CN110426000B - 一种基于光偏振的摆角检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于光偏振的摆角检测装置，包含：轻质摆架，吊绳穿过轻质摆架；导体圆盘，与摆架连接；等分布式电阻槽，与导体圆盘连接，吊绳摆动带动摆架摆动，导体圆盘在电阻槽上的阻值变化与摆角变化相匹配；两个偏振片；均匀磁场装置，通过通入电流以产生均匀磁场；附有短波通滤光片的Cmos线阵列，光源发射出光线后经过偏振片、均匀磁场装置并落在Cmos线阵列上呈现光斑，产生光电效应；信号处置装置，吊绳摆动使得磁场强度变化时，通过信号处置装置接收落在Cmos线阵列上不同光斑产生的电信号，得到不同光斑之间的偏移量，计算出摆角。本发明避免外界环境的干扰的影响，准确、高效、实时性强，简单，成本低，维护简单，适用多吊具的摆角检测问题。

Description

一种基于光偏振的摆角检测装置及方法

技术领域

本发明涉及桥吊检测装置领域，特别涉及一种基于光偏振的摆角检测装置。

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，例如，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的检测，因此，提供一种基于光偏振的摆角桥吊检测装置及测量方法实为必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光偏振的摆角检测装置，采用光偏振的方法检测摆角，当桥吊的吊绳摆动会带动轻质摆架上相连的导体圆盘一起运动，使得导体圆盘与等分布式电阻槽之间的电阻均匀变化，导致均匀磁场装置中磁场均匀变化，光线通过偏振片进入匀强磁场装置再从偏振片射出产生偏移，在附有短波通滤光片Cmos线阵列上留下光斑，通过光斑偏移距离来体现，并将检测信息经过信号处理器送到计算单元，通过计算单元的分析和计算将摆角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：

一种基于光偏振的摆角检测装置，设置在桥吊小车上，包含：光源，用于发射光线；轻质摆架，桥吊吊具的吊绳穿过所述轻质摆架；导体圆盘，与所述轻质摆架连接；等分布式电阻槽，与所述导体圆盘连接，所述吊绳摆动带动轻质摆架等角度摆动，所述导体圆盘在所述等分布式电阻槽上的阻值变化与摆角变化相匹配；至少两个偏振片；均匀磁场装置，置于所述两个偏振片之间，并通过通入电流以产生均匀磁场，所述阻值变化使得磁场强度变化且两者相适配；附有短波通滤光片的Cmos线阵列，光源发射出光线后依次经过第一个偏振片、均匀磁场装置和第二个偏振片，并落在所述Cmos线阵列上呈现光斑，产生光电效应并生成对应的电信号；信号处置装置，与所述Cmos线阵列连接，吊绳摆动使得所述磁场强度变化时，通过所述信号处置装置接收落在Cmos线阵列上的不同光斑产生的电信号，经过处理得到不同光斑之间的偏移量，并计算得出摆角。

优选地，所述光源、所述轻质摆架、所述等分布式电阻槽、所述偏振片、所述均匀磁场装置和所述Cmos线阵列均置于一密闭箱内。

优选地，所述Cmos线阵列置于所述密闭箱的侧壁上。

优选地，所述轻质摆架的上端通过活动铰链与所述密闭箱内部顶端相连。

优选地，所述轻质摆架与所述导体圆盘通过摇杆机构连接；所述摇杆机构包含两个轻质连杆，第一个轻质连杆的第一端与轻质摆架固定连接，第一个轻质连杆的第二端与第二个轻质连杆的第一端活动连接，第二个轻质连杆的第二端与所述导体圆盘连接。

优选地，Cmos线阵列、光源、偏振片、均匀磁场装置的中心轴线均位于同一水平高度上。

优选地，所述导体圆盘、所述等分布式电阻槽与所述均匀磁场装置通过导线串联接入电源，形成电路通路为线圈组供电。

优选地，所述均匀磁场装置包含：相互平行且通过导线彼此连接的两个线圈组，每个线圈组包含平行放置且相互并联的两个线圈，两个线圈组的轴心平面之间的距离等于线圈的半径；其中一个线圈组的一个线圈引出两个接线柱，第一个接线柱与电源的一端连接，第二个接线柱与所述导体圆盘连接，等分布式电阻槽与所述电源的另一端连接，使得所述线圈组接入电路；磁光玻璃，穿过两个线圈组的轴线，光线依次经过第一个偏振片、所述磁光玻璃、第二个偏振片直至所述Cmos线阵列。

本发明提供了一种基于如上文所述的基于光偏振的摆角检测装置的摆角检测方法，该方法包含以下过程：

当桥吊小车静止时，吊绳未摆动，光源发出的光线依次通过第一个偏振片、均匀磁场装置、第二个偏振片后射出，光线落在附有短波通滤光片的Cmos线阵列上，呈现一个初始光斑S0，并在Cmos线阵列上产生光电效应生成相应的第一电信号，并将该第一电信号送入所述信号处置装置中，信号处置装置中的放大器将第一电信号转换成一定大小的标准电压信号并进行滤波处理，然后再送入信号处置装置的模数转换器转换成数字信号，信号处置装置的计算单元将该数字信号处理转换成初始光斑位置；

当桥吊小车运动时，吊绳发生摆动并带动轻质摆架等角度摆动，并将摆角信息转化为导体圆盘在所述等分布式电阻槽上的阻值变化，引起所述均匀磁场装置中磁场强度的变化；此时光线依次通过第一个偏振片、均匀磁场装置、第二个偏振片后射出，落在Cmos线阵列上，呈现第二个光斑S1，其与所述初始光斑S0之间存在偏移量；

第二个光斑S1在Cmos线阵列上产生光电效应生成相应的第二电信号，并将该第二电信号送入信号处置装置中，放大器将第二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得出第二光斑位置，并获得初始光斑和第二个光斑之间的偏移量以及对应的偏转角。

优选地，均匀磁场装置中的两个线圈组之间产生的磁场强度如下：

其中，R为线圈的半径；W为单个线圈的匝数；I为通过线圈的电流；μ₀为空气中的导磁率μ₀＝4π*10^-7H/m；

根据光偏振原理得出偏转角ψ_F如下：

ψ_F＝VlB (2)

其中，V为磁光玻璃16的维尔德常数值；l为磁光玻璃16的长度；B为磁场强度；

吊绳摆角与电流变化成正比Ψ＝cI，c为比例系数，可得吊绳的摆角公式为：

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：(1)相比于现有的接触式的摆角检测方法，本发明的摆角检测装置避免了外界环境的干扰的影响，有准确、高效、实时性强的优点；(2)相比现有的非接触式方法，本发明利用的装置更加简单，成本低，维护简单，克服上述的问题；(3)相比现有的桥吊摆角检测装置，本发明的装置也适用于多吊具的摆角检测问题，有结构简单，使用简单等优点。

附图说明

图1为本发明的双起升桥吊摆角测量装置结构示意图；

图2为本发明的摆角测量装置侧面结构示意图；

图3为本发明的摆角测量装置正面结构示意图；

图4为本发明的均匀磁场装置示意图；

图5为本发明的摆角测量示意图；

图6为本发明的摆角信号处理原理图。

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种基于光偏振的摆角检测装置，利用吊绳摆动使滑动电阻值发生变化，进而改变均匀磁场磁场强度的变化，利用光偏振的原理将摆角信息转换成Cmos(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互补金属氧化物半导体)线阵列上光点偏移量的变化，Cmos线阵列将光转化成电能，由计算机处理变为摆角信息输出。图1-图4为本发明所涉及的双吊具桥吊及其两个摆角检测装置的组成与结构示意图。

如图1所示，双起升桥吊包含桥吊小车8、吊绳3、吊绳6、吊具2(对应负载1)、吊具5(对应负载4)、摆角测量装置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，以测量吊绳3的摆角的测量为例进行说明。

如图2-图3结合所示，摆角测量装置7主要包含密闭箱，密闭箱可以消除其他光线的干扰并减少激光传播过程中的损失。密闭箱内还设置有激光源17、轻质摆架11、导体圆盘12、等分布式电阻槽13、均匀磁场装置19、附有短波通滤光片的Cmos线阵列18和两个偏振片14。

轻质摆架11的上端通过活动铰链与摆角测量装置7的密闭箱内部顶端相连，吊绳3穿过轻质摆架11上开设的小孔，使得吊绳3摆动时带动轻质摆架11产生等角度的摆动，因为小车9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。

导体圆盘12与等分布式电阻槽13连接，且导体圆盘12可以在分布式电阻槽13滑动。轻质摆架11与导体圆盘12通过摇杆机构121连接。

其中，摇杆机构121包含两个轻质连杆，第一个轻质连杆的第一端与轻质摆架11固定连接，第一个轻质连杆的第二端与第二个轻质连杆的第一端通过第一连接轴活动连接，第二个轻质连杆的的第二端与导体圆盘12连接。

当小车8运动时，吊绳3发生摆动带动轻质摆架11等角度摆动，轻质摆架11带动摇杆机构121运动，进而带动导体圆盘12在等分布式电阻槽13上滑动，使得导体圆盘12在等分布式电阻槽13上的阻值变化。

如图1-图5所示，均匀磁场装置19位于两个偏振片14之间，均匀磁场装置19包含磁光玻璃16和两个线圈组15，线圈组15绕制在圆盘上，磁光玻璃16同时穿过两个线圈组15对应圆盘的轴线。

每个线圈组15是由两个半径相同、结构完全一样的圆环形单线圈平行放置而成。同时，两个线圈组15结构相同且平行放置，两线圈组15的轴心平面之间的距离等于线圈的半径R(即平行于各线圈组15且位于线圈组15中两线圈中间位置的平面之间的距离为R)。

本实施例中，导体圆盘12、等分布式电阻槽13与均匀磁场装置19通过导线串联接入电源，形成一个电路通路为线圈组15供电。

每个线圈组15中的两个线圈并联连接，且其中一个线圈组15中的一个线圈引出两个接线柱20，第一个接线柱20通过导线与电源一端连接，第二个接线柱20与导体圆盘12连接，等分布式电阻槽13还通过导线与电源的另一端连接，从而使线圈组15接入电路中。其中，一个线圈组15中的一个线圈通过导线与另一个线圈组15的一个线圈连接，本发明的此种设计可以使线圈组15中的两个线圈通入同向等大的电流(例如图4中的电流I)，从而使得两个线圈组15之间产生均匀磁场，则磁光玻璃16中存在磁场。

磁光玻璃16设置在两个偏振片14之间，当激光源17发出光线后，光线先通过第一个偏振片14(靠近激光源17的偏振片14)后，进入磁光玻璃16中，会受到到均匀磁场的作用，再通过第二个偏振片14(远离激光源1的偏振片14)射出，光线落在Cmos线阵列18上，呈现一个明亮的光斑。其中，磁场装置19中磁场强度变化，会导致光线在磁光玻璃16中的路径发生变化，使得落在Cmos线阵列18上的光斑位置不同。

附有短波通滤光片的Cmos线阵列18固定于密闭箱内的一侧(例如图2中的右侧)箱体侧壁上，且Cmos线阵列18与激光源17、偏振片14、均匀磁场装置19的中心轴线均位于同一水平高度上，即轴线在同一光路上，且各偏振片14与均匀磁场装置19中间距离很近，保证光路能通过三者既可。

对于附有短波通滤光片的Cmos线阵列18，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线阵列18是一种将光信号转换成电信号的半导体器件。Cmos线阵列18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。

本发明中，当小车8运动时，吊绳3发生摆动并带动轻质摆架11等角度摆动，再通过摇杆机构将摆角信息转化为导体圆盘12在等分布式电阻槽13上的阻值变化，则会引起均匀磁场装置19中磁场强度的变化。即吊绳摆角变化会使电阻值均匀变化，即吊绳摆角变化与电阻变化一一对应，导致电路中电流也相应变化，因此吊绳摆角与电流变化成正比。

如图4所示，当两个线圈组15中两个线圈通入同向等大的电流时，由于线圈组15包含两个半径相同、结构完全一样的线圈，各个线圈平行放置，且两个线圈组15的轴心平面之间的距离等于线圈半径R，即可在两个线圈组15之间就会产生均匀磁场，得到：

其中，R为线圈的半径；W为单个线圈的匝数；I为通过线圈的电流；μ₀为空气中的导磁率μ₀＝4π*10^-7H/m。

如图5所示，当小车8静止时，吊绳3还未摆动时，激光源17发出的光线先通过第一个偏振片14(靠近激光源17的偏振片14)后，进入磁光玻璃16中，再通过第二个偏振片14(远离激光源1的偏振片14)射出，光线落在Cmos线阵列18上，呈现一个明亮的光斑，即初始光斑S0，光斑S0在附有短波通滤光片Cmos线阵列18上就会产生光电效应产生相应的第一电信号，并将该第一电信号，送入信号处置装置9中，信号处置装置9中的放大器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)并转换成数字信号，计算单元将该数字信号处理转换成初始光斑S0位置；

当小车8运动(例如小车向图1的右侧运动时)，吊绳3发生摆动并带动轻质摆架11摆动，会带动摇杆机构将摆角信息转化为导体圆盘12在等分布式电阻槽13上的阻值变化，则会引起均匀磁场装置19中磁场强度的变化，由于受到磁场的影响，此时的光线与变化之前的光线路径相比，会存在一定的偏转，光线落在附有Cmos线阵列18上，呈现一个明亮的光斑S1，与初始光斑S0之间存在一定的光斑偏移量；光斑S1在附有短波通滤光片Cmos线阵列18上就会产生光电效应产生相应的第二电信号，并将该第二电信号，送入信号处置装置9中，信号处置装置9中的放大器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)并转换成数字信号，计算单元将该数字信号处理转换成得出光斑S1位置，并进一步处理获得光斑S1与初始光斑S0之间的偏移量以及偏转角。其中，先根据信号处理装置9获得偏移量d，然后根据转换公式获得偏转角ψ_F，且tanψ_F＝d/l，d为偏移量，l为磁光玻璃16与Cmos线阵列18之间的距离。

根据光偏振原理得出偏转角ψ_F如下式(2)：

ψ_F＝VlB (2)

其中，V为磁光玻璃16的维尔德常数值；l为磁光玻璃16的长度；B为磁场强度。

因为吊绳摆角与电流变化成正比Ψ＝cI(c为比例系数)，所以根据公式(1)可知，吊绳3的摆角公式为：

偏转角ψ_F与光斑偏移量一一对应，从而通过本文摆角公式获得此时刻吊绳3的摆角。

本发明的吊绳6的摆角检测原理同上，在此不做赘述。

本发明的光源并不仅限于激光源，还可以是能形成一束强光的光线的其他光源，对此不做限制。

本发明的装置也适用于多吊具的摆角检测问题，不仅限于本实施例中的双吊具桥吊，具有结构简单，使用简单等优点。

综上所述，本发明采用光偏振的方法检测摆角，当桥吊的吊绳摆动会带动轻质摆架上相连的导体圆盘一起运动，使得导体圆盘与等分布式电阻槽之间的电阻均匀变化，导致均匀磁场装置中磁场均匀变化，光线通过偏振片进入匀强磁场装置再从偏振片射出产生偏移，在Cmos线阵列上留下光斑，通过光斑偏移距离来体现，并将检测信息经过信号处理器送到计算单元，通过计算单元的分析和计算将摆角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。

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 (8)

1.一种基于光偏振的摆角检测装置，设置在桥吊小车上，其特征在于，包含：

光源，用于发射光线；

轻质摆架(11)，桥吊吊具的吊绳穿过所述轻质摆架(11)；

导体圆盘(12)，与所述轻质摆架(11)通过摇杆机构(121)连接；所述摇杆机构(121)包含两个轻质连杆，第一个轻质连杆的第一端与轻质摆架(11)固定连接，第一个轻质连杆的第二端与第二个轻质连杆的第一端活动连接，第二个轻质连杆的第二端与所述导体圆盘(12)连接；

等分布式电阻槽(13)，与所述导体圆盘(12)连接，所述吊绳摆动带动轻质摆架(11)等角度摆动，所述导体圆盘(12)在所述等分布式电阻槽(13)上的阻值变化与摆角变化相匹配；

至少两个偏振片(14)；

均匀磁场装置(19)，置于所述两个偏振片(14)之间，并通过通入电流以产生均匀磁场，所述阻值变化使得磁场强度变化且两者相适配；

所述均匀磁场装置(19)包含：

相互平行且通过导线彼此连接的两个线圈组(15)，每个线圈组(15)包含平行放置且相互并联的两个线圈，两个线圈组(15)的轴心平面之间的距离等于线圈的半径；其中一个线圈组(15)的一个线圈引出两个接线柱(20)，第一个接线柱与电源的一端连接，第二个接线柱与所述导体圆盘连接，等分布式电阻槽(13)与所述电源的另一端连接，使得所述线圈组(15)接入电路；

磁光玻璃(16)，穿过两个线圈组(15)的轴线；

附有短波通滤光片的Cmos线阵列(18)，光源发射出光线后依次经过第一个偏振片、均匀磁场装置(19)的磁光玻璃(16)和第二个偏振片，并落在所述Cmos线阵列(18)上呈现光斑，产生光电效应并生成对应的电信号；

信号处置装置(9)，与所述Cmos线阵列(18)连接，吊绳摆动使得所述磁场强度变化时，通过所述信号处置装置(9)接收落在Cmos线阵列(18)上的不同光斑产生的电信号，经过处理得到不同光斑之间的偏移量，并计算得出摆角。

2.如权利要求1所述的基于光偏振的摆角检测装置，其特征在于，

所述光源、所述轻质摆架(11)、所述等分布式电阻槽(13)、所述偏振片(14)、所述均匀磁场装置(19)和所述Cmos线阵列(18)均置于一密闭箱内。

3.如权利要求2所述的基于光偏振的摆角检测装置，其特征在于，

所述Cmos线阵列(18)置于所述密闭箱的侧壁上。

4.如权利要求3所述的基于光偏振的摆角检测装置，其特征在于，

所述轻质摆架(11)的上端通过活动铰链与所述密闭箱内部顶端相连。

5.如权利要求1所述的基于光偏振的摆角检测装置，其特征在于，

Cmos线阵列(18)、光源、偏振片(14)、均匀磁场装置(19)的中心轴线均位于同一水平高度上。

6.如权利要求1或5所述的基于光偏振的摆角检测装置，其特征在于，

所述导体圆盘(12)、所述等分布式电阻槽(13)与所述均匀磁场装置(19)通过导线串联接入电源，形成电路通路为线圈组(15)供电。

7.一种基于如权利要求1-6任意一项所述的基于光偏振的摆角检测装置的摆角检测方法，其特征在于，该方法包含以下过程：

当桥吊小车静止时，吊绳未摆动，光源发出的光线依次通过第一个偏振片、均匀磁场装置(19)、第二个偏振片后射出，光线落在附有短波通滤光片的Cmos线阵列(18)上，呈现一个初始光斑S0，并在Cmos线阵列(18)上产生光电效应生成相应的第一电信号，并将该第一电信号送入所述信号处置装置(9)中，信号处置装置(9)中的放大器将第一电信号转换成一定大小的标准电压信号并进行滤波处理，然后再送入信号处置装置(9)的模数转换器转换成数字信号，信号处置装置(9)的计算单元将该数字信号处理转换成得出初始光斑位置；

当桥吊小车运动时，吊绳发生摆动并带动轻质摆架(11)等角度摆动，并将摆角信息转化为导体圆盘(12)在所述等分布式电阻槽(13)上的阻值变化，引起所述均匀磁场装置(19)中磁场强度的变化；此时光线依次通过第一个偏振片、均匀磁场装置(19)、第二个偏振片后射出，落在Cmos线阵列(18)上，呈现第二个光斑(S1)，其与所述初始光斑S0之间存在偏移量；

第二个光斑(S1)在Cmos线阵列(18)上产生光电效应生成相应的第二电信号，并将该第二电信号送入信号处置装置(9)中，放大器将第二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得出第二光斑位置，并获得初始光斑和第二个光斑之间的偏移量以及对应的偏转角。

8.如权利要求7所述的摆角检测方法，其特征在于，

均匀磁场装置(19)中的两个线圈组(15)之间产生的磁场强度如下：

其中，R为线圈的半径；W为单个线圈的匝数；I为通过线圈的电流；μ₀为空气中的导磁率μ₀＝4π*10^-7H/m；

根据光偏振原理得出偏转角ψ_F如下：

ψ_F＝VlB (2)

其中，V为磁光玻璃(16)的维尔德常数值；l为磁光玻璃(16)的长度；B为磁场强度；

吊绳摆角与电流变化成正比Ψ＝cI，c为比例系数，可得吊绳的摆角公式为：

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