一种起重机主梁疲劳预警系统的制作方法

本发明涉及智能测试领域，尤其涉及一种起重机主梁疲劳预警系统。

背景技术：

起重机作为大型特种设备，被广泛应用于装备制造、港口运输、冶金电力、和建筑等国民经济至关重要的行业中。由于其载荷条件和结构特性具有一些不同于其他传统机械装备的突出特点，使起重机的设计制造、检测维修等技术面临着诸多难题有待解决。

起重机主梁作为起重机最为关键的结构件，由标准金属板材焊接而成，其体积庞大、结构复杂，工作环境相对恶劣，且长期处于大载荷的作用下，其运转质量关系到起重机的安全稳定运行。而且作为桥式起重机主要的受力部件，主梁在起重机服役期间长期承受大载荷交变应力，在空气和雨水腐蚀的作用下，极易引起起重机金属板材塑性变形、疲劳老化甚至疲劳断裂。因此，主梁作为起重机设备最为核心的部件，其损伤情况对桥式起重机的安全稳定运行有重要影响，而且多数情况下，主梁的状态直接决定着起重机的寿命。因此，针对主梁疲劳的研究对于评估起重机整体的状态具有突出的重要性。

目前，对于起重机主梁疲劳的检测主要依赖目测、超声波检测等无损检测手段和其他特种无损检测标准进行缺陷损伤检查。由于起重机械工作性质特殊，主梁一般高悬于空中，且体积庞大，结构复杂，常规检测手段在主梁检测过程中难以取得良好的检测效果。

技术实现要素：

因此，为了克服上述问题，本发明提供一种起重机主梁疲劳预警系统，其利用信号接收装置、信号发射装置、声源发生装置、声波信号接收装置、图像获取部、图像运算部、信号调理电路、显示器、微处理器、存储器以及报警装置对起重机主梁进行实时检测和离线检测，具体通过声波发生装置和声波信号接收装置以及信号调理电路对起重机主梁进行实时检测，通过图像获取部、图像运算部获得清晰的起重机主梁图像，进而对起重机主梁进行离线检测，最后，在起重机主梁诊断出故障时，使用信号接收装置和信号发射装置对工作人员进行有效保护。

本发明提供的起重机主梁疲劳预警系统包括信号接收装置、信号发射装置、声源发生装置、声波信号接收装置、图像获取部、图像运算部、信号调理电路、显示器、微处理器、存储器以及报警装置。

其中，信号接收装置位于起重机主梁上，信号发射装置设置在工作人员工作服上，声源发生装置设置在起重机主梁一端，声波信号接收装置设置在起重机主梁的另一端，图像获取部设置在起重机主梁上方，图像获取部获取起重机主梁的图像信息，图像获取部将采集的图像信息传输至图像运算部，图像运算部对接收到的图像进行图像处理后传输至微处理器，微处理器将接收到的图像信息传输至显示器进行显示，微处理器将接收到的图像信息传输至存储器进行存储，同时，声源发生装置向起重机主梁发送声波信号，声波信号经过起重机主梁传输至声波信号接收装置，声波信号接收装置用于接收声波信号，并将接收到的声波信号转换为电压信号后传输至信号调理电路，信号调理电路对接收到的电信号进行信号处理后再传输至微处理器，微处理器根据接收到的电信号对起重机主梁的安全性能进行诊断，若诊断为存在安全隐患，则微处理器控制报警装置进行报警，同时，微处理器控制信号接收装置开始作业，信号接收装置为在预设范围内能够接收到信号发射装置所发射信号的装置，若信号接收装置接收到信号发射装置发射的信号，则信号发射装置触发振动报警模式。

优选的是，声源发生装置向起重机主梁发送声波信号，声波信号经过起重机主梁传输至声波信号接收装置，声波信号接收装置用于接收声波信号，并将接收到的声波信号转换为电压信号后传输至信号调理电路，信号调理电路对接收到的电信号进行信号处理后再传输至微处理器，其中，声源发生装置发出经调制的正弦信号的声波，微处理器对接收到的电信号峰值进行分析，提取电信号波形的峰值x(n)，其中n为波形峰数量，提取电信号波形的谷值y(m)，其中m为波形谷数量，若

，则微处理器诊断起重机主梁存在安全隐患，其中，max（x(n)）为n个x(n)中的最大值，max（y(m)）为m个y(m)中的最大值，c为大于2的可调参数。

优选的是，图像运算部在对接收到的图像进行处理时，先设定图像信息中包括起重机主梁图像的任一像素为目标像素p(i,j)，并将目标像素邻域像素作为参考像素，其中，参考像素为iir像素，图像运算部还包括一权重分配模块，权重分配模块对每一参考像素产生权重，权重分配模块从存储模块获取参考像素，并根据参考像素及目标像素之间的关联度为每个参考像素分配权重w，像素关联度计算单元根据目标像素的像素值pvtar及参考像素的像素值pvref计算每个参考像素与目标像素之间的关联度，而得到差值d=丨pvtar-pvref丨，差值d越大，代表目标像素的关联度越小，其中，像素值pvtar为目标像素p(i,j)的原始像素值pvori(i,j)，像素值pvref为参考像素的iir滤波值pviir，权重分配模块依据差值d，以及最大权重wmax、第一阈值th1和第一阈值th2为每个参考像素分配权重w，当差值d小于第一阈值th1时，表示目标像素与参考像素之间的关联度高，权重分配模块则分配该参考像素最高权重wmax，当差值d处于第一阈值th1和第二阈值th2之间时，代表目标像素与参考像素之间的关联度低，权重分配模块则分配该参考像素的权重为0，在得到每个参考像素的权重后，图像运算部依据下式计算目标像素与参考像素的加权平均，以得到目标像素的iir滤波值pviir(i,j)，其中，

，其中，wsum为权重总和，wnbr为参考权重总和，为某一参考像素的权重w与该参考像素的iir滤波值的积，为所有的参考像素的积的总和，得到目标像素的iir滤波值pviir(i,j)后，图像运算部使用计算获得的目标像素的iir滤波值pviir(i,j)对其接收到的图像进行滤波处理，并将处理后的图像传输至微处理器。

优选的是，声波信号接收装置6的输出端与电阻r1的一端连接，电阻r1的另一端与电阻r2的一端连接，电容c7的一端接地，电容c7的另一端与-3.3v电源连接，电容c6的一端接地，电容c6的另一端与-3.3v电源连接，运算放大器u1的负电源端与-3.3v电源连接，电容c1的一端与电容c6的另一端连接，电容c1的另一端与电阻r1的另一端连接，电阻r2的另一端与运算放大器u1的同相输入端连接，电阻r2的另一端还与电容c2的一端连接，电容c2的另一端接地，电阻r4的一端与运算放大器u1的反相输入端连接，电阻r4的另一端接地，电阻r3的一端与电阻r4的另一端连接，电阻r3的另一端与电容c3的一端连接，电容c3的一端与+3.3v电源连接，电容c3的另一端接地，电容c4的一端与电容c3的一端连接，电容c4的另一端接地，运算放大器u1的正电源端与+3.3v电源连接，电阻r3的另一端与运算放大器u1的输出端连接，电容c1的另一端也与运算放大器u1的输出端连接，电容c5的一端与运算放大器u1的输出端连接，电容c5的另一端与电阻r6的一端连接，电阻r5的一端接地，电阻r5的另一端与电容c5的另一端连接，电阻r6的另一端与电容c10的一端连接，电阻r7的一端与运算放大器u2的输出端连接，电阻r6的另一端与电阻r7的一端连接，电阻r6的另一端还与电容c8的一端连接，电容c10的另一端接地，电阻r8的一端与电容c8的另一端连接，电阻r8的另一端接地，电容c8的另一端与运算放大器u2的同相输入端连接，运算放大器u2的正电源端与+3.3v电源连接，运算放大器u2的负电源端与-3.3v电源连接，运算放大器u2的反相输入端与运算放大器u2的输出端连接，运算放大器u2的输出端与电容c9的一端连接，电容c9的另一端与电阻r11的一端连接，电阻r12的一端接地，电阻r12的另一端与电阻r11的一端连接，电阻r11的另一端与运算放大器u3的同相输入端连接，运算放大器u3的正电源端与+3.3v电源连接，运算放大器u3的负电源端与-3.3v电源连接，电阻r9的一端接地，电阻r9的另一端与电阻r10的一端连接，电阻r9的另一端与运算放大器u3的反相输入端连接，电阻r10的另一端与运算放大器u3的输出端连接，运算放大器u3的输出端与微处理器连接。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

（1）本发明提供的起重机主梁疲劳预警系统，其利用信号接收装置、信号发射装置、声源发生装置、声波信号接收装置、图像获取部、图像运算部、信号调理电路、显示器、微处理器、存储器以及报警装置对起重机主梁进行实时检测和离线检测，具体通过声波发生装置和声波信号接收装置以及信号调理电路对起重机主梁进行实时检测，通过图像获取部、图像运算部获得清晰的起重机主梁图像，进而对起重机主梁进行离线检测，最后，在起重机主梁诊断出故障时，使用信号接收装置和信号发射装置对工作人员进行有效保护。

（2）本发明提供的起重机主梁疲劳预警系统，本发明的发明点还在于，声波信号接收装置采集的信号中会混有环境噪声、作业噪声等，因此，需要通过信号调理电路滤除噪声信号，以实现对声源发生装置发生的信号进行最好的还原，其中，声源发生装置发生的信号频率一般为1hz至30hz，因此信号调理电路的中心频率f0为0.3hz至15hz之间，这里取f0=3.35hz，带宽bw=15(bw=f0/q，则计算出品质因数q=0.22。

（3）本发明提供的起重机主梁疲劳预警系统，本发明的发明点还在于，图像运算部通过分析处理得到目标像素的iir滤波值pviir(i,j)，图像运算部使用计算获得的目标像素的iir滤波值pviir(i,j)对其接收到的图像进行滤波处理，其能够去除图像中的高频噪音信号，且能够保存图像的边缘信息。

附图说明

图1为本发明的本发明提供的起重机主梁疲劳预警系统的结构图；

图2为本发明的本发明提供的起重机主梁疲劳预警系统的简化图；

图3为本发明的本发明提供的起重机主梁疲劳预警系统的示意图；

图4为本发明的图像运算部用于图像处理的像素划分图；

图5为本发明图像运算部只包括2个iir像素的情况图；

图6为本发明的图像运算部中权重分配模块的功能示意图；

图7为本发明的图像运算部中权重w及差值d的第一关系图；

图8为本发明的图像运算部中权重w及差值d的第二关系图；

图9为本发明的信号调理电路的电路图。

附图标记：

1-起重机主梁；2-信号接收装置；3-工作人员；4-信号发射装置；5-声源发生装置；6-声波信号接收装置；7-图像获取部；8-图像运算部。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明提供的起重机主梁疲劳预警系统进行详细说明。

如图1-3所示，本发明提供的起重机主梁疲劳预警系统包括信号接收装置2、信号发射装置4、声源发生装置5、声波信号接收装置6、图像获取部7、图像运算部8、信号调理电路、显示器、微处理器、存储器以及报警装置。

其中，信号接收装置2位于起重机主梁1上，信号发射装置4设置在工作人员3工作服上，声源发生装置5设置在起重机主梁1一端，声波信号接收装置6设置在起重机主梁1的另一端，图像获取部7设置在起重机主梁1上方，图像获取部7获取起重机主梁1的图像信息，图像获取部7将采集的图像信息传输至图像运算部8，图像运算部8对接收到的图像进行图像处理后传输至微处理器，微处理器将接收到的图像信息传输至显示器进行显示，微处理器将接收到的图像信息传输至存储器进行存储，同时，声源发生装置5向起重机主梁1发送声波信号，声波信号经过起重机主梁传输至声波信号接收装置6，声波信号接收装置6用于接收声波信号，并将接收到的声波信号转换为电压信号后传输至信号调理电路，信号调理电路对接收到的电信号进行信号处理后再传输至微处理器，微处理器根据接收到的电信号对起重机主梁1的安全性能进行诊断，若诊断为存在安全隐患，则微处理器控制报警装置进行报警，同时，微处理器控制信号接收装置2开始作业，信号接收装置2为在预设范围内能够接收到信号发射装置4所发射信号的装置，若信号接收装置2接收到信号发射装置4发射的信号，则信号发射装置4触发振动报警模式。

上述实施方式中，本发明提供的起重机主梁疲劳预警系统利用信号接收装置2、信号发射装置4、声源发生装置5、声波信号接收装置6、图像获取部7、图像运算部8、信号调理电路、显示器、微处理器、存储器以及报警装置对起重机主梁进行实时检测和离线检测，具体通过声波发生装置5和声波信号接收装置6以及信号调理电路对起重机主梁进行实时检测，通过图像获取部7、图像运算部8获得清晰的起重机主梁图像，进而对起重机主梁进行离线检测，最后，在起重机主梁诊断出故障时，使用信号接收装置2和信号发射装置4对工作人员进行有效保护。

进一步的，信号接收装置2可设置信号接收范围，具体范围可按照起重机所在位置进行设定。

具体地，声源发生装置5向起重机主梁1发送声波信号，声波信号经过起重机主梁传输至声波信号接收装置6，声波信号接收装置6用于接收声波信号，并将接收到的声波信号转换为电压信号后传输至信号调理电路，信号调理电路对接收到的电信号进行信号处理后再传输至微处理器，其中，声源发生装置5发出经调制的正弦信号的声波，微处理器对接收到的电信号峰值进行分析，提取电信号波形的峰值x(n)，其中n为波形峰数量，提取电信号波形的谷值y(m)，其中m为波形谷数量，若

，则微处理器诊断起重机主梁1存在安全隐患，其中，max（x(n)）为n个x(n)中的最大值，max（y(m)）为m个y(m)中的最大值，c为大于2的可调参数。

进一步地，本领域技术人员能够通过对常数c的调节来改变诊断阈值，进而能够适合对不同材料的起重机主梁的检测。

具体地，图像运算部8在对接收到的图像进行处理时，先设定图像信息中包括起重机主梁1图像的任一像素为目标像素p(i,j)，并将目标像素邻域像素作为参考像素，其中，参考像素为iir像素，图像运算部8还包括一权重分配模块，权重分配模块对每一参考像素产生权重，权重分配模块从存储模块获取参考像素，并根据参考像素及目标像素之间的关联度为每个参考像素分配权重w，像素关联度计算单元根据目标像素的像素值pvtar及参考像素的像素值pvref计算每个参考像素与目标像素之间的关联度，而得到差值d=丨pvtar-pvref丨，差值d越大，代表目标像素的关联度越小，其中，像素值pvtar为目标像素p(i,j)的原始像素值pvori(i,j)，像素值pvref为参考像素的iir滤波值pviir，权重分配模块依据差值d，以及最大权重wmax、第一阈值th1和第一阈值th2为每个参考像素分配权重w，当差值d小于第一阈值th1时，表示目标像素与参考像素之间的关联度高，权重分配模块则分配该参考像素最高权重wmax，当差值d处于第一阈值th1和第二阈值th2之间时，代表目标像素与参考像素之间的关联度低，权重分配模块则分配该参考像素的权重为0，在得到每个参考像素的权重后，图像运算部8依据下式计算目标像素与参考像素的加权平均，以得到目标像素的iir滤波值pviir(i,j)，其中，

，其中，wsum为权重总和，wnbr为参考权重总和，为某一参考像素的权重w与该参考像素的iir滤波值的积，为所有的参考像素的积的总和，得到目标像素的iir滤波值pviir(i,j)后，图像运算部8使用计算获得的目标像素的iir滤波值pviir(i,j)对其接收到的图像进行滤波处理，并将处理后的图像传输至微处理器。

在此对图像运算部8的工作原理作进一步说明，图像运算部8在对接收到的图像进行处理时，先设定图像信息中包括起重机主梁1图像的任一像素为目标像素p(i,j)，并将目标像素邻域像素作为参考像素，其中，参考像素为iir像素，以图4为例，参考图像能够包括12个iir像素，使用存储模块存储上述12个iir像素，图5显示图像运算部只包括2个iir像素，使用存储模块存储上述2个iir像素，和图4相比，图5至少能够存储10个参考像素的像素值。

图像运算部8还包括一权重分配模块，权重分配模块对每一参考像素产生权重，具体地，权重分配模块从存储模块获取参考像素，并根据参考像素及目标像素之间的关联度为每个参考像素分配权重w，也就是说，权重w与两像素之间的关联度有关，图6为权重分配模块的功能示意图。首先，像素关联度计算单元根据目标像素的像素值pvtar及参考像素的像素值pvref计算每个参考像素与目标像素之间的关联度，而得到差值d=丨pvtar-pvref丨，差值d越大，代表目标像素的关联度越小，其中，像素值pvtar为目标像素p(i,j)的原始像素值pvori(i,j)，像素值pvref为参考像素的iir滤波值pviir。

权重分配模块依据差值d，以及最大权重wmax、第一阈值th1和第一阈值th2为每个参考像素分配权重w，图7和图8为权重w及差值d的关系图。当差值d小于第一阈值th1时，表示目标像素与参考像素之间的关联度高，权重分配模块则分配该参考像素最高权重wmax，当差值d处于第一阈值th1和第二阈值th2之间时，代表目标像素与参考像素之间的关联度低，权重分配模块则分配该参考像素的权重为0，权重分配模块能够将第一阈值th1和第二阈值th2之间平均划分为q等分（q为大于1的整数，图8中q=3），使权重w为步进式变化。

在得到每个参考像素的权重后，图像运算部8依据下式计算目标像素与参考像素的加权平均，以得到目标像素的iir滤波值pviir(i,j)，其中，

，其中，wsum为权重总和，wnbr为参考权重总和，为某一参考像素的权重w与该参考像素的iir滤波值的积，为所有的参考像素的积的总和，以图5为例，上式能够写成：

pviir(i,j)=(wsum-wnbr)×pvori(i,j)+w(i-1,j)×pviir(i-1,j)+w(i,j-1)×pviir(i,j-1)/wsum。

其中，wnbr=w(i-1,j)+w(i,j-1)。

wsum≈wmax。

当所有参考像素与目标像素的关联度极高时，目标像素的权重与任一参考像素的权重相当。

得到目标像素的iir滤波值pviir(i,j)后，图像运算部8使用计算获得的目标像素的iir滤波值pviir(i,j)对其接收到的图像进行滤波处理，其能够去除图像中的高频噪音信号，且能够保存图像的边缘信息，其中，图像运算部8能够对rgb、yuv等图像进行处理。

检测人员能够通过显示器获取的图像信息观测到起重机1主梁的图像信息，由于经过图像处理部8处理后的图像信息不仅滤除了噪声信息，而且有效的保存了边缘信息，因此，检测人员能够根据显示器获取的图像信息测算起重机主梁1的弯曲度等对起重机主梁1进行诊断，由于根据图像信息对起重机主梁1进行故障诊断在现有技术中比较成熟的方案，在此不再赘述，本发明能够提高图像的清晰度和保留图像边缘信息，在此基础上，能够大大提高通过起重机主梁1图像对其进行故障诊断的精度。

如图9所示，声波信号接收装置6的输出端与电阻r1的一端连接，电阻r1的另一端与电阻r2的一端连接，电容c7的一端接地，电容c7的另一端与-3.3v电源连接，电容c6的一端接地，电容c6的另一端与-3.3v电源连接，运算放大器u1的负电源端与-3.3v电源连接，电容c1的一端与电容c6的另一端连接，电容c1的另一端与电阻r1的另一端连接，电阻r2的另一端与运算放大器u1的同相输入端连接，电阻r2的另一端还与电容c2的一端连接，电容c2的另一端接地，电阻r4的一端与运算放大器u1的反相输入端连接，电阻r4的另一端接地，电阻r3的一端与电阻r4的另一端连接，电阻r3的另一端与电容c3的一端连接，电容c3的一端与+3.3v电源连接，电容c3的另一端接地，电容c4的一端与电容c3的一端连接，电容c4的另一端接地，运算放大器u1的正电源端与+3.3v电源连接，电阻r3的另一端与运算放大器u1的输出端连接，电容c1的另一端也与运算放大器u1的输出端连接，电容c5的一端与运算放大器u1的输出端连接，电容c5的另一端与电阻r6的一端连接，电阻r5的一端接地，电阻r5的另一端与电容c5的另一端连接，电阻r6的另一端与电容c10的一端连接，电阻r7的一端与运算放大器u2的输出端连接，电阻r6的另一端与电阻r7的一端连接，电阻r6的另一端还与电容c8的一端连接，电容c10的另一端接地，电阻r8的一端与电容c8的另一端连接，电阻r8的另一端接地，电容c8的另一端与运算放大器u2的同相输入端连接，运算放大器u2的正电源端与+3.3v电源连接，运算放大器u2的负电源端与-3.3v电源连接，运算放大器u2的反相输入端与运算放大器u2的输出端连接，运算放大器u2的输出端与电容c9的一端连接，电容c9的另一端与电阻r11的一端连接，电阻r12的一端接地，电阻r12的另一端与电阻r11的一端连接，电阻r11的另一端与运算放大器u3的同相输入端连接，运算放大器u3的正电源端与+3.3v电源连接，运算放大器u3的负电源端与-3.3v电源连接，电阻r9的一端接地，电阻r9的另一端与电阻r10的一端连接，电阻r9的另一端与运算放大器u3的反相输入端连接，电阻r10的另一端与运算放大器u3的输出端连接，运算放大器u3的输出端与微处理器连接。

在具体测试时，本领域技术人员优先运算放大器u1-u3的型号均为tl064bcn，电阻r1的阻值为430kω，电阻r2的阻值为430kω，电阻r3的阻值为1.4mω，电阻r4的阻值为2.3mω，电阻r5的阻值为1kω，电阻r6的阻值为20kω，电阻r7的阻值为20kω，电阻r8的阻值为39kω，电阻r9的阻值为5kω，电阻r10的阻值为500kω，电阻r11的阻值为2kω，电阻r12的阻值为2kω，电容c1的电容值为0.56μf，电容c2的电容值为0.56μf，电容c3的电容值为0.1μf，电容c4的电容值为10μf，电容c5的电容值为10μf，电容c6的电容值为10μf，电容c7的电容值为0.1μf，电容c8的电容值为1μf，电容c9的电容值为100μf，c10的电容值为1μf。

上述实施方式中，声波信号接收装置采集的信号中会混有环境噪声、作业噪声等，因此，需要通过信号调理电路滤除噪声信号，以实现对声源发生装置发生的信号进行最好的还原，其中，声源发生装置发生的信号频率一般为1hz至30hz，因此信号调理电路的中心频率f0为0.3hz至15hz之间，这里取f0=3.35hz，带宽bw=15(bw=f0/q，则计算出品质因数q=0.22。

至此，本发明提供的起重机主梁疲劳预警系统既包括实时检测系统（即声波检测），也包括了线下检测（即图像检测），其中，实时检测系统主要用于起重机主梁作业时进行检测，线下检测主要用于起重器非作业时进行检测，由此实现了对起重机主梁不间断的检测。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。