一种双向容积式浮力调节装置及其测试装置与测试方法与流程

本发明涉及水下勘探设备及周边配套设备技术，具体是涉及一种双向容积式浮力调节装置及其测试装置与测试方法。

背景技术：

随着目前对海洋研究的不断深入，海洋数据的采集越来越离不开潜水器的帮助，然而在不同区域、不同深度下海水的密度可能出现偏差，潜水器因任务需要所携带配重也不同，上述情况都会造成潜水器自身的浮力变化，为实现潜水器在水中上浮、下潜以及定深控制的稳定，需要为潜水器配备浮力调节装置。

浮力调节方式可分为容积式与重力式，容积式主要是不改变自身重力的条件下改变排水体积使其浮力发生变化；重力式主要是在不改变排水体积的条件下改变自身重量使其浮力发生变化。重力式调节方式主要用于深海的浮力调节，其结构复杂、体积较大，不适用于中小型水下设备。

现有技术中，如专利cn201711387767.4公开了一种水下浮力调节装置，其利用高压气动系统，采用高压气体源作为浮力调节驱动力。该装置相较于传统的浮力调节系统重量轻，维护成本低，但因高压气瓶使用时间有限，难以做到长时间重复调节。并且随水深增加，环境压力变大，较难做到浮力的精确控制。再如专利cn201610147200.9公开了一种浮力调节装置，该装置利用曲柄滑块原理实现左右推箱双向运动，使包裹在左右推箱上弹性囊扩张与收缩以达到浮力调节效果，但曲柄转动与推箱直线移动为非线性关系，且推力的作用点随滑块位移不断改变，导致该装置执行系统可靠性不高，难以实现浮力的持续调节。又如专利cn201510679709.3公开了一种水下机器人自排油式浮力调节装置，该装置使用液压泵将蓄能器中的油液排入皮囊，通过改变皮囊体积实现浮力调节，但水下设备装载空间有限，该装置浮力调节量相对于自身体积所占比例较小，浮力调节容积比较低，并当蓄能器油液体积改变时，重心会发生相应偏移，较难保证装置在水中的平衡状态。

此外，涉及浮力调节装置的测试装置，如专利cn201611181548.6公开了一种水下航行浮心测量方法，该装置通过在航行器的前后两处悬挂钩秤，并设置参考点以力矩平衡公式获得浮心坐标，但上述方法检测对象为形状固定的物体，不适用于检测形状变化时装置的水下参数。

技术实现要素：

发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种能精确控制浮力且容积比高、稳定性高的一种双向容积式浮力调节装置。

本发明还提供一种能验证双向容积式浮力调节装置高精度，高容积比，高稳定性的测试装置。

本发明还提供一种双向容积式浮力调节装置测试装置的测试方法。

技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种双向容积式浮力调节装置，包括主体固定筒、调节模块、控制模块，所述调节模块包括第一调节模块和第二调节模块，第一调节模块包括第一伸缩筒、第一封盖、第一波纹管和第一电动推杆，第二调节模块包括第二伸缩筒、第二封盖、第二波纹管和第二电动推杆；所述主体固定筒两端开口，所述第一伸缩筒设置于主体固定筒一端开口内，第一伸缩筒相对于主体固定筒滑动，第一伸缩筒外端安装第一封盖；所述第一波纹管包裹在第一伸缩筒与主体固定筒外，用于第一伸缩筒与主体固定筒之间的密封；所述第一电动推杆输出端与第一伸缩筒连接，第一电动推杆另一端与主体固定筒固定连接；第一调节模块和第二调节模块结构相同且对称设置于主体固定筒上；所述第二伸缩筒设置于主体固定筒另一端开口内，第二伸缩筒相对于主体固定筒滑动，第二伸缩筒外端安装第二封盖；所述第二波纹管包裹在第二伸缩筒与主体固定筒外，用于第二伸缩筒与主体固定筒之间的密封；所述第二电动推杆输出端与第二伸缩筒连接，第二电动推杆另一端与主体固定筒固定连接；

所述控制模块用于控制第一电动推杆和第二电动推杆，所述第一电动推杆和第二电动推杆相互独立工作。

有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是通过第一调节模块和第二调节模块的单独或者共同工作，可在重心不变的条件下改变装置浮力，也可在保持浮力不变的情况下调整装置重心，并在重心调整后可继续调节浮力，实现浮力与重心的双重且连续化调节，使装置在水下获得较高的稳定性，适用于复杂的水下工作环境。

本发明还提供一种测试装置，采用以下技术方案：

一种测试装置，包括实验支架、容纳于实验支架内的浮力测试平台、力矩测试平台；所述实验支架与浮力测试平台两侧之间连接拉压传感器，所述浮力测试平台设置延伸方向平行于两个拉压传感器所在对称面的旋转轴，且旋转轴延伸方向与浮力测试平台底面平行，所述力矩测试平台通过旋转轴与浮力测试平台连接，且力矩测试平台以旋转轴为轴相对于浮力测试平台转动，所述力矩测试平台所在平面通过旋转轴延伸方向所在直线分为两侧，分别为测试平台第一侧和测试平台第二侧，所述测试平台第一侧与浮力测试平台之间连接拉压传感器；

对浮力调节装置进行测试时，所述浮力调节装置固定于力矩测试平台，浮力调节装置的第一调节模块位于测试平台第一侧，浮力调节装置第二调节模块位于测试平台第二侧，且所述第一调节模块和第二调节模块的对称轴线与旋转轴在同一竖直平面内。

有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是力矩测试平台相对于浮力测试平台旋转连接，通过拉压传感器不仅能测试浮力调节装置的浮力变化，还能实时得到浮力调节装置的力矩变化情况，简化了测试步骤，提高了测试效率，而且降低了单独测试的累积误差，提高了测试结果的准确度。

本发明还提供一种测试方法，采用以下技术方案：

一种测试方法，包括陆上实验与水中实验，将浮力调节装置固定在测试装置上，调节浮力调节装置的调节模块，读取拉压传感器示数，通过拉压传感器示数得出浮力调节装置实际参数，将实际参数与浮力调节装置理论计算得出的数值对比。

进一步的，在水中实验时，浮力测试平台和力矩测试平台添加浮力调节块，使调节模块工作前所述所有拉压传感器示数均零。采用浮力块平衡测试装置在水下的初始重力及重力矩，使所测浮力与力矩为实验直接测量结果，不用考虑固有分量对测试变量的影响，减小测试量程，降低误差值范围，保证实验结果的精确度。

附图说明

图1所示为本发明浮力调节装置整体结构示意图；

图2所示为本发明浮力调节装置主视图方向的剖视图；

图3所示为本发明浮力调节装置俯视图方向的剖视图；

图4所示为本发明浮力调节装置第一调节模块和第二调节模块中的电动推杆伸出时的示意图；

图5所示为本发明浮力调节装置控制元件安装示意图；

图6所示为本发明浮力调节装置内部结构示意图；

图7所示为本发明综合测试实验平台整体结构示意图；

图8所示为本发明综合测试实验平台整体结构主视图；

图9所示为本发明实验支架结构示意图；

图10所示为本发明浮力测试平台和力矩测试实验平台与浮力调节装置连接的结构示意图；

图11所示为本发明测试方法流程图。

具体实施方式

实施例一

如图1所示，本实施例中的一种双向容积式浮力调节装置，包括主体固定筒3、调节模块、控制模块4。

如图2-4所示为浮力调节装置局部剖视图，该剖视图将装置外部执行机构进行剖切，并保留驱动机构以便看清内部构造。主体固定筒3包括第一固定筒11和第二固定筒21，第一固定筒11和第二固定筒21两端开口，第一固定筒11一侧端面设置第一法兰凸台，靠近第一法兰凸台处设置第一连接凸台；第二固定筒21一侧端面设置第二法兰凸台，靠近第二法兰凸台处设置第二连接凸台；第一法兰凸台和第二法兰凸台通过支撑法兰31固定连接，支撑法兰31两侧与第一法兰凸台和第二法兰凸台连接处均设有第一密封圈18，保证支撑法兰31与主体固定筒3之间的水密性。

调节模块包括第一调节模块1和第二调节模块2，所述第一调节模块1包括第一伸缩筒13、第一封盖321、第一波纹管12和第一电动推杆14；所述第二调节模块2包括第二伸缩筒23、第二封盖322、第二波纹管22和第二电动推杆24，第一调节模块1和第二调节模块2结构相同并关于支撑法兰31对称布置。

第一伸缩筒13一侧端面设有第三法兰凸台，靠近第三法兰凸台处设置第一阶梯凸台，第一伸缩筒13设置于第一固定筒11一端开口内，且第一阶梯凸台底面与第一固定筒11内表面间隙配合，第一阶梯凸台高度与第一固定筒11厚度相同，即第一阶梯凸台截面的台面直径与第一固定筒11截面的外表面直径相同；所述第一波纹管12一端通过第一紧固法兰16与第三法兰凸台固定连接，第一波纹管12另一端通过第二紧固法兰17与第一连接凸台固定连接。第一封盖321设置第一封盖法兰，第一封盖法兰固定连接于第三法兰凸台外侧。

第二伸缩筒23一侧端面设有第四法兰凸台，靠近第四法兰凸台处设置第二阶梯凸台，第二伸缩筒23设置于第二固定筒21一端开口内，且第二阶梯凸台底面与第二固定筒21内表面间隙配合，第二阶梯凸台高度与第二固定筒21厚度相同，即第二阶梯凸台截面的台面直径与第二固定筒21截面的外表面直径相同；所述第二波纹管22一端通过第三紧固法兰26与第三法兰凸台固定连接，第二波纹管22另一端通过第四紧固法兰27与第二连接凸台固定连接。第二封盖322设置第二封盖法兰，第二封盖法兰固定连接于第四法兰凸台外侧。

通过紧固法兰端面的压紧力实现波纹管与固定筒和伸缩筒之间密封连接，从而实现固定筒和伸缩筒之间相对运动时的密封效果，在第一封盖法兰和第三法兰凸台、第二封盖法兰和第四法兰凸台之间均设置第二密封圈19，保证封盖法兰和法兰凸台之间的水密性。

第二伸缩筒23内部设置第一支撑板351，第一伸缩筒13内部设置第二支撑板352，第一支撑板351和第二支撑板352分别通过四根连接丝杆39与支撑法兰31的内侧连接，且第一支撑板351与第二支撑板352关于支撑法兰31对称设置；第一电动推杆14的固定端固定安装于第一支撑板351靠近支撑法兰31的一侧，第二电动推杆24的固定端固定安装于第二支撑板352靠近支撑法兰31的一侧；第一伸缩筒13内部靠近第一封盖321一端固定安装第一推拉板331，第一电动推杆14输出端与第一推拉板331固定连接，第一电动推杆14伸出，带动第一推拉板331向外移动，从而带动第一伸缩筒13向外移动，此时第一波纹管12向外扩张；第二伸缩筒23内部靠近第二封盖322一端固定安装第二推拉板332，第二电动推杆24输出端与第二推拉板332固定连接，第二电动推杆24伸出，带动第二推拉板332向外移动，从而带动第二伸缩筒23向外移动，此时第二波纹管22向外扩张。

所述第一推拉板331与第二支撑板352之间设置第一拉绳传感器15，第一拉绳传感器15固定于第二支撑板352上，第一拉绳传感器15的拉绳与第一推拉板331固定连接，当第一伸缩筒13向外移动时，第一拉绳传感器15将第一伸缩筒13位移信号传输给控制模块；所述第二推拉板332与第一支撑板351之间设置第二拉绳传感器25，第二拉绳传感器25固定于第一支撑板351上，第二拉绳传感器25的拉绳与第二推拉板332固定连接，当第二伸缩筒23向外移动时，第二拉绳传感器25将第二伸缩筒23位移信号传输给控制模块4。

第一伸缩筒13内部设置第一立板341，所述第一立板341与第一推拉板331之间通过四根第一连接丝杆361连接，且在第一立板341与第一推拉板331之间设置两个第一横向隔板371，所述两个第一横向隔板371分别位于第一电动推杆14的两侧，两个第一横向隔板371面对面设置；第二伸缩筒23内部设置第二立板342，所述第二立板342与第二推拉板332之间通过四根第二连接丝杆362连接，且在第二立板342与第二推拉板332之间设置两个第二横向隔板372，所述两个第二横向隔板372分别位于第二电动推杆24的两侧，两个第二横向隔板372面对面设置，横向隔板用于将控制模块4中的控制单元与电动推杆隔开，以避免驱动机构对控制单元造成干扰。

如图5和图6所示，控制模块包括设置于第一封盖321的第一水密接插件41和第二封盖322上的第二水密接插件45、电源转换器42、接近开关43、单片机44、接线端子46、用于转化拉绳传感器信号的变送器47、驱动电机转动的电机驱动板48和继电器49；水密接插件用于装置内外部电连接和信号连接。接线端子46和电源转换器42分别安装于两个第一横向隔板371上远离第一电动推杆14的两侧，电源转化器42将第一水密接插件41引入的电源转化为不同的电压值，然后通过接线端子46供给给各个执行控制元件。

单片机44和继电器49分别安装于两个第二横向隔板372上远离第二电动推杆24的两侧；第一支撑板和第二支撑板35分别固定安装一个接近开关43，两个接近开关43的感应面分别感应第一立板341和第二立板342；单片机44通过第二水密接插件45引入的电源供电，用于控制两个电动推杆电机的转速与转向，并采集拉绳传感器发回的电压信号；两个电动推杆中均设置霍尔传感器，霍尔传感器用于采集电动推杆电机的转速，并将采集的数据传输给单片机44；继电器49根据接近开关43的监测信号控制电动推杆的停止，确保伸缩筒在指定的位置停止。

在第一支撑板351和第二支撑板352之间设置横板38，变送器47和电机驱动板48安装在横板38上远离第一电动推杆14和第二电动推杆24的侧面。

本实施例中双容积式浮力调节装置中的第一调节模块和第二调节模块可以单独工作也可以配合工作，工作原理如下：

(一)第一调节模块和第二调节模块单独工作，以第一调节模块单独工作为例说明浮力调节装置工作原理：

当控制模块接收到上浮命令后，单片机44发出信号，电机驱动板48驱动第一电动推杆14推动第一推拉板331，从而推动第一伸缩筒13向外移动，第一波纹管12跟随第一伸缩筒13的移动向外扩张，使得装置排水体积增加，即装置浮力增大，装置上浮。由于本实施例中的装置为规则形状物体，故装置浮力的变化与第一伸缩筒13的位移呈线性关系，控制模块根据所需要的浮力条件和第一拉绳传感器15反馈的信号，调整第一电动推杆14的位移量，并且根据第一拉绳传感器15反馈的信号可以保证第一电动推杆14的位移量不超过装置的最大浮力调节量。当装置达到指定浮力后，单片机44控制电机驱动板48停止驱动第一电动推杆14，使装置稳定在该浮力状态下。

当控制模块接收到下潜命令后，单片机44发出信号，电机驱动板48带动第一伸缩筒13向内部移动，第一波纹管12跟随第一伸缩筒13的移动收缩，使得装置排水体积减小，即装置浮力减小，当装置浮力小于装置重力时，装置下潜，装置下潜到指定深度后调整装置浮力，使装置稳定在指定深度。

(二)第一调节模块和第二调节模块配合工作，此时可以不改变装置的浮力而改变装置的重心，从而改变装置在水中的姿态；也可以不改变装置的重心而改变装置的浮力，从而使装置保持一个姿态实现在水中的上浮和下潜；浮力调节装置工作原理：

若想实现装置重心向第二调节模块一侧移动，只需调整第二调节模块的第二伸缩筒23向外移动指定距离，从而使第二调节模块的重心发生偏移，与此同时，如果第一调节模块的第一伸缩筒13内部移动相同距离，可以使得装置第一调节模块一侧减少的排水体积与装置第二调节模块一侧增加的排水体积相同，在浮力不变的情况实现装置整体重心向第二调节模块一侧偏移，从而改变装置在水中的姿态。

此时若想实现装置保持在重心偏移的姿态上浮，则当控制模块接收到上浮命令后，控制模块调节第一调节模块第一伸缩筒13与第二调节模块第二伸缩筒23均向外移动相同距离，当到达指定深度后，调节第一调节模块与第二调节模块，使重力等于浮力，装置处于平衡状态。

实施例二

如图7所示，一种双容积式浮力调节装置的测试装置，包括实验支架53、容纳于实验支架53内的浮力测试平台52、力矩测试平台51；所述实验支架53底部设置调平支脚531，用于调平实验支架53，实验支架53两侧上方设有横梁，两个横梁与浮力测试平台52两侧底部之间分别通过活动铰接件连接第一拉压传感器55和第二拉压传感器56，用于测量浮力测试平台52的重力；在实验支架53两侧分别设置两个竖直立柱，立柱上设置滑轨57，滑轨57内设有滑块571，浮力测试平台52与滑块571固定连接，实验支架53采用竖直滑轨定位浮力测试平台52，保证浮力测试平台52的受力方向为竖直方向，降低竖直方向的测量误差。

在浮力测试平台52底部中间设置延伸方向平行于两侧的旋转轴511，且旋转轴511延伸方向所在平面与浮力测试平台52底部平面平行，所述力矩测试平台51通过旋转轴511与浮力测试平台52连接，所述力矩测试平台51以旋转轴511为轴相对于浮力测试平台52转动，力矩测试平台51和浮力测试平台52通过轴承与旋转轴511连接。所述力矩测试平台51通过旋转轴511延伸方向所在直线平均分为两侧，分别为测试平台第一侧和测试平台第二侧，浮力测试平台52上方设置横梁，所述测试平台第一侧与浮力测试平台52上方的横梁之间通过活动铰接件541连接第三拉压传感器54；采用活动铰接件连接拉压传感器两端，可以避免因丝杆自身刚性带来的力矩角度偏差，保证力矩作用准确度，提高拉压传感器读数的真实性。

在力矩测试平台51设置第一浮力调节块512和在浮力测试平台52底部设置第二浮力调节块521，其中第一浮力调节块512用于消除测试时平台两侧的力矩差，第二浮力调节块521用于抵消平台及装置的重力，使第一拉压传感器55与第二拉压传感器56的读数即为浮力调节量。

对浮力调节装置测试时，所述浮力调节装置固定于力矩测试平台51，浮力调节装置的第一调节模块1位于测试平台第一侧，浮力调节装置第二调节模块2位于测试平台第二侧，且所述第一调节模块和第二调节模块的对称轴线与旋转轴511在同一竖直平面内。

实施例三

对于实施例二中测试装置的测试方法，测试方法流程图如图11所示，测试实验包括陆上实验和水中实验，通过测试实验中测得的数据与浮力调节装置理论参数对比，验证浮力调节装置的可靠性。重力矩理论计算，首先设置理论计算中伸缩筒位移量，理论计算得出装置整体力矩变化量；浮力与浮力矩理论计算，首先设置理论计算中伸缩筒位移量，理论计算得出装置浮力大小和浮力矩，然后进行实验验证，实验内容如下：

(一)陆上实验

首先旋转调平支脚531，使实验支架水平，然后将浮力调节装置固定在力矩测试平台上，此时根据第一拉压传感器55和第二拉压传感器56读数的变化值得出浮力调节装置的重量。

实验一：第二伸缩筒保持初始位置，控制第一伸缩筒13向外移动理论计算中设置的位移量，记录不同位移量下的第三拉压传感器54读数变化量，得出装置实际整体力矩变化量。

实验二：第一伸缩筒保持初始位置，控制第二伸缩筒23向外移动理论计算中设置的位移量，记录不同位移量下的第三拉压传感器54读数变化量，得出装置实际整体力矩变化量。

实验三：控制第一伸缩筒13和第二伸缩筒23同时向外移动理论计算中设置的位移量，记录不同位移量下的第三拉压传感器54读数变化量，得出装置实际整体力矩变化量。

实验四：在第一伸缩筒13和第二伸缩筒23已经向外移动了相同距离情况下，控制第一伸缩筒13和第二伸缩筒23同时向同一方向移动理论计算中设置的位移量，记录不同位移量下的第三拉压传感器54读数变化量，得出装置实际整体力矩变化量。

实验结束后，将四组实验在理论计算与实验中设置相同情况和相同位移量时，对比实验得出的实际整体力矩变化量与理论计算得出的整体力矩变化量，验证浮力调节装置理论计算的可靠性。

(二)水中实验

首先将测试装置放入水中，当水面没过浮力调节装置后，在力矩测试平台51上添加浮力调节块512以消除平台两侧力矩差，使第三拉压传感器54读数为零；同时在浮力测试平台上添加浮力调节块521以抵消平台及装置的重力，使第一拉压传感器55和第二拉压传感器56的读数为零。

实验一：第二伸缩筒保持初始位置，控制第一伸缩筒13向外移动理论计算中设置的位移量，记录不同位移量下的第一拉压传感器55、第二拉压传感器56、第三拉压传感器54读数变化量，得出装置实际浮力和浮力矩。

实验二：第一伸缩筒保持初始位置，控制第二伸缩筒13向外移动理论计算中设置的位移量，记录不同位移量下的第一拉压传感器55、第二拉压传感器56、第三拉压传感器54读数变化量，得出装置实际浮力和浮力矩。

实验三：控制第一伸缩筒13和第二伸缩筒23同时向外移动理论计算中设置的位移量，记录不同位移量下的第一拉压传感器55、第二拉压传感器56、第三拉压传感器54读数变化量，得出装置实际浮力和浮力矩。

实验四：在第一伸缩筒13和第二伸缩筒23已经向外移动了相同距离情况下，控制第一伸缩筒13和第二伸缩筒23同时向同一方向移动，记录不同位移量下的第一拉压传感器55、第二拉压传感器56、第三拉压传感器54读数变化量。

前三组实验结束后，将实验在理论计算与实验中设置相同情况和相同位移量x时，对比实验得出的装置实际浮力和浮力矩与理论计算得出的浮力和浮力矩，验证浮力调节装置理论计算的可靠性。

第四组实验如果第一拉压传感器55和第二拉压传感器56变化量不大，而第三拉压传感器54读数明显变化，则验证了浮力调节装置浮力不变，而重心相较于初始状态发生偏移，即本发明可实现恒浮力下的重心调节。

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