港口機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)無線應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)研究

劉志平 萬 當(dāng)

(武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院 武漢 430063)

港口起重機(jī)械其金屬結(jié)構(gòu)每次循環(huán)均處于反復(fù)制動(dòng)的交變動(dòng)載荷作用,承受沖擊載荷大,金屬結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂事故占港口起重機(jī)械結(jié)構(gòu)失效總數(shù)的95%,它的破壞可造成災(zāi)難性的后果.

基于關(guān)鍵受力點(diǎn)應(yīng)變測(cè)試是港口機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)狀態(tài)檢測(cè)的常用方法.采用靜動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的有線檢測(cè)法具有性能成熟、可靠性好等優(yōu)點(diǎn),是港機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測(cè)的主要手段.但上述方法采用導(dǎo)線傳輸信號(hào)也具有明顯的弊端,主要表現(xiàn)在:(1)檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng),長(zhǎng)期的實(shí)踐檢測(cè)表明,傳輸導(dǎo)線的布線和拆線約占結(jié)構(gòu)狀態(tài)檢測(cè)時(shí)間的50%以上.在繁忙的港口日常工作下,檢測(cè)時(shí)間常制約了檢測(cè)工作的安排和檢測(cè)效果;(2)檢測(cè)干擾大,傳輸導(dǎo)線不可避免地受到各種電磁干擾,導(dǎo)線的長(zhǎng)度、環(huán)境溫度的變化也會(huì)對(duì)檢測(cè)精度產(chǎn)生干擾.(3)檢測(cè)成本高,勞動(dòng)強(qiáng)度大.

研究港口機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力的無線遙測(cè)方法,對(duì)于提高檢測(cè)效率、減少勞動(dòng)強(qiáng)度等具有重要的研究意義.本文針對(duì)檢測(cè)其特點(diǎn),研究了一種低功耗無線應(yīng)變檢測(cè)系統(tǒng)及其應(yīng)用.

1 港口起重機(jī)械無線應(yīng)變檢測(cè)系統(tǒng)

無線應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1-2]采用基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò),主要由電阻式應(yīng)變計(jì)、無線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)、基站節(jié)點(diǎn)、無線通信模塊和測(cè)試主機(jī)等部分組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 無線應(yīng)變檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

與其他傳感器網(wǎng)絡(luò)相比,典型的港口起重機(jī)械結(jié)構(gòu)測(cè)試系統(tǒng)的無線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)數(shù)目小于128,節(jié)點(diǎn)布置位置基本固定(分散于整個(gè)金屬結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵受力部位),無線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)與基站節(jié)點(diǎn)間距一般小于100 m,結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)頻率不大于10 Hz,對(duì)于一次性檢測(cè)而言,單次工作時(shí)間一般均不超過8 h.針對(duì)以上特點(diǎn),本文選型和設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件和軟件.其中無線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心.

無線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)包括應(yīng)變橋路及應(yīng)變調(diào)理單元、數(shù)據(jù)采集與處理單元、無線通信單元和電源單元,主要功能是實(shí)現(xiàn)應(yīng)變信號(hào)的放大濾波、數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)的無線收發(fā)等.無線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)及外形如圖2所示.

應(yīng)變橋路選用120Ω高精度配橋電阻,可組建全橋、半橋或1/4橋等橋路;信號(hào)調(diào)理單元采用高性能的直流應(yīng)變放大器,適用于弱電壓信號(hào)的穩(wěn)定放大,具有噪聲低、線性好等特點(diǎn).

圖2 無線應(yīng)變結(jié)構(gòu)圖

處理器選用TI公司的MSP430F149[3],該傳感器具有低電壓供電(1.8～3.6 V)、超低功耗(2.5μA@4 k Hz,2.2 V;280 μA@1 MHz,2.2 V)、5種節(jié)電模式(等待方式 1.6μA,RAM 保持方式0.1μA)、自帶 ADC(8通道、12 b,200 kS/s)、60 k B FLASH ROM 和2KB RAM 以及內(nèi)置溫度傳感器等優(yōu)點(diǎn),適合本系統(tǒng)低功耗、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)等需求.

由于無線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)的絕大部分能量(80%～90%)將消耗在無線通信單元上,節(jié)點(diǎn)間的通信也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的最關(guān)鍵技術(shù),因此選擇合適的射頻芯片非常重要.本系統(tǒng)選用Chipcon公司的CC2420芯片,該芯片工作于2.4 GHz頻段,采用直接序列擴(kuò)頻(DSSS)調(diào)制解調(diào),屬于符合IEEE802.15.4的高集成度工業(yè)用射頻收發(fā)器,只需晶體振蕩器及負(fù)載電容、輸入/輸出匹配元件和電源去耦電容等很少的外部元件即可正常工作,性能穩(wěn)定,開發(fā)成本低[4-5].CC2420還具有功耗小(RX:18.8 mA,TX:17.4 mA)、組網(wǎng)靈活等特點(diǎn).CC2420與處理器MSP430F149間采用主從模式連接,CC2420為從模式,通過SPI接口接受來自處理器的時(shí)鐘和片選信號(hào),并在處理器的控制下執(zhí)行輸入輸出操作.接口電路如圖3所示.

由于無線應(yīng)變傳感器節(jié)點(diǎn)分散于整個(gè)金屬結(jié)構(gòu),因此電源模塊采用電池供電.系統(tǒng)采用可充電的鋰電池(+3.7 V,2 800 mAh),假設(shè)無線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)一直處于最大功耗的RX狀態(tài),則其理論最大工作時(shí)間 t為 119～134 h.

圖3 CC2420與MSP430接口

若采用本系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)力監(jiān)測(cè),則需要采用合理的監(jiān)測(cè)方案和功耗管理模式.由于起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)的變化是緩慢的,實(shí)行24 h監(jiān)測(cè)有意義但并非必要,因此可以采取每天監(jiān)測(cè)1 h的監(jiān)測(cè)方案,在工作間隙,讓CC2420和MSP430均處于處于休眠狀態(tài),則電源模塊單次工作時(shí)間理論上延長(zhǎng)至3個(gè)月左右.

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)應(yīng)力測(cè)試

測(cè)試環(huán)境.實(shí)驗(yàn)室內(nèi),節(jié)點(diǎn)與基站間無障礙;通道數(shù):4通道;

應(yīng)變片接法.4通道工作片(120Ω)布于等強(qiáng)度梁,分別與補(bǔ)償片一起構(gòu)成半橋工作方式.測(cè)試結(jié)果如表1所列.

2.2 起重機(jī)應(yīng)力動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果

表1 靜態(tài)測(cè)試結(jié)果

為測(cè)試該無線系統(tǒng)的可靠性,采用有線動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀在某港口MG40/16-40門式起重機(jī)上進(jìn)行比較試驗(yàn).測(cè)點(diǎn)A和測(cè)點(diǎn)B的位置如圖4所示.測(cè)試工況為額定起重載荷下,起重小車從剛性門腿內(nèi)側(cè)分別運(yùn)行到剛性腿一側(cè)主梁端部,主梁跨中、以及柔性腿一側(cè)主梁端部等位置做上升制動(dòng)、下降制動(dòng),最后返回原地.基站節(jié)點(diǎn)與應(yīng)變節(jié)點(diǎn)的最大可視距離約為50 m.有線動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采用江蘇東華測(cè)試公司的DH5923,采樣頻率設(shè)為30 S/s.測(cè)點(diǎn)測(cè)試曲線如圖5所示,應(yīng)力最大值處的最大相對(duì)誤差為5.3%.結(jié)果表明,采用該無線測(cè)試系統(tǒng)能夠有效進(jìn)行港口起重機(jī)械的金屬結(jié)構(gòu)動(dòng)載應(yīng)力測(cè)試.

圖4 測(cè)點(diǎn)布置圖

圖5 動(dòng)態(tài)測(cè)試效果比較

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

上述試驗(yàn)結(jié)果表明,該無線測(cè)試系統(tǒng)在靜態(tài)測(cè)試和起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試應(yīng)用效果良好.

在試驗(yàn)過程中,影響測(cè)試結(jié)果的因素很多,主要包括外部干擾(如電磁干擾、應(yīng)變片引出導(dǎo)線與應(yīng)變節(jié)點(diǎn)的連接方式等)、應(yīng)變節(jié)點(diǎn)與基站節(jié)點(diǎn)間障礙物情況以及測(cè)試距離等,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中采用合適的處理方案(如將應(yīng)變節(jié)點(diǎn)與應(yīng)變片之間的導(dǎo)線延長(zhǎng),使節(jié)點(diǎn)位于基站節(jié)點(diǎn)的可視范圍)和信號(hào)分析方法(如數(shù)字濾波處理)等,對(duì)于測(cè)試結(jié)果的適用性將起到重要的作用.

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)研究了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng),試驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠基本滿足測(cè)試精度要求,可以大量節(jié)省檢測(cè)時(shí)間、降低檢測(cè)成本,減輕勞動(dòng)強(qiáng)度,對(duì)于港口起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)安全保護(hù)的價(jià)值明顯.

[1]喻 言,歐進(jìn)萍.結(jié)構(gòu)無線應(yīng)變傳感器設(shè)計(jì)、制作與測(cè)試[J].電子器件,2005,28(3):461-465.

[2]劉小貞.起重機(jī)應(yīng)力狀態(tài)監(jiān)測(cè)的無線檢測(cè)系統(tǒng)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2008(1):36-38.

[3]沈建華.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[4]王秀梅.利用2.4 GHz射頻芯片CC2420實(shí)現(xiàn)ZigBee無線通信設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子元器件,2005(3):59-62.

[5]林少鋒.基于CC2420的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2009,17(3):66-68.