专利名称:钢丝张拉力检测仪器的制作方法
本发明是基于振频法原理的测力仪器，瞬时引发钢丝起振，在其自由衰减振动的过程中测取振动基频，经本仪器计算并显示出钢丝所受的张拉力值。
本仪器用于建筑工程或建筑预制构件生产中，钢丝经张拉并两端锚固后，测取其张拉力值。在预应力混凝土结构的质量控制和管理中，预应力值符合设计要求是一个重要的环节。
与本发明最为接近的国内外技术，振频法原理的预应力检测仪器，见对比文件1、2、3。
对比文件1AⅡ-12型频率计(Частотн
й ириóор AⅡ-12)，С.И.НОГИН，В.С.ГОЛОБОрОБКО，《БЕТОН И ЖЕЛЕЗОБЕТОН》，1985，№3，39-40页。
对比文件1描述的在先技术是AП-12型频率计，其测周误差≤±1%，采用了先测取振动周期，然后由计算式算出应力的程式。为AП-12型为值定度的校验台实施校验时，被测的钢丝、钢筋和钢绳的长度L≥3m;由测周算出的应力测量误差≤4%。
我国标准GB 204-23第3条第2项规定，钢丝预应力允差5%。当检测仪器测力误差为4%时，检测出的力值对照预应力设计值，判断其合格与否时，能够肯定合格的范围仅±1%，不能肯定的范围达16%，其余则肯定为不合格。见1。由附图1可见，由于肯定合格范围过小，将有一部分合格的预应力构件不能得到肯定，使经济上造成损失。而且在预应力构件生产工艺中有部分产品的制造工艺使检测条件限于钢丝总长＜3m。此外，现场检测预应力值要求尽快得出力值，以便调整张拉力，上述先测取频率或周期，然后查对图表或计算的测力程式，在实用上工效低，误差大。
本发明测力误差≤1.5%，可以从仪器的显示屏直接读出张拉力值，被测钢丝总长≥2m。
对比文件2高精度直接显示强劲弦张(拉)力的测力电路，GK35103735。
对比文件2所描述的电路，在实时测频的采样时间达3秒的前提下，提高计数精度。当钢丝张拉力不大，钢丝振频衰减慢的情况是可以实现的。例如，测力器跨距60cm，直径φ5钢丝张拉力7.2～10KN，测取有效振频的时间将持续10秒以上。但张拉力为23.5KN时，在同等测试条件下的持续时间不超过1.5秒。可知，钢丝张拉力增大后，对比文件2所描述的电路不能正常采样。除上述采样时间的问题外，对比文件2所描述的电路的计算时间也不能满足钢丝张拉力增大后进行实时计算的要求。理由如下张拉力范围小，例如，7.2～10KN，其力频函数用N＝A0+A1f拟合，可以满足测力精度的要求。而张拉力增大，测力范围相应增大后，则必须用N＝A0+A1f+A2f2拟合，才满足测力精度要求。例如，测力范围7.2～23.5KN，用N＝A0+A2f拟合，其理论计算的测力误差＞3%，制成仪器的测力误差至少＞4%，用N＝A0+A1f+A2f2拟合，理论计算的测力误差＜0.1%，试制仪器的测力误差约1%。在对比文件2所提及的便携式钢丝测力仪中进行实时计算N＝A0+A1f的时间不大于2秒;而以相同原理的电路计算N＝A0+A1f+A2f2的时间不小于5秒。因此，当有效振频持续时间不超过1.5秒，则对比文件2所描述的电路不能完成实时计算，总之，由于采样时间和计算时间的要求，对比文件2所描述的电路不适用于钢丝张拉力增大后的条件。
我国建筑、铁路和交通等工程中，用作预应力筋的钢丝有冷拔低碳钢丝和各种碳素(高强)钢丝，以及新发展的低合金(中强)钢丝。国外用作预应力筋的钢丝仅高强钢丝。以φ5为例，低碳冷拔钢丝的张拉力范围实用7.2～10KN;而高、中强钢丝为7.2～23.5KN。对比文件2所描述的电路仅适用于冷拔低碳钢丝，而本发明的电路可用于上述各类钢丝。
对比文件3便携式振频法快速测力仪器，GK35103739。
对比文件3所描述的测力器采用了蓄能弹簧式击振机构;在夹紧体下端有橡皮弹性件吸收击振的反射波;连杆机构、偏心轴滑块机构夹紧钢丝;一个小锤设置在钢丝跨长中心的一侧击振钢丝。
采用蓄能弹簧式击振机构，在操作时用手压下蓄能弹簧的力需使测力器置于地面或某一承力平面上，才能把弹簧压紧;橡皮弹性件也需要置于地面或某一承力平面上才能实现吸收反射波的作用。因此这种机构的测力器仅适用于长线台座的张拉工艺中。而在短线模外张拉工艺中，由于钢丝总长甚短、刚性大，橡皮弹性件所占用的高度尺寸造成钳口不能夹紧钢丝而又保持钢丝原有的受力状态。此外，实际预应力构件的配筋工况中，有分层配置钢丝或钢丝力离承力平面甚远的情况，皆使对比文件3描述的测力器不能应用。
采用偏心轴滑块机构夹紧钢丝时，如偏心尺寸一定，则滑块行程一定，在钢丝直径变化时，需外加垫铁，以补偿直径的增减数值。这使测力操作附加了工作量。
采用击振小锤布置于钢丝跨长中心的一侧，由于击振点对跨长内钢丝基频的驻波节点不相应，所以在击振后钢丝的动力响应过程中增加了一个附加因素，使稳定基频出现需要的过渡时间增长。虽然这对钢丝张拉力不大、振幅衰减慢的情况下不致产生显著影响，但在钢丝张拉力甚大、振幅衰减甚快时，过渡时间增长将占用测频时间，使可测取稳定基频的时间缩短，降低了测力器适用的工况范围。
总之，上述对比文件1、2、3所描述的在先技术均未能同时实现1、钢丝总长≥2m，钢丝分层布置、钢丝距承力平面甚远或短线模外张拉工艺;2、钢丝张拉力在全部实用范围内(包括φ3、φ4、φ5各类钢丝);3、检测钢丝张拉力的误差≤1.5%;4.直接显示张拉力值。但本发明可以同时实现上述全部要求。本仪器的测力器还附有检测钢丝直径的功能，以便在现场直接修正直径偏差的影响;且当被测钢丝直径变化时，无需调整垫铁等附加操作。
本仪器包括测力器和计算显示器两部分。实现本发明的测力器的构造见2、附图3;测力器的主体是面板1，各部机构安装在面板1上。实现本发明的计算显示器的电路见附图4、附图5。附图6在附图2、3中1-测力器面板，2-夹紧器的旋转手柄，3-检测钢丝直径的刻度圈，4-差动螺纹的螺套，5-差动螺纹的螺杆，6-上钳口，7-下钳口，8-被测钢丝，9-左侧吸振杆，10-传感器，11-右侧吸振杆，12-五芯屏蔽电缆接头，13-起振信号开关，14-信号开关压块，15-吸振手把，16-吸振磁钢，17-保磁衔铁，(标记2-7在附图2右侧对称处同有)测力器工作如下将被测钢丝3置于上、下钳口6、7之间，其跨距为60cm，旋动旋转手柄2，带动螺套4旋转，且使螺杆5作直线运动，压下螺杆5下端的上钳口6，于是钢丝8被夹紧于上、下钳口6、7之间。差动螺纹起了放大力的作用。且由于差动螺纹的减速作用，手柄2旋转一圈的螺杆2行程仅是螺距的几分之一，因而提高了分辩率。利用这一特点，可由检测钢丝直径的刻度圈3用对比法检测钢丝直径。由于螺旋机构作直线运动，行程大小可变。当钢丝直径变化时，不必附加垫铁调整。
钢丝8被压紧后，先轻轻地推下吸振手把15，使左右吸振杆9、11下端贴压在被测钢丝8上，再拎起吸振手把15，直至被保磁衔铁17阻挡并吸合。于是钢丝8起振，作自由衰减振动。上述起振的机理分为三部分1、贴压在钢丝8上的外加负荷卸去;2、吸振磁钢16经左右吸振杆9、11和钢丝8形成的磁路在左右吸振杆9、11与钢丝8之间被拆开而产生对钢丝的吸力;3、吸振杆上端撞击保磁衔铁17时使测力器受到冲击而产生的振动经钳口传递给钢丝8。由于左右吸振杆9、11分布于钢丝跨长中点的两侧，对称布置，故上述三部分机理的作用是左右对称，有利于形成以左右钳口为节点的驻波，其动力学过渡过程的时间较短，且此种吸振操作无需地面或某种承力平面的反力。
左右吸振杆9、11向上运动时，与它连成一体的信号开关压块14也向上运动，压紧了起振信号开关13。被测钢丝信号起振后，钢丝的机械振动信号经传感器10转变为电信号，再经前置放大器18放大。前置放大后的电信号和起振开关13发出的起振信号由五芯屏蔽电缆接头12输出，传送给本仪器的计算显示器。
图4描述了实现本发明的电路10-传感器，12-五芯屏蔽电缆接头，13-起振信号开关，18-前置放大器，19-采样保持器，20-乘法器，21-运算控制器，22-计数器，23-分频器，24-晶振，25-译码器，26-显示屏，钢丝起振信号由起振信号开关13，经电缆接头12进入运算控制器21，作为起振时序的零点。延时后，运算控制器21按既定的时序控制采样保持器19，使其将钢丝起动的电量信号保持起来，采样保持器19的机理见图5。其采样时间不超过1秒，可长期保持采得的振频数值不变。运算控制器21由保持的振频信息。晶振24和分频器23供给的时间基准，乘法器20和计数器22实现N＝A0+A1f+A2f2的计算。用变换计算参数的方法使计算精度符合要求且简化电路。最后，由液晶的显示屏26显示，并保留计算的结果，即钢丝张拉力值N。
图5描述了采样保持电路的原理19-采样保持器，20-乘法器，22-计数器，23-分频器，24-晶振，27-运算控制器21中的变频器，28-运算控制器21中的主门。钢丝振频f经乘法器20倍频为nf。再输给主门28，另由晶振24、分频器23经变频器27输出标准时基信息给主门28。将主门28输出的脉冲输给计数器22。计数器22有足够的数位，以精确地反映振频信息。然后由计数器22将该振频信息输给采样保持器19。本采样保持器19的特征为1、全数字式的保持电路，在不切断电源的情况下可长期保存振频信息，不受环境温度、电磁场及电源电压波动的影响，保持数值不变;2、精度高，例如，计数器22采用五位、采样保持器19采用四位，用调整倍频数n的方法使计数器22满位但不溢出，则保持的振动频率精度不低于0.1%;有必要时，可增加数位，进一步提高精度;3、由于计算N＝A0+A1f+A2f2时所用的主门28、计数器23等皆可在采样时通用，在实施采样保持功能时，仅有采样保持器19是专门设置的，无需其他电路元件，因此本电路的采样保持功能的经济效益高;4、采样时间不大于1秒，实际应用为几百毫秒，可在钢丝张拉力增大后振幅衰减快的情况下达到采样精度。
图6描述了计算参数变换电路原理19-采样保持器，20-乘法器，22-计数器，23-分频器，24-晶振，25-译码器，26-显示屏，28-运算控制器21中的主门，29～33-运算控制器21中的转换开关，34-乘法器20中的编码器。将晶振24、分频器23输出频率为f1/nf的脉冲，其中f为钢丝振频。经转换开关29，输出一个宽度为nf/f1的方波给主门28作为主门28的开门时基。另由晶振24、分频器23输出频率为f2的脉冲给乘法器20。编码器34中已预先置入A1、A2等系数，以及在计算过程中由转换开关33置入的A2f。由时序确定转换开关31～33的动作，将某个系数从编码器34输给乘法器20。如输出的是A2，则乘法器20输出频率为A2f2的脉冲给主门28，作为主门28的计数脉冲。于是主门28输给计数器22的脉冲数为 (A2f2nf)/(f1) ，式中n、f1、f2是设定的常数。当设定 (nf2)/(f1) ＝100时，则计数器23中的数值为10A2f。这样逐项计算，即得到N＝A0+A1f+A2f2。
在先技术，一般通用的主门(门控)法测频、测周电路中，在测频时，被测信号由计数脉冲输入主门，标准的时间间隔基准由矩形波输入主门，则主门输出的脉冲计数为振动频率数，单位为Hz或其×10nHz(n为正、负整数);在测周时，被测信号在矩形波中，标准时间由计数脉冲输入主门，则主门输出的脉冲计数为振动周期数，单位为秒、毫秒等。如在通用的测频电路中，逐项计算A1f、A2f、(A2f)f时，信号频率f先用乘法器倍频，再由计数脉冲输入主门。但本计算参数变换电路不同于上述通用测频、测周电路。其特征为在进行频率的函数N＝A0+A1f+A2f2的逐项计算时，振频f的信号包含在矩形波中输入主门29，并设定n、f1、f2等辅助参数，达到用带有系数的类似测周的方法，实现频率f的多项式计算。本参数变换电路的实际效益在于设计时依据实际频段和精度要求选定数位及n、f1、f2等辅助参数，实现电路简化，比通用电路所用的元件少得多，又能符合精度要求。其效益的实例之一本参数变换电路可从带有置数端的减法计数商品集成块中直接提取保持的信息，并变换为矩形波输往主门28，因此电路十分简单。
权利要求
一种基于振频法原理的钢丝预应力检测仪器，它包括有短跨距(60cm)测力器和计算显示器，其特征在于其测力器包括有1、差动螺旋式夹紧机构；
2.用比较法检测钢丝直径的刻度圈;还包括有左右对称的起振机构，其中
3.预压钢丝，突然卸载起振机构;
4.带有永久磁铁的吸振杆起振机构;
5.用敲击测力器本身，使振动由夹紧机构传递给钢丝的起振机构;其计算显示器中包括有
6.全数字式高精度采样保持电路。它在不切断电源的情况下，可长期保存振频信息，数值不变;其计数器将采用五位，采样保持器采用四位，用调整倍频数n的方法使计数器满位，但不溢出，保持振频信息精度不低于0.1%，如增加数位，还可使精度进一步提高;采样保持时，可以通用计算N＝A0+A1f+A2f2时的主门、计数器等电路，仅需保持数值本身的电路;采样时间不大于1秒。
7.计算参数变换电路，它在进行频率函数N＝A0+A1f+A2f2的逐项计算时，振频f的信号包含在矩形波中输入主门;设定n、f1、f2等辅助参数，达到用带有系数的类似测周的方法实现频率f的多项式计算;设计时依据实际频段和精度要求选定数位及n、f1、f2等辅助参数，实现电路简化，又符合精度要求。
专利摘要
本发明是一种新的钢丝张拉力检测仪器。本发明提出一种新的测力器的夹紧机构、起振机构，具有新的全数字式采样保持电路和计算参数变换电路，且通用于冷拔低碳钢丝、低合金(中强)钢丝和碳素(高强)钢丝φ3、φ4、φ5的全部预应力值范围。在钢丝总长≥2m，长线台座、短线模外张拉或钢丝分层布置等工况，直接一次显示钢丝张拉力值，测力误差≤1.5％。
文档编号G01L5/04GK87104955SQ87104955
公开日1988年4月27日 申请日期1987年7月22日
发明者朱润枢 申请人:浙江省建筑科学研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan