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1、基于加速度检测的起重机用无线速度传感器研究李响李向东2,姜秀柱I1（中国矿业大学计算机学院，江苏徐州，221116）2江苏省特种设备安全监督检验研究院，江苏南京，210007摘要：针对传统方式测量起重机运行过程中的输出机械功率不成熟的问题，本文采用基于模拟 加速度传感器设计的无线加速度传感器，研究了起重机运动速度获取与计算的方法用于准确方便的 获取起重机的机械输出。由于三轴加速度传感器自身存在的0g偏置电平问题，导致难以判定运动时 是否存在加速度，文中给出了判断方法并在嵌入式无线加速度传感器中编程实现了三维加速度的测 量和传输，在上位机中编程实现了合成速度的计算。最后给出了该研究用于实际起重机
2、吊物运动速 度测量的实时数据。关键词：起重机;ADXL335;无线传感器；三维加速度Research on the wireless velocity sensors based on the sensing analogue acceleratorLi xiang11, Li xiangdong，Jiang xiuzhul，JAbstract: The traditional way to measure the crane mechanical power output is immature. We designed a wireless accelerator sensor based
3、 on the analog accelerator sensor to obtain the cranes velocity, and then we can easily get the cranes mechanical power output. Because of the three-dimension accelerator sensor has the inherent 0g bias level problem, it result in hardly to judge the whether the crane run with acceleration. In this
4、paper, we developed a way to solve this problem and programmed in the embedded wireless accelerator sensor to implement the way of measure and transmit the accelerator and calculate the velocity in the PC. Finally, we published the real time data of the cranes with load.Keywords: Crane, ADXL335, Wir
5、eless Sensor, Accelerator in three-dimension1前言1.1起重机能效检测研究起重机是大型机械设备，具有大车、小车、 吊钩等多个移动机构，每个机构上都有电动机、 减速机、制动器等多种传动设备。起重机的能 效就是总的输出功（或功率）对总的输入功（或 功率）的比值。起重机的输出功率则为负载被 吊起搬移过程中各移动机构共同输出的机械 功率。机械功率与运动速度有关，要获得负载被 搬迁过程中的机械功率，就要测量负载被搬迁 过程中的运动速度。起重机在运行的过程中具有速度大小和 方向变化无规律，点动过程速度变化大，起升 设备在提升重物的过程中设备和重物摆动，W 线设备
6、直接测量难以操作等特点。传统方式中 少有使用测量速度的方式检测起重:机的输出 功率，因此，利用ADXL335加速度型传感器 来间接的测量起重机负载的移动速度，是一种 新型的检测起重机输出功率的方式。1.2 起重机速度检测方法综述在国标中，通过测量每一个阶段起重 机的运动位移和所需的时间求得单个过程 的平均速度，继而求得整个过程的平均速度 的方法来测量起重机的运动速度。此种方法 求得的是平均速度，无法将此用于测量起重 机的机械输出。蒋剑锋等人通过在机构旋转轴上增加 技术齿轮，然后通过光电开关感应，产生脉 冲信号的方式来测量起重机设备的速度和 位置信息。这种方法结构简单，但是需要将 其安装在起重机
7、中，安装麻烦。在市场上还存在编码器测速和速度继 电器测速等多种测量速度的方式，但适用 于在设计、制造对设备进行检测；而在成型 的设备中，需要对机械进行拆装，要安装这些设备就造成了极大的麻烦。因此传统的各种测量速度的方式都不 适用于测量起重机的机械输出而需要的速 度（瞬时）的要求，本文提出的利用加速度传 感器来测量起重机的实时速度的方式将有 效的解决此等问题，同时方便起重机械生产 单位对设备出厂的检验检疫。2模拟加速度传感器ADXL3352.1 ADXL335的组成及原理本文采用的无线速度传感器是基于模 拟加速度传感器ADXL335构成的。 ADXL335是美国模拟器件公司（ADD于 2009年
8、推出的一款带有信号调理的高精度 模拟三轴加速度传感器。其满量程加速度测 量范围为3g （最小值），可用于测量倾斜 检测应用中的静态一重力加速度，以及运动、 冲击或振动导致的动态加速度。图1 ADXL335内部结构图图1为ADXL335加速度传感器的内部 结构图。其工作原理是：ADXL335利用内 部的多品硅微加工制作的微传感器感应三 维的加速度，分别输出三个微小的模拟电压 值。然后AC初步放大 DEMOD解调处理、 再输出放大，经过RC低通滤波，最后输出 与三轴加速度成正比的三路模拟电压信号。机在转动过程中的速度等。将ADXL335用 于起重机负载移动速度的测量尚不多见。3 ADXL335的输
9、出数据分析，3.1 ADXL335静止时输出数据及分析ADXL335是对环境十分敏感的器件， 在静态不运动状态下具有零点输出，且零点 输出随不同的安装方向而不同。其标准安装 位置是使Z轴输出1g值，方向垂直向下， 输出电压1.2V.其他两轴输出为0g（1.5V）。 但是山于传感器本身存在Og偏置的问题， 因此输出的标准值总是波动存在的。图2是将ADXL335标准安装正面向上, 水平放置下测得的静态三维加速度零点输 出波动。图2 ADXL335静止时电压偏置图要研究0g偏置的情况，因此我们将相邻的两个 0g值求绝对差。下面我们分别得到三轴上相邻数据 的绝对差折线图，如图3,图4,图5所示。00M
10、001400U001OOOB00M00000024151 U Ml HI 141 Ml 1S1图3 X轴方向相邻数据绝对差折线图00M00X40012001OOOt000$00M000201 n 4161 tl 101 U： 141 M 1*1图4 Y轴方向相邻数据绝对差折线图2.2 ADXL335在速度检测中的应用ADXL335型加速度传感器可用于对成 本敏感的低功耗运动和倾斜检测应用，也可 用于移动设备，游戏系统，磁盘驱动保护， 图像稳定以及运动和保健器材。可用于间 接的测量物体在运动过程中的速度，其测量 速度的应用十分广泛。例如，可用于测量人 体的运动状态的速度、远距离输电电缆的 舞动速
11、度叫，车辆在运行过程中的速度，电标志。通道顺序和对应加速度方向的关系是: 通道一传输X轴加速度值，通道二传输Y 轴加速度值，通道三传输Z轴加速度值，通 道四传输采集时的时间点，即时间戳数据。 时间戳数据的变化范围为0, 65535,将每 次获得的时间戳值与上一次获得的时间戳 值相减以获取单位运动时间。图5 Z轴方向相邻数据绝对差折线图通过对多组数据的探测分别得到三轴方向相 邻电压的绝对差值的变化范围分别为XO.OI5, 0. 0003, Y|0.015, 0. 0003,Z0.0132, 0.0003。 因此可以可以考虑将此组数据作为阈值以判断运 动的物体在单个方向上是否存在加速度的变化。AD
12、XL335运动时输出数据及分析ADXL335加速度传感器在运动的时候, 三轴上的加速度值随运动的变化而变化，如 图6所示：:1316191121151181211241271301)11X Y Z图6 ADXL335运动时电压偏置图在图6中我们可以看到，刚开始的时候， 传感器做相对平稳的前进，加速度值基本不变; 接着传感器进行强烈的变加速和变加速等复 杂运动；又接着进行了一段相对平稳的前进， 中间参杂一些变加减速运动。山此可判断我们 的传感器能够有效的反映物体的运动状态。ADXL335型加速度传感器输出的加速 度数据为连续的模拟电压，我们通过集成单 片机CC2430中的AD转换接口模块将该模
13、拟电压值转换成二进制数据，在单片机 CC2430中完成相关计算后，再通过CC2430 中的Zigbee无线传输接口模块，传到上位机。 传输的数据帧格式如图7所示。帧的第一个 字节表示节点号，起标识作用；第二个字节 表示数据的个数；第三到第十共八个字节分 别用两两字节来表示一至四个数据通道，用 于传输三维方向的加速度数据和该加速度 获取时的时间戳；最后一个字表示数据结束节点号 (1 byte)(lb*/te)通道瓒据 (2 Me)通道2蝴 (2bjte)逐53敛括 (2 Me)通道强冕 (2 byte)坂套2束图7传输协议帧格式图ADXL335采集的数据为实际的电压值， 经过AD转换，不能直接作
14、为实际的加速度 值使用，因此根据ADXL335电压每增加300 亳伏，g值加1的特性，我们山下列公式计 算得到实际的加速度值：公式(1)说明：%表示经过AD转换后实际采集的电压 值；此表示经过AD转换后当加速度传感器 静止时的电压值；如d表示实际电压AD转换系数的倒数, CC2430做AD转换时的技术标准是3伏特的 电压代表十进制数8192,齿此的典型值 为 3/8192；外表示ADXL335加速度传感器的变比 系数，即300mv/gog值代表万有引力常数，典型值为 9.8m/s2；Qo表示加速度的零点偏置值。经过以上的计算我们得到了实际的瞬 时加速度值。下面我们继续说明如何求得起 重机运动的
15、实际速度值。由公式也=% + Q02 勺)(2)可知，在一段时间内，物体的速度等于时 刻的速度加上在这段时间内速度的变化，那 么任意时刻物体的速度0就等于q = % +。1(勺 一 to) + 口2(2 -1)+ - +%(们一们_1)。 1)(3)用求和公式表达为:% = % + 笠=1 缶 0 - 卜1)(4)山公式我们分别求得X轴、Y轴和Z轴 上的速度, %，咨后，我们进行速度的合成，得到合成后的速度：Us = （Vx + 诺 + 诺）”2（5）4基于加速度检测的起重机用无线速度传感器 实测数据4.1实测环境起重 :机的速度的测试环境应该在相应 产品规定的工作条件下进行测试，且应满足 下列要求：1、风速应小于3m/s；2、测试载荷质量与规定值的偏差不应大于 5%,仲裁检验时偏差不应大于1%,测 试载荷质量的精度为土 1%;3、供电系统在起重机馈线接入处的电压波 动不应超过额定值的10%；三相电压 不平衡率不应大于1.5%；4、起升和下降的实际测试高度与规定值的 偏差不应大于5%,仲裁检验时偏差不 应大于土 1%,测量精度不应小于0.0Imo 基于上述要求，我们实际的在起重机设备生产厂进行了数据的测试
