CN109211147A - 基于光敏元件的双吊具桥吊摆动角度检测机构及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光敏元件的双吊具桥吊摆动角度检测机构及测量方法，包含：检测滑块，设置在摆架上，检测滑块随同吊绳的摆动沿着摆架滑道运动；光敏元件检测单元，设置在检测滑块内部；第一光敏元件检测单元会随同检测滑块的运动进行移动，光源发出的光通过缝隙板照射到光敏元件检测单元，将摆角的运动由光信号转换成电压信号输出并进行脉冲计数，测得吊绳的摆角；检测滑块移动的角度等于光敏元件输出的电脉冲数目，总的脉冲个数等于缝隙板上的开孔数目。本发明解决双起升双吊具桥吊摆角检测问题，结构简单，成本低廉，维护方便，抗干扰能力强，不受天气影响且精度高方便测量，不需进行繁琐的分量测量直接测得为合力摆角的大小。

Description

基于光敏元件的双吊具桥吊摆动角度检测机构及测量方法

技术领域

本发明涉及光学、电气设备及电气工程领域，特别涉及一种基于光敏元件的双吊具桥吊摆动角度检测机构及测量方法。

背景技术

随着全球化的继续深入，世界贸易的不断发展，带动了集装箱水运业的飞速发展。港口规模也在不打断扩大，桥吊作为港口集装箱作业的关键设备，其工作能力决定了码头的货物吞吐能力。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。但在操作过程中由于一些现实的原因(设备损耗，设备之间的摩擦)以及外界环境等因素造成负载的摆动。这种吊车的运动会引起负载的摆动，使其可能与周围其他建筑物体或者操作人员发生碰撞，导致财务损失以及人员伤亡。尤其是负载在停止运输后仍带有残余摆动这会带来安全隐患并降低运输。因此对桥吊的摆角检测是非常必要的。

现在生产过程中使用的桥吊大部分都没有安装摆角的测量及防摇装置。基本依靠桥吊司机的经验进行目测，对桥吊司机的操作技能和精神状态有很高的要求，同时这种方法不仅不可靠而且易受主观因素的影响，从而境地工作效率与质量。

在新近的一些报道中，一些机构开展了针对单起升桥吊负载防摇和负载定位控制的研究和应用，在这些桥吊控制系统中普遍采用了比较复杂的激光角度仪、角度传感器等检测装置实现负载摆角的检测，这些检测装置价格昂贵，使用复杂，抗干扰能力差，维护也不方便，有的还对使用环境有特殊要求，比如采用激光仪进行角度识别就要求工作环境状况良好，无尘无雨无遮挡等自然条件，这些都限制了角度检测装置的应用。同时，一些摆角测量装置需要检测摆角的分量然后对角度进行合成计算，这导致了在转化过程容易引入误差，使得测量不精准。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光敏元件的双吊具桥吊摆动角度检测机构及测量方法，解决了双起升双吊具桥吊摆角检测问题，且装置结构简单，成本低廉，维护方便，抗干扰能力强，不受天气影响且精度高方便测量，此装置不需要进行繁琐的分量测量直接测得为合力摆角的大小。

为了达到上述目的，本发明公开了一种基于光敏元件的双吊具桥吊摆动角度检测机构，包含摆角检测装置，所述摆角检测装置设置有：

内部放置光敏元件的检测滑块，其设置在摆架上，所述检测滑块随同吊绳的摆动沿着摆架滑道运动；

若干个第一光敏元件检测单元，其设置在所述检测滑块内部；

其中，所述第一光敏元件检测单元会随同检测滑块的运动进行相应地移动，第一光源发出的光通过第一缝隙板照射到所述第一光敏元件检测单元，所述第一光敏元件检测单元将摆角的运动由光信号转换成电压信号输出并进行脉冲计数，从而测得吊绳的摆角；所述检测滑块移动的角度等于光敏元件输出的电脉冲数目，总的电脉冲个数等于第一缝隙板上的开孔数目。

优选地，所述吊绳通过一吊绳约束环来约束吊绳的摆动运动；所述检测滑块底部安装有可减小摩擦的滑块滚轮。

优选地，所述的基于光敏元件的双吊具桥吊摆动角度检测机构还包含周角测量装置，其测量吊绳在平面360度的旋转角度；其中，所述周角测量装置设有：

旋转调节装置，包含旋转环；所述旋转环的夹层内设置有若干个第二光敏元件检测单元；

位于旋转环上的周角固定滑道，其通过与一摆架连接装置连接实现固定所述摆角检测装置；

当吊绳摆动带动检测滑块运动，通过给摆架施加侧向的力导致所述旋转调节装置受力并带动旋转环转动，带动所述第二光敏元件检测单元转动，第二光源发出的光通过第二缝隙板照射到所述第二光敏元件检测单元上，所述第二光敏元件检测单元将旋转角度的光信号转换为电信号输出并进行脉冲计数，测得旋转环旋转角度，得到吊绳在平面360度的调节情况，其中，旋转角度等于光敏元件输出的电脉冲数目，总的电脉冲个数等于第二缝隙板上的开孔数。

优选地，所述旋转调节装置上还设置有保证所述旋转调节装置摩擦变小的若干个滚柱。

优选地，所述摆架滑道包含滑道滚球；所述摆架连接装置依靠所述滑道滚球在所述摆架滑道上进行滚动，以减小摩擦保证平衡。

优选地，所述的基于光敏元件的双吊具桥吊摆动角度检测机构进一步包含：用于缓冲保护摆架的摆架保护装置，其设有活动端子、缓冲弹簧和摆架滑道固定端子；所述活动端子受力会使所述缓冲弹簧进行压缩或伸展，以起到缓冲作用，所述活动端子的移动使缓冲弹簧进行压缩，从带动所述摆架滑道固定端子移动。

优选地，所述第一光敏元件检测单元或者所述第二光敏元件检测单元的数目设为两个，通过两个光敏元件检测单元中任意一个首先发出电脉冲信号来判断吊绳是否回摆。

优选地，所述第一光敏元件检测单元或者所述第二光敏元件检测单元依次与电压转换装置和微处理器连接；光敏元件检测单元将角度的运动由光信号转换成微弱电压信号，所述电压转换装置接收光敏元件检测单元输出的微弱电压信号并将其转换成一定大小的标准电压信号；所述微处理器将接收到的标准电压信号进行脉冲计数，并将脉冲计数结果传输给上位机进行分析。

优选地，所述吊绳运动的角度转换为测量的电脉冲数目测量公式为：

式中，α为摆角测量角度，β为周角测量角度，n为实时测量的摆角光敏元件电脉冲输出数目，N为第一缝隙板的总数，m为实时测量的周角光敏元件电脉冲输出数目，M为第二缝隙板的总数，此时可以得到吊绳运动的角度θ＝(α,β)。

本发明还提供了一种采用如上文所述的基于光敏元件的双吊具桥吊摆动角度检测机构的测量方法，该测量方法包含以下过程：

吊绳摆动带动检测滑块发生动作并沿着摆架滑道进行运动，检测滑块内部的第一光敏元件检测单元会随同检测滑块的运动进行相应地移动，第一光源发出的光通过第一缝隙板照射到第一光敏元件检测单元，所述第一光敏元件检测单元将摆角的运动由光信号转换成电压信号输出并进行脉冲计数，从而测得吊绳的摆角；

和/或，吊绳摆动带动检测滑块运动时，通过给摆架施加侧向的力导致旋转调节装置受力并带动旋转环转动，带动旋转环的夹层内的第二光敏元件检测单元转动，第二光源发出的光通过第二缝隙板照射到第二光敏元件检测单元上，所述第二光敏元件检测单元将旋转角度的光信号转换为电信号输出并进行脉冲计数，从而测得旋转环旋转角度，得到吊绳在平面360度的调节情况。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明设计的一种新型的摆角测量装置，使得一个空间角度的测量不需要进行角度分解可以直接进行测量，使得周角和摆角能同时测量实时更新数据。

(2)本发明对于测量中的能量耗散以及剧烈运动的摆动提出了缓冲装置的使用，此装置能够有效保证测量的精准，而且可以对剧烈运动起到缓冲作用，对于机构进行极大的保护且能够达到防摇的目的。

(3)本发明提出针对于此装置的吊绳约束环保证装置能够更大范围的测量。

(4)本发明针对于周角测量设置一种能全向跟踪吊绳的旋转装置，且滚珠的设计能构减小摩擦保证设备整体的平稳性。运用光敏元件进行光电转换即可以进行角度测量，并且能很好的分辨方向。

(5)本发明提供了一种基于光敏元件的测量方法，通过此种方法与可以实现角度的测量，特别是与装置相互配合，轻松完成空间角度测量。对于摆架滑道的双向测量设计，使得能简单的测量出两个方向的角度。

(6)本发明于测量摆角提出的增减计数法，通过电脉冲获得先后顺序测量角度增减，能够实现仅仅通过计数即可以完成摆角的实时检测。

(7)本发明的双吊具桥吊摆动角度检测机构的结构简单，成本低廉，绿色环保无污染，易于实现便于维护，实时性好，转换效率高，测量准确，不需要去进行大量计算，不用多测量装置搭建，抗干扰能力极强，符合实际的桥吊摆角测量需要。

附图说明

图1本发明的基于光敏元件的双吊具桥吊摆角检测装置整体结构示意图；

图2本发明的摆角测量装置结构示意图；

图3本发明的旋转调节装置结构示意图；

图4本发明的摆架滑道结构示意图；

图5本发明的摆架保护装置结构示意图；

图6本发明的摆角测量装置结构放大示意图；

图7本发明的检测滑块示意图；

图8本发明的周角测量装置示意图；

图9本发明的测量原理说明示意图；

图10本发明的摆角测量流程图；

图11本发明的测量装置信号处理示意图；

图12本发明的装置测量运动示意图；

图13本发明的摆架滑道示意图。

具体实施方式

为了使本发明更加明显易懂，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示为基于光敏元件的双吊具桥吊摆角检测装置整体结构示意图。其中，1为桥吊大车运行轨道，2为桥吊大车驱动机构，3为桥吊大车；4为桥吊驾驶室，5为桥吊小车运行驱动机构，6为桥吊小车，7为测量装置，8为吊绳，9为吊具，10为集装箱。

双吊具吊绳摆动检测情况运动如下：桥式吊车的运动方式有桥吊大车3的单独运动，桥吊小车6的单独运动以及桥吊大车3和桥吊小车6的合运动。三种运动带动吊绳8运动从而产生负载的摆动。桥吊大车3和桥吊小车6的合运动包含了桥吊小车3的单独运动和桥吊大车6的单独运动，此处以合运动为例进行说明。

当桥吊需要去搬运货物时运行方式如下：吊绳8变化带动吊具9变动，然后去起升集装箱10，通过桥吊小车运行驱动机构5驱动桥吊小车6和桥吊大车运行驱动机构2驱动桥吊大车3进行货物的移动，在此过程中由于惯性、外界环境等原因产生的吊绳8摆角将由测量装置7进行测量，并将测量数据反馈给桥吊驾驶室4内的操作人员。

如图2所示，该测量装置7是一种摆角测量装置18，包含吊绳约束环11、周角测量装置12、摆架滑道15、摆架连接装置16、摆架保护装置17、摆架和检测滑块29。该周角测量装置12包含旋转调节装置14和旋转固定滑道13。

吊绳约束环11用于约束吊绳的摆动运动，使得吊绳8仅仅在测量装置处发生偏摆，得到更大的测量范围。周角测量装置12可以测得吊绳8在平面360度的角度旋转。旋转固定滑道13(也可称周角固定滑道13)用于使得摆架连接装置16能够很好地固定摆角测量装置18。

如图3所示，旋转调节装置14包含滚柱19、固定环20和旋转环21。该旋转调节装置14的一面固定，另一面设置为可旋转。其中滚柱19保证此旋转调节装置能尽可能将摩擦变为最小，旋转固定滑道13位于旋转环21上。

如图4所示，摆架滑道15包含滑道滚球22，摆架滑道15是为了保证整体测量装置7的平衡性。另，摆架连接装置16能够依靠滑道滚球23在摆架滑道15上滚动而并不是滑动，减小摩擦保证平衡。

如图5所示，摆架保护装置17包含活动端子23、缓冲弹簧25和摆架滑道固定端子24。该摆架保护装置17是基于双吊具桥吊摆架设计的缓冲保护，用于提高测量精度。其中，活动端子23受力会使缓冲弹簧25进行压缩或伸展起到一个缓冲的作用。由于活动端子23的移动可以使得缓冲弹簧25进行压缩从而带动摆架滑道固定端子24进行移动，这样设置的目的能极大的对装置起保护作用，并且能使得能量不易耗散保证装置的测量精度。

如图6和图7结合所示，摆角测量装置18的一部分包含缝隙板26、光源27、光敏元件检测单元28。其中，光敏元件放置于检测滑块29内部。吊绳8的摆动会带动检测滑块29沿着摆架滑道15进行运动，检测滑块29内部安装有光敏元件检测单元28，则光敏元件检测单元28会随同检测滑块29的运动进行相应地移动。其中，检测滑块29底部安装有滑块滚轮30，以减小摩擦，更好地跟踪吊绳8的运动。

当光源27发出的光通过缝隙板26照射到光敏元件检测单元28上，光敏元件检测单元28将光信号转换为电信号输出，检测滑块29移动的角度等于光敏元件输出的电脉冲数目，总的脉冲个数等于缝隙板26上的开孔数，因为量程一定，光敏元件的脉冲数目一定，检测滑块29的移动角度等于光敏元件的输出电脉冲数目。

如图8所示，周角测量装置12的测量原理与摆角测量装置18的测量原理相同。本发明的周角测量装置12的设置是为了能够很好地跟踪吊绳和负载的摆动。

光敏元件检测单元280安装于旋转环21的夹层内，则旋转环21转动可以带动光敏元件检测单元280转动。

所以，当吊绳8摆动带动检测滑块29运动时，通过给摆架施加侧向的力导致旋转调节装置14受力并带动旋转环21转动，带动旋转环21的夹层内的光敏元件检测单元280转动，光源270发出的光通过缝隙板260照射到光敏元件检测单元280上，光敏元件检测单元280将旋转角度的光信号转换为电信号输出并进行脉冲计数，从而测得旋转环21旋转角度，得到吊绳8在平面360度的调节情况。

如图9和图11结合所示，当检测滑块29移动时，会带动光敏元件检测单元28(例如光敏元件检测单元28-1和光敏元件检测单元28-2)移动，从而光源27发出的光通过缝隙板26照射到光敏元件检测单元28上，可以将摆角的运动由光转换成电压，即光敏元件检测单元28将光信号转换为微弱的电信号输出，电压转换装置接收该微弱电信号，并转换成一定大小的标准电压信号，然后微处理器会对此标准电压信号压进行脉冲计数，检测滑块29移动的角度等于光敏元件输出的电脉冲数目，总的脉冲个数等于缝隙板上的开孔数目。

其中，光源27、缝隙板26和光敏元件检测单元28属于光电检测部分，电压转换装置、微处理器属于检测信号转换装置，且光电检测部分和检测信号转换装置均位于摆架滑块内部。微处理器多采用单片机即可完成，为保证传输效率可采用无线收发，将信号传输给上位机进行分析。

示例地，本发明设计光敏元件检测单元28-1及光敏元件检测单元28-2这两个光敏元件检测单元的目的是：通过光敏元件检测单元28-1与光敏元件检测单元28-2两个光敏检测单元中的哪一个元件首先发出电脉冲信号(等价于产生电压)即可判断吊绳8是否回摆。

假设吊绳8摆角为一个方向的10度，检测的电脉冲数目为1000，当光敏元件检测单元28-1先于光敏元件检测单元28-2发出脉冲即判断为加计数，电脉冲数目加1，变为1001。同样光敏元件检测单元28-2先于光敏元件检测单元28-1发出电脉冲即判断为减计数，电脉冲数目减1，变为999，此时为回摆运动，从而实时判断摆角。

如图10所示，吊绳8的摆动会使得检测滑块29运动以及旋转调节装置14的运动，这些运动分别由在测量装置7内完成，并将所测数据传输给PC端，并将摆角信号显示或传递给防摇控制装置。

如图12所示，本发明的基于光敏元件的双吊具桥吊摆动角度检测机构的测量原理为：

当吊绳8发生摆动，其会导致检测滑块29的运动，检测滑块29的运动所产生的吊绳8的摆角由摆角检测装置18进行测量。当吊绳8发生摆动，首先导致检测滑块29发生动作，检测滑块29会沿着摆架滑道15进行运动。

吊绳8的摆动会带动检测滑块29的运动而可以检测到该检测滑块29内部有光敏元件检测单元28，光源27发出的光通过缝隙板26照射到光敏元件检测单元28上，光敏元件检测单元28将光信号转换为电信号输出，检测滑块29移动的角度等于光敏元件输出的电脉冲数目，总的脉冲个数等于缝隙板26上的开孔数。

同时检测滑块29的运动会给摆架一个侧向的力，导致旋转调节装置14受力使得周角测量装置12的旋转环21进行转动。旋转环21转动会带动光敏元件检测单元280的转动，从而可以测得旋转角度。

基于此测量原理可以将吊绳运动的角度转换为测量的电脉冲数目测量公式如下：

其中，α为摆角测量角度，β为周角测量角度，n为实时测量的摆角光敏元件电脉冲输出数目，N为一侧缝隙板的总数。m为实时测量的周角光敏元件电脉冲输出数目，M为周角测量装置12缝隙板的总数。此时得到的角度即为吊绳运动的角度θ＝(α,β)。

所以，本发明可以显示吊绳8摆角的运动并可以在摆架滑道15内运动，同时旋转调节装置14能完美跟踪吊绳在平面360度的调节。

如图13所示，摆角测量假设摆角的运动范围小于90度，则摆架滑道15的一侧滑道15-1与另一侧滑道15-2的角度范围为90度，这样设置滑道的目的在于一侧滑道15-1可以检测出一个方向的摆角，另一侧滑道15-2可以检测另一个方向的摆角。

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)

1.一种基于光敏元件的双吊具桥吊摆动角度检测机构，包含摆角检测装置(18)，其特征在于，所述摆角检测装置(18)设置有：

内部放置光敏元件的检测滑块(29)，其设置在摆架上，所述检测滑块(29)随同吊绳(8)的摆动沿着摆架滑道(15)运动；

若干个第一光敏元件检测单元(28)，其设置在所述检测滑块(29)内部；

其中，所述第一光敏元件检测单元(28)会随同检测滑块(29)的运动进行相应地移动，第一光源(27)发出的光通过第一缝隙板(26)照射到所述第一光敏元件检测单元(28)，所述第一光敏元件检测单元(28)将摆角的运动由光信号转换成电压信号输出并进行脉冲计数，从而测得吊绳(8)的摆角；所述检测滑块(29)移动的角度等于光敏元件输出的电脉冲数目，总的电脉冲个数等于第一缝隙板(26)上的开孔数目。

2.如权利要求1所述的基于光敏元件的双吊具桥吊摆动角度检测机构，其特征在于，

所述吊绳(8)通过一吊绳约束环(11)来约束吊绳(8)的摆动运动；

所述检测滑块(29)底部安装有可减小摩擦的滑块滚轮(30)。

3.如权利要求1所述的基于光敏元件的双吊具桥吊摆动角度检测机构，其特征在于，还包含周角测量装置(12)，其测量吊绳(8)在平面360度的旋转角度；其中，所述周角测量装置(12)设有：

旋转调节装置(14)，包含旋转环(21)；所述旋转环(21)的夹层内设置有若干个第二光敏元件检测单元(280)；

位于旋转环(21)上的周角固定滑道(13)，其通过与一摆架连接装置(16)连接实现固定所述摆角检测装置(18)；

当吊绳(8)摆动带动检测滑块(29)运动，通过给摆架施加侧向的力导致所述旋转调节装置(14)受力并带动旋转环(21)转动，带动所述第二光敏元件检测单元(280)转动，第二光源(270)发出的光通过第二缝隙板(260)照射到所述第二光敏元件检测单元(280)上，所述第二光敏元件检测单元(280)将旋转角度的光信号转换为电信号输出并进行脉冲计数，测得旋转环(21)旋转角度，得到吊绳(8)在平面360度的调节情况，其中，旋转角度等于光敏元件输出的电脉冲数目，总的电脉冲个数等于第二缝隙板(260)上的开孔数。

4.如权利要求3所述的基于光敏元件的双吊具桥吊摆动角度检测机构，其特征在于，

所述旋转调节装置(14)上还设置有保证所述旋转调节装置(14)摩擦变小的若干个滚柱(19)。

5.如权利要求3所述的基于光敏元件的双吊具桥吊摆动角度检测机构，其特征在于，

所述摆架滑道(15)包含滑道滚球(22)；

所述摆架连接装置(16)依靠所述滑道滚球(22)在所述摆架滑道(15)上进行滚动，以减小摩擦保证平衡。

6.如权利要求1所述的基于光敏元件的双吊具桥吊摆动角度检测机构，其特征在于，

进一步包含：用于缓冲保护摆架的摆架保护装置(17)，其设有活动端子(23)、缓冲弹簧(25)和摆架滑道固定端子(24)；

所述活动端子(23)受力会使所述缓冲弹簧(25)进行压缩或伸展，以起到缓冲作用，所述活动端子(23)的移动使缓冲弹簧(25)进行压缩，从带动所述摆架滑道固定端子(24)移动。

7.如权利要求3所述的基于光敏元件的双吊具桥吊摆动角度检测机构，其特征在于，

所述第一光敏元件检测单元或者所述第二光敏元件检测单元的数目设为两个，通过两个光敏元件检测单元中任意一个首先发出电脉冲信号来判断吊绳(8)是否回摆。

8.如权利要求3或7所述的基于光敏元件的双吊具桥吊摆动角度检测机构，其特征在于，

所述第一光敏元件检测单元(28)或者所述第二光敏元件检测单元(280)依次与电压转换装置和微处理器连接；

光敏元件检测单元将角度的运动由光信号转换成微弱电压信号，所述电压转换装置接收光敏元件检测单元输出的微弱电压信号并将其转换成一定大小的标准电压信号；

所述微处理器将接收到的标准电压信号进行脉冲计数，并将脉冲计数结果传输给上位机进行分析。

9.如权利要求7所述的基于光敏元件的双吊具桥吊摆动角度检测机构，其特征在于，

所述吊绳(8)运动的角度转换为测量的电脉冲数目测量公式为：

式中，α为摆角测量角度，β为周角测量角度，n为实时测量的摆角光敏元件电脉冲输出数目，N为第一缝隙板的总数，m为实时测量的周角光敏元件电脉冲输出数目，M为第二缝隙板的总数，此时可以得到吊绳运动的角度θ＝(α,β)。

10.一种采用如权利要求1-9任意一项所述的基于光敏元件的双吊具桥吊摆动角度检测机构的测量方法，其特征在于，该测量方法包含以下过程：

吊绳(8)摆动带动检测滑块(29)发生动作并沿着摆架滑道(15)进行运动，检测滑块(29)内部的第一光敏元件检测单元(28)会随同检测滑块(29)的运动进行相应地移动，第一光源(27)发出的光通过第一缝隙板(26)照射到第一光敏元件检测单元(28)，所述第一光敏元件检测单元(28)将摆角的运动由光信号转换成电压信号输出并进行脉冲计数，从而测得吊绳(8)的摆角；

和/或，吊绳(8)摆动带动检测滑块(29)运动时，通过给摆架施加侧向的力导致旋转调节装置(14)受力并带动旋转环(21)转动，带动旋转环(21)的夹层内的第二光敏元件检测单元(280)转动，第二光源(270)发出的光通过第二缝隙板(260)照射到第二光敏元件检测单元(280)上，所述第二光敏元件检测单元(280)将旋转角度的光信号转换为电信号输出并进行脉冲计数，从而测得旋转环(21)旋转角度，得到吊绳(8)在平面360度的调节情况。