起重機(jī)械是國(guó)家法律規(guī)定的八大特種設(shè)備之一。每年國(guó)內(nèi)外都會(huì)發(fā)生很多起因起重機(jī)結(jié)構(gòu)損傷造成的人員傷亡事故，隨著起重機(jī)的大型化、高速化發(fā)展，對(duì)起重機(jī)的健康監(jiān)測(cè)也越來(lái)越受到重視[1]。金屬結(jié)構(gòu)作為整臺(tái)起重機(jī)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(huì)出現(xiàn)受力不合理的情況，面臨意外損壞的危險(xiǎn)。在金屬結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估中，起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)力應(yīng)變往往作為大型機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最重要的檢測(cè)指標(biāo)[2]。對(duì)起重機(jī)的應(yīng)力應(yīng)變實(shí)施在線監(jiān)測(cè)[3]，不但可以提高工作效率，而且能夠及時(shí)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(jī)應(yīng)變檢測(cè)通過在現(xiàn)場(chǎng)安裝應(yīng)變傳感器，按照測(cè)量流程，得到起重機(jī)的部分?jǐn)?shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)來(lái)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(kuò)展性、可移動(dòng)性差，而且不能達(dá)到在線監(jiān)測(cè)的目的，不能在第一時(shí)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(shí)間數(shù)字技術(shù)）測(cè)量技術(shù)采集應(yīng)變，簡(jiǎn)化硬件電路，提高采樣精度，降低系統(tǒng)功耗，同時(shí)利用無(wú)線技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，達(dá)到實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程、在線監(jiān)測(cè)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(jī)應(yīng)變監(jiān)測(cè)的難度和成本。本文詳細(xì)闡述了起重機(jī)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方案，主要研究了基于時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)的應(yīng)變測(cè)量方法以及數(shù)據(jù)無(wú)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(jī)現(xiàn)場(chǎng)，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。

1 、基于 TDC 的應(yīng)變測(cè)量原理

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

2、 基于 3G 的無(wú)線傳輸技術(shù)

起重機(jī)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(duì)上述不穩(wěn)定情況，系統(tǒng)選取無(wú)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(duì) GSM、 GPRS 以及 EDGE，在傳輸速度上有了很大的提升，而且在實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性及安全性等方面， 3G 網(wǎng)絡(luò)也是目前無(wú)線移動(dòng)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(gè)工業(yè)級(jí) 3G 模塊。主要通信方式為串口通信，通過發(fā)送 AT 指令來(lái)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(jī)應(yīng)變遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，可以改善原有監(jiān)測(cè)方法的延時(shí)性、距離短以及穩(wěn)定性差等問題。

3、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖 3 為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖，主要包括應(yīng)變測(cè)量芯片 PS021 模塊、單片機(jī) 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(jī)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(shí)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(cè)量芯片 PS021

PS021 是德國(guó) ACAM 公司開發(fā)的基于 CMOS 技術(shù)的應(yīng)變測(cè)量數(shù)字化解決方案，內(nèi)部集成有完整的用于信號(hào)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(cè)量芯片，內(nèi)部分別對(duì)溫度漂移、零點(diǎn)漂移進(jìn)行補(bǔ)償。圖 4 為基于 PS021 的應(yīng)變采集電路圖，芯片共有兩個(gè)采集通道，同時(shí)采集兩點(diǎn)應(yīng)變值，自帶溫度測(cè)量模塊，通過數(shù)字 SPI 接口與單片機(jī)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(cè)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(cè)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(shí)間幾種規(guī)格，根據(jù)上式計(jì)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(guó)I 公司推出的 16 位超低功耗混合信號(hào)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(shí)鐘模塊為系統(tǒng)通信提供時(shí)鐘頻率， 1 個(gè) FLASH 存儲(chǔ)模塊以及 8 路 12 位 AD 轉(zhuǎn)換通道。MSP430 提供可實(shí)現(xiàn)同步和異步的 USART 通信模塊