CN113218295A - 一种双起升桥式吊车的摆角和绳长测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种双起升桥式吊车的摆角和绳长测量装置及测量方法，在吊绳发生摆动时，吊绳压迫摆角测量装置中的弹簧装置，弹簧装置发生压缩，施加压力给压电陶瓷，根据压电陶瓷上产生的电压计算得到吊绳摆角；在吊绳长度发生改变时，绳长测量装置中的相邻的圆柱式电容极板之间发生相对运动，引起相邻的圆柱式电容极板之间的电容发生改变，根据圆柱式电容极板的电容变化值计算得到吊绳长度。本发明结构简单，操作和维护简便，测量精度高，实时性强，成本低廉。

Description

一种双起升桥式吊车的摆角和绳长测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种双起升桥式吊车的摆角和绳长测量装置及测量方法。

背景技术

桥吊作为一种重要的集装箱装卸工具，被广泛的应用于港口、工厂等工业场所。但由于每年港口的吞吐量急剧增长，单一的增加港口泊位是远达不到输送要求。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，它与传统的单吊具相比，具有两个起升吊具，极大的提高了集装箱的装卸效率，但仍有提升空间。

在装卸过程中不仅会遇到很多不确定性干扰，而且港口、码头的作业效率与桥式吊车司机的操作经验等直接相关。不仅装卸效率难以大幅度提高，而且会由于操作人员长时间工作导致视觉疲劳从而引发安全事故。因此为了保证起重机的安全高效的运输，对双起升桥吊的摆角和绳长的检测是非常有必要的。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。

目前摆角测量装置大多数可分为接触式检测和非接触型检测。现存的接触式测量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，使用编码器可能会因为其老化或振动、摩擦等机构设计问题及控制系统性能恶化或结果不正确等引起检测结果不准确。非接触式测量装置常用光、波、和磁等特性来检测，该方法的优点是测量精度高，但此类装置对工作环境要求较高且造价昂贵。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双起升桥式吊车的摆角和绳长测量装置及测量方法，结构简单，操作和维护简便，测量精度高，实时性强，成本低廉。

为了达到上述目的，本发明提供一种双起升桥式吊车的摆角和绳长测量装置，包含：摆角测量装置，以及设置在所述摆角测量装置下方的绳长测量装置；

所述摆角测量装置包含：沿吊绳可能的摆动方向设置的至少两组压力检测装置，所述压力检测装置至少包含：弹簧装置和与所述弹簧装置接触的压电陶瓷；在吊绳未发生摆动时，所述弹簧装置处于自由状态，吊绳不接触所述弹簧装置，所述弹簧装置也不施加压力给所述压电陶瓷；在吊绳发生摆动时，吊绳压迫所述弹簧装置，所述弹簧装置发生压缩施加压力给所述压电陶瓷；

所述绳长测量装置包含：至少两级通过阻尼装置嵌套连接的圆柱式电容极板，第一级圆柱式电容极板套设在吊绳外部，第一级圆柱式电容极板连接吊具，后一级圆柱式电容极板套设在前一级圆柱式电容极板的外部，后一级圆柱式电容极板通过阻尼装置连接前一级圆柱式电容极板，最后一级圆柱式电容极板连接所述摆角测量装置，后一级圆柱式电容极板的半径大于前一级圆柱式电容极板的半径，后一级阻尼装置的阻尼力大于前一级阻尼装置的阻尼力。

所述弹簧装置设置在圆环形管内，所述圆环形管上设置有开槽孔，所述压电陶瓷设置在所述圆环形管的端部，吊绳的摆动支点位于所述圆环形管的圆心，所述压电陶瓷与所述圆环形管的圆心位于同一平面。

吊绳的摆动支点位于摆动支点定位装置，所述摆动支点定位装置包含：支撑杆和设置在所述支撑杆上的定滑轮，吊绳绕在所述定滑轮上，所述定滑轮的出线端成为吊绳的摆动支点。

所述弹簧装置包含圆环形螺旋弹簧，以及设置在所述圆环形螺旋弹簧两端的金属垫片。

所述阻尼装置包含：与本级圆柱式电容极板的顶板固定连接的连接板，以及至少两个与所述连接板活动连接的活塞装置；

所述活塞装置包含：

外管，其穿过本级阻尼装置中的所述连接板，所述外管的一端固定连接后一级圆柱式电容极板的底板，另一端固定连接后一级阻尼装置中的连接板；

活塞，其设置在外管中，与所述外管紧密接触；

驱动连杆，其一端固定连接所述活塞，另一端通过所述外管上的条形孔固定连接本级阻尼装置中的所述连接板。

后一级阻尼装置中的活塞的直径大于前一级阻尼装置中的活塞的直径，以确保当前一级圆柱式电容极板完全进入或离开后一级圆柱式电容极板后，后一级圆柱式电容极板才开始与再后一级圆柱式电容极板发生相对运动。

所述绳长测量装置还包含：至少一个电容测量装置，所述电容测量装置用于测量相邻的圆柱式电容极板之间的电容，所述电容测量装置的数量等于所述圆柱式电容极板的总数量减1。

本发明还提供一种双起升桥式吊车的摆角和绳长测量方法，在吊绳发生摆动时，吊绳压迫摆角测量装置中的弹簧装置，弹簧装置发生压缩，施加压力给压电陶瓷，根据压电陶瓷上产生的电压计算得到吊绳摆角；在吊绳长度发生改变时，绳长测量装置中的相邻的圆柱式电容极板之间发生相对运动，引起相邻的圆柱式电容极板之间的电容发生改变，根据圆柱式电容极板的电容变化值计算得到吊绳长度。

所述吊绳摆角计算公式为：

其中，θ为吊绳摆动的角度，k₁为弹簧劲度系数，k₂为压电陶瓷受到的压力与应电压之间的比例系数，L₁为圆环形管的圆心与圆环形管外侧的距离，L₂为圆环形管的圆心与圆环形管内侧的距离，V为压电陶瓷上产生的电压。

所述吊绳长度计算公式为：

l_总＝L-(l₁+l₂+......+l_n-2+l_n-1)

其中，L为初始状态下吊绳的总长度，l_n-1是第n个圆柱形电容极板向第n-1个圆柱形电容极板嵌套的距离；

n是圆柱式电容极板的数量，m指的是1到n-1中的一个数，m＝n-1，c_m是第m个电容极板的电容测量值，ΔC_m是第m个电容极板初始电容值，r_m是第m个电容极板的半径，n个圆柱式电容极板的半径分别为：r₁,r₂,r₃,.......,r_n-1,r_n(r_n＞r_n-1＞......＞r₃＞r₂＞r₁)。

本发明与现有的技术相比有以下几个优势：

1、相比于一般的接触式绳长摆角测量方法，本发明绳长检测测量装置测量精度较高、实时性强。

2、相比于现有的接触式摆角测量方法和一般的接触式摆角测量方法，本发明设计的装置更加简单、成本低、维护简单。

3、相比于现有的摆角测量装置，本装置也适用于多吊具的摆角检测，有使用方便和成本低等优点。

附图说明

图1是本发明提供的一种双起升桥吊摆角检测和绳长测量装置的整体结构示意图。

图2是摆角测量装置立体图(吊绳未发生摆动时)。

图3是摆角测量装置立体图(吊绳发生摆角时)。

图4是绳长测量装置旋转图。

图5是定滑轮绕绳图。

图6是绳长测量装置立体结构图。

图7是绳长测量装置正面示意图。

图8是绳长测量装置嵌套运动示意图(第一级电容极板向第二级电容极板向上嵌套运动)。

图9是绳长测量装置嵌套运动示意图(第二级电容极板向第三级电容极板向上嵌套运动)。

图10是绳长测量装置嵌套运动示意图(第三级电容极板向第四级电容极板向上嵌套运动)。

图11是绳长测量装置嵌套运动示意图(第一级电容极板向第二级电容极板向下嵌套运动)。

图12是绳长测量装置嵌套运动示意图(第二级电容极板向第三级电容极板向下嵌套运动)。

图13是阻尼机构立体结构示意图。

图14是绳长测量装置与摆角测量装置连接立体机构示意图。

图15是摆角和绳长信号处理原理流程图。

具体实施方式

以下根据图1～图15，具体说明本发明的较佳实施例。

针对双起升桥吊防摇控制中摆角和绳长难以检测问题，本发明提供一种基于圆柱式电容极板和压电陶瓷的摆角和绳长桥吊测量装置及测量方法，采用圆柱式电容极板对绳长进行检测，当绳长发生变化时，不同半径圆柱式电容极板之间会发生顺序嵌套运动，因此可将绳长的变化转化为相邻不同半径电容极板之间的电容的累加变化，并将所检测电信号信息通过信号处理装置送到计算单元并反馈到桥吊驾驶台的控制器上。对摆角的检测时，桥吊的吊绳的左右摆动会带动左右相应的1/4环形螺旋轻质弹簧的压缩，弹簧的压缩会对压电陶瓷产生压力，在将所产生电信号实时的传送至计算单元进行分析并反馈到桥吊驾驶室，供工人操作参考。

本发明利用吊绳发生摆动使得环形轻质弹簧产压缩，从而时刻对压电陶瓷产生正向压力。根据压电陶瓷压力的变化，由计算机处理变成摆角输出。利用不同半径的圆柱式电容极板之间的顺序嵌套将小车升降的绳长变化转换为相邻不同半径的圆柱式电容极板之间的电容的累加变化，由计算机处理变为绳长的信息输出。

图1～图9为本发明涉及的双吊具桥吊及其两个摆角绳长测量装置的组成和结构。

在图1中，13，14为负载驱动机构，17，18为小车驱动机构，负责小车的运动和吊具及负载的升降。4，8为摆角测量装置，9，10为绳长测量装置，3，7为吊绳，1，5为负载，2，6为吊具，11，12为摆角测量装置与绳长测量装置之间的连接机构，15，16为信号处理装置。

图2为图1中摆角测量装置4，8无摆动时立体结构示意图。测量装置4，8都是由上下表面开方形孔31，32的箱子30组成。箱子30的上表面下方各固定压电陶瓷19，27，压电陶瓷与内侧开环形孔33的半圆环形玻璃管20(也可采用半圆环形塑料管)相连。半圆环形玻璃管内部放置两个1/4圆环形螺旋轻质弹簧21，26环形螺旋弹簧的两侧分别与弹簧直径大小一致的圆金属垫片22，24，36，37固定相连。36，37圆金属垫片见图4所示。由于弹簧与金属垫片是连接的，使得弹簧产生的压力较为集中。圆柱形空心铝质棒23，25分别与金属垫片22，24焊接固定并穿过环形孔33，使得吊绳3自然无摆动情况下能够处于两个铝质棒(主要考虑到铝制品较轻，采用其它轻质材料也可以)23，25中间。负载驱动机构13的吊绳出线端34从定滑轮29中绕线一圈，具体示意图见图5。这样使得当吊绳发生左右摆动时，摆动支点从吊绳出线端34转移至定滑轮出线端35(因为小车运动带来的摆角变化在小车运动方向上更为剧烈，垂直方向上变化较小，因此本发明只针对小车运动方向摆角检测)。另外定滑轮固定在圆柱形金属棒28上，金属棒28焊接固定于箱体前后侧并满足两个圆形压电陶瓷19，27的圆心连接线的中心点处于金属棒28上，这样当吊绳发生左右摆动时，吊绳带动圆柱形空心铝质棒23，25沿着环形孔运动，从而使得环形弹簧21，26伸缩运动，时刻产生与压电陶瓷19，27平面垂直的正向压力。

图3为当吊绳左右摆动时，摆角测量装置立体结构示意图。假设半圆环形玻璃管20的圆心距离玻璃管的上侧距离为L2，玻璃管下侧距离为L1，忽略玻璃管厚度，则可认为环形螺旋弹簧21，26直径与玻璃管内径一致。当吊绳3向左摆动时，由于铝质棒23与金属圆垫片22固定连接，金属圆垫片与环形螺旋弹簧21固定连接，则吊绳带动圆形空心铝质棒23沿着环形孔33运动，环形螺旋弹簧21会同步产生与铝质棒沿环形孔运动方向一致的伸缩运动，则环形螺旋弹簧的伸缩长度可近似抽象表示为如图3所示的以L1-L2为半径，圆金属垫片圆心A点为起始点的AB圆弧长度。由于在弹性限度内，弹簧的弹力与其形变量满足胡克定律，即：

F＝k₁.l

其中，k₁为弹簧劲度系数，l为弧AB长度。当环形螺旋弹簧伸缩运动时，由于环形螺旋弹簧伸缩产生的弹力F可转化为压电陶瓷表面所受到的正压力f，所以数学形式上可表示为f＝F。又由于压电陶瓷应用的前提是其表面受的正压力与应电压之间线性关系，即数学形式上可表示为：

V＝k₂.f

其中，系数k₂需要通过对压电陶瓷前期实验进行确定。又因为环形螺旋弹簧伸缩长度弧AB对应相应的圆心角θ，根据弧长公式可计算对应的圆心角：

这里的θ即为吊绳摆动的角度。

图6为图1中绳长测量装置9，10的立体结构示意图。测量装置9，10都是由不同半径的圆柱式电容极板41，47，55，60和阻尼机构(见图13所示)(注：桥式吊车的型号规格不同，小车距离地面的高度也不同，可设置不同个数且不同半径圆柱式电容极板顺序嵌套测量绳长。不失一般性，本发明讨论n个不同半径的圆柱式电容极板顺序嵌套。为了方便说明测量绳长的具体原理起见，这里仅采用4个不同半径的圆柱式电容极板说明绳长测量原理)。

第一级圆柱式电容极板60的顶部固定在大于其半径且小于第二级圆柱式电容极板55的半径的塑料(建议使用塑料材质，因为塑料材质便宜且重量较轻)透明圆板68，其中心开圆孔67以方便吊绳3通过，两侧开圆孔56，66以方便两侧开孔的光滑塑料管54，69(见图7所示)穿过。圆孔56，66两端分别与L型塑料棒57，65一侧固定连接，L型塑料棒57，65的另一侧连接圆柱形活塞58，64，假设活塞与光滑塑料管54，69紧密接触。光滑塑料管54，69的一端固定于第二级圆柱式电容极板55顶部所固定的大于其半径且小于第三级圆柱式电容极板47的塑料透明圆板49上，另一端固定于第二级圆柱式电容极板底部所固定的等于其半径的中心开圆孔59的塑料透明圆板63上。圆孔59的半径大于第一级电容极板60半径，以便于第一级圆柱式电容极板60能够在第二级电容极板55内嵌套上下运动。第一级圆柱式电容极板60底部固定等于其半径的中心开圆孔61的塑料透明圆板62，并固定在吊具6上。

第二级圆柱式电容极板55顶部固定大于其半径且小于第三级圆柱式电容极板47的半径的塑料透明圆板49，其中心开圆孔73以方便吊绳3通过，两侧开圆孔50，72以方便两侧开孔的光滑塑料管48，74(见图7所示)穿过。圆孔50，72两端分别与L型塑料棒51，71一侧固定连接，另一侧连接圆柱形活塞52，70，假设活塞与光滑塑料管紧密接触。光滑塑料管的一端固定于第三级圆柱式电容极板47顶部所固定大于其半径且小于第四级圆柱式电容极板41的塑料透明圆板42上，另一端固定于第三级圆柱式电容极板底部所固定的等于其半径的中心开圆孔53的塑料透明圆板69上。圆孔53的半径大于第二级电容极板55半径，以便于第二级圆柱式电容极板55能够在第三级电容极板47内嵌套上下运动。

第三级圆柱式电容极板47顶部固定大于其半径且小于第四级圆柱式电容极板41的半径的塑料透明圆板42，其中心开圆孔78以方便吊绳3通过，两侧开圆孔43，77以方便两侧开孔的光滑塑料管40，79(见图7所示)穿过。圆孔43，77两端分别与L型塑料棒44，76一侧固定连接，另一侧连接圆柱形活塞45，75，假设活塞与光滑塑料管紧密接触。光滑塑料管的一端固定于第四级圆柱式电容极板41顶部所固定等于其半径的塑料透明圆板39，其中心开圆孔38以方便吊绳3穿过，另一端固定于第四级圆柱式电容极板底部所固定的等于其半径的中心开圆孔46的塑料透明圆板74上。圆孔46的半径大于第三级电容极板47半径，以便于第三级圆柱式电容极板47能够在第四级电容极板41内嵌套上下运动。

第四级电容极板41通过连接机构11(见图14所示)与摆角测量装置4相连接(连接图见图1所示)。

图7为图6的绳长测量装置正面示意图。当负载驱动机构13，14使得负载上升时，由于第一级电容极板60与第二级电容极板55之间的阻尼机构中活塞58，64规格型号(直径)小于第二级电容极板55与第三级电容极板47之间的阻尼机构中活塞52，70及第三级电容极板47与第四级电容极板41之间的阻尼机构中活塞45，75规格型号(直径)。假设活塞与光滑塑料管紧密接触，则每个活塞在其对应的光滑塑料管内发生滑动所需要的推力不同(活塞58，64所需推力小于活塞52，70，活塞52，70所需推力小于活塞45，75)。实际情况中，由于桥式吊车负载上升的速度是缓慢的，则与第一级电容极板底部相固定的吊具6会使得第一级电容极板60与第二级电容极板55之间的阻尼机构中活塞58，64首先在光滑塑料管54，69中向上滑动，其余活塞则在相应的塑料管内不发生滑动，则第一级电容极板60缓慢向第二级电容极板55向上嵌套运动。当第一级电容极板60完全进入第二级电容极板55内部(见图8所示)，此时第一级电容极板60向第二级电容极板55嵌套运动结束。在此运动过程中，假设第一级电容极板半径为r₁，第二级电容极板的半径为r₂，则可将绳长的变化量转化为第一级电容极板60向第二级电容极板55向上嵌套的距离l₁，相应的第一级和第二级之间的电容会发生变化，该电容变化可通过第一电容测量装置测量。根据高斯环路定理，可得到电容C₁与绳长变化量l₁之间的关系：

其中，ε是介电常数，由于电容极板之间的绝缘物质为空气，则ε可取为1。

当吊具6带动负载继续上升时，由于活塞52，70在光滑塑料管48，74向上滑动(活塞45，75不发生滑动)，则第二级电容极板55向第三级电容47向上嵌套运动。当第二级电容极板55完全进入第三级电容极板47内部(见图9所示)，此时第二级电容极板55向第二级电容极板47嵌套运动结束。假设第三级电容极板半径为r₃，第二级电容极板55向第三级电容极板47向上嵌套的距离l₂，即相应的绳长变化量l₂反应在第二级与第三级电容极板之间电容C₂的变化上，该电容的变化可通过第二电容测量装置测量。类似的，根据高斯环路定理，可得到电容C₂与绳长变化量l₂之间的关系：

当吊具6带动负载继续上升时，由于活塞45，75在光滑塑料管40，79向上滑动，则第三级电容极板47向第四级电容41向上嵌套运动。当第三级电容极板47完全进入第四级电容极板41内部(见图10所示)，此时第三级电容极板47向第四级电容极板41嵌套运动结束。类似的，根据高斯环路定理，可得到电容C₃与绳长变化量l₃之间的关系：

其，中第三级和第四级电容极板之间的电容C₃值可通过第三电容测量装置测量。

综上所述，当负载上升时，由于相邻圆柱式电容极板之间的电容值是通过多个相同电容测量装置分布式测量，则总绳长变化量l_变为相邻电容极板嵌套距离的叠加，数学形式上可表述为：

l_变＝l₁+l₂+l₃

假设初始状态下(见图7所示)，即吊绳3自然伸长情况下，吊绳3的初始总长度为L，又由于初始状态下(见图7所示)，活塞的高度会使得相邻电容极板之间存在初始电容值ΔC₁,ΔC₂,ΔC₃，则实际由于相邻电容极板之间嵌套运动(向上)产生的电容值为C₁-ΔC₁,C₂-ΔC₂,C₃-ΔC₃，为了更精准的测量绳长，则总绳长l_总可表示为：

l_总上＝L-(l₁+l₂+l₃)

其中，

当负载驱动机构13，14使得负载缓慢下降时，由于负载下降与上升互为逆运动，则根据上述负载上升时各个电容极板运动状态。首先与第一级电容极板底部相固定的吊具6会使得活塞58，64在光滑塑料管54，69向下发生滑动(其余活塞不发生滑动)，则第一电容极板60会向第二级电容极板55向下嵌套运动，当活塞58，64到达第二级电容极板55底部时，此时，第一级电容极板60向下嵌套运动结束(见图10～图11运动过程)。当吊具6带动负载继续下降时，活塞52，70在光滑塑料管48，74向下发生滑动(其余活塞不发生滑动)，则第二电容极板55会向第三级电容极板47向下嵌套运动，当活塞52，70到达第三级电容极47底部时，此时，第二级电容极板55向下嵌套运动结束(见图11～图12运动过程)。当吊具6带动负载继续下降时，活塞45，75在光滑塑料管40，77向下发生滑动(其余活塞不发生滑动)，则第三电容极板47会向第四级电容极板41向下嵌套运动，当活塞45，75到达第四级电容极41底部时，此时，第三级电容极板47向下嵌套运动结束(见图12～图7运动过程)。由于相邻电容极板之间的电容值采用多个相同的电容测量装置分布式测量，与负载上升时绳长测量原理类似，则当负载下降时，总绳长l_总仍可表述为：

l_总下＝L-(l₁+l₂+l₃)

综上所述，无论负载上升还是下降时，由于采用多个相同的电容测量装置分布式测量相邻电容极板之间的电容，则总绳长l_总可转化各个相邻电容极板之间的嵌套距离的累加，可表述为：

l_总下＝L-(l₁+l₂+l₃)

由于本发明旨在讨论n个不同半径的圆柱式电容极板顺序嵌套(向上/向下)，可将上述中采用4个不同半径的圆柱式电容极板顺序嵌套说明绳长测量的具体原理推广至n个不同半径的圆柱式电容极板顺序嵌套测量绳长：

假设n个电容极板的半径分别为

r₁,r₂,r₃,.......,r_n-1,r_n(r_n＞r_n-1＞......＞r₃＞r₂＞r₁)且n≥2，采用n-1个相同的电容检测测量装置分布式测量由于相邻电容极板嵌套运动(向上/向下)产生的电容的变化，则当负载上升或者下降时，绳长实时l_总可表述为：

l_总＝L-(l₁+l₂+......+l_n-2+l_n-1)

其中，

m为电容检测测量装置的数量，L为初始状态下，吊绳3的总长度。

图13为绳长测量装置中的阻尼机构正面立体图，由圆柱式活塞82与其相固定的L型塑料棒81，84及两侧开长方孔80，85的光滑塑料管83组成。其中L型塑料棒通过两侧长方孔带动圆柱式活塞向上/向下滑动。

图14为绳长测量装置9与摆角测量装置11连接立体结构示意图，包含：圆心位于定滑轮29出线端35处的环形铁棒87，91，以及在环形铁棒上的铁环86，88和与铁环下端相固定的小铁棒89，90。环形铁棒87，91的两端分别固定在摆角测量装置11箱子的底部，小铁棒89，90分别与第n级电容极板的顶部内外侧相固定(见图1所示)。

图15为摆角和绳长信号处理流程原理图。其中负载上升/下降使得相邻圆柱式电容极板之间发生嵌套运动(向上/向下)，从而引起电容的变化。可采用n-1个电容测量装置分布式测量相邻电容极板电容变化，每个电容测量装置测得的电容变化反应了相应相邻电容极板由于嵌套运动(向上/向下)吊绳3绳长的变化，通过信号处理装置中的A/D转换后，将数字信号送至信号处理装置中的计算单元中计算n-1对相邻电容极板嵌套运动吊绳3每一段绳长变化值，通过信号处理装置中的累加器将每一段绳长变化值累加，结合初始状态下绳长的总长度，通过计算单元计算实时吊绳长度。当吊绳3发生摆动时，环形螺旋弹簧的伸缩对压电陶瓷产生垂直于其表面的正压力，从而使得压电陶瓷产生应电压，通过A/D转换，将模拟信号转化为数字信号，通过计算单元实时计算摆角值θ。

以下分别介绍摆角检测工作流程和绳长测量工作流程。

摆角检测工作流程：吊绳3由于小车运动或者外部干扰等因素造成摆动，吊绳3的向左摆动会带动圆柱形空心铝质棒23沿着环形孔33运动。由于空心铝质棒23与圆金属垫片22固定连接，圆金属垫片22与环形弹簧21相连接，则吊绳3的左摆动会使得环形弹簧21伸缩运动，对压电陶瓷19产生垂直于其平面的正压力，从而使得压电陶瓷19产生应电压，因此可以将吊绳摆角θ的变化转化为压电陶瓷19应电压的变化，通过信号处理装置15处理后，传送给计算单元，从而得到摆角值θ值。同理，吊绳3的向右摆动同样可测得具体的摆角值。类似，吊绳7所引起的左右摆动同样可以测得相应的摆角值。得到的实时摆角值可以实时的传送到驾驶台供驾驶人员做相应的操作，或者将该值作为反馈信号送到防摇控制器中，进行防摇控制。

绳长检测工作流程：负载驱动机构13使得负载1缓慢上升/下降，吊绳3的绳长因此发生变化，通过套在吊绳3上的n级圆柱式电容极板之间的顺序嵌套(向上/向下)，使得相邻的圆柱式电容极板之间产生电容变化，通过n-1个相同的电容测量装置分布式检测相邻圆柱式电容极板之间的电容变化值，因此可以将吊绳3总长度的变化值反应在电容变化值上，并通过信号处理装置15处理后，传送给计算单元，从而得到吊绳3实时长度值。同理，吊绳7的绳长的总长度同样可以按照上述测量方式测得相应的长度值。将得到的吊绳3和吊绳7的总长度反馈给驾驶台，可以让驾驶人员更直观的观察到两吊具之间的空间位置变化，方便做一些调整，或者这两项值反馈给同步控制器，来保持两吊具之间的同步。

本发明与现有的技术相比有以下几个优势：

1、相比于一般的接触式绳长摆角测量方法，本发明绳长检测测量装置测量精度较高、实时性强。

2、相比于现有的接触式摆角测量方法和一般的接触式摆角测量方法，本发明设计的装置更加简单、成本低、维护简单。

3、相比于现有的摆角测量装置，本装置也适用于多吊具的摆角检测，有使用方便和成本低等优点。

需要说明的是，在本发明的实施例中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述实施例，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

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)

1.一种双起升桥式吊车的摆角和绳长测量装置，其特征在于，包含：摆角测量装置，以及设置在所述摆角测量装置下方的绳长测量装置；

所述摆角测量装置包含：沿吊绳可能的摆动方向设置的至少两组压力检测装置，所述压力检测装置至少包含：弹簧装置和与所述弹簧装置接触的压电陶瓷；在吊绳未发生摆动时，所述弹簧装置处于自由状态，吊绳不接触所述弹簧装置，所述弹簧装置也不施加压力给所述压电陶瓷；在吊绳发生摆动时，吊绳压迫所述弹簧装置，所述弹簧装置发生压缩施加压力给所述压电陶瓷；

所述绳长测量装置包含：至少两级通过阻尼装置嵌套连接的圆柱式电容极板，第一级圆柱式电容极板套设在吊绳外部，第一级圆柱式电容极板连接吊具，后一级圆柱式电容极板套设在前一级圆柱式电容极板的外部，后一级圆柱式电容极板通过阻尼装置连接前一级圆柱式电容极板，最后一级圆柱式电容极板连接所述摆角测量装置，后一级圆柱式电容极板的半径大于前一级圆柱式电容极板的半径，后一级阻尼装置的阻尼力大于前一级阻尼装置的阻尼力。

2.如权利要求1所述的双起升桥式吊车的摆角和绳长测量装置，其特征在于，所述弹簧装置设置在圆环形管内，所述圆环形管上设置有开槽孔，所述压电陶瓷设置在所述圆环形管的端部，吊绳的摆动支点位于所述圆环形管的圆心，所述压电陶瓷与所述圆环形管的圆心位于同一平面。

3.如权利要求2所述的双起升桥式吊车的摆角和绳长测量装置，其特征在于，吊绳的摆动支点位于摆动支点定位装置，所述摆动支点定位装置包含：支撑杆和设置在所述支撑杆上的定滑轮，吊绳绕在所述定滑轮上，所述定滑轮的出线端成为吊绳的摆动支点。

4.如权利要求2所述的双起升桥式吊车的摆角和绳长测量装置，其特征在于，所述弹簧装置包含圆环形螺旋弹簧，以及设置在所述圆环形螺旋弹簧两端的金属垫片。

5.如权利要求1所述的双起升桥式吊车的摆角和绳长测量装置，其特征在于，所述阻尼装置包含：与本级圆柱式电容极板的顶板固定连接的连接板，以及至少两个与所述连接板活动连接的活塞装置；

所述活塞装置包含：

外管，其穿过本级阻尼装置中的所述连接板，所述外管的一端固定连接后一级圆柱式电容极板的底板，另一端固定连接后一级阻尼装置中的连接板；

活塞，其设置在外管中，与所述外管紧密接触；

驱动连杆，其一端固定连接所述活塞，另一端通过所述外管上的条形孔固定连接本级阻尼装置中的所述连接板。

6.如权利要求5所述的双起升桥式吊车的摆角和绳长测量装置，其特征在于，后一级阻尼装置中的活塞的直径大于前一级阻尼装置中的活塞的直径，以确保当前一级圆柱式电容极板完全进入或离开后一级圆柱式电容极板后，后一级圆柱式电容极板才开始与再后一级圆柱式电容极板发生相对运动。

7.如权利要求6所述的双起升桥式吊车的摆角和绳长测量装置，其特征在于，所述绳长测量装置还包含：至少一个电容测量装置，所述电容测量装置用于测量相邻的圆柱式电容极板之间的电容，所述电容测量装置的数量等于所述圆柱式电容极板的总数量减1。

8.一种利用如权利要求1-7中任意一项所述的双起升桥式吊车的摆角和绳长测量装置进行的双起升桥式吊车的摆角和绳长测量方法，其特征在于，在吊绳发生摆动时，吊绳压迫摆角测量装置中的弹簧装置，弹簧装置发生压缩，施加压力给压电陶瓷，根据压电陶瓷上产生的电压计算得到吊绳摆角；在吊绳长度发生改变时，绳长测量装置中的相邻的圆柱式电容极板之间发生相对运动，引起相邻的圆柱式电容极板之间的电容发生改变，根据圆柱式电容极板的电容变化值计算得到吊绳长度。

9.如权利要求8所述的双起升桥式吊车的摆角和绳长测量方法，其特征在于，所述吊绳摆角计算公式为：

其中，θ为吊绳摆动的角度，k₁为弹簧劲度系数，k₂为压电陶瓷受到的压力与应电压之间的比例系数，L₁为圆环形管的圆心与圆环形管外侧的距离，L₂为圆环形管的圆心与圆环形管内侧的距离，V为压电陶瓷上产生的电压。

10.如权利要求8所述的双起升桥式吊车的摆角和绳长测量方法，其特征在于，所述吊绳长度计算公式为：

l_总＝L-(l₁+l₂+......+l_n-2+l_n-1)

其中，L为初始状态下吊绳的总长度，l_n-1是第n个圆柱形电容极板向第n-1个圆柱形电容极板嵌套的距离；

n是圆柱式电容极板的数量，m指的是1到n-1中的一个数，m＝n-1，c_m是第m个电容极板的电容测量值，ΔC_m是第m个电容极板初始电容值，r_m是第m个电容极板的半径，n个圆柱式电容极板的半径分别为：

r₁,r₂,r₃,.......,r_n-1,r_n(r_n＞r_n-1＞......＞r₃＞r₂＞r₁)。

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