起重機用無線速度傳感器設計

李 響，姜秀柱

(中國礦業大學 計算機學院，江蘇 徐州221116)

0 引 言

起重機是大型機械設備，具有大車、小車、吊鉤等多個運動機構，每個機構上都有電動機、減速機、制動器等多種傳動設備。起重機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。起重機的輸出功率則為負載被吊起搬移過程中各移動機構共同輸出的機械功率。

機械功率與運動速度有關，要獲得負載被搬遷過程中的機械功率，就要測量負載被搬遷過程中的運動速度。

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

在GB/T 22414—2008［1］中，通過測量每一個階段起重機的運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的運動速度。此種方法求得的是平均速度，無法將此用于測量起重機的機械輸出。

蔣劍鋒等人［2］通過在機構旋轉軸上增加技術齒輪，然后通過光電開關感應產生脈沖信號的方式來測量起重機設備的速度和位置信息。這種方法結構簡單，但是需要將其安裝在起重機中，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］，但適用于在設計、制造對設備進行檢測;而在成型的設備中，需要對機械進行拆裝，要安裝這些設備就造成了極大的麻煩。

綜上，傳統的各種測量速度的方式都不適用于測量起重機的機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的實時速度的方式將有效地解決此等問題，同時方便起重機械生產單位對設備出廠的檢驗。

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用中的靜態重力加速度，以及運動、沖擊或振動導致的動態加速度［4］。

圖1 為ADXL335 加速度傳感器的內部結構圖。ADXL335 利用內部的多晶硅微加工制作的微傳感器感應三維的加速度。當加速度存在時，傳感器中的多晶硅結構的偏移導致差動電容器的電容值發生變化，進而導致積分電路中輸出的模擬電壓也發生線性變化，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 解調處理、再輸出放大，經過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 內部結構圖Fig 1 Inner structure of diagram of ADXL335

1.2 ADXL335 防噪濾波電容器設計

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置一只低通濾波傳感器。在起重機現場中被測結構的基頻都在12 Hz 以下，因此，在Xout，Yout和Zout各管腳各設置一只0.1 μF的電容器，對應的帶寬則為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 在速度檢測中的應用

ADXL335 型加速度傳感器可用于對成本敏感的低功耗運動和傾斜檢測應用，也可用于移動設備，游戲系統，磁盤驅動保護，圖像穩定以及運動和保健器材［5］。可用于間接地測量物體在運動過程中的速度，其測量速度的應用十分廣泛。例如:可用于測量遠距離輸電電纜的舞動速度［6］、人體的運動狀態的速度［7，8］，車輛在運行過程中的速度，電機在轉動過程中的速度等。將ADXL335 用于起重機負載移動速度的測量尚不多見。

2 ADXL335 的輸出數據分析

2.1 ADXL335 靜止時輸出數據與分析

ADXL335 是對環境十分敏感的器件，在靜態不運動狀態下具有零點輸出，且零點輸出隨不同的安裝方向而不同。其標準安裝位置是使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，輸出的標準值總是波動存在的。

圖2 是將ADXL335 標準安裝正面向上，水平放置下測得的靜態三維加速度零點輸出波動。

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據的絕對差折線圖，如圖3～圖5 所示。

圖3 X 軸方向相鄰數據絕對差折線圖Fig 3 Line graph of absolute difference of neighbor data in X axis

圖4 Y 軸方向相鄰數據絕對差折線圖Fig 4 Line graph of absolute difference of neighbor data in Y axis

圖5 Z 軸方向相鄰數據絕對差折線圖Fig 5 Line graph of absolute difference of neighbor data in Z axis

通過對多組數據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，可以將此組數據作為閾值以判斷運動的物體在單個方向上是否存在加速度的變化。

2.2 ADXL335 運動時輸出數據與分析

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

圖6 ADXL335 運動時電壓偏置圖Fig 6 Graph of voltage offset when ADXL335 is runing

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

ADXL335 型加速度傳感器輸出的加速度數據為連續的模擬電壓，本文通過集成單片機CC2430 中的A/D 轉換接口模塊將該模擬電壓值轉換成二進制數據，在單片機CC2430 中完成相關計算后，再通過CC2430 中的Zig Bee 無線傳輸接口模塊，傳到上位機。傳輸的數據幀格式如圖7所示。幀的第1 個字節表示節點號，起標識作用;第2 個字節表示數據的個數;第3～10 共8 個字節分別用兩兩字節來表示1～4 個數據通道，用于傳輸三維方向的加速度數據和該加速度獲取時的時間戳;最后一個字表示數據結束標志。通道順序和對應加速度方向的關系是: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，即時間戳數據。時間戳數據的變化范圍為［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動時間。

圖7 傳輸協議幀格式圖Fig 7 Diagram of format of transmission protocol frame

ADXL335 采集的數據為實際的電壓值，經過A/D 轉換，不能直接作為實際的加速度值使用，因此，根據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際的加速度值

式中 Vr為經過A/D 轉換后實際采集的電壓值;V0為經過A/D 轉換后當加速度傳感器靜止時的電壓值;αAD為實際電壓A/D 轉換系數的倒數，CC2430 做A/D 轉換時的技術標準是3 V 的電壓代表十進制數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，即300 mV/gn;α0為加速度的零點偏置值。

經過以上的計算得到了實際的瞬時加速度值。下面繼續說明如何求得起重機運動的實際速度值。由式(2)

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

用求和公式表達為

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

3 基于加速度檢測的起重機用無線速度傳感器實測數據

3.1 實測環境

起重機的速度的測試環境應該在相應產品規定的工作條件下進行測試，且應滿足下列要求:

1)風速應小于3 m/s;

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

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

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

3.2 實測數據分析

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

如上圖9 所示為起重機運行時X 軸、Y 軸和Z 軸方向的分速度。從啟動開始，起重機的啟動速度基本趨于零，然后速度平穩的增加，平穩時的速度達到0.61 m/s 左右，QD型75/20t 通用電動吊鉤橋式起重機的小車運行速度規格為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。

圖8 起重機周期運行示意圖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，原因是起重機的起升機構沿著接近ADXL335 傳感器敏感度軸的X 方向運動，并且速度不斷增加;Y 軸方向基本平穩，波動幅度偏小，原因是起重機在敏感度軸的Y 方向基本沒有運動或運動幅度偏小;Z 軸方向速度變化稍大，有負值，原因是起重機的起升機構不僅沿著敏感度軸的X 方向運動，并且沿著Z 軸方向在上升，負值出現的原因是由于起升設備提升重物時的擺動，導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，由平穩到加速運動的一個過程。

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

4 結 論

通過以上的分析和實驗，利用ADXL335 三維加速度集成電路和CC2430 芯片，本文設計了一個實現無線傳輸的加速度傳感器，并通過上位機軟件的設計實現了基于加速度測量的速度的計算。為起重機運行機構的速度檢測和輸出機械功率的計算提供了有效的手段。

［1］ GB/T 22414—2008 起重機速度和時間參數的測量［S］.

［2］ 蔣劍鋒，陸紀法.橋式起重機位置和速度測量裝置的研發及應用［J］.裝備制造技術，2011(3):157－158.

［3］ 朱國忠，韋彩虹，潘 敏.基于三維加速度傳感器的人體運動能耗檢測算法的研究［J］.傳感技術學報，2011，24(8):1217－1222.

［4］ 蔣志龍，張大女.基于ADXL335 的堆煤傳感器的設計［J］.工礦自動化，2012(8):87－89.

［5］ ADXL335 中文手冊［Z］.

［6］ 孫求國.輸電線路舞動在線監測技術研究［D］.廣州:廣東工業大學，2012.

［7］ 李文鋒，吳 翔，孫 俊，等.基于加速度傳感器的人體姿態跟蹤角度算法［J］.湖北工業大學學報，2011，26(4):1－3.

［8］ 侯文生，蔡 全，吳小鷹，等.基于加速度計的手指運動姿態檢測［J］.傳感器與微系統，2012，31(1):146－148.