CN103234676B - 一种卷扬式启闭机的载荷和开度的检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种卷扬式启闭机的载荷和开度的检测装置，包括旋转扭矩开度一体式传感器，其一端与电动机的输出轴连接，其另一端与减速器的输入轴连接，减速器的输出轴与升降卷筒相连，钢丝绳缠绕在升降卷筒上并和滑轮组的上端相连，滑轮组的下端与闸门相连，电动机依次通过旋转扭矩开度一体式传感器、减速器、卷筒和滑轮组带动闸门进行升降运动。本发明还公开了一种卷扬式启闭机的载荷和开度的检测装置的检测方法。本发明通过旋转扭矩开度一体式传感器同时实现对闸门荷重、开度的检测，同时，通过角位移记忆电路实现对开度信息的记忆。本发明实施方便，拆卸方便、安装方法比传统的荷重检测方式要简单得多，同时便于维护。

Description

一种卷扬式启闭机的载荷和开度的检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及卷扬式启闭机领域，尤其是一种卷扬式启闭机的载荷和开度的检测装置及其检测方法。

背景技术

卷扬式启闭机广泛地应用于水利工程，目前的闸门升降主要以卷扬式为主，其拖动方式为一台电动机和减速机直连，减速机的输出端接升降卷筒，钢丝绳缠绕在升降卷筒上，通过滑轮组带动闸门，电机旋转带动升降卷筒实现闸门的提升和下降。由于闸门在起升和下降过程中可能产生超重和失重而导致事故发生，因此要求对闸门升降过程中所承受的载荷实时检测，同时闸门的开度也会根据实际需要经常调整，在实现载荷检测的同时还需要对实时的开度进行监测。

目前的闸门开度和荷重检测采用的是分开检测模式，即荷重的检测采用轴承座式传感器、柱销式传感器或定滑轮传感器，开度的检测用光电编码器或磁电编码器或接触式编码器。因此，需要将卷筒、闸门等一起安装在荷重传感器上，而水利上的闸门、卷筒的吨位常常很大，荷重传感器的安装非常费时和费力，施工作业难度很大，不便于荷重传感器的安装和维护，同时闸门升降过程中闸门与导轨间的摩擦系数分布不一致及风阻等因素，造成测量的实际载荷误差较大。由于闸门开度检测独立于闸门荷重检测，闸门开度检测用编码器实现，需要预留一个固定的安装位置和接口供编码器连接，使用编码器检测闸门开度的成本也很高。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种采用旋转扭矩开度一体式传感器实现对闸门荷重和开度的检测、检测方便、成本低的卷扬式启闭机的载荷和开度的检测装置。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种卷扬式启闭机的载荷和开度的检测装置，包括旋转扭矩开度一体式传感器，其一端与电动机的输出轴连接，其另一端与减速器的输入轴连接，减速器的输出轴与升降卷筒相连，钢丝绳缠绕在升降卷筒上并和滑轮组的上端相连，滑轮组的下端与闸门相连，电动机依次通过旋转扭矩开度一体式传感器、减速器、卷筒和滑轮组带动闸门进行升降运动。

所述旋转扭矩开度一体式传感器包括弹性旋转轴，其一端与电动机的输出轴连接，其另一端与减速器的输入轴连接，弹性旋转轴的轴身上粘贴应变片，用于安装信号调理及红外光电发射电路板的支撑板、动变压器的次级线圈均固设在弹性旋转轴的轴体上，F/V及V/I转换电路板、动变压器的初级线圈均固设在外壳的壳体上，动变压器的初级线圈和动变压器的次级线圈耦合，外壳的两端分别固设端盖，弹性旋转轴通过轴承安装在端盖上，动变压器初级振荡驱动电路板、红外接收及脉冲整形电路板均固设在端盖上，支撑板的边沿处均匀间隔布置多个齿，红外接收及脉冲整形电路板上与齿相对应的位置处安装多个光电开关，信号调理及红外光电发射电路板和红外接收及脉冲整形电路板光电耦合。

所述外壳的两端分别固设第一、二端盖，动变压器振荡驱动电路板固设在第一端盖上，红外接收及脉冲整形板固设在第二端盖上；所述第一、二端盖上均开设凹槽，弹簧垫嵌入在凹槽内。

所述应变片采用金属箔式应变片，其个数为四个；所述齿的个数为60个，所述光电开关的个数为4个。

所述外壳为金属外壳，所述弹性旋转轴为金属轴，金属外壳、轴承和弹性旋转轴形成封闭的耦合磁路。

所述动变压器初级振荡驱动电路板上焊接动变压器初级振荡驱动电路，该电路的输出端与动变压器的初级线圈相连；信号调理及红外光电发射电路板上焊接信号调理及红外光电发射电路，该电路由次级整流电路、电桥输出电信号的调理电路、V/F转换电路和红外驱动电路组成，次级整流电路的输入端与动变压器的次级线圈相连，次级整流电路的输出端与V/F转换电路的输入端相连，V/F转换电路的输出端与红外驱动电路的输入端相连；所述红外接收及脉冲整形电路板上焊接红外接收及脉冲整形电路，该电路由红外信号接收电路、角位移检测电路、脉冲整形变换电路和角位移记忆电路组成，脉冲整形变换电路的输入端分别与红外信号接收电路、角位移检测电路的输入端相连；所述所述F/V及V/I转换电路板上焊接F/V及V/I转换电路，该电路的输入端与脉冲整形变换电路的输出端相连。

本发明的另一目的在于提供一种卷扬式启闭机的载荷和开度的检测装置的检测方法，该方法包括：当电动机工作时，闸门的荷重通过力传递作用于旋转扭矩开度一体式传感器，旋转扭矩开度一体式传感器输出与闸门荷重成比例的频率、电流或电压信号；旋转扭矩开度一体式传感器将其旋转的角度变化转换为脉冲频率输出，计算出闸门的实际提升高度及开度；对应荷重和开度的电信号输出至荷重开度仪表，荷重开度仪表对开度和荷重进行实时显示及相关控制。

当电动机旋转后，通过旋转扭矩开度一体式传感器和减速器带动闸门上升或下降，根据力传递原理，闸门的载荷通过减速器作用于旋转扭矩开度一体式传感器，当闸门的载荷匀速上升或下降时，转扭矩开度一体式传感器所受的扭矩和电动机的扭矩平衡，根据旋转扭矩开度一体式传感器所受到的扭矩大小，计算出闸门载荷的大小，实现载荷测量。

旋转扭矩开度一体式传感器输出和减速器输入轴旋转角度成线性关系的电脉冲信号，然后根据减速器的速比和卷筒直径及滑轮倍率，计算出闸门的起升高度；旋转扭矩开度一体式传感器通过其内部的角位移记忆电路，保存失电前的闸门开度值。

在荷重开度仪表上进行非线性补偿，非线性补偿方法为，将闸门的整个开度量程按照上升和下降过程分为若干个区间，先分别对上升和下降过程中的荷重进行标定，得到上升和下降过程的总体斜率，各个开度区间按照线性来处理，每个线性区间对应一个修正斜率，各区间的修正斜率和整个上升或下降过程中的斜率相乘作为各个线性补偿区间的斜率值。

由上述技术方案可知，本发明通过旋转扭矩开度一体式传感器同时实现对闸门荷重、开度的检测，由于旋转扭矩开度一体式传感器处于电动机的输出端，承受的扭矩和电动机的实际输出驱动扭矩相同，因此在实际的工作过程中承受扭矩值远小于减速器输出轴的扭矩值，从而可以将体积做得较小，一方面充当了电动机和减速器的联轴器作用，另一方面电动机的输出力矩作用于一体式传感器的弹性旋转轴上，实现对扭矩和开度非接触式的测量，传感器的输出与载荷及闸门开度成一定关系的脉冲频率或电压电流信号。同时，通过角位移记忆电路实现对开度信息的记忆。本发明实施方便，只需将旋转扭矩开度一体式传感器安装在电动机和减速器之间，拆卸方便、安装方法比传统的荷重检测方式要简单得多，同时便于维护。

附图说明

图1为本发明中旋转扭矩开度一体式传感器的安装示意图。

图2为本发明中旋转扭矩开度一体式传感器的结构示意图。

图3为固定卷扬机测量荷重、开度的原理框图。

图4为本发明中旋转扭矩开度一体式传感器的电路框图。

图5为本发明中的非线性补偿示意图。

具体实施方式

一种卷扬式启闭机的载荷和开度的检测装置，包括旋转扭矩开度一体式传感器2，其一端与电动机1的输出轴连接，其另一端与减速器3的输入轴连接，减速器3的输出轴与升降卷筒4相连，钢丝绳缠绕在升降卷筒4上并和滑轮组5的上端相连，滑轮组5的下端与闸门6相连，电动机1依次通过旋转扭矩开度一体式传感器2、减速器3、卷筒4和滑轮组5带动闸门6进行升降运动。如图1所示。

如图2所示，所述旋转扭矩开度一体式传感器2包括弹性旋转轴7，其一端与电动机1的输出轴连接，其另一端与减速器3的输入轴连接，弹性旋转轴7的轴身上粘贴应变片15，用于安装信号调理及红外光电发射电路板18的支撑板13、动变压器的次级线圈14均固设在弹性旋转轴7的轴体上，F/V及V/I转换电路板21、动变压器的初级线圈12均固设在外壳10的壳体上，动变压器的初级线圈12和动变压器的次级线圈14耦合，外壳10的两端分别固设端盖，弹性旋转轴7通过轴承1安装在端盖上，动变压器初级振荡驱动电路板、红外接收及脉冲整形电路板19均固设在端盖上，支撑板13的边沿处均匀间隔布置多个齿，红外接收及脉冲整形电路板19上与齿相对应的位置处安装多个光电开关16，信号调理及红外光电发射电路板18和红外接收及脉冲整形电路板19光电耦合。信号调理及红外光电发射电路板18和红外接收及脉冲整形电路板19通过红外光电耦合实现旋转扭矩信号的非接触式传输。

如图2所示，所述外壳10的两端分别固设第一、二端盖9、20，动变压器振荡驱动电路板14固设在第一端盖9上，红外接收及脉冲整形板固设在第二端盖20上；所述第一、二端盖9、20上均开设凹槽，弹簧垫8嵌入在凹槽内。所述应变片15采用金属箔式应变片15，其个数为四个；所述齿的个数为60个，所述光电开关16的个数为4个。所述外壳10为金属外壳10，所述弹性旋转轴7为金属轴，金外壳10、轴承1和弹性旋转轴7形成封闭的耦合磁路。弹性旋转轴7每旋转360°产生240个电脉冲，从而提高了旋转角度的分辨率。配合减速器3的速比、滑轮倍率和卷筒4直径等参数可以计算出闸门6的开度。当闸门6的载荷发生变化时，由弹性旋转轴7上的应变片15感应出由于旋转扭矩变化造成的弹性轴弹性变形，从而在各个应变片15上产生相应的阻值变化，将应变片15连接成惠斯登电桥，惠斯登电桥在电源激励下就会输出和闸门6载荷成一定关系的电压信号。动变压器实现给惠斯登电桥和信号调理及红外光电发射电路板18的非接触式供电。

如图4所示，所述动变压器初级振荡驱动电路板上焊接动变压器初级振荡驱动电路，该电路的输出端与动变压器的初级线圈12相连；信号调理及红外光电发射电路板18上焊接信号调理及红外光电发射电路，该电路由次级整流电路、电桥输出电信号的调理电路、V/F转换电路和红外驱动电路组成，次级整流电路的输入端与动变压器的次级线圈14相连，次级整流电路的输出端与V/F转换电路的输入端相连，V/F转换电路的输出端与红外驱动电路的输入端相连；所述红外接收及脉冲整形电路板19上焊接红外接收及脉冲整形电路，该电路由红外信号接收电路、角位移检测电路、脉冲整形变换电路和角位移记忆电路组成，脉冲整形变换电路的输入端分别与红外信号接收电路、角位移检测电路的输入端相连；所述F/V及V/I转换电路板21上焊接F/V及V/I转换电路，该电路的输入端与脉冲整形变换电路的输出端相连。

旋转扭矩开度一体式传感器2由外部直流24V供电，由动变压器的次级给信号调理及红外光电发射电路供电，动变压器的次级线圈14和信号调理及红外光电发射电路板18和弹性旋转轴7一起旋转。扭矩信号经相应的信号变换处理后通过光电耦合的非接触方式传输给红外接收及脉冲整形电路板19，通过脉冲整形变换电路对外输出与载荷和开度对应的扭矩电信号和角位移电信号，同时为了具有开度掉电记忆功能，设置了角位移记忆电路。可见，本发明通过非接触的磁耦合和光电耦合，实现了闸门6载荷和闸门6开度的非接触式测量。

如图3所示，荷重和开度的变化作用于旋转扭矩开度一体式传感器2，经过旋转扭矩开度一体式传感器2相应的处理变换得到对应荷重和开度的电信号输出，然后送给荷重开度仪表可以对开度和荷重进行实时显示及相关控制。

以下结合图1、2、3、4、5对本发明作进一步的说明。

当电动机1工作时，闸门6的荷重通过力传递作用于旋转扭矩开度一体式传感器2，旋转扭矩开度一体式传感器2输出与闸门6荷重成比例的频率、电流或电压信号；旋转扭矩开度一体式传感器2将其旋转的角度变化转换为脉冲频率输出，计算出闸门6的实际提升高度及开度；到对应荷重和开度的电信号输出至荷重开度仪表，荷重开度仪表对开度和荷重进行实时显示及相关控制。

当电动机1旋转后，通过旋转扭矩开度一体式传感器2和减速器3带动闸门6上升或下降，根据力传递原理，闸门6的载荷通过减速器3作用于旋转扭矩开度一体式传感器2，当闸门6的载荷匀速上升或下降时，转扭矩开度一体式传感器所受的扭矩和电动机1的扭矩平衡，根据旋转扭矩开度一体式传感器2所受到的扭矩大小，计算出闸门6载荷的大小，实现载荷测量。旋转扭矩开度一体式传感器2输出和减速器3输入轴旋转角度成线性关系的电脉冲信号，然后根据减速器3的速比和卷筒4直径及滑轮倍率，计算出闸门6的起升高度；旋转扭矩开度一体式传感器2通过其内部的角位移记忆电路，保存失电前的闸门6开度值。

如图5所示，旋转扭矩开度一体式传感器2在闸门6升降过程中所受的旋转扭矩基本上反映了闸门6荷重的变化，但是由于闸门6在动作过程中，载荷受到诸多因素的影响如：闸门6滑道在不同的开度处的摩擦系数不一样，上升和下降过程中摩擦系数及减速器3的特性也会发生变化等，这些因素会造成旋转扭矩和闸门6实际所受的载荷一般情况下呈现非线性关系，为了能真实反映闸门6在工作的过程中所受的实际载荷情况，在控制仪表上添加了非线性补偿环节。

在荷重开度仪表上进行非线性补偿，非线性补偿方法为，将闸门6的整个开度量程按照上升和下降过程分为若干个区间，先分别对上升和下降过程中的荷重进行标定，得到上升和下降过程的总体斜率，各个开度区间按照线性来处理，每个线性区间对应一个修正斜率，各区间的修正斜率和整个上升或下降过程中的斜率相乘作为各个线性补偿区间的斜率值。通过非线性修正，旋转扭矩和实际载荷的吻合度大大增加。区间数量试具体情况而定，一般而言线性区间越多，计算量就越大，载荷和扭矩的逼近程度就越好。

如图5所示，在闸门上升过程中，将闸门上升对应的满程开度划分为[0-W1]、[W1-W2]、[W2-W3]、[W3-W4]、[W4-上升开度满程]等区间，各个区间分别对应的斜率为K1、K2、K3、K4、K5；在闸门下降过程中，将闸门下降对应的满程开度划分为[0-W1’]、[W1’-W2’]、[W2’-W3’]、[W3’-下降开度满程]等区间，各个区间分别对应的斜率为K1’、K2’、K3’。

综上所述，本发明采用旋转扭矩开度一体式传感器2实现了对闸门6荷重及开度的检测，旋转扭矩开度一体式传感一方面起到联轴器的作用，另一方面充当荷重传感器和开度传感器实现对闸门6载荷、开度的检测。本发明安装维护方便，安装效率高，通过非线性补偿手段，测量准确，同时具有掉电前开度记忆功能。

Claims (10)

1.一种卷扬式启闭机的载荷和开度的检测装置，其特征在于：包括旋转扭矩开度一体式传感器，其一端与电动机的输出轴连接，其另一端与减速器的输入轴连接，减速器的输出轴与升降卷筒相连，钢丝绳缠绕在升降卷筒上并和滑轮组的上端相连，滑轮组的下端与闸门相连，电动机依次通过旋转扭矩开度一体式传感器、减速器、卷筒和滑轮组带动闸门进行升降运动。

2.根据权利要求1所述的卷扬式启闭机的载荷和开度的检测装置，其特征在于：所述旋转扭矩开度一体式传感器包括弹性旋转轴，其一端与电动机的输出轴连接，其另一端与减速器的输入轴连接，弹性旋转轴的轴身上粘贴应变片，用于安装信号调理及红外光电发射电路板的支撑板、动变压器的次级线圈均固设在弹性旋转轴的轴体上，F/V及V/I转换电路板、动变压器的初级线圈均固设在外壳的壳体上，动变压器的初级线圈和动变压器的次级线圈耦合，外壳的两端分别固设端盖，弹性旋转轴通过轴承安装在端盖上，动变压器初级振荡驱动电路板、红外接收及脉冲整形电路板均固设在端盖上，支撑板的边沿处均匀间隔布置多个齿，红外接收及脉冲整形电路板上与齿相对应的位置处安装多个光电开关，信号调理及红外光电发射电路板和红外接收及脉冲整形电路板光电耦合。

3.根据权利要求2所述的卷扬式启闭机的载荷和开度的检测装置，其特征在于：所述外壳的两端分别固设第一、二端盖，动变压器振荡驱动电路板固设在第一端盖上，红外接收及脉冲整形板固设在第二端盖上；所述第一、二端盖上均开设凹槽，弹簧垫嵌入在凹槽内。

4.根据权利要求2所述的卷扬式启闭机的载荷和开度的检测装置，其特征在于：所述应变片采用金属箔式应变片，其个数为四个；所述齿的个数为60个，所述光电开关的个数为4个。

5.根据权利要求2所述的卷扬式启闭机的载荷和开度的检测装置，其特征在于：所述外壳为金属外壳，所述弹性旋转轴为金属轴，金属外壳、轴承和弹性旋转轴形成封闭的耦合磁路。

6.根据权利要求2所述的卷扬式启闭机的载荷和开度的检测装置，其特征在于：所述动变压器初级振荡驱动电路板上焊接动变压器初级振荡驱动电路，该电路的输出端与动变压器的初级线圈相连；信号调理及红外光电发射电路板上焊接信号调理及红外光电发射电路，该电路由次级整流电路、电桥输出电信号的调理电路、V/F转换电路和红外驱动电路组成，次级整流电路的输入端与动变压器的次级线圈相连，次级整流电路的输出端与V/F转换电路的输入端相连，V/F转换电路的输出端与红外驱动电路的输入端相连；所述红外接收及脉冲整形电路板上焊接红外接收及脉冲整形电路，该电路由红外信号接收电路、角位移检测电路、脉冲整形变换电路和角位移记忆电路组成，脉冲整形变换电路的输入端分别与红外信号接收电路、角位移检测电路的输入端相连；所述F/V及V/I转换电路板上焊接F/V及V/I转换电路，该电路的输入端与脉冲整形变换电路的输出端相连。

7.根据权利要求1至6中任意一项权利要求所述卷扬式启闭机的载荷和开度的检测装置的检测方法，该方法包括：当电动机工作时，闸门的荷重通过力传递作用于旋转扭矩开度一体式传感器，旋转扭矩开度一体式传感器输出与闸门荷重成比例的频率、电流或电压信号；旋转扭矩开度一体式传感器将其旋转的角度变化转换为脉冲频率输出，计算出闸门的实际提升高度及开度；对应荷重和开度的电信号输出至荷重开度仪表，荷重开度仪表对开度和荷重进行实时显示及相关控制。

8.根据权利要求7所述卷扬式启闭机的载荷和开度的检测装置的检测方法，其特征在于：当电动机旋转后，通过旋转扭矩开度一体式传感器和减速器带动闸门上升或下降，根据力传递原理，闸门的载荷通过减速器作用于旋转扭矩开度一体式传感器，当闸门的载荷匀速上升或下降时，转扭矩开度一体式传感器所受的扭矩和电动机的扭矩平衡，根据旋转扭矩开度一体式传感器所受到的扭矩大小，计算出闸门载荷的大小，实现载荷测量。

9.根据权利要求7所述卷扬式启闭机的载荷和开度的检测装置的检测方法，其特征在于：旋转扭矩开度一体式传感器输出和减速器输入轴旋转角度成线性关系的电脉冲信号，然后根据减速器的速比和卷筒直径及滑轮倍率，计算出闸门的起升高度；旋转扭矩开度一体式传感器通过其内部的角位移记忆电路，保存失电前的闸门开度值。

10.根据权利要求7所述卷扬式启闭机的载荷和开度的检测装置的检测方法，其特征在于：在荷重开度仪表上进行非线性补偿，非线性补偿方法为，将闸门的整个开度量程按照上升和下降过程分为若干个区间，先分别对上升和下降过程中的荷重进行标定，得到上升和下降过程的总体斜率，各个开度区间按照线性来处理，每个线性区间对应一个修正斜率，各区间的修正斜率和整个上升或下降过程中的斜率相乘作为各个线性补偿区间的斜率值。