自平衡测力仪及其使用方法与流程

本发明涉及土木工程、实验测量和机械等技术领域，特别涉及匀速动态构件的张力监测，更具体的是一种自平衡测力仪及其使用方法。

背景技术：

动态构件的张力监测是一个迄今未得到很好解决的科学难题，其监测的理论和方法还不完善。另外，目前使用的动态构件张力监测方法，不仅使用费用高，而且测量精度得不到保证，甚至有的构件张力监测难以实现。本发明自平衡测力仪可以很好的解决动态构件张力监测存在的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可用于动态构件张力监测的自平衡测力仪及其使用方法。

本发明提供自平衡测力仪，包括一弧形底座（100）、一支架（200）、一受力轮（300）、若干测力计（400）和若干位移传感器；所述位移传感器包括第一位移传感器（510）和第二位移传感器（520）；

所述弧形底座（100）的底面为平面，顶面为弧形凹面；

所述支架（200）包括一支架主体（210）和若干支腿（220），支腿（220）均匀设于支架主体（210）下方；各支腿（220）底端设有可转动球铰（230），所有支腿（220）底端的可转动球铰（230）共平面；各支腿（220）上均设有测力计（400），测力计（400）用来测量所在支腿（220）所受压力；

所述支腿（220）置于所述弧形凹面上，可转动球铰（230）与弧形凹面点接触；

所述受力轮（300）固定于所述支架主体（210）的上端，受力轮（300）和支架（200）的中心轴线重合；受力轮（300）用来承载动态构件并随动态构件的运动而转动；

所述受力轮（300）两侧分别设有一第一位移传感器（510），第一位移传感器（510）用来测量受力轮（300）上所承担动态构件两侧的位移量；

至少一支腿（220）上设有第二位移传感器（520），第二位移传感器（520）用来测量自平衡测力仪在水平方向的位移量；

动态构件置于受力轮（300）外沿且与受力轮（300）外沿点接触，若干支腿（220）的延长线交于该接触点。

进一步的，所述支架主体（210）上端固定有中心轴（211），所述受力轮（300）以共轴转动方式安装于所述中心轴（211）上。

进一步的，所述支腿（220）采用杆体或弹簧体。

进一步的，所述支腿（220）数量为3~5个。

进一步的，所述受力轮（300）外沿设置有用来放置动态构件的凹槽（310）。

进一步的，两相邻的支腿（220）上分别设置一第二位移传感器（520）。

进一步的，本发明自平衡测力仪还包括计算模块，所述计算模块与测力计（400）、第一位移传感器（510）、第二位移传感器（520）均相连，用来接收测力计（400）、第一位移传感器（510）、第二位移传感器（520）的测量值，并基于动态构件（600）的张力和支腿（220）所受压力的自平衡关系，，，解算并显示动态构件（600）的张力，其中，、、分别表示各张力和各压力在x、y、z三个方向的投影。

本发明提供的上述自平衡测力仪的使用方法，包括：

弧形底座（100）固定于坚固的地面，并保持弧形底座（100）底面水平；

支架（200）置于弧形底座（100）的弧形凹面上；

动态构件（600）安置于受力轮（300）上，并调整，使支架（200）和弧形底座（100）的中心轴线重合；

动态构件（600）移动，测力计（400）和位移传感器（500）开始测量并实时记录、显示测量值；

动态构件（600）移动过程中，自平衡测力仪也会随之移动，至自平衡测力仪稳定时，读取测力计（400）和位移传感器（500）的测量值；

测力计（400）的测量值即支腿（220）所受压力，将支腿（220）所受压力分别分解投影到x、y、z轴方向，同时，将动态构件（600）两侧的张力分别分解投影到x、y、z轴方向，各力与x、y、z轴方向的夹角根据位移传感器（500）的测量值计算获得；

基于动态构件（600）的张力和支腿（220）所受压力的自平衡关系，，，解算动态构件（600）的张力，其中，、、分别表示各张力和各压力在x、y、z三个方向的投影。

进一步的，x、y、z轴方向应满足：

xoy面为所有可转动球铰（230）所在平面，z方向垂直xoy面且过支腿（220）延长线的交点，原点o定义为可转动球铰（230）构成平面的中心点。

和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

（1）实现了动态构件的张力监测，解决了室内及现场动态构件张力监测的难题；

（2）结构简单，成本低廉，且易于实现；

（3）传感器成本低，可自动读取数据并记录，使用方便；且测量精度变化范围广，实用性强；这里，传感器包括测力计和位移传感器；

（4）适用范围广，可用于室内和现场的动态构件的张力监测，监测对象可以是起重设备、提升设备、桥梁绳索、电缆张力等；测量精度随传感器的测量精度，可满足不同的监测要求。

附图说明

图1为实施例中自平衡测力仪的结构示意图；

图2为图1中自平衡测力仪的i-i’剖面图；

图3为图1~2所示自平衡测力仪的受力简图。

图中，100-弧形底座；200-支架，210-支架主体，211-中心轴，220-支腿，230-可转动球铰；300-受力轮，310-凹槽；400-测力计；510-第一位移传感器，520-第二位移传感器；600-动态构件。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例

参见图1~2，本发明自平衡测力仪包括一弧形底座100、一支架200、一受力轮300、若干测力计400和若干位移传感器500。弧形底座100的底面为平面，顶面为弧形凹面。支架200包括一支架主体210和若干支腿220，支腿220均匀设于支架主体210下方。各支腿220底端设有可转动球铰230，所有支腿220底端的可转动球铰230共平面。支腿220置于弧形底座100的弧形凹面上，可转动球铰230与弧形凹面点接触。一支腿220上设一测力计400，测力计400用来测量所在支腿220所受压力。受力轮300固定于支架主体210的上端，用来承载动态构件600并随动态构件600的运动而转动。具体来说，支架主体210上端固定有中心轴211，受力轮300以共轴转动方式安装于中心轴211上。受力轮300两侧分别设有一第一位移传感器510，第一位移传感器510用来测量受力轮300上所承担动态构件600两侧的位移量，根据该位移量可确定动态构件600两侧张力与水平方向的夹角。至少一支腿220上设有第二位移传感器520，用来测量自平衡测力仪在水平方向的位移量，由于支腿220间的相对位置以及各支腿220的初始位置已知，根据该位移量即可确定各支腿220与水平方向、竖直方向的夹角。

本发明中，动态构件置于受力轮300外沿且与受力轮300外沿点接触，若干支腿220的延长线交于该接触点。为使动态构件能稳定放置于受力轮300上，在受力轮300外沿设置用来放置动态构件的凹槽310。

本发明中，支腿220可采用杆体或弹簧体，数量优选为3~5个，本实施例中，采用4个杆体作为支腿220。

为使位移量的测量更准确，本实施例中设置两个第二位移传感器520，具体来说，在两相邻的支腿220上分别设置一第二位移传感器520，通过对两个第二位移传感器520的测量值取平均值，来获得更准确的位移测量值。

本发明自平衡测力仪是由弧形底座100、支架200、受力轮300和传感器构成的可在任意曲面自动平衡移动的系统，这里，传感器包括测力计和位移传感器。受力轮300用来承受动态构件600的压力荷载，支架200的支腿220上所设的测力计400用来测量来自动态构件600的压力，即将张力测量转换为压力测量。第一位移传感器510和第二位移传感器520用来测量动态构件600和支架200的移动情况。

本发明利用自平衡测力仪，将动态构件600的张力测定转化自平衡测力仪的压力测定。各测力计400所采集的压力和动态构件600的张力构成空间汇交力系，压力和张力分别在x、y、z三个方向平衡。具体来说，动态构件600的张力和支腿220所承受的压力平衡，即存在力的自平衡关系：，，，其中，、、分别表示各力在x、y、z三个方向的投影。通过力的自平衡关系，即可求解动态构件600的张力。本发明中，使支腿220底端的可转动球铰230与弧形凹面点接触，可保证力的分解，同时也保证支腿220只受到压力。

本发明中，x、y、z轴方向可自行定义，但应保证x、y、z三个方向两两垂直。本实施例中，xoy面为所有可转动球铰230所在平面，z方向垂直xoy面且过支腿220延长线的交点，该交点见图3中点p，原点o定义为可转动球铰230构成平面的中心点。

下面将结合图3进一步说本发明的受力情况和技术原理。

参见图3，示出了系统中压力和张力构成的空间汇交力系。图中，a、b、c、d分别表示4条支腿220的四个末端，即4个可转动球铰230的中心；o为可转动球铰230中心构成平面的中心点，也即所采用坐标系xyz的原点；n1、n2、n3、n4分别表示4条支腿220受到的弧形底座100给的反作用力，也即支腿220所受压力，可由设于支腿220上测力计400测量获得；和分别表示支腿与xoy面和z轴的夹角，和的值是固定的；表示自平衡测力仪移动后z轴与竖直方向的夹角，即旋转角度，该值可根据第二位移传感器520测量的位移量计算获得；和表示动态构件两侧的张力t1、t2与水平线的夹角，可根据第一位移传感器510测量的位移量计算获得。

根据位移传感器的测量值换算出各力与x、y、z轴方向的夹角，并将各力分解投影到x、y、z轴方向，利用自平衡测力仪的自平衡关系，即可解算动态构件600的张力。基于上述自平衡关系，通过测力计采集的压力测量值即可解算出动态构件的张力。

下面将结合图1~3和上述实施例，进一步说明本发明自平衡测力仪的使用方法。

第一步，针对待测的动态构件600，确定弧形底座100的尺寸和位置，将弧形底座100固定于坚固的地面，并保持弧形底座100底面水平。

第二步，将受力轮300安装于支架200上端，将支架200安装于弧形底座100的弧形凹面上，受力轮300、支架200和弧形底座100三者的中心轴线重合。

第三步，在支腿220上安装第二位移传感器500，用来测量支腿220的位移量，也即自平衡测力仪的位移量。

第四步，将动态构件600安置于受力轮300上，并在受力轮300两侧安装第一位移传感器510，用来测量动态构件600的位移量。

第五步，进行调整，使得安装后的自平衡测力仪整体位于弧形底座100中心。

第六步，动态构件600开始移动，测力计400和位移传感器500开始测量，实时记录并显示测量值。

动态构件600移动过程中，自平衡测力仪也会随之移动，至自平衡测力仪稳定下来，读取测力计400和位移传感器500的测量值，并利用自平衡关系解算动态构件600的张力。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明专利精神作举例说明。本发明专利所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明专利的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。