港口机械金属结构无线应力检测系统研究

刘志平 万 当

(武汉理工大学物流工程学院 武汉 430063)

港口起重机械其金属结构每次循环均处于反复制动的交变动载荷作用,承受冲击载荷大,金属结构的疲劳断裂事故占港口起重机械结构失效总数的95%,它的破坏可造成灾难性的后果.

基于关键受力点应变测试是港口机械金属结构状态检测的常用方法.采用静动态应变仪的有线检测法具有性能成熟、可靠性好等优点,是港机结构应力检测的主要手段.但上述方法采用导线传输信号也具有明显的弊端,主要表现在:(1)检测时间长,长期的实践检测表明,传输导线的布线和拆线约占结构状态检测时间的50%以上.在繁忙的港口日常工作下,检测时间常制约了检测工作的安排和检测效果;(2)检测干扰大,传输导线不可避免地受到各种电磁干扰,导线的长度、环境温度的变化也会对检测精度产生干扰.(3)检测成本高,劳动强度大.

研究港口机械金属结构应力的无线遥测方法,对于提高检测效率、减少劳动强度等具有重要的研究意义.本文针对检测其特点,研究了一种低功耗无线应变检测系统及其应用.

1 港口起重机械无线应变检测系统

无线应变监测系统[1-2]采用基于ZigBee无线传感器网络,主要由电阻式应变计、无线应变节点、基站节点、无线通信模块和测试主机等部分组成,其结构如图1所示.

图1 无线应变检测系统结构

与其他传感器网络相比,典型的港口起重机械结构测试系统的无线应变节点数目小于128,节点布置位置基本固定(分散于整个金属结构中的关键受力部位),无线应变节点与基站节点间距一般小于100 m,结构动态应变信号频率不大于10 Hz,对于一次性检测而言,单次工作时间一般均不超过8 h.针对以上特点,本文选型和设计了相应的硬件和软件.其中无线应变节点的设计是整个系统设计的核心.

无线应变节点包括应变桥路及应变调理单元、数据采集与处理单元、无线通信单元和电源单元,主要功能是实现应变信号的放大滤波、数据采集以及数据的无线收发等.无线应变节点的结构及外形如图2所示.

应变桥路选用120Ω高精度配桥电阻,可组建全桥、半桥或1/4桥等桥路;信号调理单元采用高性能的直流应变放大器,适用于弱电压信号的稳定放大,具有噪声低、线性好等特点.

图2 无线应变结构图

处理器选用TI公司的MSP430F149[3],该传感器具有低电压供电(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种节电模式(等待方式 1.6μA,RAM 保持方式0.1μA)、自带 ADC(8通道、12 b,200 kS/s)、60 k B FLASH ROM 和2KB RAM 以及内置温度传感器等优点,适合本系统低功耗、数据采集与存储等需求.

由于无线应变节点的绝大部分能量(80%～90%)将消耗在无线通信单元上,节点间的通信也是无线传感器网络中的最关键技术,因此选择合适的射频芯片非常重要.本系统选用Chipcon公司的CC2420芯片,该芯片工作于2.4 GHz频段,采用直接序列扩频(DSSS)调制解调,属于符合IEEE802.15.4的高集成度工业用射频收发器,只需晶体振荡器及负载电容、输入/输出匹配元件和电源去耦电容等很少的外部元件即可正常工作,性能稳定,开发成本低[4-5].CC2420还具有功耗小(RX:18.8 mA,TX:17.4 mA)、组网灵活等特点.CC2420与处理器MSP430F149间采用主从模式连接,CC2420为从模式,通过SPI接口接受来自处理器的时钟和片选信号,并在处理器的控制下执行输入输出操作.接口电路如图3所示.

由于无线应变传感器节点分散于整个金属结构,因此电源模块采用电池供电.系统采用可充电的锂电池(+3.7 V,2 800 mAh),假设无线应变节点一直处于最大功耗的RX状态,则其理论最大工作时间 t为 119～134 h.

图3 CC2420与MSP430接口

若采用本系统进行长时间的应力监测,则需要采用合理的监测方案和功耗管理模式.由于起重机械金属结构的变化是缓慢的,实行24 h监测有意义但并非必要,因此可以采取每天监测1 h的监测方案,在工作间隙,让CC2420和MSP430均处于处于休眠状态,则电源模块单次工作时间理论上延长至3个月左右.

2 实 验

2.1 实验室静态应力测试

测试环境.实验室内,节点与基站间无障碍;通道数:4通道;

应变片接法.4通道工作片(120Ω)布于等强度梁,分别与补偿片一起构成半桥工作方式.测试结果如表1所列.

2.2 起重机应力动态测试结果

表1 静态测试结果

为测试该无线系统的可靠性,采用有线动态应变仪在某港口MG40/16-40门式起重机上进行比较试验.测点A和测点B的位置如图4所示.测试工况为额定起重载荷下,起重小车从刚性门腿内侧分别运行到刚性腿一侧主梁端部,主梁跨中、以及柔性腿一侧主梁端部等位置做上升制动、下降制动,最后返回原地.基站节点与应变节点的最大可视距离约为50 m.有线动态应变仪采用江苏东华测试公司的DH5923,采样频率设为30 S/s.测点测试曲线如图5所示,应力最大值处的最大相对误差为5.3%.结果表明,采用该无线测试系统能够有效进行港口起重机械的金属结构动载应力测试.

图4 测点布置图

图5 动态测试效果比较

2.3 试验结果分析

上述试验结果表明,该无线测试系统在静态测试和起重机金属结构动态应力测试应用效果良好.

在试验过程中,影响测试结果的因素很多,主要包括外部干扰(如电磁干扰、应变片引出导线与应变节点的连接方式等)、应变节点与基站节点间障碍物情况以及测试距离等,现场应用中采用合适的处理方案(如将应变节点与应变片之间的导线延长,使节点位于基站节点的可视范围)和信号分析方法(如数字滤波处理)等,对于测试结果的适用性将起到重要的作用.

3 结束语

本系统研究了一种基于无线传感器网络的起重机金属结构应力测试系统,试验结果表明,该系统能够基本满足测试精度要求,可以大量节省检测时间、降低检测成本,减轻劳动强度,对于港口起重机械金属结构安全保护的价值明显.

[1]喻 言,欧进萍.结构无线应变传感器设计、制作与测试[J].电子器件,2005,28(3):461-465.

[2]刘小贞.起重机应力状态监测的无线检测系统[J].起重运输机械,2008(1):36-38.

[3]沈建华.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.

[4]王秀梅.利用2.4 GHz射频芯片CC2420实现ZigBee无线通信设计[J].国外电子元器件,2005(3):59-62.

[5]林少锋.基于CC2420的ZigBee无线网络节点设计[J].电子设计工程,2009,17(3):66-68.