本实用新型涉及测量系统领域，特别涉及一种角度测量装置及角度测量设备。
背景技术：
大型工程船尤其是海上铺管作业或铺缆作业的工程船，为了应对海上的海流、海浪等各种浪涌冲击，使工程船作业时能保持在预设位置或按照预设轨迹移动，常常需要使用锚泊定位系统；锚泊定位系统一般采用4台、6台、8台、12台等数量分布形式安装在甲板或绞车舱，定位锚抛入作业海域后，通过调节分布在各点位绞车收放时的出绳角度、张力大小、速度快慢，实现工程船在预定作业海域的锚泊定位或移船定位。
铺管船、铺缆船等工程船在海上作业时对船舶锚泊、移船的稳定性和安全性的要求都比较严格，但是由于海上作业时风、浪、流可能来自不同方向，作业海域外界影响不确定性大，因此需要实时掌握各点位抛锚的钢丝绳在垂直方向的角度变化，但是目前对于钢丝绳出绳垂直角度测量的方法却极其有限。
技术实现要素：
本实用新型的主要目的在于解决现有技术难以有效测量绞车钢丝绳出绳垂直角度的问题。
为实现上述目的，本实用新型的实施例公开了一种角度测量装置，用于测量海洋工程船绞车钢丝绳导索系统中钢丝绳的出绳垂直角度，绞车钢丝绳导索系统包括钢丝绳、圆筒结构、导索器以及固定于导索器的摆臂，导索器与圆筒结构连接，钢丝绳依次穿过圆筒结构和导索器，并从摆臂穿出，角度测量装置包括：大齿轮，与摆臂同轴连接，用于在摆臂带动下与摆臂同步转动；小齿轮，与大齿轮啮合；编码器，与小齿轮同轴连接，用于测量小齿轮的角位移；其中，出绳垂直角度为小齿轮的角位移与传动比的乘积，传动比为小齿轮齿数与大齿轮齿数的比值。
可选地，在本实用新型实施例提供的角度测量装置中，还包括：上挡件和/或下挡件，设置于导索器上，用于限制摆臂的转动范围。
可选地，在本实用新型实施例提供的角度测量装置中，摆臂设置有导向件，钢丝绳通过导向件从摆臂穿出。
可选地，在本实用新型实施例提供的角度测量装置中，导向件为两个间隔设置的滑轮，钢丝绳从两个滑轮的间隙中穿出。
相应地，本实用新型实施例还提供了一种角度测量设备，用于海洋工程船的绞车系统，包括：控制器、网关、显示装置以及至少一个上述任一实施例提供的的角度测量装置；其中，网关分别与控制器以及编码器连接；显示装置与控制器连接。
可选地，本实用新型实施例提供的角度测量设备，还包括倾角传感器，与控制器连接，用于测量甲板面相对于海平面之间的侧偏角。
可选地，在本实用新型实施例提供的角度测量设备中，显示装置为机械仪表或数字仪表或工业显示屏。
与现有技术相比，本实用新型的技术方案具有以下优点：
本实用新型实施例提供的角度测量装置，通过在摆臂处同轴设置大齿轮以及与大齿轮啮合的小齿轮，利用钢丝绳在外力作用下发生偏转时带动摆臂同步转动，从而使摆臂产生转动角度，摆臂进一步带动大齿轮同步转动，进而带动小齿轮和编码器转动的原理，由编码器获得钢丝绳的出绳垂直角度，实现对绞车钢丝绳出绳垂直角度的实时测量，进而能够在工程船在海上进行锚泊定位或移船定位时，有效判断甲板外绞车钢丝绳出绳垂直角度的状态，为设备稳定、安全地操作运行提供有力的保障。
附图说明
图1是本实用新型一实施例提供的绞车钢丝绳导索系统的主视剖面图；
图2是本实用新型一实施例提供的绞车钢丝绳导索系统的俯视剖面图；
图3是本实用新型一实施例提供的角度测量装置的主视图；
图4是本实用新型一实施例提供的角度测量装置的俯视图；
图5是钢丝绳偏转角度的立体示意图；
图6是钢丝绳拉力的矢量分解图；
图7是本实用新型一实施例提供的角度测量设备的示意图。
附图标记：
1编码器；2小齿轮；3大齿轮；4圆筒结构；5钢丝绳；6导索器；7摆臂；41轴结构；71定滑轮；100角度测量装置；200网关；300控制器；400显示装置；500倾角传感器。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。虽然本实用新型的描述将结合较佳实施例一起介绍，但这并不代表此实用新型的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作实用新型介绍的目的是为了覆盖基于本实用新型的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本实用新型的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本实用新型也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本实用新型的重点，有些具体细节将在描述中被省略。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
应注意的是，在本说明书中，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本实施例的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“固定”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实施例中的具体含义。
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的实施方式作进一步地详细描述。
如图1至图4所示，本实用新型一实施例提供了一种角度测量装置100，用于测量铺管工程船等各类海洋工程船的绞车钢丝绳导索系统中钢丝绳的出绳垂直角度。该绞车钢丝绳导索系统可以包括：钢丝绳5、圆筒结构4、导索器6以及固定于导索器6的摆臂7。圆筒结构4固定于甲板上，其包括外壳和设置于外壳内部的轴结构41，轴结构41与导索器6的外壳通过焊接的方式固定连接。沿第一方向(图2和图4中x方向所示)摆臂7连接于导索器6的两侧，具体的，摆臂7与导索器6可以通过转动轴连接，且转动轴平行于第一方向设置。即，摆臂7只可以相对于导索器6绕第一方向在第一平面内转动，其中第一平面是指由第二方向(图1至图4中y方向所示)和第三方向(图1和图3中z方向所示)构成的平面。本实用新型测量的出绳垂直角度是指钢丝绳与甲板面/海平面之间的夹角在垂直于第一方向的平面内(即第一平面内)的投影角度。导索器6内部具有第一定滑轮，且导索器6部分与摆臂7贯通连接，从而使得绞车钢丝绳穿过圆筒结构4，经由第一定滑轮改变方向后，从导索器6中穿过，再经由摆臂7到达船舷外并延伸至水下。进一步地，摆臂7内部可以设置用于钢丝绳5穿出的导向件，即钢丝绳5可以通过该导向件从摆臂7穿出，以实现钢丝绳5更平稳地穿出，避免了摆臂7对于钢丝绳5的切割力。具体地，导向件可以为两个间隔设置的定滑轮71，两个定滑轮71之间具有间隙，且该间隙略大于钢丝绳5的直径，使得钢丝绳能够恰好从间隙中穿出，以使当钢丝绳绕第一方向产生偏转时，能够带动摆臂7同步转动。
具体地，当钢丝绳5因受外力作用绕第一方向产生偏转时，由于钢丝绳5被夹在摆臂7的两个定滑轮71之间，且摆臂7可以通过转动轴相对导索器6转动，因此钢丝绳5会带动摆臂7绕第一方向同步转动。这里所说的绕第一方向的偏转即是在第一平面内的偏转，即钢丝绳5的出绳垂直角度的变化量与摆臂7绕第一方向的转动角度的变化量相等。
该角度测量装置100可以包括编码器1、小齿轮2以及大齿轮3，其中大齿轮3与小齿轮2相互啮合，且大齿轮3与摆臂7同轴连接，用于在摆臂7带动下与摆臂7同步转动；编码器1与小齿轮2同轴连接，用于测量小齿轮2的角位移。
如上所说，当钢丝绳5在外力作用下绕第一方向发生偏转(即在第一平面内发生偏转)时会带动摆臂7绕第一方向同步转动，进而带动与摆臂7同轴连接的大齿轮3和与大齿轮3啮合的小齿轮2转动，又因为编码器1与小齿轮2同轴连接，因此可以由编码器1获得小齿轮的角位移。值得注意的是，这里所说的利用该角度测量装置100测量的各类海洋工程船绞车钢丝绳导索系统中钢丝绳5的出绳垂直角度的变化量与大齿轮的转动角度相等，因此可以通过计算大齿轮3的转动角度和钢丝绳5的出绳垂直角度的初始值(已知)得到钢丝绳5的出绳垂直角度，而大齿轮3的转动角度与小齿轮2的角位移的比值为传动比，因此钢丝绳5的出绳垂直角度的变化量为小齿轮2的角位移与大、小齿轮的传动比的乘积，其中该传动比为大齿轮齿数与小齿轮齿数的比值。
在具体实施时，因受海流等外力作用，钢丝绳5在海面下的偏转方向是不固定的，如图5所示，以钢丝绳5的出绳位置为原点，第一方向为x轴，第二方向为y轴，第三方向为z轴，建立如图所示的直角坐标系，即钢丝绳5在第一平面yoz和/或第二平面xoz内均可能会发生偏转，其中第一平面yoz为由第二方向和第三方向构成的平面，第二平面xoz为由第一方向和第三方向构成的平面，第三平面xoy为由第一方向和第二方向构成的平面。
钢丝绳5转动角度的立体示意图如图5所示，钢丝绳5转动的角a是个综合立体角，难以直接测量，本实用新型技术方案所测量的钢丝绳5的出绳垂直角度为图5中所示的角θ，角θ可视为综合立体角a在第一平面yoz内的角度分量。
具体地，如上所述，钢丝绳5绕第一方向在第一平面yoz内发生偏转时，会带动摆臂7转动，且摆臂7的转动角度变化量与钢丝绳5在第一平面yoz内的偏转角度θ(即钢丝绳5的出绳垂直角度)的变化量相同，摆臂7进而带动大齿轮3同步转动，摆臂7的转动角度变化量与大齿轮3的转动角度相等；同时大齿轮3带动小齿轮2转动，由于编码器1与小齿轮2同轴连接，因此通过编码器1可以得到小齿轮2的角位移，再根据大齿轮3和小齿轮2的传动比，从而能够获得大齿轮3的转动角度(即摆臂7的转动角度变化量)，进而得到钢丝绳5相对于甲板面的出绳垂直角度变化量。进一步地，这里获得的出绳垂直角度变化量可以经控制器处理计算后再通过外接仪表或者显示屏等设备显示出出绳垂直角度数值。
进一步地，如图6所示，若使用者希望显示的钢丝绳的偏转角度不是钢丝绳在第一平面yoz内的偏转角度(即不是钢丝绳5带动摆臂7绕第一方向转动的角度)，而是希望显示钢丝绳在立体意义上的综合垂直偏转角度，则通过结合钢丝绳5在第二平面xoz内的偏转角度ψ(可以通过其他测量方案获取该角度数据)，应用数学中三维空间下的三角转换关系进行坐标系转换，获得钢丝绳5的立体综合角a数值。具体地，如图6所示，图中t代表钢丝绳5上的拉力作为数学中间变量，在与图5所示的相同的坐标系中，拉力t存在第一平面内的分量tyz和第二平面内的分量txz，利用数学三角关系可进一步分别表示出沿x轴和y轴的分量tx和ty，根据分量tx、ty与txy之间的三角关系，进而可推导出钢丝绳5的立体综合角a数值为
可选地，本实用新型实施例提供的角度测量装置100还可以包括设置在导索器6表面的上挡件和/或下挡件，用于限制摆臂7的转动范围。具体的，上挡件可以设置在摆臂7上方，用于限制摆臂7的向上摆动角度；下挡件可以设置在摆臂7与导索器6连接处的下方，用于限制摆臂7向下摆动的角度。
相应的，如图7所示，本实用新型还提供了一种可以用于海洋工程船的角度测量设备，包括：控制器300、网关200、显示装置400以及至少一个上述角度测量装置100，其中网关200分别与控制器300以及编码器1连接；显示装置400与控制器300连接。
具体地，显示装置400可以为机械仪表或数字仪表或工业显示屏。该角度测量设备可以用于工程船锚泊定位中的角度测量，由于工程船相对两侧具有多个绞车位置，每个绞车位置都会有相应的钢丝绳5深入水面，需要对这些伸入水面的全部钢丝绳5进行角度测量，以确保实时掌握工程船中各绞车钢丝绳5的入水垂直角度，因此可以分别对于每条入水的钢丝绳5均设置一个上述角度测量装置100，而这些设置的角度测量装置100则可以分别通过网关与控制器300连接。具体地，控制器300可以为包括通讯模块、cpu处理器以及其他功能模块的系统，用于处理并计算钢丝绳的出绳垂直角度。
具体地，网关200与编码器1可以采用网关附属电缆连接，将编码器1实时测量的角度数据转换后通过profibusdp通讯协议传输给控制器300；显示装置400可以进行测量角度的实时显示，可选地，当显示装置400为工业显示屏时，控制器300可以采用以太网方式使用网线与其连接。可选地，当显示装置400为机械仪表或数字仪表时，该仪表可以通过相应的电缆线与控制器300连接。
控制器300在显示系统中发挥着中央处理器的作用，对网关200传递的数据进行处理计算，随后传输给显示装置进行数据的实时显示。
控制器300中的数据计算可具体包括以下过程：假设大齿轮3齿数为z1，小齿轮2齿数为z2，则传动比g＝z2/z1；编码器1传递来的数据一般为十六进制，可以先在控制器300中转换为实数，转换后其预设初始值设为e0,实时当前值设为e1，其单圈分辨率为r，则实时测量的出绳垂直角度θ的计算公式简要表述为θ＝(e1-e0)/r*g*360°；需要说明的是，此时出绳垂直角度θ一般是相对于甲板面这个水平面而言的。
当工程船在海域作业时，由于有海浪的影响，船体平面可能会随波浪不断产生各个方向的倾斜，导致测量的出绳垂直角度可能出现偏差，这时可以借助倾角传感器对甲板平面与海平面之间的侧偏角进行辅助测量。可选地，角度测量设备还可以包括倾角传感器500，可以设置于船体某平面上，例如甲板、竖直墙面等位置，与控制器300连接，用于测量甲板面相对于海平面之间的侧偏角。值得注意的是，这里所说的甲板面相对于海平面之间的侧偏角具体是指甲板面与海平面之间的夹角在第一平面内的投影角。
具体地，倾角传感器500与控制器300可以根据不同传感器产品的通讯协议方式采用相应的通讯电缆连接；倾角传感器500可以测量船体甲板面相对于海平面之间的垂直侧偏角的实时数据，该数据可以经控制器300自动处理计算，假设倾角传感器500测量的数据处理后的角度实数值为h，该角度值h可为正值或负值，则钢丝绳5相对于海平面的出绳垂直角度为h1＝θ h。
采用本方案，可以实现对绞车钢丝绳5出绳垂直角度的实时测量与显示，能够在工程船在海上进行锚泊定位或移船定位时，有效判断甲板外绞车钢丝绳5出绳垂直角度的状态，为设备稳定、安全地操作运行提供有力的保障。
虽然通过参照本实用新型的实施方式，已经对本实用新型进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，以上内容是结合具体的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。本领域技术人员可以在形式上和细节上对其作各种改变，包括在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下做出若干简单推演或替换。
1.一种角度测量装置，用于测量海洋工程船绞车钢丝绳导索系统中钢丝绳的出绳垂直角度，所述绞车钢丝绳导索系统包括钢丝绳、圆筒结构、导索器以及固定于所述导索器的摆臂，所述导索器与所述圆筒结构连接，所述钢丝绳依次穿过所述圆筒结构和所述导索器，并从所述摆臂穿出，其特征在于，所述角度测量装置包括：
大齿轮，与所述摆臂同轴连接，用于在所述摆臂带动下与所述摆臂同步转动；
小齿轮，与所述大齿轮啮合；
编码器，与所述小齿轮同轴连接，用于测量所述小齿轮的角位移；
其中，所述出绳垂直角度为所述小齿轮的角位移与传动比的乘积，所述传动比为所述小齿轮齿数与所述大齿轮齿数的比值。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：上挡件和/或下挡件，设置于导索器上，用于限制所述摆臂的转动范围。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述摆臂设置有导向件，所述钢丝绳通过所述导向件从所述摆臂穿出。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述导向件为两个间隔设置的滑轮，所述钢丝绳从两个所述滑轮的间隙中穿出。
5.一种角度测量设备，用于海洋工程船的绞车系统，其特征在于，包括：控制器、网关、显示装置以及至少一个如权利要求1至4任一项所述的角度测量装置；其中，所述网关分别与所述控制器以及所述编码器连接；所述显示装置与所述控制器连接。
6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，还包括倾角传感器，与所述控制器连接，用于测量甲板面相对于海平面之间的侧偏角。
7.如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述显示装置为机械仪表或数字仪表或工业显示屏。
技术总结