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：
高端海洋工程装备作为国家重点培育的高端制造业，是一个国家核心竞争力的重要标志之一，其中，工程船尤其是大型海上铺管船是高端海洋工程装备的重要成员，这些大型工程船在进行海上作业时，为应对海洋浪涌影响，通常需要借助锚泊定位系统进行定位。
锚泊定位系统作业时对稳定性和安全性都有较高的要求，因此需要实时掌握甲板外钢丝绳出绳的张力、角度等数据。目前更多的是对于钢丝绳出绳张力的测量，比如专利号为cn201010585118.7的专利文献通过测量轴承座上安装的钢丝绳测力传感器的力以及测量钢丝绳测速传感器的数据，进而确定钢丝绳的长度和其在钢丝绳卷筒的位置，再由钢丝绳在钢丝绳卷筒的位置进行钢丝绳力的计算，最终确定钢丝绳的张力。但是对于钢丝绳出绳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水平角度，绞车钢丝绳导索系统包括导索器、钢丝绳以及圆筒结构，导索器与圆筒结构连接，钢丝绳穿过圆筒结构内部并通过导索器穿出，钢丝绳沿周向偏转时带动导索器和圆筒结构沿周向同步转动，其中，周向是指环绕圆筒结构的轴线的方向，该角度测量装置包括：传动结构，与圆筒结构连接，用于在圆筒结构的带动下进行转动；编码器，连接于传动结构；传动结构包括第一传动轮与第二传动轮，第一传动轮与圆筒结构同轴连接，用于在圆筒结构的作用下带动第二传动轮转动；第二传动轮与编码器同轴连接；编码器用于测量第二传动轮的角位移；其中，出绳水平角度为第二传动轮的角位移与传动结构的传动比的乘积，传动比为第二传动轮齿数与第一传动轮齿数的比值。
可选地，在本实用新型实施例提供的角度测量装置中，第一传动轮为大链轮，第二传动轮为小链轮，传动结构还包括：套设于大链轮与小链轮的链条。
可选地，在本实用新型实施例提供的角度测量装置中，圆筒结构包括：外壳与套设于外壳内部的轴结构，轴结构的第一端与大链轮同轴连接，轴结构的第二端与导索器连接。
可选地，在本实用新型实施例提供的角度测量装置中，轴结构为环形轴。
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，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俯仰角。
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，通过在圆筒结构处设置传动结构，利用钢丝绳在外力作用下发生偏转时带动导索器绕圆筒结构的轴线转动，从而使导索器产生偏转角度，导索器可以通过圆筒结构带动传动结构转动，进而带动编码器转动的原理，由编码器获得钢丝绳的出绳水平角度，实现对绞车钢丝绳出绳水平角度的实时测量，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水平角度的状态，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俯视图；
图4是本实用新型一实施例提供的角度测量装置的侧视图；
图5是本实用新型一实施例提供的角度测量装置的主视图；
图6是钢丝绳偏转角度的立体示意图；
图7是钢丝绳拉力的矢量分解图；
图8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大链轮；2小链轮；3编码器；4圆筒结构；5钢丝绳；6导索器；7摆臂；8链条；10传动结构；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。
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海洋工程船绞车钢丝绳导索系统中钢丝绳5的出绳水平角度。参考图1至图3，海洋工程船上的绞车钢丝绳导索系统可以包括导索器6、钢丝绳5以及圆筒结构4，导索器6与圆筒结构4连接。本实用新型测量的出绳水平角度是指钢丝绳与甲板面/海平面之间的夹角在垂直于圆筒结构4轴线的平面内的投影角度。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。导索器6上设置有连接于导索器6的两侧的摆臂7，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(图3和图4中x方向所示)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，其中第一平面与第一方向垂直，其是指由第二方向(图3和图5中y方向所示)和第三方向(图3和图5中z方向所示)构成的平面。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具有两个间隔设置的定滑轮71，且两个定滑轮71之间的间隙略大于钢丝绳5的直径，使得钢丝绳5能够从两个定滑轮71的间隙中穿出。具体地，导索器6为一垂直向下可相对船体前后偏转的导索结构，即导索器6可以在由第一方向和第三方向构成的第二平面内转动，其中第二平面与垂直于圆筒结构轴线的平面相互平行。当钢丝绳5因受外力作用沿周向产生偏转时，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与导索器6沿周向相对静止，因此钢丝绳5会带动摆臂7和导索器6沿周向同步转动。这里的周向是指环绕圆筒结构4的轴线的方向，为描述简便，将圆筒结构轴线的方向简称为轴向(如图1至图3中方向m所示)，轴向与第二方向平行。即沿周向的转动是位于第二平面内的转动。并且因为导索器6的外壳与圆筒结构4的轴结构41固定连接，因此当导索器6周向转动时也会带动圆筒结构4的轴结构41同步转动，即导索器6的转动方向和转动角度分别与圆筒结构4中轴结构41的转动方向和转动角度相同，即导索器6和圆筒结构4中的轴结构41均是绕轴向m周向转动，且转动角度相同。
参考图3至图5，角度测量装置100可以包括编码器3以及传动结构10。圆筒结构4固定于甲板上，与传动结构10连接，传动结构10能够随圆筒结构4的转动而转动，编码器3与传动结构10连接。具体地，传动结构10可以包括：第一传动轮与第二传动轮，第一传动轮与圆筒结构4同轴连接，用于在圆筒结构4的作用下带动第二传动轮转动；第二传动轮与编码器3同轴连接；编码器3用于测量第二传动轮的角位移。
当钢丝绳5在外力作用下发生偏转时会带动导索器6绕圆筒结构的轴线转动，从而使导索器产生偏转角度β，导索器6可以通过圆筒结构4带动传动结构10转动，进而带动编码器3转动，从而由编码器3获得相应的偏转角度β信息。值得注意的是，这里所说的利用该角度测量装置100测量的海洋工程船绞车钢丝绳导索系统中钢丝绳5的出绳水平角度与导索器的偏转角度β以及第一传动轮的角位移相等，因此可以通过计算第一传动轮的角位移得到钢丝绳5的出绳水平角度，而第一传动轮的角位移与第二传动轮的角位移的比值为传动比，因此钢丝绳5的出绳水平角度为第二传动轮的角位移与传动结构10的传动比的乘积，传动比为第二传动轮齿数与第一传动轮齿数的比值。
具体地，传动结构10可以为链条传动，也可以为齿轮传动。考虑到安装简易程度以及成本等问题，可选地，参考图4，传动结构10可以为链条传动，即第一传动轮可以为大链轮1、第二传动轮可以为小链轮2，该传动结构10还可以包括套设于大链轮1与小链轮2的链条8；其中,大链轮1与圆筒结构4同轴连接，进一步地，大链轮1与圆筒结构4中的轴结构41固定连接，因此大链轮1能够在轴结构41的带动下产生同步转动；小链轮2与编码器3同轴连接，编码器3可以用于检测小链轮2的角位移。小链轮2可以固定安装在圆筒结构4附近，以缩短链条8的长度，减少成本。圆筒机构4中的轴结构41的第一端与大链轮1同轴连接，其第二端与导索器6同轴连接。这样，当导索器6在钢丝绳5作用力下周向转动时，会带动圆筒结构4中的轴结构41同步转动，进而再带动大链轮1同步转动。可选的，轴结构41可以为环形轴，这样既减轻了该测量装置的重量，又节约成本。
在具体实施时，因为受海流等外力作用，因此钢丝绳5在海面下的偏转方向是不固定的，如图6所示，以钢丝绳的出绳位置为原点，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与第一方向垂直，即第一平面为由第二方向和第三方向构成的平面，第二平面xoz与第二方向垂直，即第二平面为由第一方向和第三方向构成的平面，第三平面xoy与第三方向垂直，即第三平面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6所示，钢丝绳5转动的角a是个综合立体角，本实用新型技术方案所直接测量的钢丝绳5的出绳水平角度为图6中所示的角θ，角θ可视为综合立体角a在第二平面xoz内的角度分量。
具体地，如上所说，钢丝绳5绕轴向在第二平面xoz内发生偏转时，会带动导索器6转动，且导索器6的偏转角度β与钢丝绳5在第二平面xoz内的偏转角度θ(即钢丝绳5的出绳水平角度)相同，导索器6进而带动圆筒结构4中的环形轴和大链轮1同步转动，导索器6的偏转角度β与大链轮1的角位移相等；同时大链轮1通过链条8带动小链轮2转动，由于编码器3与小链轮2同轴连接，因此通过编码器3可以得到小链轮2的转动角位移，再根据大链轮1和小链轮2的传动比，从而能够获得大链轮1的角位移(即得到导索器6的偏转角度β)，进而得到钢丝绳5相对于甲板面的出绳水平角度。进一步地，这里获得的出绳水平角度可以经控制器处理后，再通过外接仪表或者显示屏等设备显示出来。
进一步地，如图7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二平面xoz内的偏转角度(即不是钢丝绳5带动导索器6绕第二方向转动的角度)，而是希望显示钢丝绳的转动角在船体甲板这个平面上的投影角度ω(即在第三平面xoy内的投影角度)，此时可以通过结合钢丝绳5在第一平面yoz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在第三平面xoy内的投影角度ω。具体地，如图7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6所示的相同的坐标系中，利用力的矢量分解，将拉力t分别分解为第一平面内的分量tyz和第二平面内的分量txz，然后分别计算出拉力沿x轴和y轴的分量tx和ty，钢丝绳在第三平面内的投影角度
相应的，如图8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3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的入水水平角度，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水平角度。
具体地，网关200与编码器3可以采用网关附属电缆连接，将编码器3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：假设传动结构10中大链轮1齿数为z1，小链轮2齿数为z2，则传动结构10的传动比g＝z2/z1；编码器3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，则实时测量的出绳水平角度θ的计算公式简要表述为θ＝(e1-e0)/r*g*360°；需要说明的是，此时出绳水平角度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，导致测量的出绳水平角度可能出现偏差，这时可以借助倾角传感器对甲板平面与海平面之间的俯仰角进行辅助测量。可选地，角度测量设备还可以包括倾角传感器500，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俯仰角。值得注意的是，这里所说的甲板面相对于海平面之间的俯仰角具体是指甲板面与海平面之间的夹角在第二平面内的投影角。
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水平俯仰角的实时数据，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水平角度为h1＝θ h。
采用本方案，可以实现对绞车钢丝绳5出绳水平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出绳水平角度的状态，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水平角度，所述绞车钢丝绳导索系统具有导索器、钢丝绳以及圆筒结构，所述导索器与所述圆筒结构连接，所述钢丝绳穿过所述圆筒结构内部并通过所述导索器穿出，所述钢丝绳沿周向偏转时带动所述导索器和所述圆筒结构沿周向同步转动，其中，所述周向是指环绕所述圆筒结构的轴线的方向，其特征在于，所述角度测量装置包括：
传动结构，与所述圆筒结构连接，用于在所述圆筒结构的带动下进行转动；
编码器，连接于所述传动结构；
所述传动结构包括第一传动轮与第二传动轮，所述第一传动轮与所述圆筒结构同轴连接，用于在所述圆筒结构的作用下带动所述第二传动轮转动；所述第二传动轮与所述编码器同轴连接；所述编码器用于测量所述第二传动轮的角位移；
其中，所述出绳水平角度为所述第二传动轮的角位移与所述传动结构的传动比的乘积，所述传动比为所述第二传动轮齿数与所述第一传动轮齿数的比值。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一传动轮为大链轮，所述第二传动轮为小链轮，所述传动结构还包括：套设于所述大链轮与所述小链轮的链条。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述圆筒结构包括：外壳与套设于所述外壳内部的轴结构，所述轴结构的第一端与所述大链轮同轴连接，所述轴结构的第二端与所述导索器连接。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述轴结构为环形轴。
5.一种角度测量设备，用于海洋工程船，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俯仰角。
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