一种基于磁致伸缩效应的双吊具桥吊摆角测量装置及其方法与流程

本发明涉及双吊具桥吊摆角测量技术领域，特别是一种基于磁致伸缩效应的双吊具桥吊摆角测量装置及其方法。

背景技术：

双吊具桥式吊车(包含场桥和岸桥)是一种新型的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(它的两个吊具既可以单独起升独立工作，又可以同步起升互锁工作)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，这些检测装置可分为接触式与非接触式两类，接触式摆角检测装置存在测量死区，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，且激光角度仪无法在有雾或有雨的情况下工作，使用电容电感检测仪则存在边缘效应，实际运用中稳定性差，分辨率不高，易受干扰。同时，现有的桥式吊车操作员往往通过目视吊具及负载来获得其摆动情况，准确性低且极易造成视觉疲劳，存在安全隐患，影响工作效率及工作质量。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于磁致伸缩效应的双吊具桥吊摆角测量装置及其方法，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、摆角信息处理以及显示问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于磁致伸缩效应的双吊具桥吊摆角测量装置，该摆角测量装置设置在小车机构上，所述小车机构设置在大车机构上，所述大车机构上设有桥吊驾驶室，所述小车机构上设有一对起升电机，每一起升电机包含一转轴，每一起升电机的转轴通过一吊绳连接一吊具，其特征在于，该摆角测量装置包含：

一对信号处理装置，对称设置在所述小车机构的顶部；

一摆角合成计算机，设置在所述小车机构的顶部，位于两信号处理装置之间，分别与一对信号处理装置连接；

一对摆角检测装置，对称设置在所述小车机构的底部，每一所述摆角检测装置与对应的信号处理装置连接，每一吊绳穿过对应的摆角检测装置与相对应的吊具连接；

一用于显示摆角信息的显示模块，设置在桥吊驾驶室内，与所述摆角合成计算机连接；

所述摆角检测装置包括轻质摆架、齿轮型转轴、磁致伸缩感测管、游标磁环、脉冲电流收发器和齿轮型移动杆；所述轻质摆架呈半圆形，延其圆周方向设有光滑开缝，所述吊绳穿过该开缝；所述齿轮型转轴固定于轻质摆架上，随轻质摆架的转动而同步转动；所述齿轮型移动杆侧面的齿与齿轮型转轴表面的齿紧密咬合，齿轮型移动杆的底部与游标磁环相连接，游标磁环嵌套在磁致伸缩感测管上，磁致伸缩感测管的底部与脉冲电流收发器相连接；所述脉冲电流收发器与对应的信号处理装置相电性连接。

优选地，所述摆角检测装置包括两个轻质摆架，两个轻质摆架分别沿x轴、y轴方向相互垂直安装，且两个半圆形轻质摆架相切；每个轻质摆架延其圆周方向设有光滑开缝，吊绳先后从两个轻质摆架的开缝中穿过；每个轻质摆架上均固定有齿轮型转轴。

优选地，所述信号处理装置包括前置放大电路，其输入端与对应的所述摆角检测装置的信号输出端连接；滤波器，其输入端与所述前置放大电路的输出端连接；模数转换器，其输入端与所述滤波器的输出端连接，其输出端与所述摆角合成计算机相连接。

优选地，所述摆角合成计算机进一步与桥吊同步/防摇控制系统连接。

优选地，所述游标磁环的内环半径与磁致伸缩感测管的半径相同。

优选地，所述小车机构通过第一驱动机构设置在大车机构的顶部。

优选地，所述大车机构的底部设置有第二驱动机构。

优选地，所述脉冲电流收发器通过导线与对应的信号处理装置相电性连接。

一种基于磁致伸缩效应的双吊具桥吊摆角测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：对各个部件进行初始位置设定，以此作为初始参考位置，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、齿轮型转轴均无任何转动，此时固定齿轮型移动杆与齿轮型转轴，要求齿轮型转轴与齿轮型移动杆接触时，齿轮型移动杆向上或向下运动时至少有的活动阈量(c为齿轮型转轴的周长，是已知量)；同理，与齿轮型移动杆相粘合的游标磁环嵌套在磁致伸缩感测管上，要求游标磁环在齿轮型移动杆的牵引下在磁致伸缩感测管向上或向下移动时至少有的活动阈量；此时，两组摆角检测装置中游标磁环的初始位置作为摆角计算的初始参考值，游标磁环在该位置时，表明当前轴向方向上摆角为0；

步骤二：驾驶室向双吊具桥吊发出运行指令，桥吊根据不同运行指令控制吊具运行，吊具各自的吊绳发生摆动；

步骤三：驾驶室发出桥吊运行指令的同时，摆角合成计算机通过串口通讯方式向双吊具的脉冲电流收发器发送工作指令信号，脉冲电流收发器以固定频率发出询问脉冲电流，脉冲电流以速度v在磁致伸缩感测管内运动，询问信号沿磁致伸缩感测管传输，遇到游标磁环时产生应变机械波脉冲信号，该返回信号从游标磁环处返回至脉冲电流收发器，并由高速计时器检测出从发出询问信号到接收返回信号的时间信号，设发出脉冲电流在游标磁环处于初始位置时测得的时间周期信号为t1，在其他时刻测得的当前时间周期信号为t2；

步骤四：脉冲电流收发器将时间信号传输给信号处理装置，信号处理装置接收脉冲电流收发器发来的x轴、y轴两路轴向运动信号，将信号经过放大、滤波、a/d转换后通过计算机串口送入摆角合成计算机处理，通过摆角合成计算机进行计算可以实时检测到游标磁环相对于初始位置的位移量，

游标磁环的位移量与齿轮型转轴带动齿轮型连接杆移动的位移量相同，由该位移值s可以计算得出齿轮型转轴转动的角度θy同理可得，齿轮型转轴半径已知，进而得到吊绳在轴向运动的摆角值；

将轴向运动的摆角分量进一步合成后，得到摆角值

步骤五：另外一组吊具所做工作相同，得到另一组吊具摆角值；将两组吊具的摆角信息送到驾驶室的显示器上供桥吊驾驶员参考，将摆角信息发送至桥吊同步/防摇控制系统，以提供反馈信息。

本发明与现有技术相比，其显著优点：本发明基于磁致伸缩效应的双吊具桥吊摆角测量装置利用磁致伸缩原理实现对双吊具桥吊摆角大小、方向的检测及显示，具有成本低、结构简单、可靠性高、对工作环境要求低、维护简便等特点，完全克服了上述问题，此外本摆角检测装置采用高科技材料结合先进电子技术，能应用在极恶劣的工业环境中；且本发明基于磁致伸缩效应的双吊具桥吊摆角测量装置用于检测应变脉冲信号的敏感材料位于磁致伸缩感测管内，与游标磁环非接触，不断重复检测的过程中不会对其造成任何机械磨损；而且是实时检测，因此摆角分析计算频率非常高，具有环境适应性强、装置使用寿命长、检测精度高等优点。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明基于磁致伸缩效应的双吊具桥吊摆角测量装置的整体结构示意图。

图2为摆角测量装置的结构示意图。

图3为摆角测量装置的立体示意图。

图4为摆角测量装置的左视示意图。

图5为本发明基于磁致伸缩效应的双吊具桥吊摆角合成示意图。

图6为本发明基于磁致伸缩效应的双吊具桥吊摆角测量装置的测量流程图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，一种基于磁致伸缩效应的双吊具桥吊摆角测量装置，该摆角测量装置设置在小车机构1上，所述小车机构1设置在大车机构3上，所述大车机构3上设有桥吊驾驶室14，所述小车机构1上设有一对起升电机5，每一起升电机5包含一转轴15，每一起升电机5的转轴15通过一吊绳12连接一吊具7，8；所述小车机构1是摆角测量装置以及起升电机的搭载平台，所述小车机构1通过第一驱动机构2设置在大车机构3的顶部，所述大车机构3的底部设置有第二驱动机构4；每一起升电机5负责吊具与负载的升降运动，吊具7，8既可以共同互锁工作，也可以分别独立工作，可以同时装卸两个40英尺或者四个20英尺的集装箱，集装箱运输卡车10上装载有集装箱负载9；该摆角测量装置包含：

一对信号处理装置13，对称设置在所述小车机构1的顶部，所述信号处理装置13包括前置放大电路，其输入端与对应的所述摆角检测装置11的信号输出端连接；滤波器，其输入端与所述前置放大电路的输出端连接；模数转换器，其输入端与所述滤波器的输出端连接，其输出端与所述摆角合成计算机22相连接。

一摆角合成计算机22，设置在所述小车机构1的顶部，位于两信号处理装置13之间，分别与一对信号处理装置13连接；

一对摆角检测装置11，对称设置在所述小车机构1的底部，每一所述摆角检测装置11与对应的信号处理装置13连接；每一吊绳12穿过对应的摆角检测装置11与相对应的吊具7，8连接；

一用于显示摆角信息的显示模块，设置在桥吊驾驶室14内，与所述摆角合成计算机22连接；

如图2和图3所示，所述摆角检测装置11包括轻质摆架16、齿轮型转轴17、磁致伸缩感测管18、游标磁环19、脉冲电流收发器20和齿轮型移动杆21；所述轻质摆架16呈半圆形，延其圆周方向设有光滑开缝，所述吊绳12穿过该开缝；所述齿轮型转轴17固定于轻质摆架16上，随轻质摆架16的转动而同步转动；所述齿轮型移动杆21侧面的齿与齿轮型转轴17表面的齿紧密咬合，齿轮型移动杆21的底部与游标磁环19相连接，游标磁环19嵌套在磁致伸缩感测管18上，磁致伸缩感测管18的底部与脉冲电流收发器20相连接；其中，游标磁环19的内环半径与磁致伸缩感测管18的半径相同；所述脉冲电流收发器20通过导线6与对应的信号处理装置13相电性连接；所述摆角检测装置11包括两个轻质摆架16，两个轻质摆架16分别沿x轴、y轴方向相互垂直安装，且两个半圆形轻质摆架16相切；每个轻质摆架16延其圆周方向设有光滑开缝，吊绳12先后从两个轻质摆架16的开缝中穿过；每个轻质摆架16上均固定有齿轮型转轴17。

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；17为齿轮型转轴，固定于轻质摆架16上，随16的转动而同步转动；21为齿轮型移动杆，其侧面与齿轮型转轴相连接，齿轮型移动杆侧面的齿与齿轮型转轴表面的齿紧密咬合，齿轮型移动杆底部与游标磁环19紧密粘合，游标磁环19为环形永磁体，嵌套在磁致伸缩感测管18上，该游标磁环的内环半径与磁致伸缩感测管18的半径相同，磁致伸缩感测管18底部与脉冲电流收发器20紧密连接；13为信号处理装置，脉冲电流收发器与信号处理装置通过导线6相连接，脉冲电流收发器向信号处理装置通过导线6传送测量数据信号，信号处理装置将信号经前置放大、滤波、a/d转换后传送给摆角合成计算机22进行后续分析处理。

如图4所示，由脉冲电流收发器20发送询问脉冲电流，每当询问信号由脉冲电流收发器20送出并通过磁致伸缩感测管18时，磁致伸缩感测管18的径向方向会产生一个随电流脉冲一同运动的圆周磁场，当该磁场与游标磁环19的永磁磁场相遇的瞬间会发生耦合作用，产生磁致伸缩现象，该现象致使磁致伸缩感测管18内部磁致伸缩材料发生振动，在其内部产生一个应变机械波脉冲信号(返回信号)，返回信号的脉冲以已知速度从产生点(即游标磁环的位置测量点)迅速返回脉冲电流收发器20并被检测出来，通过脉冲电流收发器20内部高速计时器对时间周期的计算可以得到游标磁环19的位置信息，实时检测游标磁环19的位置信息可以得到其位移量。

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，进而带动转轴17进行轴向转动，由于齿轮的咬合作用，17的轴向转动会带动移动杆21上下移动，由于21末端与19紧密粘合，故19会随着21上下移动，17的半径r为已知量，由c＝2πr，可得转轴17的周长c，19与21移动的位移量与17轴向转动的位移量相等。

设吊具7、8在未工作无扰动时摆角为0，此时测得的游标磁环19在感测管18上的位置信息作为19的初始位置信息，测得此时收发信号时间周期为t1，当双吊具开始工作后，测得当前时刻收发信号时间周期为t2，信号在18中的传输的速度为v(v数值已知)，则19相对于初始位置的位移量当s数值为正时，表明游标磁环19相对于初始位置向上移动，转轴17在逆时针旋转；s数值为负时，表明19相对于初始位置向下移动，17在顺时针旋转。

由于吊具摆角一般不超过故游标磁环19、移动杆21初始位置设定时要保证上下可移动距离阈值大于(即)，而感测管18的量程选择只需令其大于(即πr)即可。

由此可得到角度同理可测的y方向的转角θy。

所述摆角合成计算机22进一步与桥吊防摇控制系统连接。

如图5所示，θx、θy为测量计算得到的摆角轴向运动分量。

由图可得：

由公式计算可得摆角值。

如图6所示，双吊具桥吊工作时，首先由驾驶室14发出工作指令信号，小车机构1接收运行命令，桥吊吊具7、8开始运行，吊具开始运行时，其各自的脉冲电流收发器20以一定频率发出询问脉冲信号，当询问信号传输至游标磁环19的位置时产生应变机械波返回信号，返回信号返回脉冲电流收发器20并被接收，通过脉冲电流收发器20内部的高速计时器测量计算出信号从发出到接收的时间周期信号，将该信号通过导线6传输至信号处理装置13，信号处理装置13对信号进行前置放大、滤波、a/d转换等处理，进而传输进入摆角合成计算机22进行计算，得到吊具7、8各自的摆角值θ1、θ2；吊具7、8的摆角值被传输至驾驶室14内的桥吊显示器，为桥吊驾驶员的操作提供参考，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。

磁致伸缩工作模块：由磁致伸缩感测管18、游标磁环19、脉冲电流收发器20三部分构成；磁致伸缩感测管18为磁致伸缩效应的感测元件，由内部含磁致伸缩材料的金属导管构成，当发生磁致伸缩现象时，内部的材料会发生振动。游标磁环19为可以移动的环形永磁体，具有固定的磁场。脉冲电流收发器20由询问脉冲发生器、应变脉冲检测器、高速计时器三个部分构成：询问脉冲发生器以dds或ne555等集成芯片为核心部件配以少量电阻、电容构成，用于向感测器18发射脉冲电流询问信号；应变脉冲检测器主要由检测线圈带偏流磁铁构成，用于接收应变脉冲的返回信号；高速计时器可采用以8254等可编程计时器芯片作为核心部件构成，用于测量询问信号发出到返回信号到达的时间周期，所得信号由导线6传输至信号处理装置13进行相应处理，而后传输给摆角合成计算机22进行后续的角度计算。该工作模块的输出信号最终换算为位移值，不存在比例、放大处理等情况，因此不会发生信号漂移或变值，即使电源中断、重接，数据也不会丢失，无须重新归零。

所述信号处理装置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分别进行前置放大、整形滤波和a/d转换，并将转换后的数字信号送给摆角合成计算机22进行进一步的分析处理。

所述摆角合成计算机22：接收从信号处理装置13传来的数字信号，并按照一定的算法对信号进行相应的分析处理测算，得出摆角信息。两个吊具7、8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摆角合成计算机22，摆角合成计算机22根据信号输入的串口不同来判断计算出的摆角信息具体属于哪个吊具，将所得摆角信息传输至驾驶室14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。

一种基于磁致伸缩效应的双吊具桥吊摆角测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤一：对各个部件进行初始位置设定，以此作为初始参考位置，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、齿轮型转轴均无任何转动，此时固定齿轮型移动杆与齿轮型转轴，要求齿轮型转轴与齿轮型移动杆接触时，齿轮型移动杆向上或向下运动时至少有的活动阈量c为齿轮型转轴的周长，是已知量；同理，与齿轮型移动杆相粘合的游标磁环嵌套在磁致伸缩感测管上，要求游标磁环在齿轮型移动杆的牵引下在磁致伸缩感测管向上或向下移动时至少有的活动阈量；此时，两组摆角检测装置中游标磁环的初始位置作为摆角计算的初始参考值，游标磁环在该位置时，表明当前轴向方向上摆角为0；

步骤二：驾驶室向双吊具桥吊发出运行指令，桥吊根据不同运行指令控制吊具7，8运行，吊具7，8各自的吊绳12发生摆动；

步骤三：驾驶室发出桥吊运行指令的同时，摆角合成计算机通过串口通讯方式向双吊具7，8的脉冲电流收发器发送工作指令信号，脉冲电流收发器以固定频率发出询问脉冲电流，脉冲电流以速度v在磁致伸缩感测管内运动，询问信号沿磁致伸缩感测管传输，遇到游标磁环时产生应变机械波脉冲信号，该返回信号从游标磁环处返回至脉冲电流收发器，并由高速计时器检测出从发出询问信号到接收返回信号的时间信号，设发出脉冲电流在游标磁环处于初始位置时测得的时间周期信号为t1，在其他时刻测得的当前时间周期信号为t2；

步骤四：脉冲电流收发器将时间信号传输给信号处理装置，信号处理装置接收脉冲电流收发器发来的x轴、y轴两路轴向运动信号，将信号经过放大、滤波、a/d转换后通过计算机串口送入摆角合成计算机处理，通过摆角合成计算机进行计算可以实时检测到游标磁环相对于初始位置的位移量，

游标磁环的位移量与齿轮型转轴带动齿轮型连接杆移动的位移量相同，由该位移值s可以计算得出齿轮型转轴转动的角度θy同理可得，齿轮型转轴半径已知，进而得到吊绳在轴向运动的摆角值；

将轴向运动的摆角分量进一步合成后，得到摆角值

步骤五：另外一组吊具所做工作相同，得到另一组吊具摆角值；将两组吊具的摆角信息送到驾驶室的显示器上供桥吊驾驶员参考，将摆角信息发送至桥吊同步/防摇控制系统，以提供反馈信息。

本发明基于磁致伸缩效应的双吊具桥吊摆角测量装置的工作过程如下：

(1)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设定，以此作为初始参考位置，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、齿轮型转轴均无任何转动，此时固定齿轮型移动杆与齿轮型转轴，要求齿轮型转轴与齿轮型移动杆接触时，齿轮型移动杆向上或向下运动时至少有的活动阈量c为齿轮型转轴的周长，是已知量；同理，与齿轮型移动杆相粘合的游标磁环嵌套在磁致伸缩感测管上，要求游标磁环在齿轮型移动杆的牵引下在磁致伸缩感测管向上或向下移动时至少有的活动阈量；此时，两组摆角检测装置中游标磁环的初始位置作为摆角计算的初始参考值，游标磁环在该位置时，表明当前轴向方向上摆角为0；

(2)驾驶室14向双吊具桥吊发出运行指令，桥吊根据不同运行指令控制吊具7、8运行(独立工作或互锁工作)，吊具7、8各自的吊绳12发生摆动；

当吊绳只在x轴方向摆动时，吊绳从初始竖直位置向右摆动时，吊绳带动y方向的轻质摆架向右摆动(此时x方向的轻质摆架保持不动)，摆架的摆动带动齿轮型转轴17逆时针转动，齿轮型转轴17带动齿轮型连接杆21、游标磁环19向上移动，测得游标磁环19的位移量s为正值；同理，吊绳向左摆动时，带动y方向的轻质摆架向左摆动，进而带动齿轮型转轴17顺时针转动，齿轮型连接杆21、游标磁环19向下移动，测得游标磁环19的位移量s为负值；可以计算得出x轴轴向的摆角值。

当吊绳只在y轴方向摆动时，吊绳从初始竖直位置向右摆动时，吊绳带动x方向的轻质摆架向右摆动(此时y方向的轻质摆架保持不动)，摆架的摆动带动齿轮型转轴17逆时针转动，齿轮型转轴17带动齿轮型连接杆21、游标磁环19向上移动，测得游标磁环19的位移量s为正值；同理，吊绳向左摆动时，带动y方向的轻质摆架向左摆动，进而带动齿轮型转轴17顺时针转动，齿轮型连接杆21、游标磁环19向下移动，测得游标磁环19的位移量s为负值；可以计算得出y轴轴向的摆角值；

当吊绳在任意方向摆动时，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轴方向的齿轮型转轴17都会转动，进而带动各自的齿轮型连接杆21、游标磁环19在竖直方向上下移动，将x轴、y轴向各自的运动方向进行合成即为吊具摆角的运动方向，将x轴、y轴各自分量上的摆角值进行合成即为吊具的摆角值。

(3)驾驶室发出桥吊运行指令的同时，摆角合成计算机通过串口通讯方式向双吊具7，8的脉冲电流收发器发送工作指令信号，脉冲电流收发器以固定频率发出询问脉冲电流，脉冲电流以速度v在磁致伸缩感测管内运动，询问信号沿磁致伸缩感测管传输，遇到游标磁环时产生应变机械波脉冲信号，该返回信号从游标磁环处返回至脉冲电流收发器，并由高速计时器检测出从发出询问信号到接收返回信号的时间信号，设发出脉冲电流在游标磁环处于初始位置时测得的时间周期信号为t1，在其他时刻测得的当前时间周期信号为t2；

(4)脉冲电流收发器将时间信号传输给信号处理装置，信号处理装置接收脉冲电流收发器发来的x轴、y轴两路轴向运动信号，将信号经过放大、滤波、a/d转换后通过计算机串口送入摆角合成计算机处理，通过摆角合成计算机进行计算可以实时检测到游标磁环相对于初始位置的位移量，

游标磁环的位移量与齿轮型转轴带动齿轮型连接杆移动的位移量相同，由该位移值s可以计算得出齿轮型转轴转动的角度θy同理可得，齿轮型转轴半径已知，进而得到吊绳在轴向运动的摆角值；

将轴向运动的摆角分量进一步合成后，得到摆角值

(5)另外一组吊具所做工作相同，得到另一组吊具摆角值。将两组吊具的摆角信息送到驾驶室14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，吊具7、8既可独立工作也可互锁同步工作。在独立工作模式时，两个吊具摆角互不影响，分别得到两个角度值；在互锁工作模式时，摆角合成计算机22计算处理的吊具7、8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22进行相应处理，使两路摆角值相互对照进行修订，以保证更好的同步效果。