CN110282550B - 一种基于光衍射的桥吊摆角及绳长检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光衍射的桥吊摆角及绳长检测装置，基于吊绳摆动使光发生偏转，利用夫琅禾费圆孔衍射原理将摆角转换成成Cmos阵列上光点偏移量的变化，Cmos阵列将光转化成电能，由计算机处理变为摆角信息输出；还利用菲涅尔圆孔衍射将小车升降的绳长变化转换成Cmos阵列上光斑面积的变化，Cmos阵列将光转化成成电能，由计算机处理变为绳长信息输出；本发明的绳长检测装置避免了接触测量的磨损、不易维护等外部因素的影响，有准确、高效、实时性强的优点；本发明也适用于多吊具的摆角和绳长检测问题，结构简单，使用简单，成本低。

Description

一种基于光衍射的桥吊摆角及绳长检测装置

技术领域

本发明涉及桥吊检测装置，特别涉及一种基于光衍射的桥吊摆角及绳长检测装置。

背景技术

桥吊作为一种重要的货物运输工具，被广泛应用于港口、工厂等场合。但由于每年港口的吞吐量急剧增长，单一增加港口泊位是远远达不到输送需求的。目前一种新型的港口集装箱场地起重设备——双吊具桥式吊车，大大提高了集装箱的装卸效率，但仍有提升空间。

在装卸过程中会遇到很多干扰，再加上码头传统人工操作桥吊的作业效率与桥吊司机的操作经验等直接相关，装卸效率难以大幅度提高。因此为了保证起重机的安全高效的运输，防摇控制受到人们的广泛关注。桥吊防摇控制的关键问题就是对摆角和绳长的检测，但由于桥吊属于欠驱动系统，结构复杂，工作方式多样且存在耦合性，这给检测摆角和绳长带来很大的难度。

目前摆角检测装置大多数可分为接触式检测和非接触型检测。现存的接触式检测装置就是使用编码器来跟踪小车的运动，并计算负载的摆动角度。然而，使用编码器可能会导致不准确。编码器老化或振动、摩擦等机构设计问题、控制系统性能恶化或结果不正确等引起的主要测量误差。非接触式的检测装置常用激光检测仪，但此类仪器角对工作环境要求较高，价格昂贵。

桥吊防摇控制的关键问题就是对摆角和绳长的检测，基于上述原因，研发一种基于光衍射的摆角及绳长检测装置实为必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光衍射的桥吊摆角及绳长检测装置，采用光衍射的方法同时检测绳长摆角，当桥吊的吊绳摆动会带动轻质摆架上相连的分光板一同摆动，光线通过反射在Cmos(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互补金属氧化物半导体)阵列产生的偏移距离来体现，并将检测信息经过信号处理器送到计算单元。对绳长的检测，当绳长变化时，利用光衍射在Cmos阵列光斑面积变化，将Cmos阵列上产生的电信号传送到计算单元，通过计算单元的分析和计算将摆角信息和绳长信息传送至桥吊自动防摇系统中完成桥吊的自动防摇，也可以传送到桥吊驾驶室，工人操作参考。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于光衍射的桥吊摆角及绳长检测装置，包含：

第一凸透镜，光源发射的光线透过所述第一凸透镜后呈平行光；

轻质摆架，桥吊的吊绳穿过所述轻质摆架，吊绳摆动带动轻质摆架等角度摆动；

分光板，与所述轻质摆架相连，并随轻质摆架等角度摆动；所述平行光照射在分光板上，且随分光板的摆动发生偏转，所述分光板将平行光的一部分进行反射和将平行光的另外部分进行透射；

其中，所述分光板将所述平行光的一部分反射到一反射镜上，经所述反射镜反射后的光线继续反射到第一衍射孔，并通过所述第一衍射孔上、下方的各一第二凸透镜将光线汇聚成光点，依次产生未摆动前的第一光点和摆动后偏移的第二光点，并落在附有短波通滤光片的第一Cmos阵列上，产生光电效应生成对应的电信号；所述第一Cmos阵列与一信号处置装置连接，信号处置装置接收所述第一Cmos阵列发送的电信号，获得第一光点和第二光点之间的偏移量，计算得出摆角；

所述分光板将所述平行光的另外部分透射经过第二衍射孔，衍射后的光线落在附有短波通滤光片的第二Cmos阵列上，第二Cmos阵列呈现光斑，产生光电效应生成对应的电信号；所述第二Cmos阵列与一所述信号处置装置连接，信号处置装置接收所述第二Cmos阵列发送的电信号，获取光斑面积，计算得出绳长。

优选地，第二凸透镜、光源、第一凸透镜、轻质摆架、分光板和反射镜均置于一黑盒子内；第一Cmos阵列设置在所述黑盒子内的底部。

优选地，所述轻质摆架的上端通过活动铰链与黑盒子内的顶部相连；所述轻质摆架通过一轻质杆与所述分光板固定相连。

优选地，分光板呈45°放置且与反射镜相互平行放置。

优选地，反射镜上反射的光线垂直向下反射到第一衍射孔；反射镜、上方的第二凸透镜、第一衍射孔、下方的第二凸透镜以及第一Cmos阵列垂直相对且按照上下顺序依次设置。

优选地，所述第二Cmos阵列设置在位于吊绳下部的吊具上。

优选地，所述黑盒子内还包含一隔板，所述隔板与第二凸透镜固定相连，第一衍射孔设置在所述隔板上，第二凸透镜与第一衍射孔之间存在间距；所述隔板上还设有穿孔，所述穿孔分别垂直正对在所述分光板下方以及所述第二衍射孔上方。

优选地，所述光源为激光灯，所述激光灯设置在黑盒子内的顶部并固定连接；所述第一凸透镜与黑盒子内的顶部相连；所述激光灯的发光方向与所述第一凸透镜的轴线重合且二者之间距离为所述第一凸透镜的焦距，用以将所述激光灯发出的激光穿过所述第一凸透镜后变成平行光。

优选地，将所述第一光点和所述第二光点之间的偏移量记为s，得出：

式中，θ为所求的最大摆角，f为第一衍射孔与第一Cmos阵列之间的距离。

优选地，所述第二Cmos阵列上的光斑面积记为S，其随桥吊负载的升降变化，根据菲涅尔圆孔衍射原理得出如下公式：

S＝πr²

其中，λ为光的波长，a_k为k时刻对应的绳长，r为光斑半径；

因此，绳长的计算公式为：

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明基于吊绳摆动使光发生偏转，利用夫琅禾费圆孔衍射原理将摆角转换成成Cmos阵列上光点偏移量的变化，Cmos阵列将光转化成电能，由计算机处理变为摆角信息输出；本发明也适用于多吊具的摆角检测问题，结构简单，使用简单，成本低。

(2)本发明利用菲涅尔圆孔衍射将小车升降的绳长变化转换成Cmos阵列上光斑面积的变化，Cmos阵列将光转化成成电能，由计算机处理变为绳长信息输出；本发明的绳长检测装置避免了接触测量的磨损、不易维护等外部因素的影响，有准确、高效、实时性强的优点，还可以适用多吊具的绳长检测问题，结构简单，使用简单，成本低。

附图说明

图1为本发明的双起升桥吊摆角检测及绳长测量装置结构示意图；

图2为本发明的摆角及绳长测量装置侧面结构示意图；

图3为本发明的摆角及绳长测量装置正面结构示意图；

图4为本发明的摆角测量原理示意图；

图5为本发明的绳长测量原理示意图；

图6为本发明的摆角及绳长信号处理原理图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示为本发明的双起升桥吊的摆角检测及绳长测量装置示意图。双起升桥吊包含桥吊小车8、吊绳3、吊绳6、吊具2、吊具5、摆角及绳长测量装置7和信号处理装置9。桥吊小车8包含有驱动机构，用以驱动小车运动以及吊具及负载的升降运动。

本实施例中，以测量负载1的绳长、摆角的测量为例进行说明。

图1中的10为附有短波通滤光片的Cmos阵列，安装在吊具2上(当测量负载4的绳长时，Cmos阵列10安装在吊具5上)。该短波通滤光片是由镀有不同介质材料的膜层的石英玻璃材料制成，对短波的光有很高的透射性但较长波段的光被反射和吸收，而Cmos阵列10是一种将光信号转换成电信号的半导体器件。Cmos阵列10与信号处理装置9连接，将转换后的电信号传输给信号处理装置9。其中，信号处置装置9包含放大器、ADC(模/数转换器)和计算单元。

如图2-图6结合所示，摆角及绳长测量装置7主要包含黑盒子和该黑盒子内部的隔板21，黑盒子可以消除其他光线的干扰并减少激光传播过程中的损失。同时，黑盒子内部还设有两个凸透镜18、激光灯11、凸透镜12、轻质摆架13、分光板14和反射镜15。

摆角及绳长测量装置7的黑盒子内的底部粘有附有短波通滤光片的Cmos阵列19，该短波通滤光片是由镀有不同介质材料的膜层的石英玻璃材料制成，对短波的光有很高的透射性但较长波段的光被反射和吸收，而Cmos阵列19也是一种将光信号转换成电信号的半导体器件。

隔板21上设有大的方形孔16和衍射孔17。开设的该方形孔16是为了透光，便于光线能透过隔板21。两个凸透镜18分别设置在衍射孔17的上方、下方，且每个凸透镜18与隔板21通过螺钉固定相连。每个凸透镜18与衍射孔17之间的间距很小，用以保证凸透镜18和衍射孔17之间的光线为平行光。

激光灯11粘在摆角及绳长测量装置7内的顶部并固定连接。凸透镜12与黑盒子内的顶部通过螺钉相连，且激光灯11发光方向与凸透镜12的轴线重合，且二者之间距离为凸透镜12的焦距，这样就可以将激光灯11发出的激光穿过凸透镜12变成平行光，为后续检测做准备。

轻质摆架13的上端通过活动铰链与摆角及绳长测量装置7的黑盒子内的顶部相连，吊绳3、6分别穿过轻质摆架13，当吊绳摆动时，轻质摆架13也产生等角度的摆动。其中，因为小车运动带来的摆角变化在小车运动方向更为剧烈，垂直方向摆角变化较小，因此本发明只针对小车运动方向摆角检测。

优选地，轻质摆架13沿其平行运动方向上的某一位置处与分光板14通过轻质杆固定相连。但本发明对此连接位置不做限制，只要保证轻质摆架13与分光板14通过轻质杆固定即可。由于轻质摆架13与分光板14相连，当轻质摆架13摆动时，分光板14也随着轻质摆架13摆动，且产生相同的摆角。

如图3所示，分光板14设置成45°放置，则可以将光线进行折射和透射。分光板14垂直下方正对着方形孔16与衍射孔22。反射镜15与分光板14为相互平行放置，反射镜15、上方的凸透镜18、衍射孔17、下方的凸透镜18以及Cmos阵列19垂直相对且按照上下顺序依次设置。

当透过凸透镜12的平行光照射在分光板14上，分光板14会将光线一部分反射到反射镜15，反射到反射镜15上的光线垂直向下反射到衍射孔17，通过衍射孔17上、下的凸透镜18将光线汇聚成光点落在附有Cmos阵列19上，同时，分光板14会将光线另一部分向下透射，且透射的光依次方形孔16和衍射孔22，发生衍射后的光线落在Cmos阵列10上。

如图3和图4所示，衍射孔17到Cmos阵列19的距离为f。

在发生摆动之前的初始光线在Cmos阵列19上的光点为S1，此时摆角为0°。当操作员在驾驶台发出指令，桥吊小车8运动时，带动吊绳3摆动，带动轻质摆架13与分光板14同幅度摆动，照射在分光板14的光线会产生偏角，则光线反射到反光镜15后，通过衍射孔17在Cmos阵列19上的光点就会发生偏移，例如，图示时刻的最大摆角为θ，此时通过Cmos阵列19检测出发生摆动后的光点为S2，同时在Cmos阵列19上产生光电效应，即光信号会使Cmos阵列上的光电二极管动作并存储电荷，转化为电压，再将该电信号送入信号处置装置9中，信号处置装置9的放大器将该电信号转换成一定大小的标准电压信号并进行滤波处理，然后再送入ADC(模/数转换器)，转换成数字信号，计算单元将该数字信号处理转换成位置变化，获得偏移量，即初始光点S1与现时刻的光点S2之间的距离，并进一步计算出摆角，如图6所示。

其中，记初始光点S1与现时刻的光点S2之间的距离为s，则可得出：

式中，θ为最大摆角，f为衍射孔17到Cmos阵列19的距离。

如图5所示为本发明的检测绳长的原理示意图。

当分光板14将光线另一部分透射到下方的衍射孔22中，发生衍射后光线落在Cmos阵列10上，呈现一个明亮的光斑，在Cmos阵列10上产生光电效应产生电信号，再送入信号处置装置9中，信号处置装置9的放大器将该电信号转换成一定大小的标准电压信号并进行滤波处理，然后再送入ADC(模/数转换器)，转换成数字信号，计算单元将该数字信号处理转换，计算出光斑面积S，进一步计算出绳长，如图6所示。

当控制台控制吊具及负载做升降运动时，由于随着负载的升降，衍射孔22与Cmos阵列10之间的距离发生变化，在Cmos阵列10上的光斑面积S也发生变化，根据菲涅尔圆孔衍射原理得出如下公式：

S＝πr²

其中，λ为光的波长，a_k为k时刻对应的绳长，r为光斑半径。

所以，绳长的计算公式为：

本发明的负载4的绳长、摆角检测原理同上，在此不做赘述。

本发明的摆角及绳长测量装置7测量出摆角信息和绳长信息，并将其传送至桥吊自动同步防摇系统中，完成桥吊的自动同步防摇。

本发明提供了一种双起升桥吊摆角检测及绳长测量方法，包含以下过程：

(1)当桥吊小车静止时，激光灯11的发出的激光透过凸透镜12变成平行光，平行光照射在分光板14上；分光板14会将光线一部分反射到反射镜15，反射到反射镜15上的光线垂直向下反射到衍射孔17，通过衍射孔17上、下的凸透镜18将光线汇聚成光点落在附有短波通滤光片的Cmos阵列19上，此时还未发生摆动，即摆角为0°；同时，分光板14还会将光线另一部分向下透射，且透射的光经过衍射孔22，发生衍射后的光线落在附有短波通滤光片的Cmos阵列10上，由于短波通滤光片可以滤除波长长的光，波长越短，则光强越强，所以会在Cmos阵列10上留下光斑，通过信号处理装置9获得光斑面积，获取此时初始。

(2)例如，在当桥吊小车8沿图1的右侧方向运动时，吊绳3发生摆动并带动轻质摆架13摆动，分光板14随着轻质摆架13摆动，产生相同的摆角，分光板14摆动后，垂直照射在分光板14上的光线在反射时会产生偏角，最终落在附有短波通滤光片的Cmos阵列19上的光点会发生偏移，Cmos阵列19与信号处理装置9连接，光点在附有短波通滤光片的Cmos阵列19上产生光电效应，将产生的电信号再送入信号处理装置9中，获得偏移量，再利用摆角公式获得摆角。

(3)同时，当控制台控制吊具及负载做下降运动时，照射在分光板14的光线会向下透射，通过方形孔16和衍射孔22发生向下衍射，落在附有短波通滤光片的Cmos阵列10上，形成明亮的光斑，Cmos阵列10与信号处理装置9连接，光斑在附有短波通滤光片的Cmos阵列19上产生光电效应，将产生的电信号再送入信号处置装置9中，计算出光斑面积，并通过绳长公式获得此时刻绳长。

综上所述，本发明利用吊绳摆动使光发生偏转，利用夫琅禾费圆孔衍射原理将摆角转换成成Cmos阵列上光点偏移量的变化，Cmos阵列将光转化成电能，由计算机处理变为摆角信息输出。同时，利用菲涅尔圆孔衍射将小车升降的绳长变化转换成Cmos阵列上光斑面积的变化，Cmos阵列将光转化成成电能，由计算机处理变为绳长信息输出。

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)

1.一种基于光衍射的桥吊摆角及绳长检测装置，其特征在于，包含：

第一凸透镜，光源发射的光线透过所述第一凸透镜后呈平行光；

轻质摆架，桥吊的吊绳穿过所述轻质摆架，吊绳摆动带动轻质摆架等角度摆动；

分光板，与所述轻质摆架相连，并随轻质摆架等角度摆动；所述平行光照射在分光板上，且随分光板的摆动发生偏转，所述分光板将平行光的一部分进行反射和将平行光的另外部分进行透射；

其中，所述分光板将所述平行光的一部分反射到一反射镜上，经所述反射镜反射后的光线继续反射到第一衍射孔，并通过所述第一衍射孔上、下方的各一第二凸透镜将光线汇聚成光点，依次产生未摆动前的第一光点和摆动后偏移的第二光点，并落在附有短波通滤光片的第一Cmos阵列上，产生光电效应生成对应的电信号；所述第一Cmos阵列与一信号处置装置连接，信号处置装置接收所述第一Cmos阵列发送的电信号，获得第一光点和第二光点之间的偏移量，计算得出摆角；

所述分光板将所述平行光的另外部分透射经过第二衍射孔，衍射后的光线落在附有短波通滤光片的第二Cmos阵列上，第二Cmos阵列呈现光斑，产生光电效应生成对应的电信号；所述第二Cmos阵列与一所述信号处置装置连接，信号处置装置接收所述第二Cmos阵列发送的电信号，获取光斑面积，计算得出绳长。

2.如权利要求1所述的桥吊摆角及绳长检测装置，其特征在于，

第二凸透镜、光源、第一凸透镜、轻质摆架、分光板和反射镜均置于一黑盒子内；

第一Cmos阵列设置在所述黑盒子内的底部。

3.如权利要求2所述的桥吊摆角及绳长检测装置，其特征在于，

所述轻质摆架的上端通过活动铰链与黑盒子内的顶部相连；

所述轻质摆架通过一轻质杆与所述分光板固定相连。

4.如权利要求1所述的桥吊摆角及绳长检测装置，其特征在于，

分光板呈45°放置且与反射镜相互平行放置。

5.如权利要求1-3任一项所述的桥吊摆角及绳长检测装置，其特征在于，

反射镜上反射的光线垂直向下反射到第一衍射孔；

反射镜、上方的第二凸透镜、第一衍射孔、下方的第二凸透镜以及第一Cmos阵列垂直相对且按照上下顺序依次设置。

6.如权利要求1所述的桥吊摆角及绳长检测装置，其特征在于，

所述第二Cmos阵列设置在位于吊绳下部的吊具上。

7.如权利要求2所述的桥吊摆角及绳长检测装置，其特征在于，

所述黑盒子内还包含一隔板，所述隔板与第二凸透镜固定相连，第一衍射孔设置在所述隔板上，第二凸透镜与第一衍射孔之间存在间距；

所述隔板上还设有穿孔，所述穿孔分别垂直正对在所述分光板下方以及所述第二衍射孔上方。

8.如权利要求2所述的桥吊摆角及绳长检测装置，其特征在于，

所述光源为激光灯，所述激光灯设置在黑盒子内的顶部并固定连接；

所述第一凸透镜与黑盒子内的顶部相连；

所述激光灯的发光方向与所述第一凸透镜的轴线重合且二者之间距离为所述第一凸透镜的焦距，用以将所述激光灯发出的激光穿过所述第一凸透镜后变成平行光。

9.如权利要求1所述的桥吊摆角及绳长检测装置，其特征在于，

将所述第一光点和所述第二光点之间的偏移量记为s，得出：

式中，θ为所求的最大摆角，f为第一衍射孔与第一Cmos阵列之间的距离。

10.如权利要求1所述的桥吊摆角及绳长检测装置，其特征在于，

所述第二Cmos阵列上的光斑面积记为S，其随桥吊负载的升降变化，根据菲涅尔圆孔衍射原理得出如下公式：

S＝πr²

其中，λ为光的波长，a_k为k时刻对应的绳长，r为光斑半径；

因此，绳长的计算公式为：

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