CN104176634A - 一种塔式起重机塔身垂直度实时检测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种塔式起重机塔身垂直度实时检测方法及装置，包括以下步骤：1)安装在塔式起重机塔顶上的加速度传感器采集塔身的水平度数据，并将其发送给MCU，同时设在加速度传感器上的温度传感器采集加速度传感器的温度数据并发送给MCU；2)MCU采用温度补偿算法对加速度传感器的测量值进行补偿；3)MCU对补偿后的测量值进行卡尔曼滤波；4)MCU接收外部仪器测量的校准数据对滤波后的测量值进行校准；5)MCU计算出塔身的水平度倾斜角数据，并将其发送给上位机；6)上位机将水平度倾斜角转化为垂直度倾斜角。与现有技术相比，本发明具有实现成本低、测量精度高等优点。

Description

一种塔式起重机塔身垂直度实时检测方法及装置
技术领域
本发明涉及起重机检测技术，尤其是涉及一种塔式起重机塔身垂直度实时检测方法及装置。
背景技术
随着我国国民经济的持续发展，高层建筑逐渐增多，建设高层建筑的塔式起重机数量急剧增长，塔式起重机除了应用在高层建筑施工外，还可以应用在多种施工场合，塔式起重机已经成为建筑行业中一种必不可少的机械设备。
作为建筑物料垂直运输的塔式起重机，其安全性能要求非常高，但由于自身结构的复杂度，事故概率较大；根据对塔式起重机事故的分析，塔机事故统计50％因为地基松动导致，还有很多是塔机安装和拆卸时发生；国家相关标准对塔机塔身垂直度有相当严格的要求，要求空载时塔身垂直度不得大于千分之四，满载时，不得超出1％；安装时通常使用经纬仪进行塔身垂直度检测，但如何实时监控塔身垂直度一直是一个大难题。
现有的产品技术状态如下：
1)通过在使用外部经纬仪，人工测量，不能做到实时；
2)使用GPSRTK测量技术可以实现实时监测，但成本太高，无法批量采用；
3)使用传统机械方法响应慢，精度低，成本高，难以满足塔身垂直度的实时监测。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种实现成本低、测量精度高的塔式起重机塔身垂直度实时检测方法及装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种塔式起重机塔身垂直度实时检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)安装在塔式起重机塔顶上的加速度传感器采集塔身的水平度数据，并将其发送给MCU，同时设在加速度传感器上的温度传感器采集加速度传感器的温度数据并发送给MCU；
2)MCU采用温度补偿算法对加速度传感器的测量值进行补偿；
3)MCU对补偿后的测量值进行卡尔曼滤波；
4)MCU接收外部仪器测量的校准数据对滤波后的测量值进行校准；
5)MCU计算出塔身的水平度倾斜角数据，并将其发送给上位机；
6)上位机将水平度倾斜角转化为垂直度倾斜角。
所述的MCU采用温度补偿算法对加速度传感器的测量值进行补偿具体为：
Mxm＝Kt*(T-T0)*Mx；
Mym＝Kt*(T-T0)*My；
其中T为测量值温度值，Kt为温度值T时校准因子，T0为出厂校验时温度值，Mx为当前加速度计X方向测量值，My为当前加速度计X方向测量值，Mxm为补偿后计算值，Mym为补偿后计算值。
所述的MCU接收外部仪器的校准数据对滤波后的测量值进行校准具体为：
Ex＝Mxm-Mwx；
Ey＝Mym-Mwy；
其中Mwx和Mwy分别为外部仪器在水平台上测试的X轴倾斜值和Y轴倾斜值，Ex和Ey分别为X轴与Y轴误差。
所述的MCU计算出塔身的水平度倾斜角数据：
Mx(D)＝(Mox(t)+Mox(t-1)+Mox(t-2)+....+Mox(t-n))/n-Ex；
My(D)＝(Moy(t)+Moy(t-1)+Moy(t-2)+....+Moy(t-n))/n-Ey；
Mox(t)和Moy(t)分别为t时刻输出X轴倾斜和Y轴倾斜，Mox(t-n)和Moy(t-n)分别为t-n时刻输出X轴倾斜和Y轴倾斜，Mx(D)和My(D)为水平度输出X与Y轴数据。
所述的n值取3。
所述的外部仪器为水平仪或经纬仪。
一种塔式起重机塔身垂直度实时检测方法的装置，其特征在于，所述的电源模块、加速度传感器、温度传感器、MCU、RS485接口和上位机，所述的电源模块分别与加速度传感器、温度传感器、MCU连接，所述的MCU分别与速度传感器、温度传感器、RS485接口连接，所述的RS485接口与上位机连接。
所述的电源模块包括依次连接的电源滤波保护电路、第一LDO电路、DC/DC升压电路和第二LDO电路，所述的第一LDO电路与MCU连接，所述的第二LDO电路与加速度传感器连接。
所述的加速度传感器设有四个，分别固定在安装板上后通过磁铁吸附在塔顶上。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)使用高精度的水平度测量，换算成垂直度测量值，在保证精度的基础上进一步降低了生产成本；
2)为了消除安装平台与塔身连接固有误差带来的转换误差，通过塔外第三方测量设备(经纬仪等)标定来实现，保证测量点水平度转换为该点垂直度后的精度；
3)使用磁铁吸合安装方式，测量装置安装简单；
4)测量点数据通过RS485方式连接上位机，上位机通过轮询能方便实现多点垂直度测量检测，从而确保塔身垂直度的测量准确；
5)使用温度补偿技术保证垂直度测量的准确性。
6)使用单独电源电路给MEMS加速度计供电，保证测量的稳定性。
附图说明
图1为本发明的检测流程图；
图2为本发明测量水平度与垂直度的关系示意图；
图3为本发明装置的结构示意图；
图4为本发明加速度传感器安装示意图；
图5为本发明测量点选择示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种塔式起重机塔身垂直度实时检测方法，包括以下步骤：
1)安装在塔式起重机塔顶上的加速度传感器采集塔身的水平度数据，并将其发送给MCU，同时设在加速度传感器上的温度传感器采集加速度传感器的温度数据并发送给MCU；
2)MCU采用温度补偿算法对加速度传感器的测量值进行补偿；
3)MCU对补偿后的测量值进行卡尔曼滤波；
4)MCU接收经纬仪测量的校准数据对滤波后的测量值进行校准；
5)MCU计算出塔身的水平度倾斜角数据，并将其发送给上位机；
6)上位机将水平度倾斜角转化为垂直度倾斜角。
本发明特别之处在于：
1)使用MEMS加速度计为核心，结合嵌入式CPU和嵌入式软件，做成水平度传感器；
2)这种水平度测量塔顶某点的水平度，换算为当前点的垂直度，这个垂直度可以由经纬仪等第三方测量设备校准；
3)选择通过测量塔顶平台与4个主弦杆连接处为测量点，测量这几个点的水平度，换算为四个角的垂直度，从而监控整个塔身垂直度；
4)每个水平度传感器均带有温度补偿电路，通过现场温度的测量，补偿水平度测量精度；
5)每个水平度传感器使用RS485接口和通过不同地址通信，便于上位管理计算机采集多点测量数据，保证塔身垂直度检测的准确性；
6)每个水平度传感器都带有安装孔，同时底部带有磁铁，可以方便地安装于塔身测量点上。
如图2所示，本发明通过水平度测量的方法实现垂直度的间接测量；
塔身主弦杆之一OA倾斜角为∠α度，AA′即为塔身倾斜值。
tanα＝AA′/H，如果AA′/H＝0.4％，那么α＝0.229度；
在A点安装垂直度测量装置与塔顶平面一起由A点倾斜到A′，由于倾斜角度很小，可以认定塔身在A点处是完全刚性的，忽略在A′点局部存在的微小变形，这样根据三角关系，∠α＝∠β，这样通过测量∠β就可以间接测量出倾斜角α。
如图3所示，一种塔式起重机塔身垂直度实时检测方法的装置，所述的电源模块1、加速度传感器2、温度传感器3、MCU4、RS485接口5和上位机6，所述的电源模块1分别与加速度传感器2、温度传感器3、MCU4连接，所述的MCU4分别与速度传感器2、温度传感器3、RS485接口5连接，所述的RS485接口5与上位机6连接。
所述的电源模块1包括依次连接的电源滤波保护电路11、第一LDO电路12、DC/DC升压电路13和第二LDO电路14，所述的第一LDO电路12与MCU4连接，所述的第二LDO电路14与加速度传感器2连接。
1)电源滤波保护电路11，采用开关二极管实现电源反接保护，使用钽电容与陶瓷电容滤波，使用TVS管防止瞬时高压；
2)第一3.3V LDO电路12：使用圣邦微公司5V到3.3V LDO，将5V供电转换为单片机和接口电路需要的3.3V直流电源；
3)DC/DC升压电路13：采用电源芯片AAT3110IGU-5-T1，将3.3V电源升压为5V电电源，隔离单片机与测量MEME传感器供电；
4)第二3.3V LDO电路14：使用圣邦微公司5V到3.3V LDO，将5V供电转换为加速度传感器2供电电源；
5)加速度传感器2：采用Freescale3D加速度计MMA8451，用于水平度的测量；
6)温度传感器3：选用VEC-2005-PT1000热电阻，测量传感器内部的温度，供补偿传感器测量值使用，提供水平度(垂直度)的测量精度。
7)RS485通信接口5：选用SP3072EEN，实现测量数据远距离输出到上位机；
8)MCU：采用M3单片微机，型号EFM32G210F128，运行测量装置的全部软件，输出测量结果。
如图4和5所示，所述的加速度传感器设有四个，分别固定在安装板上后通过磁铁吸附在塔顶上。为了便于安装，本发明安装板除了在外侧边缘设置4个Φ3安装孔21，还在底部安装有一个Φ25x2的磁铁22，便于吸附在钢梁上，其中A为安装位置，B为塔顶，C为测量点。

Claims (9)

1.一种塔式起重机塔身垂直度实时检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)安装在塔式起重机塔顶上的加速度传感器采集塔身的水平度数据，并将其发送给MCU，同时设在加速度传感器上的温度传感器采集加速度传感器的温度数据并发送给MCU；
2)MCU采用温度补偿算法对加速度传感器的测量值进行补偿；
3)MCU对补偿后的测量值进行卡尔曼滤波；
4)MCU接收外部仪器测量的校准数据对滤波后的测量值进行校准；
5)MCU计算出塔身的水平度倾斜角数据，并将其发送给上位机；
6)上位机将水平度倾斜角转化为垂直度倾斜角。
2.根据权利要求1所述的一种塔式起重机塔身垂直度实时检测方法，其特征在于，所述的MCU采用温度补偿算法对加速度传感器的测量值进行补偿具体为：
Mxm＝Kt*(T-T0)*Mx
Mym＝Kt*(T-T0)*My；
其中T为测量值温度值，Kt为温度值T时校准因子，T0为出厂校验时温度值，Mx为当前加速度计X方向测量值，My为当前加速度计X方向测量值，Mxm为补偿后计算值，Mym为补偿后计算值。
3.根据权利要求2所述的一种塔式起重机塔身垂直度实时检测方法，其特征在于，所述的MCU接收外部仪器的校准数据对滤波后的测量值进行校准具体为：
Ex＝Mxm-Mwx；
Ey＝Mym-Mwy；
其中Mwx和Mwy分别为外部仪器在水平台上测试的X轴倾斜值和Y轴倾斜值，Ex和Ey分别为X轴与Y轴误差。
4.根据权利要求3所述的一种塔式起重机塔身垂直度实时检测方法，其特征在于，所述的MCU计算出塔身的水平度倾斜角数据：
Mx(D)＝(Mox(t)+Mox(t-1)+Mox(t-2)+....+Mox(t-n))/n-Ex；
My(D)＝(Moy(t)+Moy(t-1)+Moy(t-2)+....+Moy(t-n))/n-Ey；
Mox(t)和Moy(t)分别为t时刻输出X轴倾斜和Y轴倾斜，Mox(t-n)和Moy(t-n)分别为t-n时刻输出X轴倾斜和Y轴倾斜，Mx(D)和My(D)为水平度输出X与Y轴数据。
5.根据权利要求4所述的一种塔式起重机塔身垂直度实时检测方法，其特征在于，所述的n值取3。
6.根据权利要求1所述的塔式起重机塔身垂直度实时检测方法的装置，其特征在于，所述的外部仪器为水平仪或经纬仪。
7.一种实施权利要求1的塔式起重机塔身垂直度实时检测方法的装置，其特征在于，所述的电源模块、加速度传感器、温度传感器、MCU、RS485接口和上位机，所述的电源模块分别与加速度传感器、温度传感器、MCU连接，所述的MCU分别与速度传感器、温度传感器、RS485接口连接，所述的RS485接口与上位机连接。
8.根据权利要求7所述的塔式起重机塔身垂直度实时检测方法的装置，其特征在于，所述的电源模块包括依次连接的电源滤波保护电路、第一LDO电路、DC/DC升压电路和第二LDO电路，所述的第一LDO电路与MCU连接，所述的第二LDO电路与加速度传感器连接。
9.根据权利要求7所述的塔式起重机塔身垂直度实时检测方法的装置，其特征在于，所述的加速度传感器设有四个，分别固定在安装板上后通过磁铁吸附在塔顶上。
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