CN105016208B - 一种双吊具桥吊摆角测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双吊具桥吊摆角测量方法，包含以下步骤：初始设定摆角测量装置；当双吊具桥吊的小车机构接收到运行命令后，桥吊开始运行，吊具带动吊绳运动，吊绳的摆动带动每一测量单元的轻质摆架发生摆动，从而带动电容式液位传感器转动，电容式液位传感器的转动产生对应角度的电容值；电容式液位传感器采集获得的电容值经电容测量电路处理后获得电压值；信号处理模块接收对应电容测量电路发送的电压值进行处理，并将处理结果传输至数据计算处理模块；数据计算处理模块根据电压值计算出其对应的摆角信息。本发明还公开了一种双吊具桥吊摆角测量装置。本发明装置结构简单，方法测量效率高，准确率高，抗干扰能力强，受天气及周围环境的影响小。

Description

一种双吊具桥吊摆角测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及桥吊摆角测量技术领域，具体涉及一种双吊具桥吊摆角测量装置及其方法。

背景技术

随着集装箱运输的发展和港口建设规模的扩大，为了提高集装箱的船舶装卸速度，集装箱桥吊双箱吊具的使用越来越广泛。能更好地控制桥吊下双吊具及负载的摆动，使得卡车准确对位成为制约提高集装箱装卸率的关键。

双吊具桥吊车装卸集装箱过程中，由于惯性、摩擦力等因素引起负载摆动。不仅大大降低装卸效率，还可能导致财务损失甚至人员伤亡。同时双吊具具有结构复杂，工作方式多样的特性，给摆角测量带来极大困难。因此设计一种简单有效的摆角测量装置十分必要。

现有技术中的摆角测量装置多针对单吊具桥吊，且这些测量装置多采用复杂的仪器，维护不方便。例如基于光电效应的一类摆角测量装置受天气影响大，基于电磁原理的一类摆角测量装置对周围电磁环境要求极高等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双吊具桥吊摆角测量装置及其方法，装置结构简单，元器件成本较低，灵敏度高，方法测量效率高，准确率高，抗干扰能力强，受天气及周围环境的影响小。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种双吊具桥吊摆角测量装置，该摆角测量装置设置在双吊具桥吊的小车机构上，所述小车机构设置在大车机构上，所述大车机构上设有桥吊驾驶室，所述小车机构上设有一对起升电机，每一起升电机包含一转轴，每一起升电机的转轴通过一吊绳连接一吊具，其特点是，该摆角测量装置包含：

一对信号处理模块，对称设置在所述小车机构的顶部；

一对信号采集模块，对称设置在所述小车机构的底部，每一所述信号采集模块与对应的信号处理模块连接；

一数据计算处理模块，设置在桥吊驾驶室内，分别与一对信号处理模块连接；

一用于显示摆角信息的显示模块，设置在桥吊驾驶室内，与所述数据计算处理模块连接；

一对电容测量电路，设置在对应的信号采集模块与信号处理模块之间，其中

每一吊绳穿过对应的信号采集模块与所述吊具连接。

所述的数据计算处理模块进一步与桥吊防摇控制系统连接。

所述的信号处理模块包含前置放大电路，其输入端与对应的所述电容测量电路连接；

滤波器，其输入端与所述前置放大电路的输出端连接；

模数转换器，其输输入端与所述滤波器的输出端连接，输出端连接所述数据计算处理模块。

所述的信号采集模块包含一对测量单元，所述一对测量单元分别用于检测x方向及y方向的摆动角度；其中每一测量单元包含：

轻质摆架，所述轻质摆架呈半圆形，延其圆周方向设有光滑开缝，所述吊绳穿过该开缝；

轻质箱体，与所述轻质摆架的一端连接，

电容式液位传感器，设置在所述轻质箱体内，与所述轻质箱体形成一整体，其信号输出端与对应的所述电容测量电路连接；

第一连接组件，与所述轻质箱体滑动连接，另一端与小车机构的底部连接；

第二连接组件，与所述轻质摆架滑动连接，另一端与小车机构的底部连接；所述轻质箱体与所述轻质摆架连接成一体，当所述吊绳摆动时，带动所述轻质摆架运动，从而使轻质箱体内的电容式液位传感器相对于小车机构摆动。

所述的信号采集模块中包含两个轻质摆架的半径不同，其中半径大的轻质摆架设置在半径小的轻质摆架的下方，二者相互垂直且相切；

所述的轻质摆架的表面光滑无糙面。

所述的电容式液位传感器包含：

绝缘壳体，所述绝缘壳体呈长方体，所述绝缘壳体的长度为高度的两倍，绝缘壳体内注有导电液；

所述绝缘壳体长度方向的内侧分别依次设置一第一金属板及第二金属板；

所述第一金属板与第二金属板之间设有绝缘隔断；

所述第一金属板与第二金属板的大小尺寸一致；其中

两块第一金属板之间形成第一电容；

两块第二金属板之间形成第二电容；

所述绝缘壳体的长度方向与所述轻质摆架的运动方向相平行。

所述的电容测量电路包含两个测量支路，分别连接第一电容和第二电容；

每一测量支路包含电压输入端，连接交流电，一电阻与所述电容串联至交流电，所述电容的两端作为电压输出端与所述信号处理模块的前置放大电路连接。

一种双吊具桥吊摆角测量方法，其特点是，包含以下步骤：

S1、初始设定摆角测量装置；

S2、当双吊具桥吊的小车机构接收到运行命令后，桥吊开始运行，吊具带动吊绳运动，吊绳的摆动带动每一测量单元的轻质摆架发生摆动，从而带动电容式液位传感器转动，电容式液位传感器的转动产生对应角度的电容值；

S3、电容式液位传感器采集获得的电容值经电容测量电路处理后获得电压值；

S4、信号处理模块接收对应电容测量电路发送的电压值进行处理，并将处理结果传输至数据计算处理模块；

S5、数据计算处理模块根据电压值计算出其对应的摆角信息。

所述的步骤S1包含如下步骤：

S1.1、吊具处于静止状态，自然下垂，吊绳无任何摆角；

S1.2、固定电容式液位传感器的位置，使得电容测量电路输出的电压值为零，将该静止状态作为初始参照状态；

S1.3、重复步骤S1.1～S1.2，调整其他电容式液位传感器的位置，完成摆角测量装置的初始设定。

所述的双吊具桥吊摆角测量方法还包含步骤S6；

S6、数据计算处理模块将摆角信息发送至位于桥吊驾驶室显示模块，以供桥吊驾驶员参考，将摆角信息发送至桥吊防摇控制系统，以提供反馈信息。

本发明一种双吊具桥吊摆角测量装置及其方法与现有技术相比具有以下优点：本发明利用电容值的大小随着电容式液位传感器内导电液倾斜而发生变化的原理，具有高灵敏度、高精度、耐腐蚀、耐潮湿等特点，将电容式液位摆脚传感器置于反映吊具摆角的轻质摆架上，电容式液位摆脚传感器的电容变化信号，经过电容测量电路转化成电压信号，经信号处理模块转换成数字信号，最后输入数据计算处理模块处理获得的摆脚数据，本发明装置成本低，效率高，结构简单，抗干扰能力强，完全克服了检测装置价格昂贵，高度依赖天气及周围环境的问题。

附图说明

图1为本发明一种双吊具桥吊摆角测量装置的整体结构示意图；

图2为信号处理模块的示意图；

图3为信号采集模块的示意图；

图4为测量单元的示意图；

图5为电容式液位传感器的示意图；

图6为图5的左视图；

图7为电容测量电路的示意图；

图8为本发明一种双吊具桥吊摆角测量方法的流程图；

图9为摆角关系空间示意图；

图10为角度合成示意图。

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，一种双吊具桥吊摆角测量装置，该摆角测量装置设置在双吊具桥吊的小车机构100上，所述小车机构100设置在大车机构200上，所述大车机构200上设有桥吊驾驶室201，所述小车机构100上设有一对起升电机101，每一起升电机101包含一转轴1011，每一起升电机101的转轴1011通过一吊绳300连接一吊具400，吊具400用于起吊集装箱500，两个吊具400可以同时工作，也可以独立工作，小车机构100与大车机构200之间设置小车驱动102，为小车机构100提供动力，大车机构200也包含一大车驱动202，为大车机构200提供动力。

在本实施例中，该摆角测量装置包含：一对信号处理模块601，对称设置在所述小车机构100的顶部；一对信号采集模块602，对称设置在所述小车机构100的底部，每一所述信号采集模块602与对应的信号处理模块601连接；一数据计算处理模块603，设置在桥吊驾驶室201内，分别与一对信号处理模块601连接；一用于显示摆角信息的显示模块604，设置在桥吊驾驶室201内，与所述数据计算处理模块603连接；一对电容测量电路605，设置在对应的信号采集模块602与信号处理模块603之间，其中每一吊绳300穿过对应的信号采集模块602与所述吊具400连接。

在另外一些实施例中，所述的数据计算处理模块603进一步与桥吊防摇控制系统700连接，数据计算处理模块603及显示模块604为一体式结构，可采用一计算机。较佳地，数据计算处理模块603及显示模块604为一体式结构，可采用一计算机。

在本实施例中，如图2所示，所述的信号处理模块601可同时处理两路信号，包含前置放大电路6011，由电子管组成，将信号进行放大，其输入端与对应的所述电容测量电路605连接；滤波器6012，由电感器和电容器构成的网路，对信号进行滤波，其输入端与所述前置放大电路6011的输出端连接；模数转换器6013，由半导体分立元件制成，把经过与标准量(或参考量)比较处理后的模拟量转换成以二进制数值，其输输入端与所述滤波器6012的输出端连接，输出端连接所述数据计算处理模块603。

在本实施例中，如图3及图4并结合图1所示，所述的信号采集模块602包含一对测量单元，所述一对测量单元分别用于检测x方向及y方向的摆动角度；其中每一测量单元包含：轻质摆架6021，所述轻质摆架6021呈半圆形，且表面光滑无糙面，延其圆周方向设有光滑开缝，所述吊绳300穿过该开缝；轻质箱体6022，与所述轻质摆架6021的一端连接，电容式液位传感器6023，设置在所述轻质箱体6022内，与所述轻质箱体6022形成一整体，其信号输出端与对应的所述电容测量电路605连接；第一连接组件，与所述轻质箱体6022滑动连接，另一端与小车机构100的底部连接；第二连接组件，与所述轻质摆架6021滑动连接，另一端与小车机构100的底部连接；所述轻质箱体6022与所述轻质摆架6021连接成一体，当所述吊绳300摆动时，带动所述轻质摆架6021运动，从而使轻质箱体6022内的电容式液位传感器6023相对于小车机构100摆动。

在本实施例中，如图3所示，所述的信号采集模块602中包含两个轻质摆架6021的半径不同，其中半径大的轻质摆架6021设置在半径小的轻质摆架6021的下方，二者相互垂直且相切；优选地，所述的轻质摆架6021的表面光滑无糙面。

在本实施例中，如图5及图6并结合图4所示，所述的电容式液位传感器6023包含：绝缘壳体60231，所述绝缘壳体60231呈长方体，所述绝缘壳体60231的长度为高度的两倍，所述绝缘壳体60231长度方向的内侧分别依次设置一第一金属板60232及第二金属板60233；所述第一金属板60232与第二金属板60233之间设有绝缘隔断60234；所述第一金属板60232与第二金属板60233的大小尺寸一致；其中两块第一金属板60232之间形成第一电容C1；两块第二金属板60233之间形成第二电容C2；所述绝缘壳体60231的长度方向与所述轻质摆架6021的运动方向相平行，绝缘壳体60231内注有导电液60235，导电液60235并未完全充满整个箱体60231，留有一定空间，便于导电液60235流动。

具体地，参照图3所示，第一连接组件包含一轻质圆柱体60241与所述轻质箱体6022刚性连接，一U形架60242，两端焊接在小车机构100的底部，轻质圆柱体60241的直径与所述U形架60242凹处相适配，使得轻质圆柱体60241在U形架60242中无摩擦转动；第二连接组件包含一轻质矩形块60251，与所述轻质轻质摆架6021刚性连接，一轻质圆柱体60252，与所述轻质矩形块60251刚性连接，一U形架60253，两端焊接在小车机构100的底部，轻质圆柱体60252的直径与所述U形架60253凹处相适配，使得轻质圆柱体60252在U形架60253中无摩擦转动。吊绳300依次穿过两个轻质摆架6021的光滑开缝，这样吊绳300的摆动就会带动两个轻质摆架6021转动，而轻质摆架6021的转动会带动电容式液位传感器6023绕U形架转动，电容式液位传感器6023中的导电液60235改变，两个第一金属板60232之间的电容改变，两个第二金属板60233之间的电容改变。

较佳地，绝缘壳体60231由聚四氟乙烯构成，第一金属板60232和第二金属板60233均为附在绝缘壳体60231表面的铜板，绝缘隔断60234也由聚四氟乙烯构成，忽略绝缘隔断60234的厚度，设绝缘壳体60231的长度为2a，高为a，宽度为L，也即第一金属板60232和第二金属板均为正方形，长和宽分别为a，导电液60235采用3.5mol/L浓度的KCL盐液。

在本实施例中，如图7所示。所述的电容测量电路605包含两个测量支路，分别连接第一电容C1和第二电容C2；每一测量支路包含电压输入端连接220伏交流电，一电阻R，R的阻值已知，与所述电容C(电容C即为第一电容C1或第二电容C2)串联至交流电，所述电容C的两端作为电压输出端U₀与所述信号处理模块601的前置放大电路6011连接。

在本发明的较佳实施例中，可以规定当吊具400向X正轴摆动时，电容式液位传感器6023内液位变化导致C₁、C₂变化。由输出电压U₀获得ΔC，从而获得θ。当摆脚向X正轴摆动C₁>C₂，ΔC>0，θ>0。当摆脚向X负轴摆动C₁<C₂，ΔC<0，θ<0。

在本实施例中，如图8，并结合图9及图10所示，一种双吊具桥吊摆角测量方法，包含以下步骤：

S1、初始设定摆角测量装置。

S1.1、吊具处于静止状态，自然下垂，吊绳无任何摆角；

S1.2、固定电容式液位传感器的位置，使得电容测量电路输出的电压值为零，将该静止状态作为初始参照状态；

S1.3、重复步骤S1.1～S1.2，调整其他电容式液位传感器的位置，完成摆角测量装置的初始设定。

具体地，参见图5及图6，当平衡时，第一电容与第二电容的电容值相等，即：

式中，C1为第一电容电容值；C2为第二电容电容值；a为绝缘壳体60231的高度；L为绝缘壳体60231的宽；ε₀为空气介电常数；ε₁导电液介电常数。

S2、当双吊具桥吊的小车机构接收到运行命令后，桥吊开始运行，吊具带动吊绳运动，吊绳的摆动带动每一测量单元的轻质摆架发生摆动，从而带动电容式液位传感器转动，电容式液位传感器的转动产生对应角度的电容值。

具体地，如图6所示，θ以X负轴为起点，顺时针为正。当吊具400摆向X负半轴时，如图6所示，θ为正。

此时：

ΔC＝C₁-C₂

由以上公式可知，倾斜角与第一电容和第二电容的变化量ΔC成正比，即测出电容的变化量就可得出倾斜角度的变化量，式中，C1为第一电容电容值；C2为第二电容电容值；a为绝缘壳体60231的高度；L为绝缘壳体60231的宽；ε₀为空气介电常数；ε₁导电液介电常数；θ为倾斜角。

S3、电容式液位传感器采集获得的电容值经电容测量电路处理后获得电压值。

结合图7中所示，由基尔霍夫定律：

可知，式中，C_i代表第一电容C₁和第二电容C₂；i(t)为电流；U_i为电路输入电压；U₀电路输出电压。

S4、信号处理模块接收对应电容测量电路发送的电压值进行处理，并将处理结果传输至数据计算处理模块。

反映摆角信息的电压值实时地传送到信号处理模块，如图2所示，经过前置放大电路、滤波器、模数转换器处理后，送至数据计算处理模块进行分析计算。

S5、数据计算处理模块根据电压值计算出其对应的摆角信息。

数据计算处理模块根据电路输出电压计算得到C₁、C₂，即可到ΔC，由上述的公式即可获得吊绳在x和y两个方向投影以及角度θ_x和θ_y，再根据相应的角度计算公式就可以得到吊绳在三维空间的摆角θ。

S6、数据计算处理模块将摆角信息发送至位于桥吊驾驶室显示模块，以供桥吊驾驶员参考，将摆角信息发送至桥吊防摇控制系统，以提供反馈信息。

当两个吊具工作在互锁模式时，得到的两个摆角值理论上应该相同；如果不同，那么将互相作为对照进行摆角的修订，此工作在数据计算处理模块中进行。当两个吊具工作在独立模式下时，两个吊具的摆角互不影响，分别得到两个角度。

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 (10)

1.一种双吊具桥吊摆角测量装置，该摆角测量装置设置在双吊具桥吊的小车机构上，所述小车机构设置在大车机构上，所述大车机构上设有桥吊驾驶室，所述小车机构上设有一对起升电机，每一起升电机包含一转轴，每一起升电机的转轴通过一吊绳连接一吊具，其特征在于，该摆角测量装置包含：

一对信号处理模块，对称设置在所述小车机构的顶部；

一对信号采集模块，对称设置在所述小车机构的底部，每一所述信号采集模块与对应的信号处理模块连接；

一数据计算处理模块，设置在桥吊驾驶室内，分别与一对信号处理模块连接；

一用于显示摆角信息的显示模块，设置在桥吊驾驶室内，与所述数据计算处理模块连接；

一对电容测量电路，设置在对应的信号采集模块与信号处理模块之间，其中每一吊绳穿过对应的信号采集模块与所述吊具连接；所述的信号采集模块包含一对测量单元，所述一对测量单元分别用于检测x方向及y方向的摆动角度；其中每一测量单元包含：

轻质摆架，所述轻质摆架呈半圆形，延其圆周方向设有光滑开缝，所述吊绳穿过该开缝；

轻质箱体，与所述轻质摆架的一端连接，

电容式液位传感器，设置在所述轻质箱体内，与所述轻质箱体形成一整体，其信号输出端与对应的所述电容测量电路连接；所述电容式液位传感器包含绝缘壳体，所述绝缘壳体内注有导电液，所述绝缘壳体长度方向的内侧分别依次设置第一金属板及第二金属板，两块第一金属板之间形成第一电容，两块第二金属板之间形成第二电容；

其中，所述吊绳的摆动带动每一测量单元的轻质摆架发生摆动，从而带动电容式液位传感器转动，电容式液位传感器的转动产生对应角度的电容值。

2.如权利要求1所述的双吊具桥吊摆角测量装置，其特征在于，所述的数据计算处理模块进一步与桥吊防摇控制系统连接。

3.如权利要求1所述的双吊具桥吊摆角测量装置，其特征在于，所述的信号 处理模块包含前置放大电路，其输入端与对应的所述电容测量电路连接；

滤波器，其输入端与所述前置放大电路的输出端连接；

模数转换器，其输入端与所述滤波器的输出端连接，输出端连接所述数据计算处理模块。

4.如权利要求1所述的双吊具桥吊摆角测量装置，其特征在于，

第一连接组件，与所述轻质箱体滑动连接，另一端与小车机构的底部连接；

第二连接组件，与所述轻质摆架滑动连接，另一端与小车机构的底部连接；所述轻质箱体与所述轻质摆架连接成一体，当所述吊绳摆动时，带动所述轻质摆架运动，从而使轻质箱体内的电容式液位传感器相对于小车机构摆动。

5.如权利要求4所述的双吊具桥吊摆角测量装置，其特征在于，所述的信号采集模块中包含两个轻质摆架的半径不同，其中半径大的轻质摆架设置在半径小的轻质摆架的下方，二者相互垂直且相切；

所述的轻质摆架的表面光滑无糙面。

6.如权利要求1所述的双吊具桥吊摆角测量装置，其特征在于，

所述绝缘壳体呈长方体，所述绝缘壳体的长度为高度的两倍；

所述第一金属板与第二金属板之间设有绝缘隔断；

所述第一金属板与第二金属板的大小尺寸一致；其中

所述绝缘壳体的长度方向与所述轻质摆架的运动方向相平行。

7.如权利要求1所述的双吊具桥吊摆角测量装置，其特征在于，所述的电容测量电路包含两个测量支路，分别连接第一电容和第二电容；

每一测量支路包含电压输入端，连接交流电，一电阻与所述电容串联至交流电，所述电容的两端作为电压输出端与所述信号处理模块的前置放大电路连接。

8.一种双吊具桥吊摆角测量方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、初始设定摆角测量装置；

S2、当双吊具桥吊的小车机构接收到运行命令后，桥吊开始运行，吊具带动吊绳运动，吊绳的摆动带动每一测量单元的轻质摆架发生摆动，从而带动电容式液位传感器转动，电容式液位传感器的转动产生对应角度的电容值； 其中，所述电容式液位传感器包含绝缘壳体，所述绝缘壳体内注有导电液，所述绝缘壳体长度方向的内侧分别依次设置第一金属板及第二金属板，两块第一金属板之间形成第一电容，两块第二金属板之间形成第二电容；

S3、电容式液位传感器采集获得的电容值经电容测量电路处理后获得电压值；

S4、信号处理模块接收对应电容测量电路发送的电压值进行处理，并将处理结果传输至数据计算处理模块；

S5、数据计算处理模块根据电压值计算出其对应的摆角信息；

所述摆角计算公式为：

其中，ΔC＝C₁-C₂，

其中C₁为第一电容电容值，C₂为第二电容电容值，ΔC为第一电容电容值和第二电容电容值的差值，a为绝缘壳体的高度，L为绝缘壳体的宽，ε₀为空气介电常数，ε₁为导电液介电常数，θ为倾斜角。

9.如权利要求8所述的双吊具桥吊摆角测量方法，其特征在于，所述的步骤S1包含如下步骤：

S1.1、吊具处于静止状态，自然下垂，吊绳无任何摆角；

S1.2、固定电容式液位传感器的位置，使得电容测量电路输出的电压值为零，将该静止状态作为初始参照状态；

S1.3、重复步骤S1.1～S1.2，调整其他电容式液位传感器的位置，完成摆角测量装置的初始设定。

10.如权利要求8所述的双吊具桥吊摆角测量方法，其特征在于，进一步包含步骤S6；

S6、数据计算处理模块将摆角信息发送至位于桥吊驾驶室显示模块，以供桥吊驾驶员参考，将摆角信息发送至桥吊防摇控制系统，以提供反馈信息。