基于MSP430的便携式钢丝绳张力测试仪的研制

   0　引　　言

    在港口码头、矿山和造船厂等部门广泛使用着各种起重机械,其中钢丝绳的张力分配和钢丝绳的状态对钢丝绳的使用寿命、对设备和人员的安全都有着重要的意义^[1],因此在很多场合需要对钢丝绳的张力进行测量.钢丝绳张力的测量方法有多种,传统的方法可分为直接测量法(如在被测绳上串入测力计等)和间接测量方法(如三点弯曲法、磁通量法和频谱分析法等).直接测量方法往往不安全或难以操作,间接测量方法各有特点,其中频谱分析法因其精度高、方便、适合观测等特点受到广泛应用.

    传统的频谱法测钢丝绳张力时,大多采用普通的加速度传感器,需要提供电荷放大器等中间环节将传感器产生的微弱电荷量放大,并将高阻抗输出转化为低阻抗输出,然后通过数据采集装置,由PC机实现采集控制和数据处理.整个测量系统结构较为复杂,体积较大,抗干扰能力差,不适合应用在空间受限、电源不方便,或工作地点经常变更的场合.

    文中研制了一套基于MSP430单片机的便携式张力测试仪.16位RSIC指令集单片机MSP430F149具有内置8通道12位A/D转换器,内置16位硬件乘法器,具有多种超低功耗模式等特点,满足便携式测试仪器的低功耗、小空间、低成本的要求.测试仪选用内装IC压电加速度传感器,它将阻抗变换电路集成在传感器的金属壳内,极大减少了电缆、环境干扰对传统传感器系统的影响.内装IC压电加速度传感器的集成化、低功耗特点为钢丝绳张力的现场便携式测试提供了极大的方便.

    1　钢丝绳张力测试原理

    钢丝绳张力测试的理论基础是弦振动理论.在考虑抗弯刚度的情况下,钢丝绳的动力平衡微分方程为

式中:y为垂直于钢丝绳方向的坐标;x为钢丝绳长度方向上的坐标;M为单位索长的重力;g为重力加速度;EI为钢丝绳的抗弯刚度;T为钢丝绳的张力;t为时间坐标.在设定钢丝绳的两端为铰支,并且不考虑钢丝绳抗弯刚度,方程(1)的解为

式中:L为钢丝绳的长度;n为钢丝绳的振动阶数;f_n为第n阶振动频率.

    文献[2 ]等研究了采用式(2)计算钢丝绳张力T时带来的误差,本测试仪器采用标定的方法,通过提供标定系数来计算张力T.

    2　便携式钢丝绳张力测试仪的设计

    图1为便携式钢丝绳张力测试系统示意图,图2为测试系统的硬件结构图.

    测试系统可大致分为4个模块:电源模块、传感器模块、MSP430外围电路模块以及信号采集与分析模块.

    2.1　电源模块

    测试仪器需要多种工作电压共存:MSP430F149单片机典型供电电源3.3 V,LCD和信号调理电路工作在5 V的电压下,压电加速度传感器需要提供典型值为24 V,4 mA的恒流源.整个系统采用12 V,4.0 Ah镍氢充电电池供电,采用DC/DC电源模块WRA12A12和WRA12B05分别得到24 V传感器电源和+5V电源.单片机3.3 V电源由+5 V转换得到.