CN105858478A - 基于交变电磁波测量的双起升双吊具桥吊的摆角检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于交变电磁波测量的双起升双吊具桥吊的摆角检测装置，将交变电磁波发生装置设置在相应的吊具上，使其由交变电流产生交变磁场；霍尔元件对所述交变磁场的交变电磁波信息进行检测；信号处理装置对霍尔元件检测到的交变电磁波信息进行分析处理，得出吊绳摆角的数值。本发明利用了交变电磁波具有大小和方向随时间的不断变化的特殊性来对桥吊摆角情况进行检测，不易受到外界环境的影响，增加了桥吊摆角的测量精度，进而提高了桥吊的工作效率。

Description

基于交变电磁波测量的双起升双吊具桥吊的摆角检测装置

技术领域

本发明涉及桥式吊车领域，特别涉及一种基于交变电磁波测量的双起升双吊具桥吊的摆角检测装置。

背景技术

现如今，人们对桥吊的工作效率越来越重视，要求也越来越高。港口集装箱的装卸速度也逐渐变成了一个港口工作时吞吐能力的标志。双起升双吊具桥吊相较于传统的单吊具桥吊，具有效率更高，效益更好的特点。

交变磁场是由交变电流产生的，相较于普通磁场而言其特点是磁场的大小和方向都会随着时间的变化而发生改变。虽然交变磁场在现实生活中我们人眼看不到，但它是确实存在的一种特殊物质，其具有波粒的辐射特性。在交变磁场中产生的交变电磁波其辐射频率不断发生变化，具有一定的独特性。在实际应用过程中，由于交变电磁波的大小和方向不断变化的特性使其与其他波相比具有特殊性，只有专门检测交变电磁波的装置才能检测到，这使得它不易受到外界环境的影响，也有利于提高测量的准确性。

霍尔元件就是应用了霍尔效应的半导体器件，它是一种基于霍尔效应的电磁传感器。霍尔元件非常小巧且结构非常牢固不易损坏，其重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，不怕灰尘、水汽及烟雾等的污染或腐蚀的特点使其受到广大消费者的青睐。

现有的桥吊负载摆角位置的检测技术多是针对单吊具而设计的，且使用的检测仪器较为繁琐复杂，测量过程中也易受外界环境的影响。例如利用电容电感检测仪测量摆角及距离的装置易受到桥吊工作时产生的电场干扰；又例如某些摆角测量装置使用了接触式测量方法，这些方法都或多或少会影响桥吊摆角测量的准确性。在桥吊的工作过程中，由于负载的运动导致桥吊有一定的摆动，然而这个摆动影响了桥吊的工作效率。

还有的一些桥吊，目前仍依靠人工操作来进行防摇控制，而有的大型集装箱系统使用了一些机械防摇或电子防摇装置，这些都不是自动化桥吊系统。而最近一些对单起升桥吊进行了负载防摇和定位的研究控制系统中多采用了价格昂贵的角度传感器或全站仪等来进行角度检测，这些检测装置操作复杂，抗干扰能力差，容易造成测量误差，降低了测量精确度。

只有及时掌握了桥吊摆角的信息才能够对防摇控制器以及人工操作做出指引，因此如何能够及时检测到双起升双吊具桥吊的摆角信息是提高桥吊工作效率尤为关键的因素。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于交变电磁波测量的双起升双吊具桥吊的摆角检测装置，利用霍尔元件检测交变电磁波对桥吊进行摆角检测，结构简单，测量精度高，不易受外界影响。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种基于交变电磁波测量的双起升双吊具桥吊的摆角检测装置，在双起升双吊具桥吊中对于两个独立工作或同步工作的吊具，设置有相应的两个摆角检测装置对这两个吊具各自的吊绳摆角分别进行检测；其中，任意一个所述的摆角检测装置中包含有以下部件：

交变电磁波发生装置，设置在相应的吊具上，能够由交变电流产生交变磁场；

霍尔元件，处在小车下方的定位部件中，对所述交变磁场的交变电磁波信息进行检测；

信号处理装置，与所述霍尔元件信号连接，对霍尔元件检测到的交变电磁波信息进行分析处理，得出吊绳摆角的数值。

优选地，任意一个吊具通过两个吊绳与相应的起升电机连接，这两个吊绳分别穿过定位部件底面开设的一对定位孔后，与吊具连接；

定位部件的底面的正中心作为原点构建O-xyz坐标系，该原点与小车下方负载静止时所在的位置相对应；静止时的交变电磁波发生装置，处在z轴负半轴与原点距离为l的位置；

在定位部件的底面设置有第一霍尔元件和/或第二霍尔元件；其中，所述第一霍尔元件于x轴上与原点距离为a的位置，对吊绳在xoz平面摆动时的摆角进行检测；所述第二霍尔元件位于y轴上与原点距离为a的位置，对吊绳在yoz平面摆动时的摆角进行检测。

优选地，所述信号处理装置根据第一霍尔元件或第二霍尔元件中的任意一个霍尔元件检测到的交变电磁波，计算该任意一个霍尔元件与交变电磁波发生装置之间的距离d，并结合该任意一个霍尔元件到原点的距离a，和静止时交变电磁波发生装置到原点的距离l，根据余弦定理计算原点到该任意一个霍尔元件的连线与该任意一个霍尔元件到交变电磁波发生装置的连线的夹角∠A，及原点到交变电磁波发生装置的连线与交变电磁波发生装置到该任意一个霍尔元件的连线的夹角∠B；

所述信号处理装置根据∠A和∠B的数值，计算并判断该任意一个霍尔元件到原点的连线与原点到交变电磁波发生装置的连线之间的待测夹角是否大于等于若待测夹角大于等于得出吊绳摆角若待测夹角小于等于得出吊绳摆角

优选地，所述信号处理装置中设置的信号放大器、A/D转换器，对利用霍尔元件的线性区检测到的交变电磁波信息进行信号放大和A/D转换后输入到计算机中进行分析处理，将处理得到的摆角信息传送到吊车驾驶室内的显示器上，或将处理得到的摆角信息反馈到防摇控制器上。

综上所述，本发明利用交变磁场产生的交变电磁波对桥吊进行摆角检测，由于交变电磁波具有大小和方向的实时性改变，因此不易受到周围环境中其他电磁波的干扰，大大增加了测量的准确性。

附图说明

图1是本发明中双起升双吊具桥吊摆角测量装置的结构示意图；

图2是本发明中针对一个吊具的摆角检测装置的放大示意图；

图3是本发明中双起升双吊具桥吊摆角测量数据的处理流程图；

图4是本发明中交变电磁波的发生装置与霍尔元件的空间位置示意图；

图5、图6是本发明中负载在前后运动方向的摆角计算示意图。

具体实施方式

以下结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，双起升双吊具桥吊中，包含小车，小车的驱动机构1，大车5，大车的驱动机构6。小车上设置有一对起升电机2和3，通过相应的吊绳4连接了能够独立工作或同步工作的两个吊具11，用来吊装相应的负载18。本发明所述双起升双吊具桥吊的摆角检测装置，包含：一对交变电磁波发生装置9和10，分别设置在各自相应的吊具11上，能够由交变电流产生交变磁场，其磁场的大小和方向都会随着时间的变化而发生改变，具有区别于外界电磁波的独特性，增加了检测的可辨识度；两组霍尔元件7，分别设置在各自相应的吊绳4穿过小车下方的一个定位部件中，对其所处的交变磁场的交变电磁波信息进行检测；一对桥吊的信号处理装置8，接收霍尔元件7检测到的交变电磁波信息并进行分析处理，来确定相应吊具11的摆动情况。

由于线性的霍尔元件7在施加激励后将其放置在交变磁场中时，其输出电势可以反应出摆放处与激励电流方向垂直的磁感应强度分量的大小和极性，因此将霍尔元件7作为一个把磁场转换为电学量的传感器，放入交变磁场后检测得到交变电压，将此信号传入信号处理装置8的计算机进行处理，就可以得到相应的摆角信息。桥吊司机在驾驶室19内对桥吊的摆角情况进行实时监控，并及时做出操作。

图2是对于双起升双吊具桥吊的其中任意一个吊具的摆角检测装置的放大示意图。如图2所示，两个吊绳4从起升电机3处垂下，分别穿过小车下方一个定位部件底面开设的一对定位孔12和17后，与吊具11连接。在定位部件的底面分别设置有两个霍尔元件13和14(配合参见图2、图4)，假设负载静止时与定位部件底面的正中心相对应，则，第一霍尔元件13放在与负载静止时对应位置正中心的水平距离为a的正前方位置上，该第一霍尔元件13用于检测小车前后运动时的摆角情况；第二霍尔元件14放在与负载静止时对应位置正中心的水平距离为a的左侧位置上，该第二霍尔元件14用于检测小车左右运动时的摆角情况。第一霍尔元件13和第二霍尔元件14分别通过导线15和16与信号处理装置8连接；设置在吊具11上的交变电磁波的发生装置10，其所发射的交变电磁波可被这两个霍尔元件13、14检测到，进而将霍尔元件13、14检测到的交变电磁波信号传送到信号处理装置8进行分析处理。

如图3所示，是双起升双吊具桥吊的摆角测量的流程图。为了检测桥吊的摆角信息，交变电磁波发生装置10发射的交变电磁波，被霍尔元件13、14检测(使用霍尔元件检测交变磁场时，必须使用霍尔元件的线性区，测量才比较准确，霍尔效应法用半导体材料构成霍尔片作为传感元件，把磁信号转换成电信号，最终测出磁场中各点的磁感应强度)。信号处理装置8中设置的信号放大器22、A/D转换器23，对霍尔元件13、14检测的信号进行信号放大和A/D转换后，将信号输入到计算机24中进行分析处理，将处理后的结果传送到显示器25上可呈现给驾驶室19的工作人员，便于其进行控制，另外也可将计算机24得到的摆角信息反馈到防摇控制器26上。

交变电磁波发生装置10与霍尔元件13、14的空间位置示意图，如图4所示，在O-xyz坐标系中，两个霍尔元件13、14分别放置于xoy平面内与原点O距离为a的x轴和y轴上，静止时交变电磁波发生装置10处在z轴负半轴与原点O距离为l的位置。

图5和图6的示例，对负载在前后运动方向的摆角进行计算，在xoz平面中，点A为霍尔元件(本例为第一霍尔元件13)所在的位置，点B为静止时交变电磁波发生装置所在的位置，点B’和点B”分别为吊具前后摆动而与A点处在x轴的同一半轴和不同半轴时交变电磁波发生装置所在的位置。设∠A为原点到霍尔元件的连线与霍尔元件到交变电磁波发生装置的连线的夹角(在图5中对应∠OAB’，在图6中对应∠OAB”)，∠B为原点到交变电磁波发生装置的连线与交变电磁波发生装置到霍尔元件的连线的夹角(在图5中对应∠OB’A，在图6中对应∠OB”A)。

如图5所示的情况为时，设由交变电磁波测得AB'的距离为d，由余弦定理可得

$\cos {\mathrm{OAB}}^{\′}=\frac{a^2+d^2-l^2}{2ad},\cos {\mathrm{OB}}^{\′}A=\frac{d^2+l^2-a^2}{2dl},$

$\∠{\mathrm{OAB}}^{\′}=\arccos \frac{a^2+d^2-l^2}{2ad},\∠{\mathrm{OB}}^{\′}A=\arccos \frac{d^2+l^2-a^2}{2dl},$

由于知此时得到摆角

如图6所示的情况为时，同理可知此时

$\cos {\mathrm{OAB}}^{\′\′}=\frac{a^2+d^2-l^2}{2ad},\cos {\mathrm{OB}}^{\′\′}A=\frac{d^2+l^2-a^2}{2dl},$

$\∠{\mathrm{OAB}}^{\′\′}=\arccos \frac{a^2+d^2-l^2}{2ad},\∠{\mathrm{OB}}^{\′\′}A=\arccos \frac{d^2+l^2-a^2}{2dl},$

∠AOB”＝π-∠OAB”-∠OB”A，由于可得此时如图6所示，此时桥吊摆角

检测负载在左右方向摆动时的情况与图5、图6类似，将其中坐标系的xoz平面换为yoz平面即可；届时，点A指第二霍尔元件14所在的位置。

本发明中利用交变电磁波进行双起升双吊具桥吊的摆角检测的具体工作过程如下：

在桥吊静止时，交变电磁波发生装置10对外发射交变电磁波，将分别用来检测前后/左右方向负载摆角的两个霍尔元件13、14此时接收到的交变电磁波信号通过导线传入计算机24，并经过分析处理后可得两个摆角的理论值均为0，此时的状态作为初始状态，并可作为之后桥吊运动所得的数据的参考和对比。

当桥吊在工作过程中，若两吊具11独立工作，则此时两个吊具11所测得的摆角值互不相关，一对信号处理装置8分别对所得的信号进行处理，处理的结果分别反馈给各吊具11对应的防摇控制器26进行防摇控制，并将两结果同时反馈给显示器25。当两吊具11同步工作时，所得信号处理装置8处理后的摆角值理论上都应一致；若不同，可以将异同信号再通过计算机24进行处理，两路信号可相互作为对照进行修订。

将经计算机24处理后得到的摆角信息传入驾驶室19的显示器25上，便于操作人员进行手工控制，操作人员可根据反馈的摆角信息做出对两吊具11当前情况的判断并实施相应的操作。

利用计算机进行摆角θ的计算方法如图4，图5和图6所示，利用霍尔元件检测相应摆动方向的交变电磁波，然后通过导线将霍尔元件转换后的交变电压信号传入计算机进行数据分析。已知桥吊绳长为距离l，霍尔元件到原点距离为a，根据接收的交变电磁波可以测得接收装置与发射装置之间的距离为d，根据初始状态及余弦定理可得∠A,∠B的值，然后判断原点至霍尔元件的连线与原点至交变电磁波发生装置的连线的夹角(即∠AOB'或∠AOB")是否大于等于并依据不同情况利用公式或得到空间内负载摆角的θ值。

综上所述，本发明利用了交变电磁波具有大小和方向随时间的不断变化的特殊性来对桥吊摆角情况进行检测，不易受到外界环境的影响，增加了桥吊摆角的测量精度，进而提高了桥吊的工作效率。

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 (4)

1.一种基于交变电磁波测量的双起升双吊具桥吊的摆角检测装置，其特征在于，在双起升双吊具桥吊中对于两个独立工作或同步工作的吊具，设置有相应的两个摆角检测装置对这两个吊具各自的吊绳摆角分别进行检测；其中，任意一个所述的摆角检测装置中包含有以下部件：

交变电磁波发生装置，设置在相应的吊具上，能够由交变电流产生交变磁场；

霍尔元件，处在小车下方的定位部件中，对所述交变磁场的交变电磁波信息进行检测；

信号处理装置，与所述霍尔元件信号连接，对霍尔元件检测到的交变电磁波信息进行分析处理，得出吊绳摆角的数值。

2.如权利要求1所述的摆角检测装置，其特征在于，

任意一个吊具通过两个吊绳与相应的起升电机连接，这两个吊绳分别穿过定位部件底面开设的一对定位孔后，与吊具连接；

定位部件的底面的正中心作为原点构建O-xyz坐标系，该原点与小车下方负载静止时所在的位置相对应；静止时的交变电磁波发生装置，处在z轴负半轴与原点距离为l的位置；

在定位部件的底面设置有第一霍尔元件和/或第二霍尔元件；其中，所述第一霍尔元件于x轴上与原点距离为a的位置，对吊绳在xoz平面摆动时的摆角进行检测；所述第二霍尔元件位于y轴上与原点距离为a的位置，对吊绳在yoz平面摆动时的摆角进行检测。

3.如权利要求2所述的摆角检测装置，其特征在于，

所述信号处理装置根据第一霍尔元件或第二霍尔元件中的任意一个霍尔元件检测到的交变电磁波，计算该任意一个霍尔元件与交变电磁波发生装置之间的距离d，并结合该任意一个霍尔元件到原点的距离a，和静止时交变电磁波发生装置到原点的距离l，根据余弦定理计算原点到该任意一个霍尔元件的连线与该任意一个霍尔元件到交变电磁波发生装置的连线的夹角∠A，及原点到交变电磁波发生装置的连线与交变电磁波发生装置到该任意一个霍尔元件的连线的夹角∠B；

所述信号处理装置根据∠A和∠B的数值，计算并判断该任意一个霍尔元件到原点的连线与原点到交变电磁波发生装置的连线之间的待测夹角是否大于等于若待测夹角大于等于得出吊绳摆角若待测夹角小于等于得出吊绳摆角

4.如权利要求1至3中任意一项所述的摆角检测装置，其特征在于，

所述信号处理装置中设置的信号放大器、A/D转换器，对利用霍尔元件的线性区检测到的交变电磁波信息进行信号放大和A/D转换后输入到计算机中进行分析处理，将处理得到的摆角信息传送到吊车驾驶室内的显示器上，或将处理得到的摆角信息反馈到防摇控制器上。