李 響，姜秀柱

(中國礦業(yè)大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院，江蘇 徐州221116)

0 引 言

起重機(jī)是大型機(jī)械設(shè)備，具有大車、小車、吊鉤等多個運(yùn)動機(jī)構(gòu)，每個機(jī)構(gòu)上都有電動機(jī)、減速機(jī)、制動器等多種傳動設(shè)備。起重機(jī)的能效就是總的輸出功(或功率)對總的輸入功(或功率)的比值。起重機(jī)的輸出功率則為負(fù)載被吊起搬移過程中各移動機(jī)構(gòu)共同輸出的機(jī)械功率。

機(jī)械功率與運(yùn)動速度有關(guān)，要獲得負(fù)載被搬遷過程中的機(jī)械功率，就要測量負(fù)載被搬遷過程中的運(yùn)動速度。

起重機(jī)在運(yùn)行的過程中具有速度大小和方向變化無規(guī)律，點(diǎn)動過程速度變化大，起升設(shè)備在提升重物的過程中設(shè)備和重物擺動，有線設(shè)備直接測量難以操作等特點(diǎn)。傳統(tǒng)方式中少有使用測量速度的方式檢測起重機(jī)的輸出功率，因此，利用ADXL335 加速度型傳感器來間接地測量起重機(jī)負(fù)載的移動速度，是一種新型的檢測起重機(jī)輸出功率的方式。

在GB/T 22414—2008［1］中，通過測量每一個階段起重機(jī)的運(yùn)動位移和所需的時間求得單個過程的平均速度，繼而求得整個過程的平均速度的方法來測量起重機(jī)的運(yùn)動速度。此種方法求得的是平均速度，無法將此用于測量起重機(jī)的機(jī)械輸出。

蔣劍鋒等人［2］通過在機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)軸上增加技術(shù)齒輪，然后通過光電開關(guān)感應(yīng)產(chǎn)生脈沖信號的方式來測量起重機(jī)設(shè)備的速度和位置信息。這種方法結(jié)構(gòu)簡單，但是需要將其安裝在起重機(jī)中，安裝麻煩。

在市場上還存在編碼器測速和速度繼電器測速等多種測量速度的方式［3］，但適用于在設(shè)計、制造對設(shè)備進(jìn)行檢測;而在成型的設(shè)備中，需要對機(jī)械進(jìn)行拆裝，要安裝這些設(shè)備就造成了極大的麻煩。

綜上，傳統(tǒng)的各種測量速度的方式都不適用于測量起重機(jī)的機(jī)械輸出而需要的速度(瞬時)的要求，本文提出的利用加速度傳感器來測量起重機(jī)的實(shí)時速度的方式將有效地解決此等問題，同時方便起重機(jī)械生產(chǎn)單位對設(shè)備出廠的檢驗。

1 模擬加速度傳感器ADXL335

1.1 ADXL335 的組成與原理

本文采用的無線速度傳感器是基于模擬加速度傳感器ADXL335 構(gòu)成的。ADXL335 是美國模擬器件公司(ADI)于2009 年推出的一種帶有信號調(diào)理的高精度模擬三軸加速度傳感器，其滿量程加速度測量范圍為±3 gn，可用于測量傾斜檢測應(yīng)用中的靜態(tài)重力加速度，以及運(yùn)動、沖擊或振動導(dǎo)致的動態(tài)加速度［4］。

圖1 為ADXL335 加速度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。ADXL335 利用內(nèi)部的多晶硅微加工制作的微傳感器感應(yīng)三維的加速度。當(dāng)加速度存在時，傳感器中的多晶硅結(jié)構(gòu)的偏移導(dǎo)致差動電容器的電容值發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致積分電路中輸出的模擬電壓也發(fā)生線性變化，最終在Xout，Yout和Zout三個管腳分別輸出三個微小的模擬電壓值。然后AC初步放大、DEMOD 解調(diào)處理、再輸出放大，經(jīng)過RC 低通濾波，最后輸出與三軸加速度呈正比的三路模擬電壓信號［5］。

圖1 ADXL335 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Inner structure of diagram of ADXL335

1.2 ADXL335 防噪濾波電容器設(shè)計

在ADXL335 的原理圖中存在CX，CY和CZ這樣三只電容器，通過手冊說明，可以利用這三只電容器為傳感器設(shè)置一只低通濾波傳感器。在起重機(jī)現(xiàn)場中被測結(jié)構(gòu)的基頻都在12 Hz 以下，因此，在Xout，Yout和Zout各管腳各設(shè)置一只0.1 μF的電容器，對應(yīng)的帶寬則為50 Hz，這將有效地降低傳感器在測量過程中的噪聲干擾。

1.3 ADXL335 在速度檢測中的應(yīng)用

ADXL335 型加速度傳感器可用于對成本敏感的低功耗運(yùn)動和傾斜檢測應(yīng)用，也可用于移動設(shè)備，游戲系統(tǒng)，磁盤驅(qū)動保護(hù)，圖像穩(wěn)定以及運(yùn)動和保健器材［5］?？捎糜陂g接地測量物體在運(yùn)動過程中的速度，其測量速度的應(yīng)用十分廣泛。例如:可用于測量遠(yuǎn)距離輸電電纜的舞動速度［6］、人體的運(yùn)動狀態(tài)的速度［7，8］，車輛在運(yùn)行過程中的速度，電機(jī)在轉(zhuǎn)動過程中的速度等。將ADXL335 用于起重機(jī)負(fù)載移動速度的測量尚不多見。

2 ADXL335 的輸出數(shù)據(jù)分析

2.1 ADXL335 靜止時輸出數(shù)據(jù)與分析

ADXL335 是對環(huán)境十分敏感的器件，在靜態(tài)不運(yùn)動狀態(tài)下具有零點(diǎn)輸出，且零點(diǎn)輸出隨不同的安裝方向而不同。其標(biāo)準(zhǔn)安裝位置是使Z 軸輸出1 gn值，方向垂直向下，輸出電壓1.2 V，其他兩軸輸出為0 gn(1.5 V)。但是由于傳感器本身存在0 gn偏置的問題，因此，輸出的標(biāo)準(zhǔn)值總是波動存在的。

圖2 是將ADXL335 標(biāo)準(zhǔn)安裝正面向上，水平放置下測得的靜態(tài)三維加速度零點(diǎn)輸出波動。

圖2 ADXL335 靜止時電壓偏置圖Fig 2 Graph of voltage offset when ADXL335 is static

要研究0 gn偏置的情況，因此，將相鄰的兩個0 gn值求絕對差。下面分別得到三軸上相鄰數(shù)據(jù)的絕對差折線圖，如圖3～圖5 所示。

圖3 X 軸方向相鄰數(shù)據(jù)絕對差折線圖Fig 3 Line graph of absolute difference of neighbor data in X axis

圖4 Y 軸方向相鄰數(shù)據(jù)絕對差折線圖Fig 4 Line graph of absolute difference of neighbor data in Y axis

圖5 Z 軸方向相鄰數(shù)據(jù)絕對差折線圖Fig 5 Line graph of absolute difference of neighbor data in Z axis

通過對多組數(shù)據(jù)的探測分別得到三軸方向相鄰電壓的絕對差值的變化范圍分別為X［0.015，0.000 3］，Y［0.015，0.0003］，Z［0.0132，0.0003］。因此，可以將此組數(shù)據(jù)作為閾值以判斷運(yùn)動的物體在單個方向上是否存在加速度的變化。

2.2 ADXL335 運(yùn)動時輸出數(shù)據(jù)與分析

ADXL335 加速度傳感器在運(yùn)動的時候，三軸上的加速度值隨運(yùn)動的變化而變化，如圖6 所示。

圖6 ADXL335 運(yùn)動時電壓偏置圖Fig 6 Graph of voltage offset when ADXL335 is runing

在圖6 中可以看到:剛開始的時候，傳感器做相對平穩(wěn)的前進(jìn)，加速度值基本不變;接著傳感器進(jìn)行強(qiáng)烈的變加速和變加速等復(fù)雜運(yùn)動;又接著進(jìn)行了一段相對平穩(wěn)的前進(jìn)，中間參雜一些變加減速運(yùn)動。由此可判斷出該傳感器能夠有效地反映物體的運(yùn)動狀態(tài)。

ADXL335 型加速度傳感器輸出的加速度數(shù)據(jù)為連續(xù)的模擬電壓，本文通過集成單片機(jī)CC2430 中的A/D 轉(zhuǎn)換接口模塊將該模擬電壓值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)，在單片機(jī)CC2430 中完成相關(guān)計算后，再通過CC2430 中的Zig Bee 無線傳輸接口模塊，傳到上位機(jī)。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀格式如圖7所示。幀的第1 個字節(jié)表示節(jié)點(diǎn)號，起標(biāo)識作用;第2 個字節(jié)表示數(shù)據(jù)的個數(shù);第3～10 共8 個字節(jié)分別用兩兩字節(jié)來表示1～4 個數(shù)據(jù)通道，用于傳輸三維方向的加速度數(shù)據(jù)和該加速度獲取時的時間戳;最后一個字表示數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)志。通道順序和對應(yīng)加速度方向的關(guān)系是:通道1 傳輸X軸加速度值，通道2 傳輸Y 軸加速度值，通道3 傳輸Z 軸加速度值，通道4 傳輸采集時的時間點(diǎn)，即時間戳數(shù)據(jù)。時間戳數(shù)據(jù)的變化范圍為［0，655 35］，將每次獲得的時間戳值與上一次獲得的時間戳值相減以獲取單位運(yùn)動時間。

圖7 傳輸協(xié)議幀格式圖Fig 7 Diagram of format of transmission protocol frame

ADXL335 采集的數(shù)據(jù)為實(shí)際的電壓值，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換，不能直接作為實(shí)際的加速度值使用，因此，根據(jù)ADXL335 電壓每增加300 mV，g 值加1 的特性，由下列公式計算得到實(shí)際的加速度值

式中 Vr為經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換后實(shí)際采集的電壓值;V0為經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換后當(dāng)加速度傳感器靜止時的電壓值;αAD為實(shí)際電壓A/D 轉(zhuǎn)換系數(shù)的倒數(shù)，CC2430 做A/D 轉(zhuǎn)換時的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是3 V 的電壓代表十進(jìn)制數(shù)8 192，因此，aAD的典型值為3/8 19 2;br為ADXL335 加速度傳感器的變比系數(shù)，即300 mV/gn;α0為加速度的零點(diǎn)偏置值。

經(jīng)過以上的計算得到了實(shí)際的瞬時加速度值。下面繼續(xù)說明如何求得起重機(jī)運(yùn)動的實(shí)際速度值。由式(2)

可知，在一段時間內(nèi)，物體的速度等于t2時刻的速度加上在這段時間內(nèi)速度的變化，那么，任意時刻物體的速度vi就等于

用求和公式表達(dá)為

由公式分別求得X 軸、Y 軸和Z 軸上的速度vx，vy，vz后，進(jìn)行速度的合成，得到合成后的速度

3 基于加速度檢測的起重機(jī)用無線速度傳感器實(shí)測數(shù)據(jù)

3.1 實(shí)測環(huán)境

起重機(jī)的速度的測試環(huán)境應(yīng)該在相應(yīng)產(chǎn)品規(guī)定的工作條件下進(jìn)行測試，且應(yīng)滿足下列要求:

1)風(fēng)速應(yīng)小于3 m/s;

2)測試載荷質(zhì)量與規(guī)定值的偏差不應(yīng)大于5%，仲裁檢驗時偏差不應(yīng)大于±1%，測試載荷質(zhì)量的精度為±1%;

3)供電系統(tǒng)在起重機(jī)饋線接入處的電壓波動不應(yīng)超過額定值的±10%;三相電壓不平衡率不應(yīng)大于1.5%;

4)起升和下降的實(shí)際測試高度與規(guī)定值的偏差不應(yīng)大于±5%，仲裁檢驗時偏差不應(yīng)大于±1%，測量精度不應(yīng)小于0.01 m。

3.2 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

將傳感器綁定于QD 型75/20 t 通用電動吊鉤橋式起重機(jī)的主起升設(shè)備中，起升設(shè)備的掛鉤中帶有16 t 重的載荷(國標(biāo)要求載荷必須為自重的80%)，起重機(jī)根據(jù)國標(biāo)要求運(yùn)行一個周期的基本運(yùn)行軌跡如圖8 所示，測試的數(shù)據(jù)如圖9。

如上圖9 所示為起重機(jī)運(yùn)行時X 軸、Y 軸和Z 軸方向的分速度。從啟動開始，起重機(jī)的啟動速度基本趨于零，然后速度平穩(wěn)的增加，平穩(wěn)時的速度達(dá)到0.61 m/s 左右，QD型75/20t 通用電動吊鉤橋式起重機(jī)的小車運(yùn)行速度規(guī)格為38.4 m/min，合成后的速度約為0.64 m/s，由此可知速度的偏差值在可接受的范圍內(nèi)。

圖8 起重機(jī)周期運(yùn)行示意圖Fig 8 Diagram of periodic duty of crane

圖9 三軸方向速度折線圖Fig 9 Line graph of velocity at 3-axis

X 軸方向速度值偏大且波動變化，原因是起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)沿著接近ADXL335 傳感器敏感度軸的X 方向運(yùn)動，并且速度不斷增加;Y 軸方向基本平穩(wěn)，波動幅度偏小，原因是起重機(jī)在敏感度軸的Y 方向基本沒有運(yùn)動或運(yùn)動幅度偏小;Z 軸方向速度變化稍大，有負(fù)值，原因是起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)不僅沿著敏感度軸的X 方向運(yùn)動，并且沿著Z 軸方向在上升，負(fù)值出現(xiàn)的原因是由于起升設(shè)備提升重物時的擺動，導(dǎo)致重力勢能的值時高時低。

與圖9 不同，圖10 表示合成的三軸方向的速度值。觀察可知，和三軸方向的速度值基本趨于一致，由平穩(wěn)到加速運(yùn)動的一個過程。

圖10 合成速度折線圖Fig 10 Line graph of compound velocity

4 結(jié) 論

通過以上的分析和實(shí)驗，利用ADXL335 三維加速度集成電路和CC2430 芯片，本文設(shè)計了一個實(shí)現(xiàn)無線傳輸?shù)募铀俣葌鞲衅鳎⑼ㄟ^上位機(jī)軟件的設(shè)計實(shí)現(xiàn)了基于加速度測量的速度的計算。為起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的速度檢測和輸出機(jī)械功率的計算提供了有效的手段。

［1］ GB/T 22414—2008 起重機(jī)速度和時間參數(shù)的測量［S］.

［2］ 蔣劍鋒，陸紀(jì)法.橋式起重機(jī)位置和速度測量裝置的研發(fā)及應(yīng)用［J］.裝備制造技術(shù)，2011(3):157－158.

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［5］ ADXL335 中文手冊［Z］.

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