4、起重機安全監控系統軟件設計

完整的硬件架構需要軟件來幫助實現其功能，本系統控制軟件包括：硬件初始化、PS021應變采集、3G網絡建立以及數據傳輸。MSP430微控制器支持C語言開發，選用瑞典IAR公司推出的IAR-EW作為編程集成開發平臺，采用JTAG仿真器進行調試。圖7為下位機程序流程圖。

5、實驗及結果

本系統硬件及軟件均已經調試完畢，圖8為實物圖。硬件主體部分置于盒子內部，左側外接天線，右側留有應變片及電源接口，通過航空接插件連接，保證系統密封性以及抗干擾能力。

5.1應變靜態測量精度測試

靜態應變測量精度是應變測試的一個重要指標。靜態應變指結構所受載荷緩慢變化時應變變化情況[8]。實驗選擇懸臂梁作為測試對象，測量懸臂梁在不同載荷下的應變數據。測試過程采用單次加載方式，將質量為20克的10個質量塊依次加載到懸臂梁托盤中，每加入一個質量塊后測量一次應變值，相同的過程使用靜態應變儀YE2536重復測量一次。實驗結果如表所示：

從表格中可以看出，應變采集系統與靜態應變儀兩者測量結果相差很小，說明無線應變采集系統測量精度較高。產生微小誤差的原因可能是：

（1）應變片粘貼時存在一定的對稱誤差；

（2）應變片依靠人工粘貼，未能與懸臂梁緊密貼合，會有一定的空隙；

（3）靜態應變儀本身有一定的誤差，測量結果有±1με的偏差。

5.2系統現場應用

系統現場測試選擇如圖9所示的模擬起重機。應變測試工況為：起重機提升約150kg重物約1米的高度，測試小車從主梁最左端位置緩慢運行到最右端，然后再運行到最左端這個過程中起重機關鍵部位所受應力變化情況。選取起重機主梁跨中下翼緣板表面作為測試位置1；選取起重機支座下部作為測試位置2。測點1應力曲線如圖10所示。測點1所在的箱形梁主要承受彎矩，起重機的小車通過四只輪子對平行的兩根主梁施加載荷。通過對其中的一根梁進行受力分析時知道，當小車的一只輪子跨過測點1時，測點1的應力會發生一次突變，當另外一只輪子也跨過測點2時應力又發生一次突變；小車返回過程的應力狀態也會發生類似的變化。主梁承受的應力最大，應作為重要的監測部位。測點2應力曲線如圖11所示。測點2所在的支撐梁主要承受壓應力和一定的彎矩。最大應變為15με，在小車啟動和停止瞬間，由于起重機整體結構的晃動，測點2處的應力會有瞬間突變的現象，表現為由拉應力突變為壓應力。這是由于梁的晃動引起的，說明起重機在啟動和停止瞬間對這些部位的沖擊較大，進行起重機檢修時應特別檢查這些部位的剛度。

下面對主梁強度進行校核：主梁材料為Q235鋼，屈服極限s=235MPa。根據3811-2008《起重機設計規范》規定，取安全系數n=1.5，則靜載許用應力為：現場測試時最大應力位置在測點1所示的主梁跨中，最大應變約為110με，則最大應力為（取材料的彈性模量EGPa210）：

6、結論

本文給出了一種針對起重機強度校核的高精度應變檢測方法，系統選用PS021芯片，利用TDC技術測量應變，采用全雙工異步通信方式，實現數據采集[9]。另外采用3G方式進行數據傳輸，達到遠程、實時、在線檢測的目的，順應起重機監測的發展趨勢[10]。本系統研制成功后，已經應用在模擬起重機現場，經過長期測試，精度較高，工作穩定，達到預期設計要求，取得較好的實際應用效果。限于作者的能力和經驗，本系統仍然存在一些不足，比如當受到外接干擾時，3G網絡偶爾會斷開，造成數據丟包；另外遠程服務器只是簡單的接收數據，對于起重機來說還有更多功能可開發。鑒于此，作者提出兩點改進建議：（1）增加本地存儲模塊，外接Flash芯片，將網絡斷開之后的數據存儲到Flash芯片中，并在測量結束之后通過軟件讀取；（2）將應力數據與裂紋擴展理論聯系起來，為起重機結構損傷識別提供依據。