CN110146720A - 一种起重机的速度测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种起重机的速度测量装置及测量方法，本发明的目的在于提高桥式起重机车速和位移的测量精度。通过对比加速度传感器和霍尔传感器的数据判断桥式起重机的大车轮轴是否发生空转，若发生空转，则利用加速度传感器的测量数据计算桥式起重机的车速和位移，若未发生空转，通过对两个霍尔传感器和加速度传感器的测量数据反复取平均值的方式，进一步减少测量误差。若测量后发现起重机位移超出安全范围，则可通过数据处理模块向反应模块发送相应的控制信号，进行紧急制动或减速处理，及时消除潜在危险。

Description

一种起重机的速度测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及起重机安全技术领域，尤其涉及一种起重机的速度测量装置及测量方法。

背景技术

随着现代社会的发展，起重运输机械应用于物料的起重，运输和装卸等领域，起重机的出现大大减少了劳动强度，提高了劳动效率，其中，桥式起重机是应用范围最广、数量最多的一种起重机械，但是桥式起重机的大车轮打滑是正常运行中经常出现的安全隐患，在实际生产中需要大车两侧同步平稳运行，以保证安全生产；目前，关于桥式起重机大车移动速度和移动距离的检测，一方面是采用目测，米尺，秒表等方式进行人工估测计算，另一方面是使用超声波测距进行估测或使用微电机进行测量；超声波测距人力成本高，测量结果也容易受到环境的影响，导致测量存在误差，而微电机测量方法的电路复杂，制作成本高，仪器自身也存在测量误差，且测量的速度值和移动距离与实际数值误差较大，导致出现速度过快或移动距离超出范围等安全隐患。

发明内容

本发明旨在解决上述提及的桥式起重机移动速度和移动距离测量精度不足的问题，提供一种起重机的速度测量装置及测量方法。

按照本发明的一个方面，提供了一种起重机的速度测量装置，包括霍尔传感器、加速度传感器和控制主机；所述霍尔传感器用于测量起重机大车轮轴的速度，所述加速度传感器用于轮轴发生空转时修正测量的速度值，所述控制主机用于数据处理，根据处理结果控制起重机大车轮轴的运行状态。

作为上述方案的进一步补充，所述控制主机包括数据处理模块、反应模块和电源管理模块；所述数据处理模块对霍尔传感器测量的大车轮轴速度和加速度传感器测量的大车轮轴加速度进行数据处理，数据处理模块根据处理结果发送控制信号给反应模块，所述反应模块根据控制信号，控制起重机大车轮轴继续转动、调整速度或者紧急制动，所述电源管理模块为上述各个模块提供电源。

作为上述方案的进一步补充，所述霍尔传感器包括第一霍尔传感器和第二霍尔传感器；所述第一霍尔传感器和第二霍尔传感器分别设置在起重机大车移动机构的两侧；所述第一霍尔传感器和第二霍尔传感器将起重机两侧的大车轮轴移动速度转换成电脉冲信号，再将电脉冲信号发送给数据处理模块。

作为上述方案的进一步补充，所述第一霍尔传感器包括永磁铁和感应头，其中永磁铁设置在大车轮上，感应头设置在大车移动机构的车架上；所述感应头随着永磁铁的位置变化产生不同的电压信号，根据电压信号周期可计算起重机的车速，第二霍尔传感器的结构和位置关系与第一霍尔传感器相同。

作为上述方案的进一步补充，所述加速度传感器设置在起重机的大车轮轴上，所述加速度传感器将起重机大车轮轴转动的角加速度转换为电信号，并将电信号发送给数据处理模块。

按照本发明的另一方面，提供了一种使用前述速度测量装置的检测方法，包括下述步骤：

S1，输入设定的允许值Δa和标准值；

S2，根据第一霍尔传感器、第二霍尔传感器和加速度传感器测量的速度值和加速度值判断起重机大车轮轴是否发生空转，若大车轮轴未发生空转，则执行步骤S3，若大车轮轴发生空转，则执行步骤S4；

S3，当检测到大车轮轴未发生空转时，计算起重机的车速v_o，i和位移s_i；

S4，当检测到大车轮轴发生空转时，计算起重机的车速和位移

S5，根据步骤S3的位移s_i或步骤S4的位移对比标准值，若位移大于或等于标准值，则发送紧急制动的信号给反应模块，若位移小于标准值的一半，则发送继续行驶的信号给反应模块，若位移大于或等于标准值的一半且小于标准值，则发送调整速度的信号给反应模块。

具体地，所述步骤S2中包括：对霍尔传感器测量的速度值v_i进行滤波修正，得到修正后的速度值v_f，i；根据修正的速度值v_f，i，结合上一个测速周期的速度v_i-1，计算本周期轮轴的第一加速度a_w，i；对加速度传感器测量出的轮轴加速度进行滤波降噪处理，得到第二加速度a_a，f，i；采用低通滤波的方式计算第一加速度a_w，i和第二加速度a_a，f，i的差值Δa_d，i；对比加速度差值Δa_d，i和允许值Δa，若加速度差值Δa_d，i超过或等于允许值Δa时，则判定大车轮轴发生了空转，若未超过允许值Δa，则判定大车轮轴未发生空转。

具体地，步骤S2中包括：分别对起重机两侧霍尔传感器测出的速度取平均值v_i；计算上周期平均速度和本周期平均速度的平均值v_b，i；根据上周期大车轮轴的速度和第二加速度a_a，f，i，可得根据加速度传感器计算的轮轴速度v_a，i；计算v_a，i和v_b，i的平均值v_o，i；根据速度值v_o，i，计算得到轮轴的位移s_i。

具体地，步骤S3中具体包括：对加速度传感器测量出的加速度进行滤波降噪处理，得到第二加速度a_f，i；根据轮轴运动线路坡度换算加速度a_i，a；结合上一个测速周期的轮轴速度、第二加速度a_f，i和加速度a_i，a的数值，计算本周期轮轴速度根据轮轴速度计算轮轴位移

有益效果：本发明提供了一种基于霍尔传感器及加速度传感器的速度测量装置及方法，该装置通过引入加速度传感器，避免了起重机轮轴空转时霍尔传感器测速不准确的问题，使测量得到的数据更为精确。

附图说明

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，其中：

图1为本发明较佳实施例的装置模块图；

图2为本发明较佳实施例的装置传感器安装位置示意图；

图3为本发明较佳实施例的检测方法步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

参照图1，本发明提供一种起重机的速度测量装置，包括霍尔传感器1、加速度传感器2和控制主机3；所述霍尔传感器1用于测量起重机大车轮轴的速度，所述加速度传感器2用于轮轴发生空转时修正测量的速度值，所述控制主机3用于数据处理，根据处理结果控制起重机大车轮轴的运行状态。

具体地，所述控制主机3包括数据处理模块31、反应模块33和电源管理模块32；数据处理模块31采用ARM处理器作为核心部件，ARM处理器对霍尔传感器1测量的大车轮轴速度和加速度传感器2测量的大车轮轴加速度进行数据处理，ARM处理器再根据处理结果发送控制信号给反应模块33，所述反应模块33根据控制信号，控制起重机大车轮轴继续转动、调整速度或者紧急制动，所述电源管理模块32为上述各个模块提供电源。

具体地，所述霍尔传感器1包括第一霍尔传感器和第二霍尔传感器，第一霍尔传感器和第二霍尔传感器分别设置在起重机大车移动机构的两侧，可测量两侧大车轮轴的速度，取平均值可进一步减少测量误差，提高装置测量数据的可靠性；所述第一霍尔传感器和第二霍尔传感器将起重机两侧的大车轮轴移动速度转换成电脉冲信号，再将电脉冲信号发送给ARM处理器。

参照图2，所述第一霍尔传感器包括永磁铁11和感应头12，其中永磁铁11设置在大车轮侧面的边缘上，感应头12设置在大车移动机构的车架上，且安装在永磁铁11正上方的车架位置上；所述感应头12随着永磁铁11的位置变化产生不同的电压信号，根据电压信号周期可计算起重机的车速，并将测量的速度值发送给ARM处理器，第二霍尔传感器的结构和位置关系与第一霍尔传感器相同。

参照图2，所述加速度传感器2设置在起重机的大车轮轴上，当大车移动时，将起重机大车轮轴加速度转换为电信号，并将电信号发送给ARM处理器，引入加速度传感器可判断出轮轴是否发生空转，并修正空转时测量的速度值，提高了装置的测量精度。

参照图3，本发明提供一种基于前述速度测量装置的检测方法，包括如下五个步骤：

S1，输入标准值和允许值Δa；

S2，根据霍尔传感器1测量的大车轮轴速度值计算加速度值，和加速度传感器的测量值进行对比，判断起重机大车轮轴是否发生空转，若大车轮轴未发生空转，则执行步骤S3，若大车轮轴发生空转，则执行步骤S4；

S3，若检测到轮轴未发生空转时，则对起重机大车两侧的霍尔传感器1测量值取平均，再与上一个周期的两侧数据的平均值再次取平均，根据二次速度平均值计算轮轴的位移；

S4，若检测到轮轴发生空转时，霍尔传感器1计算的速度已经无法正确反映起重机轮轴的实际速度，此时需要根据上一测速周期的加速度值，作为本测速周期内起重机轮轴的加速度，并结合上一测速周期起重机轮轴的速度，计算本测速周期的起重机轮轴的速度和位移；

S5，ARM处理器根据步骤S3或S4得到的位移，与标准值进行比对，若计算而得的轮轴位移小于标准值的一半，则反应模块33控制轮轴继续行驶，若轮轴位移等于或大于标准值，则反应模块33控制轮轴紧急制动，若轮轴位移大于或等于标准值的一半且小于标准值，则反应模块33可控制轮轴调整速度。

具体地，所述步骤S2中包括：

假设起重机大车轮轴发生空转，霍尔传感器1的测量值较正常情况有很大变化，应对其测量的速度值进行滤波修正，滤波修正公式如下：

式中：

v_f，i——第i个测速周期根据霍尔传感器计算的起重机轮轴速度的滤波修正值。

根据上述(1)式，结合第i-1个测速周期起重机轮轴的速度可得第二加速度：

a_w，i＝(v_f，i-v_i-1)/T (2)

当轮轴发生空转时，加速度传感器2测量的数值已经失效，因此需要结合上一个测速周期的加速度值进行计算；由于加速度传感器2在测量起重机轮轴加速度时存在误差，需要对其进行滤波降噪处理，以保证其计算数值的平滑和稳定，其滤波公式如下：

式中：

a_a，f，i——由加速度传感器测量所得的第i个测速周期轮轴的加速度滤波值；

a_a，i——第i个测速周期加速度传感器测量的起重机轮轴加速度；

a_i-1——第i-1个测速周期的起重机轮轴加速度。

采用低通滤波的方式对霍尔传感器1和加速度传感器2计算的加速度差值进行计算：

式中：

Δa_d，i——第i个测速周期两种传感器计算的加速度差值；

Δa_d，i-1——第i-1个测速周期两种传感器计算的加速度差值。

根据滤波后的加速度差值结合两种传感器的特点，若两种传感器的计算加速度差值超过允许值Δa，Δa可设置为0.1至0.5之间的任意一个数，即当Δa_d，i≥Δa时，则认为起重机轮轴出现了空转；当Δa_d，i＜Δa时，则判定起重机轮轴未发生空转。

具体地，所述步骤S3中包括：

由于受到轮轴平整度的影响，安装在起重机轮轴两侧上的霍尔传感器1计算的两轴速度必然存在差异，为了消除这种差异，可运用对两轴的脉冲信号取平均值的办法，其计算公式为；

v_i＝(v_i，1+v_i，2)/2 (5)

式中：

v_i——第i个测速周期霍尔传感器1计算的起重机轮轴速度；

v_i，1——第i个测速周期第一霍尔传感器计算的起重机轮轴速度；

v_i，2——第i个测速周期第二霍尔传感器计算的起重机轮轴速度。

根据霍尔传感器的测速特点，其脉冲信号在采集时存在向0取整的问题，因此会出现速度的跳变问题，为了消除这种误差，由式(5)第i个测速周期计算的起重机轮轴速度与第i-1个测速周期计算的起重机轮轴速度取平均值，如式(6)所示：

v_b，i＝(v_i+v_i-1)/2 (6)

式中：

v_i-1——第i-1个测速周期霍尔传感器测得的起重机轮轴速度；

根据上周期起重机轮轴的速度和本周期加速度传感器测得的起重机轮轴加速度，可得根据加速度传感器计算的起重机轮轴速度v_a，i为：

v_a，i＝v_i-1+a_a，f，i×T (7)

为了再次缩小测量误差，v_b，i和v_a，i再次取平均值：

v_o，i＝(v_a，i+v_b，i)/2 (8)

式中：

v_o，i——第i个测速周期的起重机轮轴速度；

根据起重机轮轴运动学方程中速度和位移的关系，利用霍尔传感器可计算起重机轮轴的位移如下：

s_i＝s_i-1+v_o，i×T (9)

式中：

s_i——截至第i个测速周期起重机轮轴的累积位移；

s_i-1——截至第i-1个测速周期起重机轮轴的累积位移；

T——测速周期。

具体地，所述步骤S4中包括：

考虑到加速度传感器的测量误差，需要对上一测速周期起重机轮轴的加速度进行滤波降噪处理，从而保证加速度值的平滑性和稳定性，其加速度滤波计算公式如下：

式中：

a_f，i——第i个测速周期加速度传感器所测量的起重机轮轴加速度滤波值；

p——低通滤波参数；

a_i-1——第i-1个测速周期起重机轮轴的加速度；

a_i——由加速度传感器计算得到的第i个测速周期的起重机轮轴加速度。

由于加速度传感器测量的加速度值是水平运动方向的加速度，因此当起重机行驶在坡道上时，需根据线路坡度进行换算，其加速度换算计算公式如下：

式中：

a_i，a——考虑线路坡度换算的第i个测速周期的起重机轮轴加速度，

a_i——加速度传感器测量的第i个测速周期的起重机轮轴加速度，

I——第i个测速周期加速度传感器安装位置所处的线路坡度；

将式(11)代入式(10)，结合上一测速周期的起重机轮轴的速度，可得本周期轮轴速度的计算公式如下：

式中：

——起重机轮轴发生空转时，第i个测速周期起重机轮轴的速度；

根据起重机轮轴运动学方程中速度和位移的关系，结合速度值可计算起重机的位移如下：

式中：

——截至第i个测速周期起重机的位移；

s_i-1——截至第i-1个测速周期起重机的位移；

T——测速周期。

以上实施方式不局限于该实施方式自身的技术方案，实施方式之间可以相互结合成新的实施方式。以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明的精神和范围内的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种起重机的速度测量装置，其特征在于，包括霍尔传感器(1)、加速度传感器(2)和控制主机(3)；所述霍尔传感器(1)用于测量起重机大车轮轴的速度，所述加速度传感器(2)用于轮轴发生空转时修正测量的速度值，所述控制主机(3)用于数据处理，根据处理结果控制起重机大车轮轴的运行状态。

2.根据权利要求1所述的速度测量装置，其特征在于，所述控制主机(3)包括数据处理模块(31)、反应模块(33)和电源管理模块(32)；所述数据处理模块(31)对霍尔传感器(1)测量的大车轮轴速度和加速度传感器(2)测量的大车轮轴加速度进行数据处理，数据处理模块(31)根据处理结果发送控制信号给反应模块(33)，所述反应模块(33)根据控制信号，控制起重机大车轮轴继续转动、调整速度或者紧急制动，所述电源管理模块(32)为上述各个模块提供电源。

3.根据权利要求2所述的速度测量装置，其特征在于，所述霍尔传感器(1)包括第一霍尔传感器和第二霍尔传感器；所述第一霍尔传感器和第二霍尔传感器分别设置在起重机大车移动机构的两侧；所述第一霍尔传感器和第二霍尔传感器将起重机两侧的大车轮轴移动速度转换成电脉冲信号，再将电脉冲信号发送给数据处理模块(31)。

4.根据权利要求3所述的速度测量装置，其特征在于，所述第一霍尔传感器包括永磁铁(11)和感应头(12)，其中永磁铁(11)设置在大车轮上，感应头(12)设置在大车移动机构的车架上；所述感应头(11)随着永磁铁(12)的位置变化产生不同的电压信号，根据电压信号周期可得起重机的车速；第二霍尔传感器的结构和位置关系与第一霍尔传感器相同。

5.根据权利要求3所述的速度测量装置，其特征在于，所述加速度传感器(2)设置在起重机的大车轮轴上，所述加速度传感器(2)将起重机大车轮轴转动的角加速度转换为电信号，并将电信号发送给数据处理模块(31)。

6.一种基于权利要求1-5中任一项所述速度测量装置的检测方法，其特征在于，包括以下五个步骤：

S1，输入设定的允许值Δa和标准值；

S2，根据第一霍尔传感器、第二霍尔传感器和加速度传感器(2)测量的速度值和加速度值判断起重机大车轮轴是否发生空转，若大车轮轴未发生空转，则执行步骤S3，若大车轮轴发生空转，则执行步骤S4；

S3，当检测到大车轮轴未发生空转时，计算起重机的车速v_o,i和位移s_i；

S4，当检测到大车轮轴发生空转时，计算起重机的车速和位移

S5，根据步骤S3的位移s_i或步骤S4的位移对比标准值，若位移大于或等于标准值，则发送紧急制动的信号给反应模块(33)，若位移小于标准值的一半，则发送继续行驶的信号给反应模块(33)，若位移大于或等于标准值的一半且小于标准值，则发送调整速度的信号给反应模块(33)。

7.根据权利要求6所述的速度测量方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

对霍尔传感器测量的速度值v_i进行滤波修正，得到修正后的速度值v_f,i；

根据修正的速度值v_f,i，结合上一个测速周期的速度v_i-1，计算本周期轮轴的第一加速度a_w,i；

对加速度传感器测量出的轮轴加速度进行滤波降噪处理，得到第二加速度a_a,f,i；

采用低通滤波的方式计算第一加速度a_w,i和第二加速度a_a,f,i的差值Δa_d,i；

对比步骤加速度差值Δa_d,i和允许值Δa，若加速度差值Δa_d,i超过或等于允许值Δa时，则判定大车轮轴发生了空转，若未超过允许值Δa，则判定大车轮轴未发生空转。

8.根据权利要求6所述的速度测量方法，其特征在于，步骤S3中具体包括

分别对起重机两侧霍尔传感器测出的速度取平均值v_i；

计算上周期平均速度和本周期平均速度的平均值v_b,i；

根据上周期大车轮轴的速度和第二加速度a_a,f,i，可得根据加速度传感器计算的轮轴速度v_a,i；

计算v_a,i和v_b,i的平均值v_o,i；

根据平均值v_o,i计算轮轴的位移s_i。

9.根据权利要求6所述的速度测量方法，其特征在于，步骤S4中具体包括：

对加速度传感器测量出的加速度进行滤波降噪处理，得到第二加速度a_f,i；

根据轮轴运动线路坡度换算加速度a_i,a；

结合上一个测速周期的轮轴速度，计算本周期轮轴速度

根据轮轴速度计算轮轴位移