無線傳感器技術在工程機械上的應用

曹立峰，張洪民，柴君飛

（徐州重型機械有限公司，江蘇徐州 221004）

0 前言

圖1 大噸位起重機吊鉤

目前工程機械產品逐步向智能化、信息化發展，產品對控制系統的精度、可靠性要求越來越高，比如大噸位設備需要實現對吊鉤狀態監控、移動鋼絲繩的拉力檢測等，如圖1 所示，由于起升過程中吊鉤或者鋼絲繩處于運動狀態，有線傳感器的使用將受到限制。另外，隨著工程機械電控系統越來越復雜，臂頭部分以及副臂部分的電氣檢測元件越來越多，由于起重機主要控制中心（即整車控制器）多安裝在轉臺或操縱室，因此臂頭部分和副臂部分有大量的電線需要連接到轉臺，對于伸縮臂型起重機，目前多是通過電纜卷筒或拖鏈裝置進行電纜的伸縮，如圖2 所示。對于大噸位起重機設備，電纜卷筒體積很大，可能會造成整車超寬的問題。因此引入無線傳感器技術，能夠可靠方便地檢測移動部件的信息，減少線纜的使用，必將有良好的應用前景。

圖2 伸縮臂起重機電纜卷筒

1 無線傳感器系統介紹

科技發展的腳步越來越快，而作為信息獲取最重要和最基本的技術——傳感器技術，也得到了極大的發展。傳感器信息獲取技術已經從過去的單一化漸漸向集成化、微型化和網絡化方向發展。傳感器的輸出信號形式從最初的電阻型到電壓或電流型到目前使用廣泛的CAN 總線型。目前，無線傳感器系統已經引起了世界許多國家的軍事部門、工業界和學術界的廣泛關注，被廣泛應用于軍事、國家安全、環境監測等領域。

無線傳感器是一種通過無線方式實現對被測量信號轉換為電信號的傳感器。目前無線傳感器在工程機械上的應用還未廣泛推廣，但國外一些公司針對工程機械已相繼推出了無線傳感器產品。芬蘭VTI 公司針對移動機械推出了MEMS 無線傾角傳感器，適用于各種工業調平、傾斜測量以及工程機械的安全控制，傳感器供電電池可通過太陽能充電，終端使用4～20 mA 電流輸出[1]。德國赫思曼美國公司針對移動設備開發出了系列無線傳感器產品，如圖3、圖4所示，包括無線風速儀、無線角度傳感器、無線高度限位開關和無線拉力傳感器，傳感器供電系統使用堿性或鋰電池，可保證正常使用12個月。此外，系列無線傳感器可共用一個接收器，接收器與PLC 控制器相連，連接方式可采用CAN總線，也可采用模擬量信號傳輸，無線傳輸距離可達300 m。

圖3 系列無線傳感器

2 無線傳感器系統關鍵技術

無線傳感器系統主要由傳感模塊、無線傳輸模塊、無線接收模塊三大部分組成。如圖5所示。

傳感模塊與傳統有線傳感器類似，包括信號采集和信號處理單元。無線傳輸模塊包括信號調制模塊，射頻發射芯片以及天線三個部分，無線傳輸模塊的性能在很大程度上決定了無線通信系統的性能，直接影響無線傳感器的傳輸距離和抗干擾能力。此外在無線傳輸單元中一個很重要的硬件就是天線，天線是在無線電設備中用來發射或接收電磁波的部件。凡是通過電磁波來傳遞信息的，都依靠天線進行工作。通過天線接收到射頻信號，信號解調模塊將采集到的射頻信號進行收發判斷，并將判斷為正確的信號進行相應的放大、校正，最終以電信號輸出[2]。

圖4 無線傳感器接收裝置

圖5 無線傳感器組成

3 無線傳感器技術在全路面起重機上的應用

大型全路面起重機起重量大時，需要對吊鉤進行實時監控，吊載工作時吊鉤傾斜將會造成卷揚受力不均，這樣容易發生安全事故，對于吊載大噸位超大噸位物體存在嚴重的安全隱患。由于起升下落過程中，吊鉤處于上下運動狀態，故無法采用有線傳感器進行檢測。

針對吊鉤狀態監控，可采用無線傳感器方案，如圖6 所示，在吊鉤處安裝無線角度傳感器，通過無線角度傳感器實時檢測吊鉤連接板傾斜角度。控制系統框圖如圖7 所示，無線傳感器接收裝置與起重機PLC 控制器的輸入端相連，通訊方式可采用CAN 總線，也可通過4～20 mA 電流信號。PLC 的輸出端連接電磁閥，通過控制電磁閥的開度控制起升卷揚轉速。

起重機進行工作前，首先通過無線傳感器反饋的傾斜角度進行初始調平，保證吊載前吊鉤處于水平狀態。吊載過程中，通過無線傳感器實時檢測吊鉤連接板的傾斜角度，當傾斜角度達到一定值時，PLC 通過輸出電磁閥電流控制執行機構的輸出，直至無線傳感器輸出角度達到設定值。

圖6 起重機吊鉤狀態檢測結構示意圖

采用在吊鉤處安裝無線傾角傳感器的方式來進行吊鉤狀態監控，該方案安裝方便，無需考慮由于吊臂伸縮或卷揚起升過程中電纜的布線問題，通過試驗，該方法能夠較好地滿足吊鉤狀態監控的使用要求。

4 結論

盡管無線傳感器技術在工程機械領域某些方面已有應用，但由于工作環境和作業工況的特殊性、復雜性，離實際工程中全方位、大面積的推廣使用，尚有相當的距離。在這一過程中，還有許多工作要做，在一些關鍵問題和理論方面還需要深入研究。然而，無論怎樣，在我國進行無線傳感器技術在工程機械中的運用，是十分重要而又有現實意義的，也是今后工程機械行業和裝備的發展方向之一。

圖7 系統控制框圖

［1］曾小輝，曾建航，尚君怡.無線傾角傳感器設計與實現［J］.微計算機與信息，2008（24）：247-249.

［2］楊陳銳，黃宗益，徐鳴謙.GPRS無線通訊在工程機械的應用［J］.工程機械，2005（5）：6-9.

［3］孫永進，孫雨耕，房朝暉.無線傳感器網絡的連通與覆蓋［J］.天津大學學報，2005（38）：14-17.