CN113753758A - 一种桥式起重机的空间定位方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及起重设备技术领域，具体涉及一种桥式起重机的空间定位装置，包括一体机、微结构光纤、光纤固定装置、无线发射装置和起重机的控制中心，一体机的信号输出端电性连接无线发射装置的信号输入端，无线发射装置通过无线通信技术与起重机的控制中心实现实时数据传输，微结构光纤电性连接在一体机的信号输入端，微结构光纤上刻蚀有多个传感节点，且多个传感节点等距分布在微结构光纤上，本发明还公开了一种桥式起重机的空间定位方法，本发明将基于微结构光纤的分布式声学传感(DAS)系统应用于起重机的空间定位，极大的节省了系统的成本，降低了传感系统的复杂度，具有抗电磁干扰强和传感距离长等优点。
Description
技术领域
本发明涉及起重设备技术领域，具体涉及一种桥式起重机的空间定位方法与装置。
背景技术
桥式起重机是横架于车间、仓库和料场上空进行物料吊运的起重设备，由于它的两端坐落在高大的水泥柱或者金属支架上，形状似桥，桥式起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，可以充分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍，它是使用范围最广、数量最多的一种起重机械，随着工业自动化的快速发展，对起重机物料吊运的位置准确提出越来越高的要求，由于起重机是特种设备，所以对安全要求更高，对传感器的稳定性提出更高的要求；当下起重机通常采用在车轮上安装编码器定位，但是编码器属于电气通信传感设备，容易受环境电磁干扰，而且车轮打滑或悬空都严重影响定位的准确性，传统的电类传感器存在抗电磁干扰差、信号传输距离有限、组成传感网络的成本高的问题。
发明内容
解决的技术问题
针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了一种桥式起重机的空间定位方法与装置，解决了起重机上安装编码器定位，容易受到环境电磁干扰，而且车轮打滑或悬空都严重影响定位的准确性，传统的电类传感器存在抗电磁干扰差、信号传输距离有限、组成传感网络的成本高的问题。
技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种桥式起重机的空间定位装置，包括一体机、微结构光纤、光纤固定装置、无线发射装置和起重机的控制中心，所述一体机的信号输出端电性连接无线发射装置的信号输入端，所述无线发射装置通过无线通信技术与起重机的控制中心实现实时数据传输，所述微结构光纤电性连接在一体机的信号输入端，所述微结构光纤上刻蚀有多个传感节点，且多个传感节点等距分布在微结构光纤上。
更进一步地，所述微结构光纤通过传感器专用胶水固定在起重机轨道轨腰位置。
更进一步地，所述一体机固定安装在起重机轨道的端头上。
更进一步地，所述一体机包括窄脉冲激光光源、掺饵激光放大器、滤波器、环形器、1：99耦合器、1:1耦合器和光电探测器。
一种桥式起重机的空间定位方法，该控制方法是基于权利要求1所述的一种桥式起重机的空间定位装置运行，包括以下操作步骤：首先，将传感节点此刻是否有起重机经过作为正负样本，并对每个传感节点的特征信号进行分类；然后，实时采集传感节点的信号幅值，最后，系统通过比较信号幅值与特征信号的差异判定是否有起重机经过。
更进一步地，所述信号幅值和特征信号比较点为均方值、最值和均值。
更进一步地，所述特征信号的均方值、最值和均值均根据环境因素实时变化。
有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已知的公有技术相比，具有如下有益效果：
本发明将基于微结构光纤的分布式声学传感(DAS)系统应用于起重机的空间定位，分布式声学传感(DAS)系统具有抗电磁干扰强、传感距离长、分辨率高、灵敏度高和能实现分布式监测的优点，分布式光纤传感系统中整根光纤既是传感介质又是信号的传输介质，极大的节省了系统的成本，降低了传感系统的复杂度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的微结构光纤的分布式传感系统结构示意图；
图2为本发明的起重机定位装置结构示意图；
图中的标号分别代表：1-一体机；2-微结构光纤；3-光纤固定装置；4-无线发射装置。
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作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。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例
本实施例的一种桥式起重机的空间定位方法与装置：一种桥式起重机的空间定位装置，包括一体机1、微结构光纤2、光纤固定装置3、无线发射装置4和起重机的控制中心，一体机1的信号输出端电性连接无线发射装置4的信号输入端，无线发射装置4通过无线通信技术与起重机的控制中心实现实时数据传输，微结构光纤2电性连接在一体机1的信号输入端，微结构光纤2上刻蚀有多个传感节点，且多个传感节点等距分布在微结构光纤2上。
其中，微结构光纤2通过传感器专用胶水固定在起重机轨道轨腰位置，一体机1固定安装在起重机轨道的端头上，一体机1包括窄脉冲激光光源、掺饵激光放大器、滤波器、环形器、1：99耦合器、1:1耦合器和光电探测器。
一种桥式起重机的空间定位方法，该控制方法是基于权利要求1的一种桥式起重机的空间定位装置运行，包括以下操作步骤：首先，将传感节点此刻是否有起重机经过作为正负样本，并对每个传感节点的特征信号进行分类；然后，实时采集传感节点的信号幅值，最后，系统通过比较信号幅值与特征信号的差异判定是否有起重机经过。
其中，信号幅值和特征信号比较点为均方值、最值和均值，特征信号的均方值、最值和均值均根据环境因素实时变化。
基于后向散射的光纤分布式传感技术工作原理：光信号在光纤中传输时除了沿光传播方向传播外，还会有一部分光由于和光纤介质的相互作用而产生散射。其中就有一部分散射光会向传播方向相反的方向传播，就是后向散射光，温度、应力和振动等光纤外部环境的变化会使分布式传感光纤中的后向散射光的性质发生变化，如强度、相位、频率偏振态等，通过对返回的后向散射光进行分析处理，可以得到传感量的大小，通过接收到后向散射光的时间可以确定测得传感量的具体位置，从而实现分布式传感.
在光纤中刻蚀微结构(每个刻蚀微结构等同于一个传感节点)可以增强瑞利散射信号，和传统的单模光纤相比，瑞利散射的反射光有6-9dB的增强，系统的信噪比很高，系统的传感性能得到很大的提升，基于微结构光纤2的分布式声学传感工作原理：光源采用窄脉冲激光光源，信号光在1:99的耦合器中被分为两路，一路光信号作为参考光被用于相干探测，另一路作为探测光先经过声光调制器，调制成为脉冲光，然后经过掺饵激光放大器进行功放，然后在滤波器中滤去掺饵激光放大器的自发辐射噪声，之后的光脉冲经过环形器传到微结构光纤2，在微结构处反射的信号光经过环形器后到达1:1的耦合器，同参考光进行混频，之后光电探测器测得混频后的拍频信号，用采集卡采集电信号，之后通过解调得到需要的振动信息；
起重机在轨道上运行，会引发铁轨剧烈的振动，传感节点能够采集到振动信息，起重机车轮经过一个传感节点时，就近的传感节点能够采集到信号幅值，从信号强度可以很容易分辨出起重机驶入和离开传感区间的过程，为了实现定位实时性，需要考虑同一时间内不同节点的信息来进行起重机的定位，将传感节点此刻是否有起重机经过作为正负样本，对每个传感节点的信号进行分类，有起重机经过时信号的抖动会大很多，体现在均方差、最值上和均值上和无起重机经过时有很大不同，在系统里设定特征信号的均方差、最值和均值，用这些特征判定节点上是否有起重机经过。
上述判定方式其中一实施方式：实际使用中可以通过设定一个常数阈值，通过判断是否大于阈值来判定是否有起重机经过，不同的节点需要设定不同的阈值，因为不同的光纤传感节点测得的信号因为光纤所处环境、光纤微结构刻蚀和光纤布设的情况的影响也会有一些不同，至于阈值的设定可以参考不同传感节点没有起重机经过时信号均值的大小，而且这个阈值可以自适应的动态更新，因为不同的天气和各种环境因素会影响传感器的表现
微结构光纤2增加瑞利散射的强度，并采用相干探测，通过基于分布式光学传感的定位算法，对传感节点每秒钟的信号取绝对值后在时间维度上取均值，用这个均值来表征铁轨振动的情况，通过这个均值和设定的阈值对比，对该传感节点上是否有起重机经过进行判断，计算出传感节点距离，从而确定起重机的精确位置。
本发明的定位装置在使用时，通过传感器专用胶水将微结构传感光纤固定在起重机轨道轨腰位置，根据环境条件也可以采用其他固定方法，一体机1布置于起重机轨道端头，无线发射装置4于一体机1电连接，无线发射装置4可以将定位信号发射传输给起重机控制系统或远程控制中心。
其中一种具体实施方式：设定行程为60m的起重机使用现场，起重机首先停在轨道端头，从此端头沿一根轨道布设了大概60m的微结构光纤2，为了更好采集到铁轨振动的具体信号，使用传感器专用胶水直接将传感光纤粘贴在轨腰上，使用的传感光纤是2m分辨率的传感光纤，这意味着光纤大概每间隔2m会刻有一个微结构，在我们布设的大概60m的传感光纤里，有大概28个传感单元。
系统的连续测量数据采样率为8kHz，每一秒存储一个文件，这个文件包含了28个传感单元的传感数据，每个传感单元都会有8k个相位差信息。
在微结构光纤2第6个和第12个传感节点分别安排人员观察起重机通过情况，分布式光纤传感系统开机后，起重机以60m/min的速度向另一端头运行，以起重机第一个轮子分别经过第6个和第12个传感节点进行定位校核。
通过人员观察比对，采集信号与实际车轮通过时间基本一致，证明本发明的实时性，系统通过接收到后向散射光的时间可以确定测得传感量的具体位置，从而确定起重机的空间位置。
本实施例只为验证本发明的应用，在实际使用中可以将微结构蚀刻的距离更短，从而起重机位置更精确。
分布式光纤传感系统中，整根光纤即是传感介质又是信号的传输介质。这样的设计极大的节省了系统的成本，降低了传感系统的复杂度，并且分布式光纤传感系统的主要优点有：使用光纤同时作为传感和传输介质，系统简单，成本低；整个系统传感网络部分只需要在发光源端供电，其他部位可以实现无源；抗电磁干扰能力强，可靠性稳定性高；可实现长距离检测，没有传感盲点；系统在连续测量数据时最高可以达到1wHz的采样率，测量更加快速准确。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种桥式起重机的空间定位装置，其特征在于：包括一体机、微结构光纤、光纤固定装置、无线发射装置和起重机的控制中心，所述一体机的信号输出端电性连接无线发射装置的信号输入端，所述无线发射装置通过无线通信技术与起重机的控制中心实现实时数据传输，所述微结构光纤电性连接在一体机的信号输入端，所述微结构光纤上刻蚀有多个传感节点，且多个传感节点等距分布在微结构光纤上。
2.根据权利要求1所述的一种桥式起重机的空间定位装置，其特征在于，所述微结构光纤通过传感器专用胶水固定在起重机轨道轨腰位置。
3.根据权利要求1所述的一种桥式起重机的空间定位装置，其特征在于，所述一体机固定安装在起重机轨道的端头上。
4.根据权利要求1所述的一种桥式起重机的空间定位装置，其特征在于，所述一体机包括窄脉冲激光光源、掺饵激光放大器、滤波器、环形器、1：99耦合器、1:1耦合器和光电探测器。
5.根据权利要求1所述的一种桥式起重机的空间定位方法，其特征在于，该控制方法是基于权利要求1所述的一种桥式起重机的空间定位装置运行，包括以下操作步骤：首先，将传感节点此刻是否有起重机经过作为正负样本，并对每个传感节点的特征信号进行分类；然后，实时采集传感节点的信号幅值，最后，系统通过比较信号幅值与特征信号的差异判定是否有起重机经过。
6.根据权利要求5所述的一种桥式起重机的空间定位方法，其特征在于，所述信号幅值和特征信号比较点为均方值、最值和均值。
7.根据权利要求5所述的一种桥式起重机的空间定位方法，其特征在于，所述特征信号的均方值、最值和均值均根据环境因素实时变化。
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