一种振弦式小型应变计的制作方法

本发明涉及岩土及工程结构安全监测技术领域，特别是一种振弦式小型应变计。

背景技术：

振弦式应变计是一种用振弦原理来进行测量的应变计，其最大的优点是结构简单，工作可靠，输出信号为标准的频率信号，非常方便计算机处理。传统的振弦式应变计结构是在一外筒内设置钢弦，钢弦两端固定在两个端座上，两个端座均设置在外筒的两端，线圈设置在外筒的外部中间且线圈两端设置有磁铁。传统的振弦式应变计的缺点是其为分离式结构且外形体积比较大，进行测量时需要先将各个部件组装起来，工序繁琐，而且占用空间大，在空间受限的应用中无法使用，不适合小结构测量，且线圈和磁铁因为设置在外筒外部受到外界环境影响明显，给测量带来很大的不便，特别是在组装不得当时会大大降低测量的精度，同时在组装和拆卸过程中，会对应变计造成不同程度的损伤，减小使用周期。

技术实现要素：

本发明针对传统的振弦式应变计存在外形体积大且测量精度低等问题，提供一种振弦式小型应变计，采用集中式结构设计，体积小巧特别适合在空间受限的应用中使用的变形监测，具有测量精度高、使用周期长、环境适应性强等优点，适合工程上的广泛采用。

本发明的技术方案如下：

一种振弦式小型应变计，其特征在于，包括钢弦、第一端块、第二端块、线圈、第一磁体、第二磁体和防护外筒，所述钢弦、线圈、第一磁体和第二磁体均设置在防护外筒内，所述第一端块和第二端块分别设置在防护外筒的两端内部，所述第一端块与钢弦的一端连接，所述第二端块连接钢弦的另一端，所述线圈设置在钢弦外侧，所述第一磁体和第二磁体均采用磁性材料且第一磁体设置于线圈靠近第一端块的一端，第二磁体设置于线圈远离第一端块的一端，所述线圈、第一磁体和第二磁体为应变计提供信号激励和信号输出，所述防护外筒与钢弦、第一端块、第二端块、线圈、第一磁体和第二磁体形成一体化结构。

还包括用于保护钢弦和定位钢弦长度的钢弦保护管，所述钢弦穿过钢弦保护管，所述钢弦保护管外部缠绕线圈，所述钢弦保护管在第一端块和第二端块之间滑动。

还包括第一固定块、连接头和调节装置，所述第一固定块焊接在第一端块侧壁上并通过第一导轨结构与防护外筒连接，所述调节装置设置在防护外筒的靠近第一端块外端的端头且所述调节装置通过连接头连接第一端头以调节钢弦张力大小。

还包括第一密封圈和第二密封圈，所述第一密封圈和第二密封圈分别设置于第一端块与防护外筒接触部位的两端。

还包括第二固定块、屏蔽电缆和热敏电阻，所述第二固定块焊接在第二端块侧壁上并通过第二导轨结构与防护外筒连接，所述屏蔽电缆的一端通过环氧树脂固定于靠近第二端块外端的防护外筒的内部且屏蔽电缆的另一端引出防护外筒，为应变计提供信号输出和输入，所述热敏电阻通过环氧树脂固定于防护外筒内部并设置在屏蔽电缆靠近第二端块的一端。

还包括第三密封圈、第四密封圈和第五密封圈，所述第三密封圈和第四密封圈分别设置于第二端块与防护外筒接触部位的两端，所述第五密封圈设置于屏蔽电缆与防护外筒的接触部位。

还包括第一楔块和第二楔块，所述钢弦靠近第一端块的一端通过第一楔块采用压力机的方式固定在第一端块上，所述钢弦靠近第二端块的一端通过第二楔块采用压力机的方式固定在第二端块上。

所述线圈采用有粘性的胶体固定在钢弦保护管外部的中间，所述第一磁体和第二磁体可以采用有粘性的胶体固定在线圈的两端。

所述防护外筒、第一固定块、第二固定块和调节装置均采用不锈钢材料制造。

所述调节装置为调节螺丝。

本发明的技术效果如下：

本发明涉及的一种振弦式小型应变计，包括钢弦、第一端块、第二端块、线圈、第一磁体、第二磁体和防护外筒，线圈、第一磁体和第二磁体为应变计提供信号激励和信号输出，防护外筒用来保护钢弦、第一端块、第二端块、线圈、第一磁体和第二磁体并且与钢弦、第一端块、第二端块、线圈、第一磁体和第二磁体形成一体化结构，将钢弦、线圈、第一磁体和第二磁体等均设置在防护外筒内，避免钢弦、第一端块、第二端块、线圈、第一磁体和第二磁体直接与测量物体接触，降低应变计的磨损，延长应变计的使用周期，同时，在进行测量时应变计可以直接使用，避免组装或拆卸这一环节造成的部件之间的摩擦使应变计造成损坏，进一步延长了应变计的使用周期。本发明提出的一种振弦式小型应变计采用集中式结构设计，设计体积非常小，形成一体化小型应变计，体积小巧特别适合在空间受限的应用中使用的变形监测，成本低廉，应变计整体采用不锈钢材料制造，耐腐蚀性能好，适应恶劣环境的使用，环境适应性强，具有长期可靠的优点，应变计能达到分辨率0.025f.s％、精度±0.5f.s％、重复性≤0.3f.s％、性能稳定，测量精度高，同时由于振弦式应变计本身特性，频率信号稳定，本发明的小型应变计适于长距离信号传输。

优选地，应变计还包括钢弦保护管，钢弦保护管外部缠绕线圈，线圈可以采用有粘性的胶体如502固定在钢弦外部或钢弦保护管外部的中间，防止线圈移动造成测量的不准确性，钢弦穿过钢弦保护管，钢弦保护管用来保护钢弦和定位钢弦长度，并且可以在第一端块和第二端块之间任意滑动，提高了应变计的测量精度和系统的稳固定。

优选地，应变计还包括第一固定块、连接头、调节装置、第一密封圈和第二密封圈，第一固定块可以通过激光焊接机焊接在第一端块侧壁上并通过第一导轨结构与防护外筒连接，避免应变计发生旋转，进一步提高整体的安全稳定性，调节装置通过连接头连接第一端头，具体地，连接头可以采用激光焊接的方式固定在第一端块远离第一磁体的一端，调节装置与连接头采用螺纹连接用以调节钢弦张力大小，进一步提高了测量的准确性。更进一步地，可设置第一楔块，钢弦靠近第一端块的一端通过第一楔块采用压力机的方式固定在第一端块上，避免钢弦移动造成非必要的测量误差；第一端块与防护外筒接触部位的两端优选设置第一密封圈和第二密封圈，设置上述密封圈的作用是使应变计整体密封防潮、防水耐压。

优选地，本发明涉及的一种振弦式小型应变计还包括第二固定块、屏蔽电缆、热敏电阻、第三密封圈、第四密封圈和第五密封圈，第二固定块可以通过激光焊接机焊接在第二端块侧壁上并通过第二导轨结构与防护外筒连接，避免应变计发生旋转，进一步提高整体的安全稳定性，屏蔽电缆的一端通过环氧树脂固定于靠近第二端块外端的防护外筒的内部，为应变计提供信号输出和输入，热敏电阻通过环氧树脂固定于防护外筒内部的屏蔽电缆靠近第二端块的一端，增强整体牢固性，热敏电阻可以测量环境温度值，对应变计进行温度修正，提高应变计的测量精确度。更进一步地，可设置第二楔块，钢弦靠近第二端块的一端通过第二楔块采用压力机的方式固定在第二端块上，防止钢弦移动，进一步增强了应变计的安全可靠性，提高了系统的测量精度；第二端块与防护外筒接触部位的两端优选设置第三密封圈和第四密封圈，屏蔽电缆上设置有第五密封圈，在多处设置上述密封圈的作用是提高了小型应变计整体的防水、防潮和耐压的性能。

优选地，可以采用将线圈采用有粘性的胶体如502固定在钢弦外部或钢弦保护管外部中间，防止线圈移动造成测量的不准确性，第一磁体和第二磁体可以采用有粘性的胶体如502固定在线圈的两端，进一步保证应变计的稳固性，提高测量的精度。在进行测量时，应变计可采用焊接方式固定，短期检测也可以使用卡具或螺栓固定到被测物体的表面，也可以用环氧或其他高强度粘结剂把应变计粘接到被测物体表面。

附图说明

图1为本发明振弦式小型应变计的优选结构的正视剖面图。

图2为本发明振弦式小型应变计的优选结构俯视图。

图中各标号列示如下：

1－钢弦；2－第一端块；3－第二端块；4－线圈；5－第一磁体；6－第二磁体；7－防护外筒；8－钢弦保护管；9－第一固定块；10－连接头；11－调节螺丝；12－第一密封圈；13－第二密封圈；14－第一导轨结构；15－第二固定块；16－屏蔽电缆；17－热敏电阻；18－第三密封圈；19－第四密封圈；20－第五密封圈；21－第二导轨结构；22－第二楔块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

本发明涉及一种振弦式小型应变计，采用集中式结构设计，用来测量钢结构和间距较小结构中的应变，其优选结构如图1所示，包括钢弦1、第一端块2、第二端块3、线圈4、第一磁体5、第二磁体6和防护外筒7，钢弦1、线圈4、第一磁体5和第二磁体6均设置在防护外筒7内，第一端块2和第二端3块分别设置在防护外筒7的两端内部，上述结构设置能够避免钢弦1、第一端块2、第二端块3、线圈4、第一磁体5和第二磁体6直接与测量物体接触，降低应变计的磨损，延长应变计的使用周期。第一端块2与钢弦1的一端连接，第二端块3连接钢弦1的另一端，线圈4设置在钢弦1外侧且线圈4优选为电感线圈，第一磁体5和第二磁体6均采用磁性材料且可以采用有粘性的胶体如502固定在线圈4的左右两端，保证应变计的稳固性，提高测量的精度，第一磁体5设置于线圈4靠近第一端块2的一端，第二磁体6设置于线圈4远离第一端块2的一端，第一磁体5和第二磁体6优选为磁铁，线圈4、第一磁体5和第二磁体6为应变计提供信号激励和信号输出，防护外筒7用来保护安装好的钢弦1、第一端块2、第二端块3、线圈4、第一磁体5和第二磁体6，且防护外筒7与钢弦1、第一端块2、第二端块3、线圈4、第一磁体5和第二磁体6形成一体化结构。

图1为本发明振弦式小型应变计的优选结构正视剖面图，图2为其俯视图，该振弦式小型应变计除设置有钢弦1、第一端块2、第二端块3、线圈4、第一磁体5、第二磁体6和防护外筒7外，优选地，如图1所示，振弦式小型应变计还包括用于保护钢弦1和定位钢弦1长度的钢弦保护管8，钢弦1穿过钢弦保护管8，钢弦保护管8外部缠绕线圈4，线圈4可以采用有粘性的胶体如502固定在钢弦保护管8外部的中间，防止线圈4移动造成测量的不准确性，可理解为是在第一端块2和第二端块3中间镶一根滑动的钢弦保护管8，钢弦保护管8在第一端块2和第二端块3之间滑动，用来定位钢弦1长度和保护钢弦1，提高了应变计的测量精度和系统的稳固定；优选地，如图1和图2所示，振弦式小型应变计还包括第一固定块9、连接头10、调节装置、第一密封圈12和第二密封圈13，调节装置可采用调节螺丝11或其它调节结构，第一固定块9可以通过激光焊接机焊接在第一端块2侧壁上并通过第一导轨结构14与防护外筒7连接，即第一固定块9与防护外筒7连接处为第一导轨结构14，该结构可防止应变计发生旋转，提高整体的安全稳定性，同时第一固定块9还为应变计提供安装连接，连接头10可以通过激光焊接机采用激光焊接的方式固定在第一端块2远离第一磁体5的一端，调节螺丝11设置在防护外筒7的靠近第一端块2外端的端头且调节螺丝11与连接头10通过采用螺纹连接的方式连接在第一端头2上用以调节钢弦1张力大小，进一步提高了测量的准确性，调节螺丝11与防护外筒7配合可调节张力大小从而改变应变计安装方式，采用压缩应变调大张力或读数，相反拉伸应变调小张力或读数，不知道测量方式则调在中间位置。更进一步地，可设置第一楔块，值得注意的是第一楔块设置在第一端块2的内部，在图1中未标出，其位置与第二楔块22在所在的位置是相对应的，钢弦1靠近第一端块2的一端通过第一楔块采用压力机的方式固定在第一端块2上，避免钢弦移动造成非必要的测量误差，第一端块2与防护外筒7接触部位的两端设置第一密封圈12和第二密封圈13，设置上述密封圈的作用是使应变计整体密封防潮、防水耐压。优选地，振弦式小型应变计还包括第二固定块15、屏蔽电缆16、热敏电阻17、第三密封圈18、第四密封圈19和第五密封圈20，第二固定块15可以通过激光焊接机焊接在第二端块3侧壁上并通过第二导轨结构21与防护外筒7连接，即第二固定块15与防护外筒7连接处为第二导轨结构21，该结构也可防止应变计发生旋转，进一步提高整体的安全稳定性，同时第二固定块15也为应变计提供安装连接，屏蔽电缆16的一端通过环氧树脂固定于靠近第二端块3外端的防护外筒7的内部且屏蔽电缆16的另一端引出防护外筒7，屏蔽电缆16为应变计提供信号输出和输入，热敏电阻17通过环氧树脂固定于防护外筒7内部的屏蔽电缆16靠近第二端块3的一端，增强整体牢固性，热敏电阻17可以测量环境温度值，对应变计进行温度修正，提高应变计的测量精确度；更进一步地，可设置第二楔块22，钢弦1靠近第二端块3的一端通过第二楔块22采用压力机的方式固定在第二端块3上，即钢弦1作为应变计测量主要元件，它用两个楔块通过压力机分别固定在第一端块2和第二端块3两端，防止钢弦1移动，进一步增强了应变计的安全可靠性，提高了系统的测量精度；第三密封圈18和第四密封圈19分别设置于第二端块3与防护外筒7接触部位的两端，第五密封圈20设置于屏蔽电缆16与防护外筒7的接触部位，在多处设置上述密封圈的作用是提高了小型应变计整体的防水、防潮和耐压的性能。也就是说，防护外筒7与第一端块2和第二端块3的交接处均设置有相应的密封圈，各密封圈和防护外筒7使本发明振弦式小型应变计整体密封防潮、防水耐压。

图2为本发明振弦式小型应变计的优选结构俯视图，该振弦式小型应变计整体为不锈钢材料制造，或者说是其防护外筒7、第一固定块9、第二固定块15和调节螺丝11均采用不锈钢材料制造，耐腐蚀性能好，适用恶劣环境适用，并可以长期使用，具有长期可靠性。在进行测量时，应变计可采用焊接方式固定，短期检测也可以使用卡具或螺栓固定到被测物体的表面(如钢或混凝土表面)，也可以用环氧或其他高强度粘结剂把应变计粘接到被测物体表面(如钢或混凝土表面)。

本发明振弦式小型应变计的工作原理(采用振弦原理)如下：将钢弦1张拉在第一端块2和第二端块3之间，第一端块2和第一端块3可以采用焊接机、环氧或其他高强度粘结剂的方式焊接或者粘接在被测物体(或者说待测钢件)表面，当被测物体结构发生应变时，被测物体表面的变形会导致第一端块2和第一端块3的相对运动从而引起钢弦1张力改变，进而使钢弦1的固有频率发生变化，测量仪表输出脉冲信号通过线圈4、第一磁体5和第二磁体6激振钢弦1并检测出线圈4所感应信号的频率，经过换算得到被测结构的应变量。钢弦1的固有振动频率f与拉力t的关系为：f＝(1/2l)*(t/m)*1/2

上式中：f─钢弦的自振频率，l─钢弦的长度，m─单位长度钢弦的质量，t─钢弦的张力。

本发明提出的一种振弦式小型应变计采用集中式结构设计，设计体积非常小，形成一体化小型应变计，主要用于测量钢结构构件上的应变，诸如：桥梁、桩、隧道衬砌、管路系统、建筑物、大坝、核电站等，体积小巧特别适合在空间受限的应用中使用的变形监测，同时，在进行测量时应变计可以直接使用，避免组装或拆卸这一环节造成的部件之间的摩擦使应变计造成损坏，进一步延长了应变计的使用周期，成本低廉，该应变计整体采用不锈钢材料制造，耐腐蚀性能好，适应恶劣环境的使用，环境适应性强，具有长期可靠的优点，应变计能达到分辨率0.025f.s％、精度±0.5f.s％、重复性≤0.3f.s％、性能稳定，测量精度高，同时由于振弦式应变计本身特性，频率信号稳定，本发明的小型应变计适于长距离信号传输。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。