本发明涉及测量装置，具体涉及一种基于电容检测的双吊具桥吊摆角测量装置及测量方法。
背景技术：
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双吊具桥式吊车是一种港口集装箱场地起重设备，它具有两个起升吊具，一次可以吊起两个四十英尺或者四个二十英尺的集装箱，与传统的单吊具桥吊相比，大幅度的提高了集装箱的装卸效率，但是由于这种大跨距双起升双吊具桥吊结构复杂，工作方式多样且存在耦合性，再加上现实环境中存在着风力再加上小车的运动会使得吊绳产生摇摆，这给吊具摆角的检测带来了很大的难度。
桥吊防摇控制的关键问题之一就是对摆角的检测，而现有的桥吊摆角检测装置大都针对单吊具桥吊设计，这些检测装置大部分可以分为接触式和非接触式测量。现有的一种接触式摆角检测装置是运用轻质摆架带动一个码盘旋转，这样的测量方法精确度不高，影响测量的效果，并且检测元件易磨损，维护不便；非接触式摆角检测装置常使用激光角度仪，此类仪器角对工作环境要求较高，价格昂贵。同时，现有的桥式吊车操作员往往通过肉眼观察吊具及负载来获得其摆动情况，准确性低且存在安全隐患，影响工作效率及工作质量。
技术实现要素：
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本发明涉及的摆角测量装置利用了电容值大小随着电容正对面积的变化的特性，解决了双起升双吊具桥式吊车摆动角度方向与大小的检测、摆角信息处理及显示问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于电容检测的双吊具桥吊摆角测量装置，该装置设置在小车结构上，所述的小车机构设置在大车机构上，所述的大车机构包含桥吊驾驶室，所述的小车机构上设有一对起升电机，每一台起升电机包含转轴，转轴通过吊绳连接吊具，其特点是，布置基于电容检测的双吊具桥吊摆角检测装置；所描述的摆角检测装置包含：一对信号处理装置，对称设置在所述的小车机构的顶部；一个摆角合成计算机，设置在驾驶室内，分别与一对信号处理装置连接；
所描述的摆角检测装置的主体为黑盒子，黑盒子内包括一块半圆柱侧面型的电容正极板连接着轻质摆架的一端，两个四分之一圆柱侧面型电容负极板固定在黑盒子底部，所述的电容两端通过导线与电容测量电路相连接。
所述的信号处理装置包括电压放大器、整流滤波器、a/d转换器，电压放大器的输入端与电容测量电路相连，电压放大器的输出端依次连接整流滤波器、a/d转换器，之后输出给摆角合成计算机。
一种基于电容检测的双吊具桥吊摆角测量方法，包括以下步骤：
步骤一：对各个部件进行初始位置的设定，将此作为初始的参考位置，设定过程如下：先让双吊具桥吊的两个吊具自然下垂，此时吊绳无任何摆角，轻质摆架、电容板正极板均无任何转动；两组摆角检测装置得到的信号作为摆角计算的初始参考值，此时接收到的电容值，表明当前轴向方向上摆角为0；
步骤二：驾驶室发出桥吊运行指令，桥吊根据不同的运行指令控制对应的吊具运行，吊具各自连接的吊绳发生摆动；
步骤三：吊绳的摆动会带动轻质摆架的转动进而引起电容正极板的转动，引起正对面积变化，引起第一电容或者第二电容的电容值的变化，经过电容测量电路得到的电信号传送给信号处理装置；
步骤四：信号处理器接受到来自x,y方向上的电信号加以处理，进过放大，滤波，a/d转换后通过计算机串口送到摆角合成计算机进行摆角合成处理；由x方向上的电容值变化
步骤五：另外一组吊具所做的工作与上述相同，得到另一组摆角值；将两组摆角信息送至驾驶室的显示屏上供驾驶员参考操作，将摆角信息送至同步/防摇控制系统，以提供反馈信息。
本发明与现有的技术相比，其显著优点：
本发明基于电容检测的双吊具桥吊摆角测量装置，利用了电容值的变化与电容的正对面积相关的特性，当吊绳摆动时带动转轴转动，通过检测电容值的变化来计算摆角值。
接下来用附图说明技术要点。
附图说明：
图1为基于电容检测的双起升双吊具桥吊摆角测量装置整体结构示意图。
图2为基于电容检测的双起升双吊具桥吊摆角测量装置摆角检测装置结构图。
图3为基于电容检测的双起升双吊具桥吊摆角测量装置摆角检测装置电容板结构局部图。
图4为基于电容检测的双起升双吊具桥吊摆角测量装置摆角检测装置电容板转动的左视图。
图5为基于电容检测的双起升双吊具桥吊摆角测量装置x,y轴摆角测量装置结构合成简图。
图6为基于电容检测的双起升双吊具桥吊摆角测量装置桥吊摆角合成图。
图7为基于电容检测的双起升双吊具桥吊摆角测量装置检测流程图。
附图标记如下：1-小车机构；2-小车的驱动机构；3-大车，4-大车的驱动机构；5-吊具起升电机；7-双吊具桥的第一吊具、8-双吊具桥的第二吊具；9-摆角合成计算机；10-桥吊驾驶舱；11-摆角检测装置；12-桥式吊车的吊绳；13-信号处理装置；14-导线；15-吊具起升电机转轴；16-轻质摆架；17-黑盒子；18-右电容负极板；19-电容正极板；20-左电容负极板。
具体实施方式：
下面结合附图给出本发明的较佳实施案例，以详细说明本发明的技术方案。
在图1中，小车机构1是摆角测量装置以及起升电机的搭载平台。吊具起升电机5负责吊具与负载的升降运动，双吊具桥吊的第一吊具7、双吊具桥的第二吊具8，它们可以既可以共同互锁工作，也可以分别独立工作。双起升双吊具桥吊一次可以同时装卸两个40英尺或者四个20英尺的集装箱。
在图2中，当吊绳12发生摆动时，会带动轻质摆架16旋转摆动；电容板正极板19与轻质摆架16相连接，并随着轻质摆架16的转动而转动；由电容的正极板19转动会引起与负极板的正对面积的变化；电容测量电路将与信号处理装置13通过导线14相连接并向信号处理装置13传送测量数据信号，信号处理装置13将信号经前置放大、a/d转换后传送给摆角合成计算机9进行后续分析处理。
图3为基于电容检测的双起升双吊具桥吊摆角测量装置摆角检测装置电容板结构局部图。电容正极板19与左电容负极板20形成第一电容，电容正极板19与右电容负极板18形成第二电容。
在图4中，轻质摆架16的摆动会带动电容的正极板转动，此时可以根据转动会产生面积变化，导致电容的变化，只需要对电容的变化值处理，通过信号处理装置13可以得到实时检测摆动角度的大小与摆动的方向。
大车或小车的运行及外界风扰等因素会使得负载产生摆动，同时也使得吊绳随同负载一同摆动。吊绳的摆动会带动轻质摆架16摆动，进而带动电容式的正极板19转动，由于吊具摆角一般不超过
设第一吊具7和第二吊具8在未工作无扰动时摆角为0，此时测得的信息即初始位置信息。当小车开始运动时，带动吊绳运动，吊绳带动轻质摆架16的运动，进而带动电容板19的转动，由于电容值的大小与正对面的面积有关，而从获得的电容值的变化大小与转动角度的变化。下面推出电容值的变化与角度的关系：
假设与定极板间的有效覆盖面为s,当动极板有个角位移θ时。
c0为初始电容量，ε0为自由空间介电常数，εr为极板间介质的相对介电常数，d为两极板之间的距离。
根据上述推理，可以得出电容该变量δc和角度位移θ呈线性关系。所以只要测得电容变化量，就可以得到角度位移量，也就是转角θx的值。
同理可测的y方向的转角θy。
在图5中，每一组吊具摆角检测装置由两组轻质摆架构成，两组半圆型轻质摆架分别沿x轴、y轴方向相互垂直安装，两个半圆形轻质摆架刚好相切(大的轻质摆架包围小的轻质摆架)，每个摆架正中有光滑开缝，吊绳12从两个摆架的开缝中先后穿过，当吊绳12发生摆动时，会带动两个轻质摆架16一同旋转摆动，进而将吊具和负载的摆角转化分解为x轴、y轴各自轴向的转动。
接下来详细叙述x轴方向的摆角装置组工作原理。当吊绳12带动轻质摆架的转动，引起电容正极板的转动，产生电容的正对面积变化，当吊绳往x正轴方向摆动时，会引起电容正极板19与左电容负极板20的正对面积发生变化，导致第一电容的电容值变化，而对于右电容负极板18与电容正极板19的正对面积没有发生变化，所以第二电容的电容值不改变。左电容负极板20的电容变化会引起该电容两端的电压值的变化，进而将该变化信息传送给信号处理装置13接着传给摆角合成计算机得到该方向的角度值以及摆动的方向。当吊绳往x负轴方向摆动时，引起右电容负极板18与电容正极板19的正对面积变化，导致第二电容的电容值变化，电容值的变化大小经过电容测量电路进而传给信号处理装置13，而对于此时的第二电容的电容值没有发生变化。对于y轴方向与此相同，不再赘述。
在图6中，θx、θy为测量计算得到的摆角轴向运动分量。
由图可得：
由公式
图7为双吊具桥吊摆角测量流程图。
双吊具桥吊工作时，首先由驾驶室10发出工作指令信号，小车1运动，桥吊第一吊具7和第二吊具8开始运行时，引起吊绳摆动，当吊绳摆动时，会带动轻质摆架16的摆动，进而会带动电容的正极板19转动，由于下面的两块负极板18、20是固定的，所以会产生正对的面积变化，进而导致电容的产生变化，将此电容的变化值传送给信号处理装置13，13对信号进行前置放大、a/d转换等处理，进而传输进入摆角合成计算机9进行合成计算，分别得到第一吊具7和第二吊具各自的摆角值θ1、θ2。吊具的摆角值被传输至驾驶室10内的桥吊显示器，供桥吊操作员提供参考，同时提供给桥吊防摇/同步控制器作为桥吊控制的反馈信息。
上述主要部件的具体情况如下：
信号处理装置13：由cpu、存储器、信号处理电路以及i/o接口等部件组成，其中cpu与存储器、信号处理电路连接，i/o接口电路与信号处理电路连接，信号处理电路可以同时处理来自x,y两路信号。它将摆角检测装置11送来的x、y坐标轴相应的两路信号(作为一组信号)分别进行前置放大、整形滤波和a/d转换，之后将转换后的数字信号送给摆角合成计算机9进行进一步的分析处理。在本专利发明中信号处理装置13可以同时处理两组信号。
摆角合成计算机9：接收从两个吊具各自的信号处理装置13传来的数字信号，并按照电容值的变化大小跟正对面积成正比的关系，对信号进行相应的处理计算，最终获取摆角信息。两个吊具各自的摆角信息由信号处理装置13分别采用不同的串行通信接口接入到摆角合成计算机9，9根据信号输入信号的串口不同来判断计算出的摆角信息来自哪个吊具，将所得摆角信息传输至驾驶室10内的桥吊显示器，为桥吊驾驶员的操作提供参考，还可以反馈至桥吊防摇/同步控制器作为控制参考信息。
本发明涉及的桥吊摆角检测系统的具体工作如下：
双吊具摆角检测装置11在安装时，需要对各个部件进行初始位置信息设定，以此为初始参考位置，设定过程如下：在小车尚未运动的情况下，双吊具桥吊的两个吊具自然下垂，此时吊绳无任何摆角，轻质摆架16、电容的正负极板均无任何转动，此时电容的正极板19与两块负极板的正对面积完全重合。记录上述的初始位置的各个信息，两组摆角检测装置得到的信号作为摆角计算的初始参考。驾驶室10向双吊具桥吊发出运行指令，小车的运动带动各自的吊绳12发生摆动。吊绳的摆动会同时带动x轴、y轴方向上的轻质摆架产生摆动量，x轴、y轴方向的都会带到各自的电容的正极板的转动，得到相对的电容该变量，信号处理装置13接收由x轴、y轴各自的摆角检测装置11发来的两路吊绳摆动的信号，将信号经过放大、a/d转换后通过计算机串口送入摆角合成计算机9处理，通过9进行计算可以实时检测到摆角的位置及大小。
另一组吊具的工作与上述一致，在得到该组摆角的信息后，将两组的吊具摆角信息传送给驾驶室10的显示器上供桥吊驾驶员参考，或者作为反馈信息送入防摇/同步控制装置中。在双起升双吊具桥吊的实际工况中，第一吊具7和第二吊具可相互独立工作也可互锁同步工作。在独立工作模式时，两个吊具互不影响，分别得到两个角度值；在互锁工作模式时，9计算处理的两个吊具的摆角值理论上应该相同，如果不同，可以将异同信号再通过摆角合成计算机9进行相应处理，使两路摆角值相互对照进行修正，以保证更好的同步效果。
双吊具的摆角检测在上述的基础上检测两根吊绳的信息，每根吊绳需要两套同结构，每套结构包括(一个可以转动的正极板，两块负极板，电容测量电路)用于检测其中一个方向的角度的方向及大小。则双吊具的情况需要四套这样的结构，本专利发明可以类推检测出三吊具，乃至多吊具的摆角问题。