一种基于透明桩体影像识别的局部冲刷实时监测实验装置的制作方法

1.本发明涉及桩体监测实验装置技术领域，具体涉及一种基于透明桩体影像识别的局部冲刷实时监测实验装置。


背景技术：

2.大直径单桩是海上风力机最为广泛采用的基础形式。大直径单桩基础具有良好的承载能力，可在风荷载及波流荷载作用下保证风机结构的稳定。大直径单桩基础在海流、波浪等海洋环境载荷的单独或联合作用下，桩基周围的海床表层土体受到马蹄涡和尾涡的冲蚀，易在桩身附近发生显著的局部冲刷，从而减小了大直径单桩的有效嵌入深度，对风机的安全运行产生不利影响，主要包括：(1)极大的削弱大直径单桩基础的水平承载能力，影响上部风机的运行安全；(2)减小桩基的自振频率，使得桩基自振频率与波浪的高频部分频率接近，进而导致波浪作用下的桩基动力响应更为剧烈；(3)使得桩基表面固定海底电缆的附属结构j-tube发生悬跨，影响其结构安全。因此，模型试验作为桩周冲刷的重要研究手段，在试验过程中对土体冲刷深度进行准确测量非常必要。
3.对模型试验过程中桩周土体冲刷深度的传统测量手段主要有超声波地形仪、激光测距仪、外部摄像等。上述方法在试验过程中易受环境干扰而影响测量精度：如超声波地形仪、激光测距仪会受到泥面附近悬浮颗粒物的影响而无法正常工作，且无法沿桩周实现连续测量。而外部摄像法则受到水体浑浊度、水体折射、拍摄角度等因素的干扰，从而对测量结果造成影响。
4.内部摄像方法已经在工程领域被广泛用于管桩、灌注桩成桩质量以及桩身损伤检测工作，该方法采用人工手段将摄像头深入桩身钻孔，以拍摄并检查桩身内部的空洞或裂缝。现有技术将内部摄像法用于试验室透明模型桩周围土体的冲刷深度测量。其采用一台步进电机带动设置在泥面深度附近的反光镜沿桩周转动，通过对反光镜中的像进行拍摄，并采用颜色梯度法对图像中的泥面位置进行识别，从而测量桩周冲刷深度。该方法虽然能获得较清晰的桩周冲刷影像，但由于其反射镜深度固定，当冲刷深度变化较大时将无法完整测量冲刷深度的演变过程。而且桩周冲刷深度的发展过程往往要经历数小时乃至十几小时，使用上述方法需要实验人员现场值班，并以手动开关电动机完成定时测量。这在试验后期冲刷深度变化速率极为缓慢时将造成巨大的时间浪费。
5.如何有效地解决上述技术问题，是目前本领域技术人员需解决的问题。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本发明提供了一种基于透明桩体影像识别的局部冲刷实时监测实验装置。
7.基于透明桩体影像识别的局部冲刷实时监测实验装置包括装置本体，所述装置本体包括中空透明的桩基模型，远离地面侧的所述桩基模型的端部连接有驱动系统，所述驱动系统连接有插入所述桩基模型内部的驱动轴，远离所述驱动系统侧的所述驱动轴的端部
连接有摄像头；
8.所述驱动系统带动所述驱动轴升降及旋转，所述摄像头随所述驱动轴进行同步升降及旋转。
9.进一步地，所述驱动系统包括动力源，所述动力源连接有间歇控制单元，所述间歇控制单元连接有往复控制单元，所述往复控制单元连接有回转控制单元。
10.进一步地，所述间歇控制单元包括：固定板；
11.所述固定板的一侧设置有第一轮组，所述第一轮组上连接有带通孔的皮带，所述固定板的另一侧设置有与所述第一轮组同轴的第一齿轮，所述动力源的输出轴的端部设置有与所述第一齿轮相啮合的蜗杆；
12.所述通孔上连接有第一接触块，所述动力源的输出轴上连接有第一离合臂，所述第一离合臂上设置有盲孔，所述盲孔内设置有控制所述摄像头的接触开关，所述第一离合臂的自由端上分别设置有第三齿轮以及可与所述第一接触块相碰触的第二接触块，所述动力源的输出轴上还设置有与所述第三齿轮通过链条相连接的传动齿轮。
13.进一步地，所述第一轮组包括第一皮带轮和第二皮带轮，所述第一皮带轮与所述第一齿轮同轴并且随第一齿轮的旋转而同步旋转。
14.进一步地，所述间歇控制单元还包括保持销，所述保持销在所述第一接触块碰触所述第二接触块过程中插入所述盲孔内并与所述接触开关相接触；
15.所述保持销上还设置有复位弹簧。
16.进一步地，所述往复控制单元包括：与所述述间歇控制单元相连接的第一控制机构，所述第一控制机构还连接有第二控制机构；
17.所述第一控制机构包括第一旋转轴，所述第一旋转轴上分别连接有轴托架以及与所述动力源的输出轴相连接的齿轮板，穿过所述齿轮板的所述第一旋转轴上设置有用于使所述第一旋转轴换向的第二齿轮组，所述第二齿轮组啮合有用于使所述第一旋转轴加速的第三齿轮组；
18.所述第二控制机构包括表面具有螺纹的第二旋转轴，所述第二旋转轴与所述第一旋转轴之间连接有联轴器，所述第二旋转轴外设置有防护壳，位于所述防护壳内的所述第二旋转轴上设置有同时与所述轴托架和所述防护壳相连接的固定环组件。
19.进一步地，所述第二齿轮组包括分别设置在所述第一旋转轴上的第六齿轮和第七齿轮，所述第六齿轮和所述第七齿轮啮合有第八齿轮，所述第八齿轮上连接有第一齿轮连接轴，所述第一齿轮连接轴的另一端连接有第九齿轮；
20.所述第三齿轮组包括与所述第九齿轮相啮合的第十齿轮，所述第十齿轮啮合有位于所述齿轮板上的第十一齿轮，所述第十一齿轮上设置有穿过所述齿轮板的蜗杆连接轴，所述蜗杆连接轴的另一端设置有第十二齿轮，所述第十二齿轮同时与所述第三齿轮相啮合。
21.进一步地，所述固定环组件包括与所述轴托架相连接的固定环，所述固定环上均匀设置有多个与所述防护壳相连接的弹簧顶珠；
22.位于所述防护壳内的所述第二旋转轴外设置有与所述固定环相连接的换向弹簧，远离所述固定环侧的所述换向弹簧端部连接有可沿第二旋转轴移动的所述第一限位盘，所述第一限位盘上铰接有多根连杆。
23.进一步地，所述回转控制单元包括：导向筒；
24.位于所述导向筒内的所述第二旋转轴上连接有升降环，所述导向筒的内侧壁上设置有导向槽；
25.与所述第二旋转轴相接触处的所述升降环上设置有升降环螺纹，所述升降环螺纹与所述第二旋转轴上的螺纹相连接，所述升降环上设置有多个在所述导向槽内滑动的导轮，所述升降环上还设置有供所述保持销穿过的环形槽。
26.进一步地，位于所述导向筒内远离所述第一限位盘侧的所述第二旋转轴端部设置有第二限位盘，靠近所述第二限位盘侧的所述升降环端部连接至所述驱动轴并且带动所述驱动轴升降及旋转；
27.远离所述第一限位盘侧的所述连杆端部与所述第二限位盘相铰接。
28.在本发明中，摄像头从桩基模型的桩身内部向外拍摄泥面位置，可避免因水面波动、水体折射、浑浊、拍摄角度非水平等因素造成的测量误差。
29.测量过程中，由驱动系统带动驱动轴使摄像头沿桩基模型的桩轴线和桩周进行扫描测量。摄像头随驱动轴带动，随驱动系统带动而实现升降及旋转。也就是说，重复升降及旋转动作直至完成桩周360度完整测量，最终实现对桩身轴向目标范围内桩周360度完全扫描，对发生较大深度冲刷的工况进行全程测量。
30.实验操作人员通过驱动系统对扫描时间间隔的任意设定。摄像头在设备驱动下完成一次扫描动作后，将按照实验者预设的时间间隔自动完成后续多次扫描。测量全过程无需实验操作人员进行任何操作，节约人力。
附图说明
31.图1是本发明提供的装置本体的结构示意图；
32.图2是本发明提供的驱动系统的结构示意图；
33.图3是本发明提供的间歇控制单元的正视立体结构示意图；
34.图4是本发明提供的间歇控制单元的后视立体的结构示意图；
35.图5是本发明提供的往复控制单元的正视立体结构示意图；
36.图6是本发明提供的往复控制单元的左视立体的结构示意图；
37.图7是本发明提供的回转控制单元的结构示意图；
38.图8是本发明提供的升降环和导向槽的结构示意图；
39.图9是本发明提供的导向槽的结构示意图；
40.附图标记：
41.1、桩基模型；
42.2、驱动轴；
43.3、稳定盘；
44.4、摄像头；
45.5、驱动系统；51、动力源；
46.52、间歇控制单元；521、固定板；522、第二皮带轮；523、第一皮带轮；524、第三齿轮；525、第一离合臂；5251、盲孔；5252、第二接触块；5253、第一扭力弹簧；526、保持销；5261、复位弹簧；527、皮带；5271、第一接触块；528、蜗杆；529、第一齿轮；
47.53、往复控制单元；531、第二齿轮组；5311、第六齿轮；5312、第七齿轮；5313、第八齿轮；5314、第九齿轮；532、第三齿轮组；5321、第十二齿轮；5322、第十齿轮；5323、第十一齿轮；533、轴托架；5331、齿轮板；534、第二旋转轴；535、固定环；5351、弹簧顶珠；536、换向弹簧；537、第一限位盘；538、连杆；539、防护壳；5391、联轴器；5392、第一旋转轴；
48.54、回转控制单元；541、导向筒；5411、导向槽；542、升降环；5421、导轮；5422、环形槽；543、第二限位盘。
具体实施方式
49.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。以下实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
50.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“连接”、“相连”等术语应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
51.本发明提供的一实施例，如图1所示，一种基于透明桩体影像识别的局部冲刷实时监测实验装置，包括装置本体，装置本体包括中空透明的桩基模型1，远离地面侧的桩基模型1的端部连接有驱动系统5，驱动系统5连接有插入桩基模型1内部的驱动轴2，远离驱动系统5侧的驱动轴2的端部连接有摄像头4。
52.驱动系统5带动驱动轴2升降及旋转，摄像头4随驱动轴2进行同步升降及旋转。
53.在本实施例中，桩基模型1嵌入模拟海床的目标深度，桩顶位于水面以上目标高度。
54.摄像头4从桩基模型1的桩身内部向外拍摄泥面位置，可避免因水面波动、水体折射、浑浊、拍摄角度非水平等因素造成的测量误差。
55.测量过程中，由驱动系统5带动驱动轴2使摄像头4沿桩基模型1的桩轴线和桩周进行扫描测量。摄像头4随驱动轴2位移，随驱动系统5的带动而实现单次或多次重复的升降及旋转。也就是说，重复升降及旋转动作直至完成桩周360度完整测量，最终实现对桩身轴向目标范围内桩周360度完全扫描，对发生较大深度冲刷的工况进行全程测量。
56.实验操作人员通过驱动系统5对扫描时间间隔的任意设定。摄像头4在设备驱动下完成一次扫描动作后，将按照实验者预设的时间间隔自动完成后续多次扫描。测量全过程无需实验操作人员进行任何操作，节约人力。
57.本发明提供的又一实施例，如图2所示，驱动系统5包括动力源51，动力源51连接有
间歇控制单元52，间歇控制单元52连接有往复控制单元53，往复控制单元53连接有回转控制单元54。
58.在本实施例中，动力源51为匀转速电动机。驱动系统5完全采用机械传动原理进行设计，无需伺服系统或其他电磁学控制装置，工作可靠。驱动系统5及其驱动功能仅需一台匀转速电机作为动力源51，对电动机转速、转向控制无任何额外要求，便于一般实验室使用。
59.本发明提供的又一实施例，结合图3和图4，间歇控制单元52包括：固定板521。
60.固定板521的一侧设置有第一轮组，第一轮组上连接有带通孔的皮带527，固定板521的另一侧设置有与第一轮组同轴的第一齿轮529，动力源51的输出轴的端部设置有与第一齿轮529相啮合的蜗杆528。
61.通孔上连接有第一接触块5271，动力源51的输出轴上连接有第一离合臂525，第一离合臂525上设置有盲孔5251，盲孔5251内设置有控制摄像头4的接触开关，第一离合臂525的自由端上分别设置有第三齿轮524以及可与第一接触块5271相碰触的第二接触块5252，动力源51的输出轴上还设置有与第三齿轮524通过链条相连接的传动齿轮。
62.在本实施例中，通孔的数量以相邻通孔之间的距离可根据测量间隔需要而预先设置，实验操作人员根据测量间隔需要，将目标数量的第一接触块5271固定在目标距离的通孔上。
63.第一离合臂525围绕动力源的51输出轴转动。
64.动力源51工作过程中，带动蜗杆528旋转，蜗杆528带动第一齿轮529旋转，第一齿轮529带动第一轮组旋转，从而带动皮带527和第一接触块5271缓慢运动。当第一接触块5271与第二接触块5252相接触时，第一接触块5271将推动第一离合臂525使第三齿轮524与往复控制单元53中第三齿轮组532的第十二齿轮5322相啮合，从而为往复控制单元53和和回转控制单元54提供动力。
65.开始测量时，保持销526插入盲孔5251内并触发接触开关，使位于水下的摄像头4开始采集影像。此时，当第一接触块5271不再与第二接触块5252相接触时，也可使第三齿轮524与第十二齿轮5321继续啮合以维持传动。第一离合臂525和动力源51的输出轴的连接处设置有第一扭力弹簧5253，当摄像头4沿桩周和桩轴线完成一次完整测量后，保持销526随位于水下的摄像头4的上升被顶出盲孔5251，第一离合臂525在第一扭力弹簧5253的作用下与第三齿轮组532脱离啮合，使传动停止，同时摄像头4停止采集影像。其中，保持销526随位于水下的摄像头4的上升被顶出盲孔5251，是升降环542带动驱动轴2及位于水下的摄像头4上升的同时，将保持销526顶出盲孔5251。
66.齿轮板5331和动力源51的输出轴的连接处设置有第二扭力弹簧。
67.为了说明第一齿轮529带动第一轮组旋转，并且说明皮带527在第一轮组上转动，本发明提供的又一实施例，结合图3和图4，第一轮组包括第一皮带轮523和第二皮带轮522，第一皮带轮523与第一齿轮529同轴并且随第一齿轮的旋转而同步旋转。
68.为了进一步地说明保持销526，本发明提供的又一实施例，如图3所示，间歇控制单元52还包括保持销526，保持销526在第一接触块5271碰触第二接触块5252过程中插入盲孔5251内并与接触开关相接触。
69.保持销526上还设置有复位弹簧5261。
70.本发明提供的又一实施例，结合图5和图6，往复控制单元53包括：与述间歇控制单元52相连接的第一控制机构，第一控制机构还连接有第二控制机构。
71.第一控制机构包括第一旋转轴5392，第一旋转轴5392上分别连接有轴托架533以及与动力源52的输出轴相连接的齿轮板5331，穿过齿轮板5331的第一旋转轴5392上设置有用于使第一旋转轴5392换向的第二齿轮组531，第二齿轮组531啮合有用于使第一旋转轴5392加速的第三齿轮组532。
72.第二控制机构包括表面具有螺纹的第二旋转轴534，第二旋转轴534与第一旋转轴5392之间连接有联轴器5391，第二旋转轴534外设置有防护壳539，位于防护壳539内的第二旋转轴534上设置有同时与轴托架533和防护壳539相连接的固定环组件。
73.在本实施例中，第三齿轮组532带动第二齿轮组531旋转，从而带动第一旋转轴5392。
74.第一旋转轴5392安装在轴托架533上，并可相对轴托架533转动。第二旋转轴534可相对于第一旋转轴5392沿轴向自由移动。
75.固定环组件在防护壳539内依据预设要求进行升降和旋转，从而带动摄像头4按照预设要求进行升降和旋转。
76.为了说明第二齿轮组531和第三齿轮组532的具体连接关系，本发明提供的又一实施例，结合图5和图6，第二齿轮组531包括分别设置在第一旋转轴5392上的第六齿轮5311和第七齿轮5312，第六齿轮5311和第七齿轮5312之间啮合有第八齿轮5313，第八齿轮5313上连接有第一齿轮连接轴，第一齿轮连接轴的另一端连接有第九齿轮5314。
77.第三齿轮组532包括与第九齿轮5314相啮合的第十齿轮5322，第十齿轮5322啮合有位于齿轮板5331上的第十一齿轮5323，第十一齿轮5323上设置有穿过齿轮板5331的蜗杆连接轴，蜗杆连接轴的另一端设置有第十二齿轮5321，第十二齿轮5321同时与第三齿轮524相啮合。
78.在本实施中，第八齿轮5313分别与第六齿轮5311或第七齿轮5312相啮合。
79.第十齿轮5322包括锥齿轮和平齿轮，锥齿轮和平齿轮共轴且固定，第十齿轮5322中的平齿轮与第十一齿轮5323相啮合，锥齿轮与第九齿轮5314相啮合。从而使第十齿轮5322、第十二齿轮5321和第十一齿轮5323形成一个加速装置组，提高摄像机的移动速度。
80.本发明提供的又一实施例，结合图5和图6和图7，固定环组件包括与轴托架533相连接的固定环535，固定环535上均匀设置有多个与防护壳539相连接的弹簧顶珠5351；
81.位于防护壳539内的第二旋转轴534外设置有与固定环535相连接的换向弹簧536，远离固定环535侧的换向弹簧536端部连接有可沿第二旋转轴534移动的第一限位盘537，第一限位盘537上铰接有多根连杆538。
82.在本实施例中，固定环535上沿环向加工有两道凹槽，可使固定环535相对第二旋转轴534沿轴向自由移动，靠近第一旋转轴5392侧的固定环535上与轴托架533相连接。
83.开始测量时，升降环542上表面与保持销526的下端相接触。保持销526在复位弹簧5261的牵引下，随着升降环542向下移动，直至保持销526上端插入盲孔5251中。此时位于水下的摄像头4开始拍摄，第三齿轮524与第三齿轮组532中的第十二齿轮5321保持啮合。
84.当升降环542向下移动并与第二限位盘543接触时，第二限位盘543向下移动，同时通过连杆538带动第一限位盘537向下移动，并进一步使换向弹簧536张拉。当换向弹簧536
张力增大到其自身张拉临界值时，固定环535克服弹簧顶珠5351的锁定力后突然下降，弹簧顶珠5351嵌入到固定环535上的相邻凹槽后继续锁住固定环535。固定环535的下降带动轴托架533和第一旋转轴5392下降，从而使第二齿轮组531的啮合齿轮方向发生改变，并进而改变第一旋转轴5391的转动方向和升降环542的运动方向。
85.当升降环542向上移动并与第一限位盘537接触时，第一限位盘537向上移动，引起与当升降环542向下移动并与第二限位盘543接触过程中相反的传动过程，从而再次改变第一旋转轴5392的转动方向以及升降环542的运动方向。
86.本发明提供的又一实施例，结合图7、图8和图9，回转控制单元54包括：导向筒541；
87.位于导向筒541内的第二旋转轴534上连接有升降环542，导向筒541的内侧壁上设置有导向槽5411；
88.与第二旋转轴534相接触处的升降环542上设置有升降环螺纹，升降环螺纹与第二旋转轴534上的螺纹相连接，升降环542上设置有多个在导向槽5411内滑动的导轮5421，升降环542上还设置有供保持销526穿过的环形槽5422。
89.在本实施例中，回转控制单元54使升降环542自上而下或自下而上完成一次扫描后，围绕第二旋转轴旋转一定角度。
90.导向槽5411为纵向和倾斜相连通，使升降环542上的导轮5421在导向槽5411内滑动，从而实现升降环542的上升、下降。
91.导向槽5411为水平和倾斜相连通，使升降环542上的导轮5421在导向槽5411内滑动。
92.当摄像头4沿桩基模型1的桩周旋转不满一周，升降环542上升时，保持销526下端顺利通过升降环542上设置的环形槽5422，从而使升降环542的上升不会导致保持销526被向上推动，第一离合臂525维持传动状态。当摄像头4沿桩周回转一周、完成全部测量后，升降环542边缘无环形槽5422的位置将正对保持销526，升降环542上升将接触保持销526并将保持销526向上推动，使第三齿轮524与第三齿轮组532中的第十二齿轮5321脱离啮合，间歇控制单元失去动力而暂停工作。
93.本发明中的环形槽5422为沿环形排列的竖向沟槽。
94.本发明提供的又一实施例，结合图7、图8和图9，位于导向筒541内远离第一限位盘537侧的第二旋转轴534端部设置有第二限位盘543，靠近第二限位盘543侧的升降环542端部连接至驱动轴2并且带动驱动轴2升降及旋转(由于图7中为了展示第二旋转轴，故未示出靠近第二限位盘侧的升降环端部连接至驱动轴)。
95.远离第一限位盘537侧的连杆538端部与第二限位盘543相铰接，使第一限位盘537和第二限位盘543实现同步升降。
96.在本实施例中，第一限位盘537和第二限位盘543均可相对于第二旋转轴534沿轴向自由移动。
97.在本发明中，为了增加靠近模拟海床侧的驱动轴2端部的稳定性，靠近模拟海床侧的驱动轴2上设置有稳定盘3。稳定盘3的直径小于桩基模型1的内径，并随驱动轴2转动。
98.以上所述并非是对本发明的限制，最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明。本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对
其中部分技术特征进行等同替换，在不偏离本发明精神的基础上所做的修改或替换，均属于本发明要求保护的范围。