劉志平 萬 當

(武漢理工大學物流工程學院 武漢 430063)

港口起重機械其金屬結(jié)構(gòu)每次循環(huán)均處于反復制動的交變動載荷作用,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械結(jié)構(gòu)失效總數(shù)的95%,它的破壞可造成災難性的后果.

基于關(guān)鍵受力點應變測試是港口機械金屬結(jié)構(gòu)狀態(tài)檢測的常用方法.采用靜動態(tài)應變儀的有線檢測法具有性能成熟、可靠性好等優(yōu)點,是港機結(jié)構(gòu)應力檢測的主要手段.但上述方法采用導線傳輸信號也具有明顯的弊端,主要表現(xiàn)在:(1)檢測時間長,長期的實踐檢測表明,傳輸導線的布線和拆線約占結(jié)構(gòu)狀態(tài)檢測時間的50%以上.在繁忙的港口日常工作下,檢測時間常制約了檢測工作的安排和檢測效果;(2)檢測干擾大,傳輸導線不可避免地受到各種電磁干擾,導線的長度、環(huán)境溫度的變化也會對檢測精度產(chǎn)生干擾.(3)檢測成本高,勞動強度大.

研究港口機械金屬結(jié)構(gòu)應力的無線遙測方法,對于提高檢測效率、減少勞動強度等具有重要的研究意義.本文針對檢測其特點,研究了一種低功耗無線應變檢測系統(tǒng)及其應用.

1 港口起重機械無線應變檢測系統(tǒng)

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

圖1 無線應變檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

與其他傳感器網(wǎng)絡相比,典型的港口起重機械結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)的無線應變節(jié)點數(shù)目小于128,節(jié)點布置位置基本固定(分散于整個金屬結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵受力部位),無線應變節(jié)點與基站節(jié)點間距一般小于100 m,結(jié)構(gòu)動態(tài)應變信號頻率不大于10 Hz,對于一次性檢測而言,單次工作時間一般均不超過8 h.針對以上特點,本文選型和設計了相應的硬件和軟件.其中無線應變節(jié)點的設計是整個系統(tǒng)設計的核心.

無線應變節(jié)點包括應變橋路及應變調(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,主要功能是實現(xiàn)應變信號的放大濾波、數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)的無線收發(fā)等.無線應變節(jié)點的結(jié)構(gòu)及外形如圖2所示.

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

圖2 無線應變結(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,適合本系統(tǒng)低功耗、數(shù)據(jù)采集與存儲等需求.

由于無線應變節(jié)點的絕大部分能量(80%～90%)將消耗在無線通信單元上,節(jié)點間的通信也是無線傳感器網(wǎng)絡中的最關(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.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鐘和片選信號,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.

由于無線應變傳感器節(jié)點分散于整個金屬結(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),假設無線應變節(jié)點一直處于最大功耗的RX狀態(tài),則其理論最大工作時間 t為 119～134 h.

圖3 CC2420與MSP430接口

若采用本系統(tǒng)進行長時間的應力監(jiān)測,則需要采用合理的監(jiān)測方案和功耗管理模式.由于起重機械金屬結(jié)構(gòu)的變化是緩慢的,實行24 h監(jiān)測有意義但并非必要,因此可以采取每天監(jiān)測1 h的監(jiān)測方案,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間理論上延長至3個月左右.

2 實 驗

2.1 實驗室靜態(tài)應力測試

測試環(huán)境.實驗室內(nèi),節(jié)點與基站間無障礙;通道數(shù):4通道;

應變片接法.4通道工作片(120Ω)布于等強度梁,分別與補償片一起構(gòu)成半橋工作方式.測試結(jié)果如表1所列.

2.2 起重機應力動態(tài)測試結(jié)果

表1 靜態(tài)測試結(jié)果

為測試該無線系統(tǒng)的可靠性,采用有線動態(tài)應變儀在某港口MG40/16-40門式起重機上進行比較試驗.測點A和測點B的位置如圖4所示.測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、下降制動,最后返回原地.基站節(jié)點與應變節(jié)點的最大可視距離約為50 m.有線動態(tài)應變儀采用江蘇東華測試公司的DH5923,采樣頻率設為30 S/s.測點測試曲線如圖5所示,應力最大值處的最大相對誤差為5.3%.結(jié)果表明,采用該無線測試系統(tǒng)能夠有效進行港口起重機械的金屬結(jié)構(gòu)動載應力測試.

圖4 測點布置圖

圖5 動態(tài)測試效果比較

2.3 試驗結(jié)果分析

上述試驗結(jié)果表明,該無線測試系統(tǒng)在靜態(tài)測試和起重機金屬結(jié)構(gòu)動態(tài)應力測試應用效果良好.

在試驗過程中,影響測試結(jié)果的因素很多,主要包括外部干擾(如電磁干擾、應變片引出導線與應變節(jié)點的連接方式等)、應變節(jié)點與基站節(jié)點間障礙物情況以及測試距離等,現(xiàn)場應用中采用合適的處理方案(如將應變節(jié)點與應變片之間的導線延長,使節(jié)點位于基站節(jié)點的可視范圍)和信號分析方法(如數(shù)字濾波處理)等,對于測試結(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)絡的起重機金屬結(jié)構(gòu)應力測試系統(tǒng),試驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠基本滿足測試精度要求,可以大量節(jié)省檢測時間、降低檢測成本,減輕勞動強度,對于港口起重機械金屬結(jié)構(gòu)安全保護的價值明顯.

[1]喻 言,歐進萍.結(jié)構(gòu)無線應變傳感器設計、制作與測試[J].電子器件,2005,28(3):461-465.

[2]劉小貞.起重機應力狀態(tài)監(jiān)測的無線檢測系統(tǒng)[J].起重運輸機械,2008(1):36-38.

[3]沈建華.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004.

[4]王秀梅.利用2.4 GHz射頻芯片CC2420實現(xiàn)ZigBee無線通信設計[J].國外電子元器件,2005(3):59-62.

[5]林少鋒.基于CC2420的ZigBee無線網(wǎng)絡節(jié)點設計[J].電子設計工程,2009,17(3):66-68.