CN104803289A - 一种采用红外双波段单站测量双吊具桥吊绳长装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用红外双波段单站测量双吊具桥吊绳长装置及方法，通过设置一对信号处理装置、一对信号采集装置、两对吊绳、一对吊具及一对红外辐射源；使得双吊具通过一对红外辐射源、一对信号采集装置，将得到的电信号经过处理，计算出两对吊绳的绳长。由于红外辐射波段本身的特性，使得其短距离测量精确度高，且安全无害，该装置可以在具有轻度雾霾的天气环境下工作，环境的湿度、照度等对检测装置的影响很小，能够实现非接触距离检测；在维护方面，该装置信号发射与接收以及处理装置分离，维护相对方便，一处损坏，无需整体更换。本发明具有结构简单，成本低廉，精确度高，抗干扰能力强，易于维护等优点。

Description

一种采用红外双波段单站测量双吊具桥吊绳长装置及方法

技术领域

本发明涉及检测吊具绳长领域，具体涉及一种采用红外双波段单站测量双吊具桥吊绳长装置及方法。

背景技术

双起升桥式吊车的双吊具可以同时装卸两个不同的集装箱，大大提高了集装箱码头的运输效率。双起升桥式吊车在装卸过程中，需要两个吊具同步协调运行才能保证准确的对位以最大效率完成集装箱的装卸工作。但在双吊具驱动电机运行过程中，外部负载重量的变化，以及外部其他干扰，桥吊系统内部参数的变化，装卸过程中双吊具会产生不同步的现象，导致两吊具绳长会出现不一致，这样会对装卸效率带来不利影响，也会带来不安全因素。因此，精确测量吊具绳长并对吊绳长度进行同步控制非常重要。

在双吊具桥吊的自动控制中，需要检测双吊具的绳长信息，使之参与反馈控制。现有的吊具绳长检测装置是针对单吊具桥吊设计的，比如，激光测距、光电码盘测距等。这两种测量装置均采用了复杂的测量装置，成本高。其中激光测距有危险性，需要人员注意安全，且对测量环境要求较高。光电码盘测距装置在出现损坏时，需要整体更换，维护成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用红外双波段单站测量双吊具桥吊绳长装置及方法，采用双波段红外搜索与跟踪系统的单站测距原理，通过设置一对信号处理装置、一对信号采集装置、两对吊绳、一对吊具及一对红外辐射源；使得双吊具通过一对红外辐射源、一对信号采集装置，将得到的电信号经过处理，计算出两对吊绳的绳长。由于红外辐射波段本身的特性，使得其短距离测量精确度高，且安全无害，该装置可以在具有轻度雾霾的天气环境下工作，环境的湿度、照度等对检测装置的影响很小，能够实现非接触距离检测；在维护方面，该装置信号发射与接收以及处理装置分离，维护相对方便，一处损坏，无需整体更换。本发明具有结构简单，成本低廉，精确度高，抗干扰能力强，易于维护等优点。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种采用红外双波段单站测量双吊具桥吊绳长装置，该装置设置在小车结构上，所述小车结构设置在大车结构上，所述大车结构上还设有驾驶室；

其特点是，该测量双吊具桥吊绳长装置包含：

一对信号处理装置，分别对称设置在小车结构顶部；

一对信号采集装置，分别对称设置在所述小车结构底部，每个所述信号采集装置与对应的所述信号处理装置相连接；

两对吊绳，每对所述吊绳的一端通过对应的所述信号采集装置，与设置在所述小车结构内部的对应的电机轴连接；

一对吊具，每个所述吊具与对应的所述一对吊绳的另一端连接；

一对红外辐射源，每个所述红外辐射源设置在对应所述的吊具上。

优选地，每个所述信号处理装置包含：

前置滤波器，与对应的所述信号采集装置连接；

信号放大电路，与所述前置滤波器连接；

运算电路，与所述信号放大电路连接；

A/D转换器，与所述运算电路连接；

数据处理单元，所述数据处理单元的输入端与所述A/D转换器连接，该数据处理单元的输出端与外部控制系统连接。

优选地，每个所述信号采集装置包含：

壳体，设置在所述小车结构底部，并与该小车结构内部相通；

一对红外热释电传感器部件，对称设置在所述壳体底部外侧面上；该对红外热释电传感器部件与对应的所述信号处理装置的前置滤波器连接；

一对定位孔，对称设置在所述壳体底部，使得对应的一对所述吊绳的一端通过该对定位孔与设置在所述小车结构内部的对应的电机轴连接；

优选地，每个所述信号采集装置中的一对红外热释电传感器部件，与设置在对应所述吊具上的所述红外辐射源相对设置。

优选地，每个所述红外热释电传感器部件包含：

滤光片；

感光单元，设置在所述滤光片后方，通过该滤光片与获取对应所述红外辐射源发出的信号；

释能电阻，与所述感光单元并联，所述释能电阻的一端接地；

场效应管，所述场效应管的栅极端与所述释能电阻的另一端连接，该场效应管的源极端、漏极端分别与对应的所述信号处理装置连接。

优选地，该测量双吊具桥吊绳长装置中所有滤光片的过滤波段均不相同。

一种采用红外双波段单站测量双吊具桥吊绳长的方法，其特点是，该方法包含：

S1，当桥吊接收到运行命令后，桥吊开始运行，一对吊具发生运动；

S2，由于一对红外辐射源与对应的一对信号采集装置之间距离发生变化，每个所述信号采集装置实时获取对应的所述红外辐射源发出的红外信号；

S3，每个所述信号采集装置对获取到的红外信号进行处理，并将处理信号发送至对应的信号处理装置进行分析处理，计算该吊具的每根吊绳的长度；

S4，每个所述信号处理装置将吊绳长度信息发送至外部控制系统。

优选地，所述步骤S3包含如下步骤：

S3.1，每个所述信号采集装置的一对红外热释电传感器部件根据内设滤光片的过滤波段不同，获取对应波段的红外信号；

S3.2，每对红外热释电传感器部件将红外信号转换为对应的电压信号，并将该对电压信号发送至对应的所述信号处理装置；

S3.3，每个所述信号处理装置将获取到的一对电压信号经前置滤波器滤除噪声信号，再经信号放大电路进行放大，将放大后的该对电压信号通过运算电路进行运算处理后，经A/D转换器进行模数转换后，将信号发送至数据处理单元进行计算获取对应一对吊绳的长度信号。

优选地，所述步骤S4具体如下：

外部控制系统获取一对所述信号处理装置发送的两对吊绳3的长度信号，并将长度信号发送至驾驶室显示器供桥吊驾驶员参考；

所述外部控制系统还将该长度信号作为反馈信息发送至外部同步控制装置。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明公开的一种采用红外双波段单站测量双吊具桥吊绳长装置及方法，采用红外传感器对红外辐射源发出的红外辐射信号进行检测并处理，获取绳长数据。该测量装置成本低、效率高，并且结构简单；同时本发明公开的这类非接触式被动测量装置的磨损小，易于维护，实用价值较高。

附图说明

图1为本发明一种采用红外双波段单站测量双吊具桥吊绳长装置的整体结构示意图。

图2为本发明一种采用红外双波段单站测量双吊具桥吊绳长装置的具体结构示意图之一。

图3为本发明一种采用红外双波段单站测量双吊具桥吊绳长装置的具体结构示意图之二。

图4为本发明一种采用红外双波段单站测量双吊具桥吊绳长装置的具体结构示意图之三。

图5为本发明一种采用红外双波段单站测量双吊具桥吊绳长方法的整体流程图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种采用红外双波段单站测量双吊具桥吊绳长装置，该装置设置在小车结构100上，小车结构100设置在大车结构300上，大车结构300上还设有驾驶室310。

该测量双吊具桥吊绳长装置包含：一对信号处理装置1、一对信号采集装置2、两对吊绳3、一对吊具4及一对红外辐射源5。其中，一对信号处理装置1分别对称设置在小车结构100顶部；一对信号采集装置2分别对称设置在小车结构100底部，每个信号采集装置2与对应的信号处理装置1相连接；每对吊绳3的一端通过对应的信号采集装置2，与设置在小车结构100内部的对应的电机轴410连接；每个吊具4与对应的一对吊绳3的另一端连接；每个红外辐射源5设置在对应的吊具4上。

本发明通过一对信号采集装置2检测一对红外辐射源5发出的光谱辐射功率的变化来获取一对吊具4的距离变化，从而测量出两对吊绳3的绳长。

如图4所示，每个信号处理装置1包含：前置滤波器11、信号放大电路12、运算电路13、A/D转换器14及数据处理单元15。其中，前置滤波器11与对应的信号采集装置2连接；信号放大电路12与前置滤波器11连接；运算电路13与信号放大电路12连接；A/D转换器14与运算电路13连接；数据处理单元15的输入端与A/D转换器14连接，该数据处理单元15的输出端与外部控制系统连接。

如图2所示，每个信号采集装置2包含：壳体21、一对红外热释电传感器部件22、一对定位孔23。其中，壳体21设置在小车结构100底部，并与该小车结构100内部相通。一对红外热释电传感器部件22对称设置在壳体21底部外侧面上；该对红外热释电传感器部件22与对应的信号处理装置1的前置滤波器11连接。一对定位孔23对称设置在壳体21底部，使得对应的一对吊绳3的一端通过该对定位孔21与设置在小车结构100内部的对应的电机轴410连接。

本发明中的两对定位孔23，用于对穿过其中的吊绳3进行摆角位置固定，能够有效地限制吊绳3的摆动幅度。

本发明中，当一对起升电机420工作时，带动对应的电机轴410工作，则对应一对吊绳3随着电机轴410转动长度发生变化。每个信号采集装置2通过测定设定在对应一对吊绳3底端的吊具4上的红外辐射源5发出的红外信号，从而测定该对吊绳3的绳长变化。

如图2所示，每个信号采集装置2中的一对红外热释电传感器部件22，与设置在对应吊具4上的红外辐射源5相对设置。

通过设置每个信号采集装置2中的一对红外热释电传感器部件22与对应的红外辐射源5相对设置，使得每个信号采集装置2能够最大限度的获取红外辐射源5发出的红外信号，提高每个信号采集装置2的采集信号准确度。

如图3所示，每个红外热释电传感器部件22包含：滤光片221、感光单元222、释能电阻223及场效应管224。其中，感光单元222设置在滤光片221后方，通过该滤光片221与获取对应红外辐射源5发出的信号。释能电阻223与感光单元222并联，释能电阻223的一端接地。场效应管224的栅极端与释能电阻223的另一端连接，该场效应管224的源极端、漏极端分别与对应的信号处理装置1连接。

本发明中，该测量双吊具桥吊绳长装置中所有滤光片221的过滤波段均不相同。使得每个红外热释电传感器部件22的感光单元222能够接收相应波段的红外光信号。则本发明中的四个红外热释电传感器部件22能够接收到的波长各部相同，从而能够避免红外热释电传感器部件22之间的相互干扰。

本发明中，释能电阻223用于释放场效应管224的栅极电荷，能够确保场效应管224的正常工作。因为感光单元222的材料阻抗值非常高，因此需要采用场效应管224进行阻抗变化后才能进行后续信号处理装置1使用。

如图5所示，一种采用红外双波段单站测量双吊具桥吊绳长的方法，该方法包含：

S1，当桥吊接收到运行命令后，桥吊开始运行，一对吊具4发生运动。

S2，由于一对红外辐射源5与对应的一对信号采集装置2之间距离发生变化，每个信号采集装置2实时获取对应的红外辐射源5发出的红外信号。

S3，每个信号采集装置2对获取到的红外信号进行处理，并将处理信号发送至对应的信号处理装置1进行分析处理，计算该吊具的每根吊绳3的长度。

该步骤S3包含如下步骤：

S3.1，每个信号采集装置2的一对红外热释电传感器部件22根据内设滤光片221的过滤波段不同，获取对应波段的红外信号。

如图3所示，由红外辐射源5发出的红外射线经滤光片221后，感光单元222接收到红外信号。红外热释电传感器部件22的感光单元222受到红外辐射的照射时，温度会升高，引起自发极化强度的变化，结果在垂直于自发极化方向的晶体的两个外表面之间会产生波动的微小电压，根据热释电红外传感器的工作原理，能量微分dε加在热释电晶体(包含于感光单元222中)上，引起对热释电晶体本身的电容C充电，也即：

K·dε＝C·du   (1)

其中，u为灵敏源电容两端电压，K为常数。

由 $P=\frac{\mathrm{d\ϵ}}{\mathrm{dt}}$ 知， $\mathrm{du}=\frac{K}{C}P\·\mathrm{dt},$ P为辐射功率

则，可知：

       $U_1-U_2=\frac{K}{C}{\∫}_{t_1}^{t_2}\mathrm{Pdt}---\left(2\right)$

其中，U₁和U₂分别为任意两个时刻t₁、t₂的电压值，公式(2)用于表示时间对功率的积累对应电压的变化，上述公式(2)将用于后续的辐射功率运算电路的设计。由感光单元222产生的微小波动电压，经过场效应管224进行输出。

S3.2，每对红外热释电传感器部件22将红外信号转换为对应的电压信号，并将该对电压信号发送至对应的信号处理装置1。

S3.3，每个信号处理装置1将获取到的一对电压信号经前置滤波器11滤除噪声信号，再经信号放大电路12进行放大，将放大后的该对电压信号通过运算电路13进行运算处理后，经A/D转换器14进行模数转换后，将信号发送至数据处理单元15进行计算获取对应一对吊绳3的长度信号。

根据如下光谱辐射功率计算公式：

       $P_{\mathrm{\λ}}\left(i\right)=\frac{J_{\mathrm{\λ}}{A}_0{\mathrm{Ke}}^{-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\λ}}R\left(i\right)}}{R^2\left(i\right)}---\left(3\right)$

其中，i表示不同时刻，本式中i＝1,2.....；J_λ为目标在λ波段的红外光谱强度；μ_λ为λ波段的大气衰减系数；A₀为光学系统的接收面积，K为光学系统的透过率；R(i)为i时刻的目标距离，也即红外辐射源5到对应红外热释电传感器部件22的距离；P_λ(i)表示i时刻λ波段红外光的光谱辐射功率。

则双波段红外光在i-1和i时刻的光谱辐射功率分别对应为P₁(i-1)，P₁(i)，P₂(i-1)，P₂(i)，对公式(3)进行变换后，得到目标距离：

       $R(i-1)=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_2-{\mathrm{\μ}}_1}\ln \frac{p_1(i-1)P_2\left(i\right)}{P_1\left(i\right)P_2(i-1)}/\{1-{\left({\left(\frac{P_1(i-1)}{P_1\left(i\right)}\right)}^{{\mathrm{\μ}}_2}{\left(\frac{P_2\left(i\right)}{P_2(i-1)}\right)}^{{\mathrm{\μ}}_1}\right)}^{\frac{1}{2({\mathrm{\μ}}_2-{\mathrm{\μ}}_1)}}\}---\left(4\right)$

       $R\left(i\right)=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_2-{\mathrm{\μ}}_1}\ln \frac{p_1(i-1)P_2\left(i\right)}{P_1\left(i\right)P_2(i-1)}/\{{\left({\left(\frac{P_1(i-1)}{P_1\left(i\right)}\right)}^{{\mathrm{\μ}}_2}{\left(\frac{P_2\left(i\right)}{P_2(i-1)}\right)}^{{\mathrm{\μ}}_1}\right)}^{\frac{1}{2({\mathrm{\μ}}_1-{\mathrm{\μ}}_2)}}-1\}---\left(5\right)$

由上述公式(4)、(5)可以经数据处理单元15计算出绳长，其中R(i-1)和R(i)为同一台计算机处理得到，分别代表同一个吊具在i-1和i时刻的目标距离。

S4，每个信号处理装置1将吊绳长度信息发送至外部控制系统。该步骤S4具体如下：

外部控制系统获取一对信号处理装置1发送的两对吊绳3的长度信号，并将长度信号发送至驾驶室310显示器供桥吊驾驶员参考。外部控制系统还将该长度信号作为反馈信息发送至外部同步控制装置。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种采用红外双波段单站测量双吊具桥吊绳长装置，该装置设置在小车结构（100）上，所述小车结构（100）设置在大车结构（300）上，所述大车结构（300）上还设有驾驶室（310）；

其特征在于，该测量双吊具桥吊绳长装置包含：

一对信号处理装置（1），分别对称设置在小车结构（100）顶部；

一对信号采集装置（2），分别对称设置在所述小车结构（100）底部，每个所述信号采集装置（2）与对应的所述信号处理装置（1）相连接；

两对吊绳（3），每对所述吊绳（3）的一端通过对应的所述信号采集装置（2），与设置在所述小车结构（100）内部的对应的电机轴（410）连接；

一对吊具（4），每个所述吊具（4）与对应的所述一对吊绳（3）的另一端连接；

一对红外辐射源（5），每个所述红外辐射源（5）设置在对应所述的吊具（4）上。

2.如权利要求1所述的采用红外双波段单站测量双吊具桥吊绳长装置，其特征在于，每个所述信号处理装置（1）包含：

前置滤波器（11），与对应的所述信号采集装置（2）连接；

信号放大电路（12），与所述前置滤波器（11）连接；

运算电路（13），与所述信号放大电路（12）连接；

A/D转换器（14），与所述运算电路（13）连接；

数据处理单元（15），所述数据处理单元（15）的输入端与所述A/D转换器（14）连接，该数据处理单元（15）的输出端与外部控制系统连接。

3.如权利要求2所述的采用红外双波段单站测量双吊具桥吊绳长装置，其特征在于，每个所述信号采集装置（2）包含：

壳体（21），设置在所述小车结构（100）底部，并与该小车结构（100）内部相通；

一对红外热释电传感器部件（22），对称设置在所述壳体（21）底部外侧面上；该对红外热释电传感器部件（22）与对应的所述信号处理装置（1）的前置滤波器（11）连接；

一对定位孔（23），对称设置在所述壳体（21）底部，使得对应的一对所述吊绳（3）的一端通过该对定位孔（21）与设置在所述小车结构（100）内部的对应的电机轴（410）连接。

4.如权利要求3所述的采用红外双波段单站测量双吊具桥吊绳长装置，其特征在于，每个所述信号采集装置（2）中的一对红外热释电传感器部件（22），与设置在对应所述吊具（4）上的所述红外辐射源（5）相对设置。

5.如权利要求3所述的采用红外双波段单站测量双吊具桥吊绳长装置，其特征在于，每个所述红外热释电传感器部件（22）包含：

滤光片（221）；

感光单元（222），设置在所述滤光片（221）后方，通过该滤光片（221）与获取对应所述红外辐射源（5）发出的信号；

释能电阻（223），与所述感光单元（222）并联，所述释能电阻（223）的一端接地；

场效应管（224），所述场效应管（224）的栅极端与所述释能电阻（223）的另一端连接，该场效应管（224）的源极端、漏极端分别与对应的所述信号处理装置（1）连接。

6.如权利要求4所述的采用红外双波段单站测量双吊具桥吊绳长装置，其特征在于，该测量双吊具桥吊绳长装置中所有滤光片（221）的过滤波段均不相同。

7.一种采用红外双波段单站测量双吊具桥吊绳长的方法，其特征在于，该方法包含：

S1，当桥吊接收到运行命令后，桥吊开始运行，一对吊具（4）发生运动；

S2，由于一对红外辐射源（5）与对应的一对信号采集装置（2）之间距离发生变化，每个所述信号采集装置（2）实时获取对应的所述红外辐射源（5）发出的红外信号；

S3，每个所述信号采集装置（2）对获取到的红外信号进行处理，并将处理信号发送至对应的信号处理装置（1）进行分析处理，计算该吊具的每根吊绳（3）的长度；

S4，每个所述信号处理装置（1）将吊绳长度信息发送至外部控制系统。

8.如权利要求6所述的采用红外双波段单站测量双吊具桥吊绳长的方法，其特征在于，所述步骤S3包含如下步骤：

S3.1，每个所述信号采集装置（2）的一对红外热释电传感器部件（22）根据内设滤光片（221）的过滤波段，获取对应波段的红外信号；

S3.2，每对红外热释电传感器部件（22）分别将红外信号转换为对应的电压信号，并将该对电压信号发送至对应的所述信号处理装置（1）；

S3.3，每个所述信号处理装置（1）将获取到的一对电压信号经前置滤波器（11）滤除噪声信号，再经信号放大电路（12）进行放大，将放大后的该对电压信号通过运算电路（13）进行运算处理后，经A/D转换器（14）进行模数转换后，将信号发送至数据处理单元（15）进行计算获取对应一对吊绳（3）的长度信号。

9.如权利要求6所述的采用红外双波段单站测量双吊具桥吊绳长的方法，其特征在于，所述步骤S4具体如下：

外部控制系统获取一对所述信号处理装置（1）发送的两对吊绳（3）的长度信号，并将长度信号发送至驾驶室（310）显示器供桥吊驾驶员参考；

所述外部控制系统还将该长度信号作为反馈信息发送至外部同步控制装置。