基于时间数字转换技术的起重机应变监测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于时间数字转换技术的起重机应变监测方法，利用时间数字转换技术采集应变，结合倾角传感器以及轨迹追踪传感器采集到的倾角以及加速度数据，一并发送至微控制器，微控制器经由3G模块将数据传输至远程监测端。远程监测端主要实现对起重机性能进行分析，包括通过雨流计数法估算剩余疲劳寿命，测试起重机变形以及空间轨迹追踪。与现有方法相比，本发明专利技术采用时间变化量代替应变片电阻变化量的方式测量应变，无需额外AD转换电路，降低系统功耗，通过3G方式传输数据，不受距离限制，同时对数据进行算法分析，实时监测起重机的受力与变形情况，保证起重机安全运行。

【技术实现步骤摘要】
基于时间数字转换技术的起重机应变监测方法
本专利技术属于起重机运行状态监测领域，涉及一种能够实现对起重机应变、倾角以及空间轨迹等状态进行监测的方法。
技术介绍
起重机是指在一定空间范围内垂直提升和水平搬运重物的多动作起重机械。目前，起重机作为一种搬运机械，广泛运用于港口、建筑工地以及工矿企业等。随着起重机械在国民生产中发挥着愈发重要的作用，对起重机状态的监测也越来越引起大家的关注。起重机工作的最大特点就是做间歇性运动，即在一个工作循环中取料、运移、卸载等动作的相应机构是交替工作。在起重机的交替循环运行中，起重机可能会出现应力疲劳、刚度不足的情况，而应力应变往往作为大型机械结构强度最重要的评价指标，因此对应力应变进行在线监测具有非常重大的意义。其次，起重机械悬臂梁承受应力状态复杂，测量起重机的变形能更立体的对起重机做出安全评估。另外，一些门座式起重机存在周向转动的情况，所以也需要对起重机载荷端空间位移进行轨迹追踪。应力应变监测已经有了一定的发展，但是传统的应力应变监测方式存在诸多弊端，不仅布线繁琐、电路复杂，而且只能在数据结果出来后进行分析，不能达到实时监控的目的。另外起重机的数据不能远距离传输，操作人员也不能在操作间实时的了解到起重机的运行状况。起重机属于特种设备的一种，一旦出现故障，会对国民生产产生不可估量的影响，所以对起重机安全监察非常重要。目前，普遍采用的对起重机的监管方式是专人定期检验，既达不到实时监测的目的又耗费了大量人力。另外对于特种设备的监管，其运行状态需要进行存档方便以后查看，所以采取最新的无线监测系统，能够做到实时监测，也能对其运行数据进行有效保存。
技术实现思路
技术问题：本专利技术提供一种基于时间数字转换技术的起重机应变监测方法。技术方案：本专利技术的基于时间数字转换技术的起重机应变监测方法，包括以下步骤：1)将应变半桥的两个电阻应变片对称粘贴于起重机悬臂梁中点的上下两面，与两个电阻应变片并联的陶瓷电容焊接在与应变半桥连接的数据采集器上；2)在应变采样时间内以T为周期采集n个应变数据，并按照如下方式遍历所述的n个应变数据，得到应变数据{ε1,ε2,ε3,ε...εn-1,εn}：所述数据采集器分别采集陶瓷电容一个周期T内在两个电阻应变片上的充放电时间间隔t1、t2；然后根据时间t1、t2以及公式计算出应变值ε，其中K为电阻应变片灵敏度系数，n为应变采样时间内采集的应变数据个数；3)利用雨流计数法处理所述应变数据{ε1,ε2,ε3,ε...εn-1,εn}，得到起重机应变-时间历程的幅值谱Sa{Sa1,Sa2,Sa...Saj-1,Saj}和均值谱Sm{Sm1,Sm2,Sm...Smk-1,Smk}，其中j为幅值谱幅值个数，k为均值谱均值个数；4)通过Miner损伤累计理论得到起重机的疲劳损伤度D，以应变采样时间为单位时间，进而计算得到所述起重机已使用寿命1/D和起重机剩余疲劳寿命(1-1/D)*D。进一步的，本专利技术方法中，步骤3)中雨流计数法的处理步骤依次为：峰谷值检测，调整数据个数调整为偶数，数据对接，提取应力循环并记录循环次数。本专利技术利用TDC(时间数字转换技术)采集应变，电流输出降低，降低系统电流功耗，省去AD转换电路，节约硬件开发成本。同时利用SCA103T传感器获取起重机倾角，测试悬臂梁变形，以及采用MEMS技术进行轨迹追踪。数据采集完毕后，经由同一块微控制器MSP430F149统一发送至无线模块。为了在传输上不受空间距离的限制，选取3G模块MU509-b。根据起重机监测方法的功能需求，方法的主要流程为：读取电容充放电时间、对时间进行标定、时间转换为应变、应变无线传输至远程监测端、雨流计数法估算起重机剩余疲劳寿命。本专利技术中远程监测端作为服务器与3G模块通过TCP/IP协议进行通信，联网成功后，除了应变数据，还需要接收倾角以及加速度数据。同时，远程监测端需要测试起重机的变形以及空间轨迹追踪。有益效果：本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：根据本专利技术提出的方法所搭建的电路，不需要对应变电桥额外供电，同时也省去了滤波、A/D采样等环节，大大降低了电路的复杂性，也节约了硬件开发成本。根据本专利技术提出的方法所搭建的电路功耗较低，整个电路电流消耗控制在15μA左右，远远低于常见应变检测的毫安级。本专利技术所提出的方法选取陶瓷电容作为检测对象，其受温度影响小，充放电精度高，保证系统稳定性好，时间测量精度高。附图说明图1是基于时间数字转换技术的起重机应变监测方法整体流程图。图2是起重机悬臂梁受力简图。图3是起重机应力检测原理图。图4是对起重机载荷端空间坐标系和绝对坐标系。具体实施方式下面结合实施例和说明书附图对本专利技术作进一步的说明。在图1中，充放电电容选用稳定性较高的陶瓷电容，可以提高时间获取的精度。电容充放电时间公式为：Vlow电压下限，Vhigh为电压上限，R为应变电阻阻值，C为陶瓷电容值。陶瓷电容会分别在半桥的两个应变电阻上进行充放电的过程。应变标定公式为：t1、t2分别为两个应变充放电时间，K为电阻敏感系数。远程监测端首先通过雨流计数法获取应力数据的二维应力谱。雨流计数法的一般步骤是：峰谷值检测，调整数据个数为偶数，提取应力循环并记录循环次数。本专利技术提出的方法对雨流计数法进行了一些改进，在提取应力循环之前进行了数据对接。数据对接的对象为已经调整为偶数个数的应力——时间历程。在其绝对值最大点处截开，然后进行首尾对接，变成只进行一次雨流计数即可完成的全封闭数据。假设偶数个数的应力——时间历程为{A(1),A(2)...A(N-1),A(N)}，N为应力数据个数，则数据对接的步骤为：(1)遍历N个应力数据，找到绝对值最大值，设为m＝A(i)，m为最大值，i为m在应力——时间历程中的位置；(2)将A(i)前后的数据进行位置互换，得到新的应力——时间历程为{A(i),A(i+1)...A(N),A(1),A(2)...A(i)}。A(i),A(i+1)...A(N),A(1),A(2)...A(i)作为新的应力——时间历程进行二维应力谱的提取。通过Miner损伤累计理论对二维应力谱进行分析，可以得到起重机的疲劳损伤度。Miner疲劳累计损伤理论认为，每个应力循环下的疲劳损伤是独立的，总损伤等于每个循环下的损伤之和。在Miner损伤理论中，运用到p-S-N公式，即存活率为p的情况下，起重机的应力与循环次数的关系。一般p-S-N公式有如下形式logNp＝ap+bplog(σ-1)。ap、bp为系数，可以通过手册查询，σ-1为循环特性R＝-1时的疲劳极限，可以通过Goodman图获得。则求解疲劳损伤度步骤为：(1)根据(σRm、σRa即为上述求得二维应力谱的应力幅值和应力均值，σb为起重机材料的抗拉强度，查表可得)，可以得到σ-1；(2)上述σ-1代入p-S-N公式，可以得到不同应力幅值和应力均值对应的循环次数，假设第i个应力幅值σRmi，第j个应力均值σRaj，求得循环次数记为Nij；(3)在上述雨流计数法中，获得二维应力谱的同时，也记录下每组应力谱所对应的循环次数，同样的对于第i个应力幅值，第j个应力均值，对应的循环次数记为nij；(4)对于第i个应力幅值、第j个应力均值构成的循环，造成的结构损伤度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于时间数字转换技术的起重机应变监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)将应变半桥的两个电阻应变片对称粘贴于起重机悬臂梁中点的上下两面，与两个电阻应变片并联的陶瓷电容焊接在与应变半桥连接的数据采集器上；2)在应变采样时间内以T为周期采集n个应变数据，并按照如下方式遍历所述的n个应变数据，得到应变数据{ε1,ε2,ε3,ε...εn‑1,εn}：所述数据采集器分别采集陶瓷电容一个周期T内在两个电阻应变片上的充放电时间间隔t1、t2；然后根据时间t1、t2以及公式

【技术特征摘要】
1.一种基于时间数字转换技术的起重机应变监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)将应变半桥的两个电阻应变片对称粘贴于起重机悬臂梁中点的上下两面，与两个电阻应变片并联的陶瓷电容焊接在与应变半桥连接的数据采集器上；2)在应变采样时间内以T为周期采集n个应变数据，并按照如下方式遍历所述的n个应变数据，得到应变数据{ε1,ε2,ε3,ε...εn-1,εn}：所述数据采集器分别采集陶瓷电容一个周期T内在两个电阻应变片上的充放电时间间隔t1、t2；然后根据时间t1、t2以及公式计算出应变值ε，其中K为电阻应变片灵敏度系数，n为应变采样时间内采集的应变数据个数；3)利用雨流计数法处理所述应变数...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄凯，许建芹，张一辉，曹亚琪，许飞云，胡建中，贾民平，
申请(专利权)人：江苏省特种设备安全监督检验研究院，东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32