f a b r i c a t et h et r a n s i t i o np i p e l i n es e c t i o no nt h ee n g i n e e r i n gs h i p h r s f l y , t h ek e yt e c h n i q u e s a n a l y s i sa n d r e s e a r c hf o rd e e p - w a t e rm e a s u r e m e n tw a s m a d e ， a n dd e t e r m i n e dt h eo v e r a l ls t r u c t u r eo fr o p ep o s em e a s u r e m e n ts y s t e mf o rp i p e l i n et i e i n s ， t h e nt h ed e t e c t i o ns y s t e mf o rt h em e a s u r e m e n ts y s t e mw a sb e e nw o r k e do u t f i n a l l y , t h ek e y t e c h n o l o g i e so fm e a s u r e dw a sp o i n t e do u t ，t h e yw e r et h ea c c u r a c ya n g l ed e t e c t o ru n d e r w a t e r , a n dt h es e r v oc o n t r o lt e c h n o l o g yp o w e r s e c o n d l y , t h er e s e a r c ho fa na n g l ed e t e c t i o ne n c o d e rw h i c hb a s e do nh a l lm a g n e t i c e n c o d e ri cw a sm a d ei n t h i sp a p e f ，a n dd e s i g n e dt h es t r u c t u r eo ft h ee n c o d e lt h es t a t i c o p t i m i z a t i o no ft h ep r e s s u r es h e l lw a sa n a l y s e db ya n s y sw o r k b e n c h ，t h e nt h es i z eo f e n c o d e r se l e m e n tw a sd e t e r m i n e d s t u d i e dt h eh a l ld e t e c t i o n ，s i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t ，a n d t h ep r o g r a m t h e n ，ad e e p w a t e re n c o d e rw a sm a d e ，w et e s t e di t sm e a s u r ep r e c i s i o na n d p r e s s u r e ，t om a k es u r ei ta d h e r e n c et os p e c i d i c a t i o n a tt h es a m et i m e ，t h ed c 印w i n c hs y s t e mw h i c hb a s e do nm a g n e t i cc o u p l i n gt e c h n o l o g y w a sd e s i g n e d t h ek e yp i e c e ss u c ha sm a g n e t i cc o u p l i n go ft h ew i n c h ，i s o l a t i o ns e a lh o u s i n g a n ds oo nw e r es t u d i e d ，a n ds t u d i e dt h eb m s h l e s ss e r v om o t o rd r i v ec o n t r o ls y s t e m ，t op r o v i d e as t a b l er o p et e n s i o nf o rt h em e a s u r es y s t e mw h e ni tw o r k i n g m e a n w h i l e ，o t h e rd e v i c e so f m e a s u r e m e n td e t e c t i o ns y s t e mw e r ea l s ob e e ns t u d i e d b a s e do nt h e s es t u d i e s ，t h em e a s u r es y s t e mw a sf a b r i c a t e d ，a n dt e s t e dt h ew h o l es y s t e m ， t h ep r e s s u r et e s t ，t h el a n da c c u r a c yc a l i b r a t i o n ，t h eu n d e r w a t e rm e a s u r e m e n tt e s t t h r o u g ht h e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ： 一iii i i i i i 萱宣i i i i i i i i t e s t i n g s ，v e r i f yt h ed e s i g no fd e t e c t i o ns y s t e mo fd e e p w a t e rp i p e l i n gp o s em e a s u r i n gs e v i c e w o r ks t a b l e ，r e l i a b l e ，a n dt h ea c c u r a t e ，p r e s s u r ea n do t h e ri n d i c a t o r sm e e tt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：u n d e r w a t e rm e a s u r e m e n t ；g e s t u r ed e t e c t i o n ；e n c o d e r ；s c i v ow i n c h ；a n o e d e t e c t i o n ； 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 测量，是利用相关工具对物体或物体间的物理信息进行采集，将被测量( 未知量) 与已知的标准量进行比较，以得到被测量大小的过程，是对被测量定量认识的过程。 本课题来源于“8 6 3 ”国家高技术研究发展计划海洋技术领域深水海底管道铺设技术 课题组，南海深水油气勘探开发关键技术及装备专题，深水海管水下回接技术及a u t 检验设备国产化技术研究子课题，项目编号：2 0 0 6 a a 0 9 a 1 0 5 - 4 。本课题所涉及的水下 位姿精确测量系统是一套先进的水下自动检测设备，其目的是在1 5 0 0 m 水深条件下，对 海底油气管道回接过程中两管道法兰的相对位姿( 包括：各方向距离、相对水平和垂直 角度、法兰自身倾角) ，或法兰螺栓连接过程中各设备的相对位姿进行精确测量，将检 测数据反馈给回接操作装置，以便于预制相应的连接管道进行水下管网的连接，并且能 够对回接过程的精确操作提供相关参数【1 埘。 本课题的研究背景即基于我国深海油气勘探工程。全球海洋油气资源丰富，据油 气杂志统计，截至2 0 0 6 年1 月1 日，全球石油探明储量为1 7 5 7 x 1 0 s 吨，天然气探明 储量1 7 3 x 1 0 1 2 立方米。全球海洋石油资源量约1 3 5 0 x 1 0 s 吨，探明约3 8 0 x 1 0 s 吨；海洋天 然气资源约1 4 0 x 1 0 1 2 立方米，探明储量约4 0 x 1 0 1 2 立方米 3 1 。近年来，伴随着国际油价 的持续上涨，全球油气勘探开发( e & p ) 总投资规模不断扩大，其中海上油气e & p 投 资从2 0 0 1 年的约6 9 0 亿美元增长到2 0 0 5 年的约9 0 0 亿美元，增长约3 0 ；深海油气 e & p 投资增幅更大，从2 0 0 1 年的约9 2 亿美元增长到2 0 0 5 年的约1 4 0 亿美元，增长5 2 。 预计2 0 1 0 年，全球深海油气e & p 投资将达到约2 0 0 亿美元，较2 0 0 5 年增长4 3 4 1 。 根据第三次石油资源评价结果，我国海洋油气资源丰富，海洋石油资源量为2 4 6 x 1 0 8 吨，占全国石油资源总量的2 3 ；海洋天然气资源量为1 6 x 1 0 1 2 立方米，占总量的3 0 。 我国海洋石油探明程度为1 2 ，海洋天然气探明程度为1 1 。海洋油气整体处于勘探的 早中期，资源基础雄厚，产业化前景良好，是未来我国能源产业发展战略重点【5 6 】。在国 际油价持续高涨、国内陆地油气资源接近枯竭的严峻环境下，“我国的石油公司应把进 军深海作为一个重要的开发战略，并加紧落实；同时还应走出国门，参与境外海洋油气 资源的勘探与开发”。当前，我国海洋油气开采相关核心技术仍旧掌握在国外公司手中， 故对海洋油气开发中的勘探、开采、运输、维修、检测等设备进行国产化研究是当务之 急的大事。 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 “8 6 3 ”国家高技术研究发展计划海洋技术领域确定了“海洋油气资源勘探开发技术” 专题，专题围绕我国对油气资源的重大需求，瞄准世界海洋油气勘探开发技术发展的前 沿，加强自主创新技术的开发，在海洋油气勘探开发关键技术方面取得一批前瞻性研究 成果。中国海洋石油总公司正在建造3 0 0 0 m 深水铺管船，其计划在十一五期间要形成 3 0 0 0 m 海底管道铺设能力，而水下回接是深海管道铺设的重要组成部分1 7 8 l 。回接位置 精确测量设备与监控系统作为该专题的一个子课题，起到了相关深水作业设备工作的一 个初步检测、校准的作用，是其他设备工作的大前提，故该设备的研制，很是迫切【9 l 。 1 2 水下测量技术国内外研究现状 水下测量技术一直以来就是个技术难题，主要涉及水下设备密封、深水无人测量、 水动力对测量精度的影响，与测量精度的控制等问题，水下测量系统是一个很复杂的综 合系统。 在浅水区，水下测量可依托于潜水员辅助进行拉线测量，该测量技术长度误差 + _ 3 r a m ，角度误差o 5 0 ，设备结构简单、维护方便，但缺点就是，潜水员最大下潜深度 为3 0 0 m ，不足以进行深水辅助作业，图1 1 所示为潜水员辅助拉绳系统。 作业- 厶l 船, m m i i l f 毒麓 图1 1 潜水员辅助拉绳系统图1 2 水声测量系统 水声测量技术同样可以运用在水下测量系统中，国外有几家公司拥有相应产品，如 英国s o n a r d y n c 公司等。s o n a r d y n e 公司是世界上最大的水声定位系统产品设计、生产 单位，该公司已有3 0 多年研发和生产海洋地震探测系统水声定位装置( 即声鸟) 的经 历，其技术在国际上处于领先地位。 水声测量技术测量精度与水深有关，工作水深3 0 0 0 m ，定位精度最高可控制在 _ + 2 0 0 m m 。但其缺点是系统构成复杂，整个系统需要做大量的校准工作，操作过程极其 复杂。图1 2 所示为水声测量系统示意图。 2 第1 章绪论 图1 3 ( a ) 所示为n g i 公司的s m a r tw h 系统。n o r g c sg e o t c k n i s k ci n s t i t u t t ( 挪威， 简称n g i 公司) 是一家领先的地球科学国际研究和咨询中心，为社会提供对土壤，岩石 和雪的专业知识。主要工作在下列市场：石油，天然气和能源，建设，施工和运输，自 然灾害和环境技术。n g i 是一个私人基金会，其总部和实验室在奥斯陆，办公室设在特 隆海姆和附属在美国德克萨斯州的休斯顿。其将自己在海洋岩土测量上的技术运用到深 水设备的水下精确测量上。该设备采用无人拉绳系统，不受水深限制，长度精度可达 + 1 0 c m ) ，角度精度可达0 5 0 。优点是结构可靠，操作简单，适用于深水作业，其缺点 是要求较高的安装定位精度。图1 3 ( b ) 所示为s m a r tw h 系统的水下作业过程示意图， ( c ) 为该系统的具体结构组成。 l 八、羚八八 电缆 图1 3s m a r tw i r e 系统作业不惹及结构组成 其作业过程主要依赖水下机器人及作业机械臂的精确安装定位，随后系统自主完成 检测工作。如图1 4 给出了s m a r tw i r e 法兰相对位姿检测装置的主机测控系统结构组成。 其主要的测量物理量包括，伸出臂的垂直俯仰角、水平摆动角、检测绳长、以及水深计 深度值，其中伸出臂的转角检测主要依赖于绝对编码器检测技术，绳长检测则需要增量 式编码器，而水深计则用来检测两个测量装置的相对高度差【1 0 l 。利用以上测得的物理量， 经过一套计算方法，从而得出法兰的相对空间位姿。 图1 4s m a r tw i r e 系统测控系统组成 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 综合分析，结合课题实际要求出发，水下自动拉绳测量系统因其测量精度高，适应 水深范围广，最符合深海管道回接作业测量的要求。我课题组即根据s m a r tw i r e 的工作 原理，对该技术进行细致分析，随后仿照该系统进行设计、优化，研制加工出具有同等 指标的深水管道回接位姿测量装置，以满足相关要求。 1 3 深水测量检测系统研究现状 深水管道回接位姿测量装置为自动化拉绳位姿检测装备，其检测系统的水下设备主 要包括伸出臂摆角绝度角度测量、绳长检测、设备自身倾角检测、以及拉绳绞盘的动力 传递与控制；水上设备主要为数据的处理及运算算法、控制界面及通讯指令的处理，主 要由工控主机及信号调制设备组成。水上设备主要涉及稳定性，技术较为成熟，而水下 设备，则由于高水压( 1 5 m p a 以上) 的问题，涉及耐压、耐腐、密封等诸多问题，国内 外研究相对较少，下面对相关技术的研究现状进行简要介绍。 1 3 1 水下转角检测装置 在水下转角检测传感器领域，其主要涉及传感器的密封问题，现有的水下用角度检 测编码器主要有以下几类。 1 、动密封角度传感器 该类型的传感器主要采用动密封技术，将角度检测元件通过动密封件密封在内部， 通过传动轴将信号直接输入。如图1 5 所示，即为德国t w k 公司的t b x 5 0 编码器。霍 尔非接触式编码器t b x 5 0 系列，外径0 5 0 r a m 铝合金或不锈钢外壳，坚固耐用， i p 6 6 口6 9 k 的工业防护等级，导线接线或插头信号引出，分辨率为4 0 9 6 位圈，可应用 于机械工程，建筑机械，水下作业，包装机械等。 前舱滚珠轴承艘主舱检测电路 彳封装置 旋钮轴 0 1 2 磁体 检测霍尔元件 的a s i c 芯片 图1 5t w k 编码器 4 第1 章绪论 i i ii i 宣i i 该类传感器应动密封技术的限制，只具备一般深度的防水特性，t b x 5 0 编码器采用 金属骨架的油封技术，工作压力最大为0 3 m p a ，密封面线速度 4 m s 。故所能承受的压 力较小，适用于低转速的浅水领域( 3 0 m 水深以内) 使用。 2 、磁耦合角度传感器 文献【1 1 】给出了一种如图1 6 所示的磁耦合式角度传感器。该传感器本体采用一体 化加工而成，具有较好的密封性能，其左侧有一开口，利用密封盖进行密封，其上安有 水密性电缆，将检测信号传递出。其内部工作原理为，需要检测的旋转轴利用联轴器与 传感器的输入轴连接，磁耦合器分别安装在密封壳的两端，输入端将转轴的转动信号通 过磁力矩传递进密封壳内，磁耦合器输出端带动电位计的信号端旋转，即产生角度旋转 信号，用于检测。 亿 心。 雪 万篱 | l 口i j 杖 舌 o 电位计 q 器 图1 6 磁耦合角度传感器 文献【1 0 】中采用的耦合磁钢为两对磁极，且传递转矩为0 0 4 n m ，该磁耦合器尺寸较 小，但传递转矩也小，密封壳体的壁面也就要求较薄，故耐压能力一般，且存在磁步角 丢失、跟随不同步等问题。在对角度信号要求严格的场合亦可采用较大传递转矩的磁耦 合器来保证传递的精度，但设备的体积、质量将随磁耦合器的增大而增大。信号检测端 的电位计根据需要亦可换成其他高精度的编码器，如光电编码器等，可以实现整周转动 检测。 3 、霍尔角度传感器 该传感器是在霍尔角度编码器芯片( a n g u l a rm a g n e t i ce n c o d e ri c ) 技术的发展，检测 芯片与磁铁间距足够大，够设计密封壳体，实现静密封状态下的转角直接检测技术，该 类型传感器的典型代表为英国雷尼绍( r e n i s h a w ) 公司出品的r m 2 2 系列编码器，其外 观如图1 7 ( a ) 所示，( b ) 为该传感器的相对安装关系。 该传感器分为两部分，一为磁力架，一端直接连接旋转轴，另一端端部安有高精度 的磁铁，用于提供霍尔信号输入。另一部分为编码器本体，其完全封装在密封壳内，透 s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 过密封壳体表面感应磁铁的选择信号变化，进而输出角度变化信号，其对两部分的相对 位置精度要求较高，否则易输出错误的角度信号。霍尔角度编码器采用静密封技术，且 为直接角度检测方法，不存在角度损失及迟滞，是较为理想的水下角度检测传感器。但 雷尼绍公司所提供的该产品输出信号线的防护等级较低，水密性较差，仅能够在水深2 m 左右的范围内使用，短时使用最多可达l o m 水深。 1 3 2 水下动力装置 ( a )( b ) 图1 7r m 2 2 系列霍尔角度传感器 水下动力装置主要为水下设备提供动力源，使相关设备实现预定动作，其按动力源 类型大致分为液压型和电动型两种类型。 1 、液压型水下动力装置 液压传动又称为流体传动，主要利用两侧密封缸内液体的压力差实现滑动活塞的运 动。液压动力装置一般由动力元件( 油泵) 、执行元件( 油缸或液压马达) 、控制元件( 各 种阀) 、辅助元件和工作介质等五部分组成。 图1 8 水。卜4 功能液压机械手 用于水下的液压动力装置根据其动力元件是否放置于水下又分可为两类。普通液压 动力装置一般将动力源放在水面母船上，由母船供电带动动力装置，然后通过高压油管 6 第1 章绪论 向执行元件等提供动力。也有集成度较高的水下动力源。液压动力装置由于需要液压动 力源，故一般体积较为庞大，且随着下潜深度的增加，需要解决深水密封问题及水压力 补偿问题。由于液压传动本身就要求较高的密封效果，所以传统的液压动力装置经过简 单的密封处理即可用于浅水作业，而专用的深水作业液压动力装置，则需要进行水压补 偿的特殊改造【1 2 】。 如图1 8 所示为美国s c h i l l i n g 公司说设计的4 功能液压机械手o r i o n - 4 r ，液压动 力由母体提供，其耐压可达到6 5 0 0 m 水深，适用性极广泛。 2 、电动型水下动力装置 典型的电动动力装置即为电机，主要利用法拉第电磁感应定律，将电能转换为动能 产生旋转运动。在电机中，无刷电机由于没有碳刷存在，整个电机绕组由漆包线绕制而 成，只需解决好绕组线的防水保护，即能直接用于水下，大部分水下推进器即为这种结 构。现有的进口水下无刷交流伺服电机采用i p 6 7 保护等级，耐压达1 0 m p a 。 另一种将电机用于水下传动场合的方式为，将其输出轴进行较高等级的动密封，从 而达到防水的目的，如图1 9 所示。该种动密封结构的电机可达到4 5 m p a 的耐压，用 于4 5 0 m 水下作业( 1 3 - 1 4 1 。 图1 9 j 丁二深水作业的水卜电机密封结构 3 、静密封电动动力装置 由于动密封较难达到很高的密封效果，故逐渐产生了采用磁性联轴节作为动力传导 结构的静密封电动动力装置。具体说即设计一内外随动的磁连轴器，内转子安装在电机 输出轴上，外转子安装在水下设备上，内外转子间有隔离套，隔离套将电机和内转子密 封在其中，由于动力传递主要通过磁场这种非接触式介质，故密封采用静密封，可以达 到较高的耐压。t x s , 1 6 】 由于高水压因素的限制，深水领域的检测装置研究的较少，且传感器精度较差，针 对该情况，本文需要做出相应的创新，使深水测量装置能够满足设计需求。 7 哈尔滨工程大学硕十学位论文 1 4 本文主要内容 本文的研究内容属于“深水管道回接位姿测量系统”中检测系统部分，目的是确保整 套测量系统能够稳定可靠的工作，并为上位机传输回准确的数据，供其按预定算法得出 正确的测量结果。 在本文中，深水管道回接位姿检测系统研究主要涉及以下几方面内容： 1 、位姿检测系统整体方案研究。 在深水管道回接位姿测量系统实验样机设计的基础上，对设备的测控系统进行设 计，主要包括系统的总体结构组成、各传感器的设计与布置、电子仓的设计、控制器的 选择与设计、测控信号的编码与传输、通讯系统的布置等，确保整个检测系统工作可靠、 有效。 2 、高精度转角检测装置研究。 如前文水下转角检测装置国内外研究概况介绍，现有的编码器等均无法满足本项目 需求，故需要重新设计一可用于水下1 5 0 0 m 具有较高精度的转角检测装置。首先需要选 择较为理想的检测方式，其次需要挑选符合精度的传感器芯片，并针对其研究出可靠的 检测处理电路，然后需要对传感器进行耐压壳封装，使其能够符合设计要求。 3 、水下伺服绞车的研究。 绞车的主要作用是在工作时对测量用钢丝绳提供稳定的张紧力，使其满足检测需 求，该部分工作首先需要设计一套用于绞车动力的水下电动装置，同时需要对其中的电 机进行控制方法的设计，并制作出控制、驱动电路板，进行伺服绞车的调试，使水下绞 车满足设计要求。 4 、其他测控装置的研究。 水下检测系统中还有其他若干装置，同样需要进行研究，如倾角检测装置、水下配 电装置、输电设备等，针对水下应用环境，需要开展相应的研究工作，使其同样满足设 计需要。 5 、测控系统试验。 在完成以上设计研究工作的基础上，对整个设备的测控系统进行安装调试，保证各 个设备的正常工作，且通讯正常，同时对整个测量系统设备进行模拟试验，对设备进行 测量标定，以期达到设计要求。 8 第2 章检测系统整体研究 f i i i i i 第2 章检测系统整体研究 本章对整个深水管道回接位姿测量系统的结构组成进行研究，并在此基础上对检测 系统整体方案进行研究，明确检测系统的整体组成及相关核，心器件。 2 1 位姿测量系统构成 设计要求管道回接位姿测量系统需达到以下技术指标： 1 1 工作水深1 5 0 0 m ( 采用试验压力罐打压试验方法) ； 测量长度误差+ _ _ 5 0 r a m ( 在作业范围5 m 之内) ； 3 ) 测量角度误差1 0 ： 4 ) 被测物最大距离3 0 m ； 5 1 测量角度范围：0 1 2 0 0 。 依据以上指标及相关技术研究，设计完成的深水管道回接位姿测量系统整体结构如 图2 1 所示。 图2 1 深水管道位姿测量系统结构不葸图 该测量系统主要包括：测量装置i 、测量装置、拉绳绞盘及连接其的拉绳。在回 接管道位姿测量系统中，两个待测管道分别称为管道1 和管道2 ；实施测量工作前，先 在待测管道上预装底座1 和底座2 ，并在工作船上将测量装置i 和测量装置预置于r o v 前端，将拉绳绞盘安装于r o v 机体内：进行测量工作时，先操作r o v 携带检测设备下 潜到指定位置，利用机械臂将测量装置i 安装到底座1 上，并将拉绳挂至测量装置i 的 相关结构上，然后移动r o v 至管道2 工位上，操作机械臂将测量装置安装到底座2 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上，一切就位后，拉绳绞盘开始工作，将拉绳拉紧至预定拉力值，此时测量装置i 和测 量装置i i 上的结构达到检测要求状态，即可对各传感器进行数据采集，并将数据传输给 上位机，由其进行数据处理后得出所需的法兰测量参数。 测量系统的主体设备为测量装置i 与测量装置，其大致结构如图2 2 所示。在结 构上测量装置i 相对测量装置缺少绳长测量装置，其主要结构包括底板，其下侧安有 锥形头，用于与底座对接；底板上侧安有圆形电子仓，用于安放测控用电路板；底板前 侧安有支撑架，其支撑起旋转的伸出臂，旋转臂的俯仰旋转轴端安有一转角检测传感器， 左右摆动转轴端亦安有一转角检测传感器，伸出臂中穿有检测用钢丝绳，其能够随钢丝 绳的延展方向自由灵活摆动，转角检测传感器能快捷的检测伸出臂的绝对转动角度；伸 出臂上方为项板，其上安有供r o y 夹持的t 头；在测量装置的后方，还安装有用于 检测绳长的测量装置；各个转角传感器与电子仓之间、两个设备的电子仓之间通过水密 连接器进行连接，实现供电及通讯。 顶板t 头 伸出臂 支撑架 底板 对接头 绳长测量装置 转角传感器 水密连接器 电子仓 图2 。2 测量装置i i 结构示恿图 装置的绳长测量装置及项板通过侧板与底座固连，示意图中为表达内部结构，移除 了侧板。绳长测量装置采用检测绳包裹随动轮外缘，保证绳索的任一位移均能够带动检 测轮旋转，通过检测随动轮的转动角度来间接的计算绳长。 测量用钢丝绳的运动主要来自以下几个状态： 1 ) 设备安放阶段。r o v 携带设备进行的放绳运动，钢丝绳经绳长测量装置及测量 】0 第2 苹检测系统整体研究 装置向测量装置i 方向运动； 2 ) 张紧测量绳阶段。此时，测量装置已经安放到位，控制电动绞盘电机开始工 作，将张弛的测量绳拉紧至预定值，钢丝绳经测量装置h 过绳长测量装置向绞盘内运动； 对测量过程中。这个过程中，所有设备相对静止，测量绳受海流影响，将有微小 扰动，需要绳长检测装置有较好的跟随特性。 钔测量结束后。完成测量工作后，绞盘随r o v 回收设备的运动进行缓慢运动， 将钢丝绳收入绞盘内。 绳长检测装置同样需要水下转角检测传感器，只是该设备角度检测需区别于伸出臂 摆角检测编码器，伸出臂摆角检测编码器由于转角范围小于一圈，故主要需要较好的绝 对角度测量，而绳长检测装置上的传感器则需要多圈检测，即对角度需要实时检测及数 据处理。 2 2 检测系统整体方案研究 前文图1 5 已给出了国外相关测量设备的具体检测系统方案，其测量两个法兰相对 高度差主要依赖于水深计，而现有最先进的水深计仍受技术限制较难达到预定指标。故 本文将测控系统设计成如图2 3 所示的结构，以弥补垂直方向的测量精度。 测量装置i 测量装置绳长测量装置 磁耦合绞盘 图2 3 测控系统整体结构示意图 每个测量装置上配备两个编码器用于检测伸出臂的绝对摆动角，同时在装置的底板 1 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上安装正交倾角传感器，用于检查设备的倾角，测量装置上绳长测量装置具备编码器， 计算累计转角值用于测绳索长度。绞盘电机控制器及各个传感器均具备信号采集处理电 路，最终采用r s - 4 8 5 通讯协议，通过电缆传输至上位机，由其统一控制检测及电机控 制。 各传感器主要测得以下数据： 口，一测量装置l 与垂直面的夹角，由倾角传感器i 测得 羼一测量装置i 与水平面的夹角，由倾角传感器i 测得 靠一测量装置i 伸出臂水平摆角，由编码器1 测得 研一测量装置i 伸出臂俯仰摆角，由编码器2 测得 口b 一测量装置与垂直面的夹角，由倾角传感器测得 风一测量装置i i 与水平面的夹角，由倾角传感器h 测得 ，b 一测量装置i i 伸出臂水平摆角，由编码器3 测得 巩一测量装置伸出臂俯仰摆角，由编码器4 测得 ，l 一绳长测量装置检测绳长转角，由编码器5 测得 其中，l 乘以与检测轮直径有关的参数后，得具体伸出的绳长值i b 。 基于测量装置检测数据所建立的数学模型示意如图2 4 所示。 尻 图2 4 测量系统数学模型 第2 章检测系统整体研究 2 3 测控系统研究 根据测控系统的整体组成，给出如图2 5 所示的测控系统整体结构组成框图，并对 测控方案具体实施方法进行研究。 2 3 1 上位机系统 图2 5 测控系统结构组成 上位机采用便携式工控机，利用n a t i o n a li n s t r u m e n t sl a b v i e w 软件编制图形化显 示界面，嵌入串口通讯控件，通过r s 4 8 5 信号协议对水下分设备进行测控。 1 、通讯端口设计 7 工控机一般只具备通用串行通讯接口，不能满足项目需求。故在串行接口的后级加 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 装转换模块，使其具备r s 4 8 5 通讯功能，其输出采用9 针母头接口输出，以区分普通 串行9 针端口，转换模块及其与9 针接口接线示意如图2 6 所。 5 图2 6 上位机通讯口及9 针端口接线图 2 、测控界面设计 测控界面为软件操控面板，其主要分为3 部分，如图2 7 所示。 3 鳓”飞” 钠i。 鬻沁且刈张：三。一。 2 图2 7 测控界面及工控机外观 第1 部分为选项卡控件，在选项卡控件中包括多幅立体图和平面图，用来表达管道 的空间相对位置； 第2 部分为是海底管道位姿检测软件的操作部分，串口资源选项用来打开上位机的 串口资源，该处在项目中选定为“c o m 2 口”，串口资源选项下面的四个操作按键用来发 送控制电机的多条命令控制电机进行相应运动，按下“获取数据”按键是获得下位机采集 的传感器值，并进行算法处理； 第3 部由一个表格控件、一个字符串输入控件、三个按键构成，用于显示检测数据， 并将测量结果进行保存或者输出。 1 4 第2 章检测系统整体研究 3 、后台程序设计 该部分为上位机测控系统的核心构成，用于根据要求编译通讯协议对水下设备进行 访问控制，并将设备返回的结果进行编译读取，然后进行相关运算，得出相应的测量结 果。 2 3 2 水下设备系统 水下设备系统为整个测量系统的执行元件，包括水下编码器检测系统、倾角检测系 统、电动绞车电机伺服控制系统，以及水下供电模块。 1 、水下编码器 本文绪论1 3 1 介绍了几类现有的水下编码器，均无法实现本测量系统的设计要求。 故需要针对本设备特殊设计一种满足需求的深水编码器。 文献 1 7 2 3 1 给出了一种基于集成封装技术的三维霍尔角度、位置检测技术，其主要 依赖于相对位置严格设置封装起来的v i i 传感器，检测与其相隔一定距离的永磁铁在旋 转时的磁场强度、方向变化情况，并以正弦和余弦信号的形式输出，后级检测处理电路 通过处理此信号，可直接获得位置信号，以一定的采样频率采集信号，即可得转轴的旋 转加速度、速度等信息，即实现了绝对位置编码器的功能。 基于此非接触式角度直接检测技术，本文设计了一款可用于深水等复杂环境领域的 编码器，其结构简图如图2 8 所示。 图2 8 水下编码器结构简图 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其检测器件的组成分为密封腔体和水浸润两部分，密封腔体内为集成霍尔检测电路 及相关的处理电路，而水浸润部分则为与霍尔检测芯片配套的永磁铁，其为一枚表面严 格对称n 、s 磁化的s m 2 c 0 1 7 圆柱形永磁铁。将永磁铁镶嵌在磁铁架上，而磁铁架固接 在需要检测轴的输出端，当轴旋转时，其带动永磁体同步旋转，而磁力线穿透薄壁密封 壳体，在霍尔检测元件上得到响应，当霍尔检测元件与输出轴、永磁体处于同一旋转轴 线时，其上即产生有规律的信号变化，以反映当前旋转轴的角度变化。出于统一编码需 要，处理电路将检测到的角度信号储存在片内存储器内，采用r s 4 8 5 信号通讯，当接 收到访问信号后，其将当前角度信号编码，然后发送出去。 2 、电动伺服绞车 如绪论1 3 2 所阐述的，一般水下动力装置结构较为复杂，或者体积较为庞大，如 液压设备、水密电机；或者耐压能力差，如动密封电机。而采用磁耦合是解决设备体积、 密封性能较为合适的方式。如图2 9 所示，给出了采用磁耦合永磁联轴器方式设计的水 下绞车结构简图。其动力来自内部的无刷电机，无刷电机输出轴端安装有具有强磁性的 内磁路转子，当其随电机输出轴旋转时，将通过磁耦合的形式磁力穿透隔离套带动外磁 路转子运动，而外磁路端部与绞盘固接，即使绞盘实现旋转。 滑 图2 9 水下绞车结构简图 采用磁耦合的磁力驱动技术，可具有以下优点【2 禾3 0 】： 1 ) 可将轴传递动力的动密封转化为静密封，实现动力的零泄露传递； 1 6 头 第2 章检测系统整体研究 劲可避免振动传递，实现平稳运行； 3 ) 可实现过载保护； 4 ) 与刚性联轴器相比较，安装、拆卸、调试、维修均较方便； 5 ) 可净化环境，消除污染，实现文明生产。 3 、倾角检测 倾角检测主要是针对测量主机安装到被测法兰上后，检测法兰管道自身的倾斜角 度，以及安装底座相对管道轴线的倾斜角度。 在测量主机的设计中，将倾角传感器安装于主机的电子仓内，其所处环境相对稳定。 本处采用3 d m e m s 封装的双轴信号输出倾角传感器，其自身输出为模拟电压信号，经 a d 采样后输出1 3 位数字信号，该信号由后级电路获取后进行处理，亦以r s - 4 8 5 信号 编码形式向上位机传输。 4 、水下设备的供电 在整个水下设备系统中，各设备的供电电源类型均为直流电，但是涉及以下几种电 压类型： 1 ) 水下编码器一5 v ，信号电； 2 ) 倾角传感器一高精度5 v ，信号电； 3 1 倾角处理电路一v ，信号电； 铆水下绞车驱动_ 2 4 v ，功率电； 5 ) 绞车控制电路一1 2 v ，信号电。 图2 1 0 水下供配电系统框图 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由此可见，水下设备的供电种类较为复杂，故需针对此情况，设计水下供电电源模 块，简化由水面或r o v 提供的电源种类，节省水密电缆的配置。由于绞车电机的驱动 电压在工作时波动性较大，故将其作为单独供电，由上级直接提供2 4 v ，而其余的设备 主要为信号级供电，电流较小，故采用统一供电，由上级提供1 2 v 电，而后在主机电子 仓内转换为各个设备所需的电压值后在进行配电供电系统的整体结构如图2 1 0 所示。 2 4 本章小结 针对深水管道回接系统中所要进行的法兰端面位姿测量基本要求，设计了采用拉绳 测量方法的水下测量系统，主要包括测量装置l 、测量装置、拉绳绞盘及连接其的拉 绳。在系统整体设计的基础上，设计了检测系统的整体实施方案，并对测控系统分为水 面上位机系统，及水下设备系统，对两个系统所涉及的主要组成部分进行了具体的设计 与研究，以确保检测系统能够高效、可靠的完成测量任务。 1 8 第3 章水下编码器研究 第3 章水下编码器研究 针对前文所述的深水测量检测系统所需要的水下编码器系统，本章对其开展具体的 设计与研究。 3 1 编码器的基本设计 霍尔传感器是一种能将磁信号转换为电信号的传感器，其利用半导体材料的霍尔效 应，来测量磁场强度变化，般由磁敏元件、运算放大器、输出电路，及外围电路等组 成f 3 1 , 3 2 j 。而随着集成芯片技术的发展，产生了全集成二维角度位置传感器，其利用c m o s 技术将若干个霍尔传感器封装成一个芯片，通过检测芯片其正上方的永磁块旋转时的磁 场强度变化，实现角度检测1 3 3 3 4 j 。基于该非接触式霍尔角度检测芯片，设计了水下编码 器用于水下测量系统的角度检测，如图2 8 所示，其系统原理如图3 1 所示。 图3 1 理图 设计中选用英国雷尼绍( r e n i s h a w )司产品a m 8 1 9 2 b 磁编码器芯片( a n g u l a r m a g n e t i ce n c o d e rl o ，与其对应的检测用永磁材料尺寸为d 4 x 4 m m ，剩磁为1 0 s t 。芯 片的基本参数如表3 1 所示。 表3 1a m 8 1 9 2 b 芯片参数 检测角度范围 3 6 0 0 封装形式 l o f p 4 4 绝对编码器位数1 3 b i t芯片与磁铁间隙1 9 n l m 供电电压 5v 可检测的最大旋转速度 6 0 ，0 0 0r p m 3 2 编码器结构零件设计 3 2 1 耐压壳体设计 根据a m 8 1 9 2 b 芯片手册要求，芯片与磁铁表面的间距h 为1 7 0 2 1 0 r a m 时，方能 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i 保证检测用磁铁能够在芯片上产生足够强度的磁感应，以使芯片正确的检测到磁铁的角 度变化情况。故为保证检测精度，需要磁铁与霍尔芯片间的壳体足够薄才行，该处即成 为整个传感器的承压薄弱面，需要对其进行强度、刚度校核优化设计。 针对上述情况，确定耐压壳体的基本结构尺