起重機械是國家法律規(guī)定的八大特種設(shè)備之一。每年國內(nèi)外都會發(fā)生很多起因起重機結(jié)構(gòu)損傷造成的人員傷亡事故，隨著起重機的大型化、高速化發(fā)展，對起重機的健康監(jiān)測也越來越受到重視[1]。金屬結(jié)構(gòu)作為整臺起重機的骨架，不僅承受自重和吊重，而且工作環(huán)境惡劣、使用頻繁，常常會出現(xiàn)受力不合理的情況，面臨意外損壞的危險。在金屬結(jié)構(gòu)的安全評估中，起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)力應(yīng)變往往作為大型機械結(jié)構(gòu)強度最重要的檢測指標(biāo)[2]。對起重機的應(yīng)力應(yīng)變實施在線監(jiān)測[3]，不但可以提高工作效率，而且能夠及時發(fā)現(xiàn)問題并采取相應(yīng)的措施，避免事故的發(fā)生。

傳統(tǒng)的起重機應(yīng)變檢測通過在現(xiàn)場安裝應(yīng)變傳感器，按照測量流程，得到起重機的部分?jǐn)?shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)來判斷關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的可靠性。這種方法不僅布線繁瑣，電流消耗大，擴展性、可移動性差，而且不能達(dá)到在線監(jiān)測的目的，不能在第一時間發(fā)現(xiàn)金屬結(jié)構(gòu)存在的安全隱患[4]。本系統(tǒng)選用TDC（時間數(shù)字技術(shù)）測量技術(shù)采集應(yīng)變，簡化硬件電路，提高采樣精度，降低系統(tǒng)功耗，同時利用無線技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，達(dá)到實時、遠(yuǎn)程、在線監(jiān)測的目的，有效的提高了操作人員的工作效率，也降低了起重機應(yīng)變監(jiān)測的難度和成本。本文詳細(xì)闡述了起重機應(yīng)變測量系統(tǒng)的整體設(shè)計及實現(xiàn)方案，主要研究了基于時間數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)的應(yīng)變測量方法以及數(shù)據(jù)無線傳輸技術(shù)，介紹了系統(tǒng)的核心硬件以及控制軟件程序，最后通過將系統(tǒng)應(yīng)用在起重機現(xiàn)場，驗證了本系統(tǒng)的可靠性和實用性。

1 、基于 TDC 的應(yīng)變測量原理

TDC（時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器），代表著一種測量金屬應(yīng)變的數(shù)字化概念，具有非常高的測量50靈活性，整個系統(tǒng)電流消耗保持在100μA以下。TDC測量精度高，可以與高端24位數(shù)模轉(zhuǎn)換器相媲美，在高測量刷新率的情況下，可以獲得更高的精度[5]。TDC 通過測量時間間隔來求出應(yīng)變電阻的變化。測量原理如圖 1 所示，Rsg1 和 Rsg 2 是組成測量半橋的兩個電阻應(yīng)變片， Cload 是充放電電容，兩個應(yīng)變片分別與 Cload相連組成一個低通濾波器； TDC 單元測量電容從開始放電到放電結(jié)束的時間間隔。圖 2 所示為 Cload 充放電曲線圖，開始測量時， Cload 先充電到上限充電電壓Vcap ，然后通過其中一只應(yīng)變電阻放電到下限電壓Vtrip ，整個放電過程歷經(jīng)的時間被 TDC 模塊所測量。在圖 2 中，電阻的變化反映為放電時間的變化，說明 TDC 測量技術(shù)將應(yīng)變的測量轉(zhuǎn)化為對時間的測量[6]。

2、 基于 3G 的無線傳輸技術(shù)

起重機械常應(yīng)用在野外、港口等環(huán)境較為復(fù)雜的地方，在通信過程中極易受到電線老化、電磁干擾、瞬變電壓等因素的影響。針對上述不穩(wěn)定情況，系統(tǒng)選取無線通信方式傳輸應(yīng)變數(shù)據(jù)。 3G 是第三代通信網(wǎng)絡(luò)，相對 GSM、 GPRS 以及 EDGE，在傳輸速度上有了很大的提升，而且在實時性、穩(wěn)定性及安全性等方面， 3G 網(wǎng)絡(luò)也是目前無線移動通信系統(tǒng)性能最好的網(wǎng)絡(luò)。華為公司研制的 MU509-b 采用聯(lián)通 WCDMA 制式，是一個工業(yè)級 3G 模塊。主要通信方式為串口通信，通過發(fā)送 AT 指令來完成其相應(yīng)功能，理論最高傳輸速率為 14.4Mb/S，可在 3.3V 電壓下穩(wěn)定工作，目前已被廣泛應(yīng)用在汽車電子、監(jiān)控設(shè)備等領(lǐng)域。將 3G 技術(shù)應(yīng)用在起重機應(yīng)變遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中，可以改善原有監(jiān)測方法的延時性、距離短以及穩(wěn)定性差等問題。

3、系統(tǒng)硬件設(shè)計

圖 3 為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖，主要包括應(yīng)變測量芯片 PS021 模塊、單片機 MSP430 模塊、3G 通信模塊以及穩(wěn)壓電源模塊。 PS021 與分布在起重機關(guān)鍵部位的應(yīng)變片通過導(dǎo)線連接，并將應(yīng)變片電阻的變化轉(zhuǎn)換成電容充放電時間的變化，微控制器通過 SPI 接口接收應(yīng)變數(shù)據(jù)，最終通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器。

3.1 應(yīng)變測量芯片 PS021

PS021 是德國 ACAM 公司開發(fā)的基于 CMOS 技術(shù)的應(yīng)變測量數(shù)字化解決方案，內(nèi)部集成有完整的用于信號采集、轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)化輸出的電路。芯片內(nèi)部集成 TDC 技術(shù)，是一款超低功耗、超高精度的應(yīng)變測量芯片，內(nèi)部分別對溫度漂移、零點漂移進(jìn)行補償。圖 4 為基于 PS021 的應(yīng)變采集電路圖，芯片共有兩個采集通道，同時采集兩點應(yīng)變值，自帶溫度測量模塊，通過數(shù)字 SPI 接口與單片機進(jìn)行通信。 PS021 具有半橋和全橋兩種橋路的連接方法，本系統(tǒng)采用半橋連接的輪換模式，接法如圖 5 所示。

應(yīng)變測量精度的關(guān)鍵是與應(yīng)變片并聯(lián)的放電電容的選擇。 一般選擇 COG/NPO 型電容以達(dá)到較高的測量精度。放電電容值需要根據(jù)應(yīng)變電阻值進(jìn)行選擇，放電時間幾種規(guī)格，根據(jù)上式計算得到放電電容值，單位為 μF。

3.2 微控制器 MSP430

圖 6 為微控制器模塊電路圖，主要包括晶振電路以及復(fù)位電路等。 MSP430 系列是美國I 公司推出的 16 位超低功耗混合信號處理器[7]。本系統(tǒng)選取的 MSP430F149 具有 5 種低功耗模式以及豐富的外圍模塊。包括 6 組 I/O 模塊、精密模擬比較器， 2 組頻率可達(dá) 8MHz 的時鐘模塊為系統(tǒng)通信提供時鐘頻率， 1 個 FLASH 存儲模塊以及 8 路 12 位 AD 轉(zhuǎn)換通道。MSP430 提供可實現(xiàn)同步和異步的 USART 通信模塊