基于光栅的桥吊吊具摆角检测装置

1.本发明涉及集装箱装卸领域，特别涉及一种基于光栅的桥吊吊具摆角检测装置。


背景技术：

2.现有的大规模集装箱装卸港口存在的桥式吊车只有单吊具和双吊具两种，这样的桥式吊车在搬运货物的过程中，每次只能搬运一个或两个集装箱，搬运和装卸的效率很低，耗时较大，影响工作质量。为了提高桥吊的装卸效率，未来的桥吊发展中，桥式吊车会朝着多吊具桥吊的方向发展。同时，现有的集装箱起重机操作员常常是用眼睛观察吊具及负载来获得其摆动情况，这种方法不但准确性低且极易导致工作疲劳。由于小车载荷的惯性和一些外部环境的扰动，如风会引起绳子摆动，这种摆动不仅对集装箱的效率有很大的影响，而且还有很大的安全隐患。因此，在多吊具桥式吊车的背景下，针对桥式吊车吊具的各种检测装置，特别是摆动角度的检测装置显得极其重要。
3.现有的桥吊检测装置对吊具的检测均采用了比较复杂的检测仪器，造价高，维护不方便，准确性低。对于摆动角度的检测仪器，现有的一般分为接触式和非接触式。现有的接触式检测装置主要是通过吊绳摆动带动摆架转动，再在相应的摆角编码器上进行检测，这种检测装置的准确性不高，尤其是当摆角比较小时，不易检测出小的摆角信息；非接触式装置对工作环境要求较高，价格昂贵，分辨率不高，易受干扰。
4.因此，有必要提供一种桥吊吊具摆角的检测装置，该装置要求设置简单，且检测准确。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种基于光栅的桥吊吊具摆角检测装置，该检测装置设置在桥吊吊车上并与吊绳固定即可准确测出桥吊吊具的摆动角度和摆动方向。
6.为实现上述目的和其他相关目的，本发明提供了一种基于光栅的桥吊吊具摆角检测装置，设置在桥吊小车上，包括暗箱以及容置其内的轻质摆架、点光源、第一凸透镜、平面反光镜、光栅组件、第二凸透镜和光敏二极管pn结阵列；
7.桥吊吊具的吊绳上固定有所述轻质摆架，所述轻质摆架与所述平面反光镜固定连接，吊绳摆动带动所述轻质摆架和所述平面反光镜等角度摆动；
8.所述点光源发出的光线透过所述第一凸透镜后转变成平行光，所述平行光经所述平面反光镜反射后透过所述光栅组件发生衍射，又通过所述第二凸透镜汇聚到所述光敏二极管pn结阵列上；
9.所述光敏二极管pn结阵列与设置在桥吊上的信号处理装置连接，所述信号处理装置连接用于根据所述光敏二极管pn结阵列产生的电信号检测衍射图样的相对位置变化和明条纹级数，并通过所述相对位置变化和明条纹级数得出所述吊绳的摆动方向和摆动角度。
10.优选地，所述光敏二极管pn结阵列包含多个光敏二极管pn结列和多个光敏二极管
pn结排，每一列光敏二极管pn结列和每一排光敏二极管pn结排都包含多个光敏二极管pn结；还包括多个阵列pn结电压模数转换器，其分别与每一个光敏二极管pn结列和每一个光敏二极管pn结排电路连接，用于检测光敏二极管pn结阵列中每一列和每一排的电压大小。
11.优选地，所述多个阵列pn结电压模数转换器用于与所述信号处理装置通过电路相连，所述信号处理装置用于根据所述光敏二极管pn结阵列中每一列和每一排的电压大小计算衍射图样的相对位置变化和明条纹级数，并进一步计算所述吊绳的摆动方向和摆动角度。
12.优选地，所述光敏二极管pn结阵列还包括：放大器，所述放大器位于所述光敏二极管pn结阵列和所述多个阵列pn结电压模数转换器之间。
13.优选地，所述吊绳的摆动方向通过衍射图样的中央明条纹的相对位置变化得出：所述中央明条纹向上方移动时，所述吊绳朝靠近所述光敏二极管pn结阵列摆动；所述中央明条纹向下方移动时，所述吊绳朝远离所述光敏二极管pn结阵列摆动。
14.优选地，所述吊绳静止时所述平行光垂直入射所述光栅组件，并且所述光栅组件、所述第二凸透镜和所述光敏二极管pn结阵列平行设置。
15.优选地，通过所述明条纹级数计算所述吊绳的摆动角度，计算公式为：
[0016][0017]
其中，表示所述吊绳的摆动角度，θ表示所述吊绳静止时光线的衍射角，表示检测到的所述明条纹级数，d表示光栅常量，λ表示平行光波长。
[0018]
优选地，所述信号处理装置与桥吊主控系统的防摇或同步系统通讯连接。
[0019]
首先，本发明提供了一种基于光栅的桥吊吊具摆角检测装置，该检测装置基于光栅衍射原理，点光源发出的光经过第一凸透镜转变成平行光，平行光又经过轻质摆架上设置的平面反光镜反射后入射光栅组件，在光栅组件发生衍射后通过第二凸透镜汇聚到光敏二极管pn结阵列上，当桥吊吊具的吊绳摆动时会带动轻质摆架上固定的平面反光镜一同摆动，导致吊具摆动时光源发出的光通过光栅组件的光程差与静止时相比发生改变，从而引发衍射图样发生变化，通过中央明条纹的移动方向确定吊绳的摆动方向，通过明条纹的级数确定吊绳的摆动角度，实现桥吊吊具的摆角检测。
[0020]
其次，本发明通过光敏二极管pn结阵列，将光信号转换成电信号，可以检测明条纹的级数和位置信息，通过明条纹的级数和位置信息计算得出摆角大小和吊绳的摆动方向，光敏二极管pn结阵列可以与信号处理装置连接，通过处理器的分析计算，将结果传送至桥吊自动防摇系统中完成桥吊的自动防摇，也可以传送到桥吊驾驶室，作为操作参考。
附图说明
[0021]
图1为本发明一实施例提供的桥吊吊具摆角检测装置安装在多吊具桥吊上的安装示意图。
[0022]
图2为本发明一实施例提供的桥吊吊具摆角检测装置检测吊绳静止时的示意图。
[0023]
图3为本发明一实施例提供的桥吊吊具摆角检测装置检测吊绳摆动时的示意图。
[0024]
图4为本发明一实施例提供的桥吊吊具摆角检测装置摆角检测部分原理示意图。
[0025]
图5为本发明一实施例提供的桥吊吊具摆角检测装置的光敏二极管pn结阵列结构
示意图。
[0026]
图6为本发明一实施例提供的桥吊吊具摆角检测装置的摆角信号处理原理图。
具体实施方式
[0027]
以下结合附图1
‑
6和具体实施方式对本发明提出的桥吊吊具摆角检测装置作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
[0028]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0029]
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0030]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0031]
如图2所示，本发明提供了一种基于光栅的桥吊吊具摆角检测装置，可以设置在如图1所示的多吊具桥吊的吊桥小车上。所述摆角检测装置包括暗箱13、轻质摆架16、点光源17、第一凸透镜18、第二凸透镜21、平面反光镜19、光栅组件20和光敏二极管pn结阵列22，所述轻质摆架16、点光源17、第一凸透镜18、第二凸透镜21、平面反光镜19、光栅组件20和光敏二极管pn结阵列22均容置于所述暗箱13内；所述平面反光镜19固定在所述轻质摆架16上，所述轻质摆架16用于固定在桥吊吊具的吊绳15上，并跟随所述吊绳15等角度摆动；所述点光源17发出的光线透过所述第一凸透镜18后转变成平行光，所述平行光通过所述平面反光镜19反射后透过所述光栅组件20发生衍射，又通过所述第二凸透镜21汇聚到所述光敏二极管pn结阵列22上，并且所述光敏二极管pn结阵列22位于所述第二凸透镜21的焦平面上；所
述光敏二极管pn结阵列22用于检测衍射图样的相对位置变化和明条纹级数，并通过所述相对位置变化和明条纹级数得出所述吊绳15的摆动方向和摆动角度。
[0032]
具体实施的时候，所述摆角检测装置可以安装在如图1所示的多吊具桥吊的桥吊小车7、8、9上，用于检测吊具的摆动角度，桥吊的竖直支架1和桥吊的横向支架2组成桥吊大车，桥吊大车作为桥吊小车的搭载平台，大车与小车轨道连接杆6作为桥吊大车和桥吊小车的连接机构，三个桥吊小车7、8、9作为摆角检测装置以及起升电机的搭载平台，桥吊小车7、8、9的轨道机构作为各个小车的驱动装置，每个桥吊小车上可以设置多个吊具组件，在本实施例中，每个桥吊小车上都设置了三个吊具组件10、11、12，该吊具组件作为所述摆角检测装置的检测对象。
[0033]
检测时，可以按照如图2设置所述摆角检测装置，所述摆角检测装置的主体为暗箱13，所述暗箱13内包括一个点光源17，用于产生波长已知的激光；所述点光源17正下方固定着第一凸透镜18，所述点光源17发出的光经过所述第一凸透镜18后转变成平行光；转变成的平行光照射到45
°
放置的平面反光镜19上，所述平行光经所述平面反光镜19变为水平的平行光，并垂直照射到光栅组件20上，所述光栅组件20上的每条狭缝在透镜焦平面上都要产生一组夫琅禾费单缝衍射图样。由于方向相同的衍射光线通过透镜会聚到焦平面上的同一点，所以不同狭缝发出的衍射光都是相干光，因此，不同狭缝产生的衍射图样在重叠时还会产生干涉，进而产生光栅衍射图样；吊绳15静止时，光线照射示意图如图2所示，此时所述吊绳15垂直向下，光线垂直入射所述光栅组件20，由垂直入射的光栅方程可得：
[0034]
d sinθ＝kλ(k＝0,
±
1,
±
2...)
[0035]
令sinθ＝1，既可以得到能够看到的明条纹的最高级数：
[0036][0037]
如图4所示，当所述吊绳15发生摆动，使得平行光以角斜入射时，相邻两缝的发出的光在p点的光程差为：
[0038][0039]
故斜入射光栅方程改为：
[0040][0041]
检测出所述吊绳15摆动之后的明条纹级数，就可以进而求的摆角
[0042][0043]
其中，为检测的明条纹级数，d为光栅常量，λ为平行光波长。
[0044]
所述光敏二极管pn结阵列22用于检测衍射图样的相对位置变化和明条纹级数，检测到明条纹级数后，可通过上述公式计算得出所述吊绳15的摆动角度。
[0045]
所述吊绳15的摆动方向通过衍射图样的中央明条纹的相对位置变化得出：所述中央明条纹向上方移动时，所述吊绳15朝靠近所述光敏二极管pn结阵列22摆动；所述中央明条纹向下方移动时，所述吊绳15朝远离所述光敏二极管pn结阵列22摆动。
[0046]
本发明的核心思想即是当桥吊吊具的吊绳摆动时会带动轻质摆架上相连的反光平面镜一同摆动，导致与吊具静止时相比光线通过光栅的光程差发生改变，从而引发衍射
图样发生变化，主要体现在明条纹级数发生改变和衍射图样发生移动，为了便于确认，以中央明条纹的移动表示衍射图样的移动。通过摆动后衍射图样的明条纹级数计算摆动角度，通过摆动后中央明条纹的移动方向确定吊绳的摆动方向。
[0047]
如图5所示，光敏二极管pn结阵列22的同一列中的每一个光敏二极管pn结23通过列向pn结阴极连接线连接，最后通过列向连接线的检测引出线24连接到所述阵列pn结电压模数转换器26的某个引脚，光敏二极管pn结阵列22的同一排中的每一个光敏二极管pn结23通过横向pn结阴极连接线连接，最后通过横向连接线的检测引出线25连接到所述阵列pn结电压模数转换器26的某个引脚。
[0048]
并且，所述光敏二极管pn结阵列22可以通过放大器放大电压之后，再将电压传输给所述多个阵列pn结电压模数转换器26。如图1所示，所述多个阵列pn结电压模数转换器26可以通过电路与设置在桥吊上的信息处理装置14相连，所述信息处理装置14用于根据光敏二极管pn结阵列22中每一列和每一排的电压大小计算衍射图像的相对位置变化和明条纹级数，并进一步计算所述吊绳的摆动方向和摆动角度。
[0049]
每一个吊具均设置一个本发明所述的摆角检测装置，每个摆角检测装置中的光敏二极管pn结阵列22均与桥吊上的信息处理装置14连接。具体控制时，参阅图6，桥吊工作时，首先由驾驶室发出工作指令信号，桥吊小车运动，桥吊多个吊具开始运行时，引起吊绳摆动，桥吊的吊绳摆动会带动所述轻质摆架16上固定所述平面19一同摆动，导致与吊具静止时相比光线通过光栅组件20的光程差发生改变，通过光敏二极管pn结阵列22、放大器和电压模数转换器26(adc)将衍射图样信息转变成电压信号，然后传输给设置在桥吊上的信息处理装置14，进而计算获得各吊具的摆角值和获得摆动方向信息。吊具的摆角值和摆动方向被传输至驾驶室内的桥吊显示器，供桥吊操作员提供参考，同时提供给桥吊防摇/同步控制器作为桥吊控制的反馈信息。
[0050]
本发明的优点在于基于光栅衍射原理，点光源发出的光经过第一凸透镜转变成平行光，平行光又经过轻质摆架上设置的平面反光镜反射后入射光栅组件，衍射后通过第二凸透镜汇聚到光敏二极管pn结阵列上，当桥吊吊具的吊绳摆动时会带动轻质摆架上固定的平面放光镜一同摆动，导致吊具静止时光源发出的光通过光栅组件的光程差与摆动时相比发生改变，从而引发衍射图样发生变化，通过中央明条纹的移动方向确定吊绳的摆动方向，通过明条纹的级数确定吊绳的摆动角度，实现桥吊吊具的摆角检测。
[0051]
其次，本发明通过光敏二极管pn结阵列，将光信号转换成电信号，可以检测亮条纹的级数和位置信息，通过亮条纹的级数和位置信息计算得出摆角大小和吊绳的摆动方向，光敏二极管pn结阵列可以与信号处理装置连接，通过处理器的分析计算，将结果传送至桥吊自动防摇系统中完成桥吊的自动防摇，也可以传送到桥吊驾驶室，作为操作参考。
[0052]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0053]
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。