CN105600682B - 基于时间数字转换技术的起重机应变监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时间数字转换技术的起重机应变监测方法，利用时间数字转换技术采集应变，结合倾角传感器以及轨迹追踪传感器采集到的倾角以及加速度数据，一并发送至微控制器，微控制器经由3G模块将数据传输至远程监测端。远程监测端主要实现对起重机性能进行分析，包括通过雨流计数法估算剩余疲劳寿命，测试起重机变形以及空间轨迹追踪。与现有方法相比，本发明采用时间变化量代替应变片电阻变化量的方式测量应变，无需额外AD转换电路，降低系统功耗，通过3G方式传输数据，不受距离限制，同时对数据进行算法分析，实时监测起重机的受力与变形情况，保证起重机安全运行。

Description

基于时间数字转换技术的起重机应变监测方法

技术领域

本发明属于起重机运行状态监测领域，涉及一种能够实现对起重机应变、倾角以及空间轨迹等状态进行监测的方法。

背景技术

起重机是指在一定空间范围内垂直提升和水平搬运重物的多动作起重机械。目前，起重机作为一种搬运机械，广泛运用于港口、建筑工地以及工矿企业等。随着起重机械在国民生产中发挥着愈发重要的作用，对起重机状态的监测也越来越引起大家的关注。

起重机工作的最大特点就是做间歇性运动，即在一个工作循环中取料、运移、卸载等动作的相应机构是交替工作。在起重机的交替循环运行中，起重机可能会出现应力疲劳、刚度不足的情况，而应力应变往往作为大型机械结构强度最重要的评价指标，因此对应力应变进行在线监测具有非常重大的意义。其次，起重机械悬臂梁承受应力状态复杂，测量起重机的变形能更立体的对起重机做出安全评估。另外，一些门座式起重机存在周向转动的情况，所以也需要对起重机载荷端空间位移进行轨迹追踪。

应力应变监测已经有了一定的发展，但是传统的应力应变监测方式存在诸多弊端，不仅布线繁琐、电路复杂，而且只能在数据结果出来后进行分析，不能达到实时监控的目的。另外起重机的数据不能远距离传输，操作人员也不能在操作间实时的了解到起重机的运行状况。

起重机属于特种设备的一种，一旦出现故障，会对国民生产产生不可估量的影响，所以对起重机安全监察非常重要。目前，普遍采用的对起重机的监管方式是专人定期检验，既达不到实时监测的目的又耗费了大量人力。另外对于特种设备的监管，其运行状态需要进行存档方便以后查看，所以采取最新的无线监测系统，能够做到实时监测，也能对其运行数据进行有效保存。

发明内容

技术问题：本发明提供一种基于时间数字转换技术的起重机应变监测方法。

技术方案：本发明的基于时间数字转换技术的起重机应变监测方法，包括以下步骤：

1)将应变半桥的两个电阻应变片对称粘贴于起重机悬臂梁中点的上下两面，与两个电阻应变片并联的陶瓷电容焊接在与应变半桥连接的数据采集器上；

2)在应变采样时间内以T为周期采集n个应变数据，并按照如下方式遍历所述的n个应变数据，得到应变数据{ε₁,ε₂,ε₃,ε_...ε_n-1,ε_n}：

所述数据采集器分别采集陶瓷电容一个周期T内在两个电阻应变片上的充放电时间间隔t1、t2；

然后根据时间t1、t2以及公式计算出应变值ε，其中K为电阻应变片灵敏度系数，n为应变采样时间内采集的应变数据个数；

3)利用雨流计数法处理所述应变数据{ε₁,ε₂,ε₃,ε_...ε_n-1,ε_n}，得到起重机应变-时间历程的幅值谱S_a{S_a1,S_a2,S_a...S_aj-1,S_aj}和均值谱S_m{S_m1,S_m2,S_m...S_mk-1,S_mk}，其中j为幅值谱幅值个数，k为均值谱均值个数；

4)通过Miner损伤累计理论得到起重机的疲劳损伤度D，以应变采样时间为单位时间，进而计算得到所述起重机已使用寿命1/D和起重机剩余疲劳寿命(1-1/D)*D。

进一步的，本发明方法中，步骤3)中雨流计数法的处理步骤依次为：峰谷值检测，调整数据个数调整为偶数，数据对接，提取应力循环并记录循环次数。

本发明利用TDC(时间数字转换技术)采集应变，电流输出降低，降低系统电流功耗，省去AD转换电路，节约硬件开发成本。同时利用SCA103T传感器获取起重机倾角，测试悬臂梁变形，以及采用MEMS技术进行轨迹追踪。数据采集完毕后，经由同一块微控制器MSP430F149统一发送至无线模块。为了在传输上不受空间距离的限制，选取3G模块MU509-b。根据起重机监测方法的功能需求，方法的主要流程为：读取电容充放电时间、对时间进行标定、时间转换为应变、应变无线传输至远程监测端、雨流计数法估算起重机剩余疲劳寿命。

本发明中远程监测端作为服务器与3G模块通过TCP/IP协议进行通信，联网成功后，除了应变数据，还需要接收倾角以及加速度数据。同时，远程监测端需要测试起重机的变形以及空间轨迹追踪。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

根据本发明提出的方法所搭建的电路，不需要对应变电桥额外供电，同时也省去了滤波、A/D采样等环节，大大降低了电路的复杂性，也节约了硬件开发成本。

根据本发明提出的方法所搭建的电路功耗较低，整个电路电流消耗控制在15μA左右，远远低于常见应变检测的毫安级。

本发明所提出的方法选取陶瓷电容作为检测对象，其受温度影响小，充放电精度高，保证系统稳定性好，时间测量精度高。

附图说明

图1是基于时间数字转换技术的起重机应变监测方法整体流程图。

图2是起重机悬臂梁受力简图。

图3是起重机应力检测原理图。

图4是对起重机载荷端空间坐标系和绝对坐标系。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。

在图1中，充放电电容选用稳定性较高的陶瓷电容，可以提高时间获取的精度。电容充放电时间公式为：V_low电压下限，V_high为电压上限，R为应变电阻阻值，C为陶瓷电容值。陶瓷电容会分别在半桥的两个应变电阻上进行充放电的过程。

应变标定公式为：t₁、t₂分别为两个应变充放电时间，K为电阻敏感系数。

远程监测端首先通过雨流计数法获取应力数据的二维应力谱。雨流计数法的一般步骤是：峰谷值检测，调整数据个数为偶数，提取应力循环并记录循环次数。本发明提出的方法对雨流计数法进行了一些改进，在提取应力循环之前进行了数据对接。

数据对接的对象为已经调整为偶数个数的应力——时间历程。在其绝对值最大点处截开，然后进行首尾对接，变成只进行一次雨流计数即可完成的全封闭数据。假设偶数个数的应力——时间历程为{A(1),A(2)...A(N-1),A(N)}，N为应力数据个数，则数据对接的步骤为：

(1)遍历N个应力数据，找到绝对值最大值，设为m＝A(i)，m为最大值，i为m在应力——时间历程中的位置；

(2)将A(i)前后的数据进行位置互换，得到新的应力——时间历程为{A(i),A(i+1)...A(N),A(1),A(2)...A(i)}。

A(i),A(i+1)...A(N),A(1),A(2)...A(i)作为新的应力——时间历程进行二维应力谱的提取。

通过Miner损伤累计理论对二维应力谱进行分析，可以得到起重机的疲劳损伤度。Miner疲劳累计损伤理论认为，每个应力循环下的疲劳损伤是独立的，总损伤等于每个循环下的损伤之和。在Miner损伤理论中，运用到p-S-N公式，即存活率为p的情况下，起重机的应力与循环次数的关系。一般p-S-N公式有如下形式logN_p＝a_p+b_plog(σ_-1)。a_p、b_p为系数，可以通过手册查询，σ_-1为循环特性R＝-1时的疲劳极限，可以通过Goodman图获得。则求解疲劳损伤度步骤为：

(1)根据(σ_Rm、σ_Ra即为上述求得二维应力谱的应力幅值和应力均值，σ_b为起重机材料的抗拉强度，查表可得)，可以得到σ_-1；

(2)上述σ_-1代入p-S-N公式，可以得到不同应力幅值和应力均值对应的循环次数，假设第i个应力幅值σ_Rmi，第j个应力均值σ_Raj，求得循环次数记为N_ij；

(3)在上述雨流计数法中，获得二维应力谱的同时，也记录下每组应力谱所对应的循环次数，同样的对于第i个应力幅值，第j个应力均值，对应的循环次数记为n_ij；

(4)对于第i个应力幅值、第j个应力均值构成的循环，造成的结构损伤度记为D_ij＝n_ij/N_ij；

(5)总损伤度为

根据总损伤度进而可以计算起重机剩余疲劳寿命。

3G网络以TCP/IP协议为沟通语言，利用IP可以进行远程连接，不受距离的约束就可以远程监测起重机运行状态。

远程监测端也会进行起重机的变形测试。

(1)可将悬臂梁简化为图2所示的简支梁。悬臂梁长度L，小车施力点位置a和b以及监测系统位置x均为已知量。θ、ω分别表示转角和挠度。获取转角和挠度方程式。

AC段(0≤x≤a)

BC段(a≤x≤L)

应力检测电路原理图3所示。

(1)两块电阻应变片R_sg1和R_sg2组成一个测量半桥，C_load是充放电电容，序列发生器产生电信号控制芯片内部电子开关的导通，TDC测量单元测量电容从开始放电到放电结束的时间间隔。

(2)C_load先充电到上限充电电压，然后通过其中一只应变电阻放电到下限电压，整个放电过程历经的时间被TDC模块所测量，该过程会在另外一个应变电阻上重复一次，两次充、放电循环构成了一次完整的应变测量。

(3)当被测物体应力状态发生变化时，R_sg电阻值也发生变化，同时引起电容放电时间的变化，即为被测物体应变值与电容放电时间有关，TDC应变测量技术将应变测量成功转化为对时间的测量。

远程监测端还对起重机载荷端空间运行轨迹进行追踪。

(1)本实施例通过陀螺仪识别目标物体的空间姿态，通过坐标变换滤除重力加速度在相对坐标系中的偏移分量。

(2)图4所示，物体空间运动绝对坐标系OXYZ，相对运动坐标系OX_bY_bZ_b。由坐标系OXYZ到OX_bY_bZ_b的转换过程，可以得到：

式(2-1)

参数θ、γ以及ψ，即相对运动坐标系三个轴绕绝对坐标系转动的角度。

(3)设坐标系OX_bY_bZ_b相对坐标系OXYZ的角速度向量ω为：

式(3-1)

本实施例中陀螺仪测得角速度为w_x、w_y、w_z，作为已知量代入方程，可以求出参数θ、γ、ψ。代入下式可以得到重力加速度在加速度传感器X、Y、Z轴方向上的分量。

(式4-1)

(4)系统用实际测得的加速度减去重力加速度在该轴上的分量，然后通过积分运算求得物体在相对空间中的运动瞬时速度和位移。当积分完成后，需要再次使用式(2-1)求得物体在绝对空间中的瞬时运动速度与位移，完成对目标物体的轨迹追踪。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于时间数字转换技术的起重机应变监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)将应变半桥的两个电阻应变片对称粘贴于起重机悬臂梁中点的上下两面，与两个电阻应变片并联的陶瓷电容焊接在与应变半桥连接的数据采集器上；

2)在应变采样时间内以T为周期采集n个应变数据，并按照如下方式遍历所述的n个应变数据，得到应变数据{ε₁,ε₂,ε₃,ε...ε_n-1,ε_n}：

所述数据采集器分别采集陶瓷电容一个周期T内在两个电阻应变片上的充放电时间间隔t1、t2；

然后根据时间t1、t2以及公式计算出应变值ε，其中K为电阻应变片灵敏度系数，n为应变采样时间内采集的应变数据个数；

3)利用雨流计数法处理所述应变数据{ε₁,ε₂,ε₃,ε...ε_n-1,ε_n}，得到起重机应变-时间历程的幅值谱S_a{S_a1,S_a2,S_a...S_aj-1,S_aj}和均值谱S_m{S_m1,S_m2,S_m...S_mk-1,S_mk}，其中j为幅值谱幅值个数，k为均值谱均值个数；

4)通过Miner损伤累计理论得到起重机的疲劳损伤度D，以应变采样时间为单位时间，进而计算得到所述起重机已使用寿命1/D和起重机剩余疲劳寿命(1-1/D)*D。

2.根据权利要求1所述的基于时间数字转换技术的起重机应变监测方法，其特征在于：所述步骤3)中，雨流计数法的处理步骤依次为：峰谷值检测，调整数据个数调整为偶数，数据对接，提取应力循环并记录循环次数。