港口機械金屬結構無線應力檢測系統研究

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構每次循環均處于反復制動的交變動載荷作用,承受沖擊載荷大,金屬結構的疲勞斷裂事故占港口起重機械結構失效總數的95%,它的破壞可造成災難性的后果.

基于關鍵受力點應變測試是港口機械金屬結構狀態檢測的常用方法.采用靜動態應變儀的有線檢測法具有性能成熟、可靠性好等優點,是港機結構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構狀態檢測時間的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、環境溫度的變化也會對檢測精度產生干擾.(3)檢測成本高,勞動強度大.

研究港口機械金屬結構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及其應用.

1 港口起重機械無線應變檢測系統

無線應變監測系統[1-2]采用基于ZigBee無線傳感器網絡,主要由電阻式應變計、無線應變節點、基站節點、無線通信模塊和測試主機等部分組成,其結構如圖1所示.

圖1 無線應變檢測系統結構

與其他傳感器網絡相比,典型的港口起重機械結構測試系統的無線應變節點數目小于128,節點布置位置基本固定(分散于整個金屬結構中的關鍵受力部位),無線應變節點與基站節點間距一般小于100 m,結構動態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.其中無線應變節點的設計是整個系統設計的核心.

無線應變節點包括應變橋路及應變調理單元、數據采集與處理單元、無線通信單元和電源單元,主要功能是實現應變信號的放大濾波、數據采集以及數據的無線收發等.無線應變節點的結構及外形如圖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定放大,具有噪聲低、線性好等特點.

圖2 無線應變結構圖

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 以及內置溫度傳感器等優點,適合本系統低功耗、數據采集與存儲等需求.

由于無線應變節點的絕大部分能量(80%～90%)將消耗在無線通信單元上,節點間的通信也是無線傳感器網絡中的最關鍵技術,因此選擇合適的射頻芯片非常重要.本系統選用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)調制解調,屬于符合IEEE802.15.4的高集成度工業用射頻收發器,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,性能穩定,開發成本低[4-5].CC2420還具有功耗小(RX:18.8 mA,TX:17.4 mA)、組網靈活等特點.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點分散于整個金屬結構,因此電源模塊采用電池供電.系統采用可充電的鋰電池(+3.7 V,2 800 mAh),假設無線應變節點一直處于最大功耗的RX狀態,則其理論最大工作時間 t為 119～134 h.

圖3 CC2420與MSP430接口

若采用本系統進行長時間的應力監測,則需要采用合理的監測方案和功耗管理模式.由于起重機械金屬結構的變化是緩慢的,實行24 h監測有意義但并非必要,因此可以采取每天監測1 h的監測方案,在工作間隙,讓CC2420和MSP430均處于處于休眠狀態,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 實驗室靜態應力測試

測試環境.實驗室內,節點與基站間無障礙;通道數: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成半橋工作方式.測試結果如表1所列.

2.2 起重機應力動態測試結果

表1 靜態測試結果

為測試該無線系統的可靠性,采用有線動態應變儀在某港口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側分別運行到剛性腿一側主梁端部,主梁跨中、以及柔性腿一側主梁端部等位置做上升制動、下降制動,最后返回原地.基站節點與應變節點的最大可視距離約為50 m.有線動態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%.結果表明,采用該無線測試系統能夠有效進行港口起重機械的金屬結構動載應力測試.

圖4 測點布置圖

圖5 動態測試效果比較

2.3 試驗結果分析

上述試驗結果表明,該無線測試系統在靜態測試和起重機金屬結構動態應力測試應用效果良好.

在試驗過程中,影響測試結果的因素很多,主要包括外部干擾(如電磁干擾、應變片引出導線與應變節點的連接方式等)、應變節點與基站節點間障礙物情況以及測試距離等,現場應用中采用合適的處理方案(如將應變節點與應變片之間的導線延長,使節點位于基站節點的可視范圍)和信號分析方法(如數字濾波處理)等,對于測試結果的適用性將起到重要的作用.

3 結束語

本系統研究了一種基于無線傳感器網絡的起重機金屬結構應力測試系統,試驗結果表明,該系統能夠基本滿足測試精度要求,可以大量節省檢測時間、降低檢測成本,減輕勞動強度,對于港口起重機械金屬結構安全保護的價值明顯.

[1]喻 言,歐進萍.結構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.起重機應力狀態監測的無線檢測系統[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無線網絡節點設計[J].電子設計工程,2009,17(3):66-68.