4、起重机安全监控系统软件设计

完整的硬件架构需要软件来帮助实现其功能，本系统控制软件包括：硬件初始化、PS021应变采集、3G网络建立以及数据传输。MSP430微控制器支持C语言开发，选用瑞典IAR公司推出的IAR-EW作为编程集成开发平台，采用JTAG仿真器进行调试。图7为下位机程序流程图。

5、实验及结果

本系统硬件及软件均已经调试完毕，图8为实物图。硬件主体部分置于盒子内部，左侧外接天线，右侧留有应变片及电源接口，通过航空接插件连接，保证系统密封性以及抗干扰能力。

5.1应变静态测量精度测试

静态应变测量精度是应变测试的一个重要指标。静态应变指结构所受载荷缓慢变化时应变变化情况[8]。实验选择悬臂梁作为测试对象，测量悬臂梁在不同载荷下的应变数据。测试过程采用单次加载方式，将质量为20克的10个质量块依次加载到悬臂梁托盘中，每加入一个质量块后测量一次应变值，相同的过程使用静态应变仪YE2536重复测量一次。实验结果如表所示：

从表格中可以看出，应变采集系统与静态应变仪两者测量结果相差很小，说明无线应变采集系统测量精度较高。产生微小误差的原因可能是：

（1）应变片粘贴时存在一定的对称误差；

（2）应变片依靠人工粘贴，未能与悬臂梁紧密贴合，会有一定的空隙；

（3）静态应变仪本身有一定的误差，测量结果有±1με的偏差。

5.2系统现场应用

系统现场测试选择如图9所示的模拟起重机。应变测试工况为：起重机提升约150kg重物约1米的高度，测试小车从主梁最左端位置缓慢运行到最右端，然后再运行到最左端这个过程中起重机关键部位所受应力变化情况。选取起重机主梁跨中下翼缘板表面作为测试位置1；选取起重机支座下部作为测试位置2。测点1应力曲线如图10所示。测点1所在的箱形梁主要承受弯矩，起重机的小车通过四只轮子对平行的两根主梁施加载荷。通过对其中的一根梁进行受力分析时知道，当小车的一只轮子跨过测点1时，测点1的应力会发生一次突变，当另外一只轮子也跨过测点2时应力又发生一次突变；小车返回过程的应力状态也会发生类似的变化。主梁承受的应力最大，应作为重要的监测部位。测点2应力曲线如图11所示。测点2所在的支撑梁主要承受压应力和一定的弯矩。最大应变为15με，在小车启动和停止瞬间，由于起重机整体结构的晃动，测点2处的应力会有瞬间突变的现象，表现为由拉应力突变为压应力。这是由于梁的晃动引起的，说明起重机在启动和停止瞬间对这些部位的冲击较大，进行起重机检修时应特别检查这些部位的刚度。

下面对主梁强度进行校核：主梁材料为Q235钢，屈服极限s=235MPa。根据3811-2008《起重机设计规范》规定，取安全系数n=1.5，则静载许用应力为：现场测试时最大应力位置在测点1所示的主梁跨中，最大应变约为110με，则最大应力为（取材料的弹性模量EGPa210）：

6、结论

本文给出了一种针对起重机强度校核的高精度应变检测方法，系统选用PS021芯片，利用TDC技术测量应变，采用全双工异步通信方式，实现数据采集[9]。另外采用3G方式进行数据传输，达到远程、实时、在线检测的目的，顺应起重机监测的发展趋势[10]。本系统研制成功后，已经应用在模拟起重机现场，经过长期测试，精度较高，工作稳定，达到预期设计要求，取得较好的实际应用效果。限于作者的能力和经验，本系统仍然存在一些不足，比如当受到外接干扰时，3G网络偶尔会断开，造成数据丢包；另外远程服务器只是简单的接收数据，对于起重机来说还有更多功能可开发。鉴于此，作者提出两点改进建议：（1）增加本地存储模块，外接Flash芯片，将网络断开之后的数据存储到Flash芯片中，并在测量结束之后通过软件读取；（2）将应力数据与裂纹扩展理论联系起来，为起重机结构损伤识别提供依据。