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关于时间数字转换技术的起重机应变检测系统设计(一)

来源:恺德尔起重机安全监控管理系统专家 发表日期: 2016-08-11 16:52:00

起重机械是国家法律规定的八大特种设备之一。每年国内外都会发生很多起因起重机结构损伤造成的人员伤亡事故,随着起重机的大型化、高速化发展,对起重机的健康监测也越来越受到重视[1]。金属结构作为整台起重机的骨架,不仅承受自重和吊重,而且工作环境恶劣、使用频繁,常常会出现受力不合理的情况,面临意外损坏的危险。在金属结构的安全评估中,起重机安全监控系统应力应变往往作为大型机械结构强度最重要的检测指标[2]。对起重机的应力应变实施在线监测[3],不但可以提高工作效率,而且能够及时发现问题并采取相应的措施,避免事故的发生。


传统的起重机应变检测通过在现场安装应变传感器,按照测量流程,得到起重机的部分数据,根据这些数据来判断关键结构的可靠性。这种方法不仅布线繁琐,电流消耗大,扩展性、可移动性差,而且不能达到在线监测的目的,不能在第一时间发现金属结构存在的安全隐患[4]。本系统选用TDC(时间数字技术)测量技术采集应变,简化硬件电路,提高采样精度,降低系统功耗,同时利用无线技术传输数据,达到实时、远程、在线监测的目的,有效的提高了操作人员的工作效率,也降低了起重机应变监测的难度和成本。本文详细阐述了起重机应变测量系统的整体设计及实现方案,主要研究了基于时间数字转换技术的应变测量方法以及数据无线传输技术,介绍了系统的核心硬件以及控制软件程序,最后通过将系统应用在起重机现场,验证了本系统的可靠性和实用性。

图 1 TDC 测量原理框图


1 、基于 TDC 的应变测量原理

TDC(时间数字转换器),代表着一种测量金属应变的数字化概念,具有非常高的测量50灵活性,整个系统电流消耗保持在100μA以下。TDC测量精度高,可以与高端24位数模转换器相媲美,在高测量刷新率的情况下,可以获得更高的精度[5]。TDC 通过测量时间间隔来求出应变电阻的变化。测量原理如图 1 所示,Rsg1 和 Rsg 2 是组成测量半桥的两个电阻应变片, Cload 是充放电电容,两个应变片分别与 Cload相连组成一个低通滤波器; TDC 单元测量电容从开始放电到放电结束的时间间隔。图 2 所示为 Cload 充放电曲线图,开始测量时, Cload 先充电到上限充电电压Vcap ,然后通过其中一只应变电阻放电到下限电压Vtrip ,整个放电过程历经的时间被 TDC 模块所测量。在图 2 中,电阻的变化反映为放电时间的变化,说明 TDC 测量技术将应变的测量转化为对时间的测量[6]。


2、 基于 3G 的无线传输技术

起重机械常应用在野外、港口等环境较为复杂的地方,在通信过程中极易受到电线老化、电磁干扰、瞬变电压等因素的影响。针对上述不稳定情况,系统选取无线通信方式传输应变数据。 3G 是第三代通信网络,相对 GSM、 GPRS 以及 EDGE,在传输速度上有了很大的提升,而且在实时性、稳定性及安全性等方面, 3G 网络也是目前无线移动通信系统性能最好的网络。华为公司研制的 MU509-b 采用联通 WCDMA 制式,是一个工业级 3G 模块。主要通信方式为串口通信,通过发送 AT 指令来完成其相应功能,理论最高传输速率为 14.4Mb/S,可在 3.3V 电压下稳定工作,目前已被广泛应用在汽车电子、监控设备等领域。将 3G 技术应用在起重机应变远程监测系统中,可以改善原有监测方法的延时性、距离短以及稳定性差等问题。


3、系统硬件设计

图 3 为系统硬件结构框图,主要包括应变测量芯片 PS021 模块、单片机 MSP430 模块、3G 通信模块以及稳压电源模块。 PS021 与分布在起重机关键部位的应变片通过导线连接,并将应变片电阻的变化转换成电容充放电时间的变化,微控制器通过 SPI 接口接收应变数据,最终通过以太网将数据传输至远程服务器。


3.1 应变测量芯片 PS021

PS021 是德国 ACAM 公司开发的基于 CMOS 技术的应变测量数字化解决方案,内部集成有完整的用于信号采集、转换和标准化输出的电路。芯片内部集成 TDC 技术,是一款超低功耗、超高精度的应变测量芯片,内部分别对温度漂移、零点漂移进行补偿。图 4 为基于 PS021 的应变采集电路图,芯片共有两个采集通道,同时采集两点应变值,自带温度测量模块,通过数字 SPI 接口与单片机进行通信。 PS021 具有半桥和全桥两种桥路的连接方法,本系统采用半桥连接的轮换模式,接法如图 5 所示。

图 4 应变采集电路图


应变测量精度的关键是与应变片并联的放电电容的选择。 一般选择 COG/NPO 型电容以达到较高的测量精度。放电电容值需要根据应变电阻值进行选择,放电时间几种规格,根据上式计算得到放电电容值,单位为 μF。


3.2 微控制器 MSP430

图 6 为微控制器模块电路图,主要包括晶振电路以及复位电路等。 MSP430 系列是美国I 公司推出的 16 位超低功耗混合信号处理器[7]。本系统选取的 MSP430F149 具有 5 种低功耗模式以及丰富的外围模块。包括 6 组 I/O 模块、精密模拟比较器, 2 组频率可达 8MHz 的时钟模块为系统通信提供时钟频率, 1 个 FLASH 存储模块以及 8 路 12 位 AD 转换通道。MSP430 提供可实现同步和异步的 USART 通信模块

图 6 微控制器电路图




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