专利名称：构件载荷的测量系统、测量装置和测量传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量构件中的载荷、应力和/或材料疲劳的系统。本发明还涉及一种适用于所述系统的测量单元和测量传感器。本发明尤其适用于测量船体内的应力和载荷。
常规的方法包括将测量传感器固定在船体上来测量构件的局部变形。
图1表示了船体主甲板10的俯视图，以及测量传感器11、12、13和14在船体主甲板上的典型布置。典型使用的测量传感器是大约1到2米的钢条，例如通过焊接，稳固地固定在船体主甲板上，并且钢条一端固定而另一端可轴向移动。在连接处，例如设置有一个位移传感器以测量相对位移。测量传感器的钢条的长度要至少等于上述的长度，以便使钢条的相对位移足够大(典型地最大为+/-5毫米)并且使变形的测量足够精确。
在常规的方法当中，测量传感器获取的弱信号传到测量系统的中心单元，在此，从传感器接收的信号被放大并转换为数字形式，并进行数学信号处理。现有各种不同的标准信号处理模型可以通过测量结果得到临界变形的最佳的可靠检测。这类模型包括频率范围分析和所谓的Rainflow分类。Rainflow分类在美国材料实验协会(ASTM)的E1049-85标准(1990年重新通过)中有详细说明。
上述在先技术的系统存在一些缺陷。首先，该系统已经设计有给定数量的标准测量传感器，因而如果需要时不能提供另外的测量传感器。这是由于系统的中心处理单元的计算容量以及接口已经限定于特定数量的测量传感器的事实。存在这样的情况，即正常数量的测量传感器不够，比如在双体船上，相比于通常有4个测量传感器的“常见”船体，双体船需要更多的测量传感器，例如60套。
其次，在先技术的系统存在由于测量传感器和中心处理单元之间很长的测量线而引起的干涉问题。通过保护测量线缆很难避免这种问题，因为从测量传感器传输的信号是低频模拟信号。
另外，在先技术的测量传感器还存在校准麻烦的问题。一个原因是大量测量传感器从船体的繁重的拆卸，而另一个原因是大型测量传感器比较于校准状态下当固定在船体时运转有差异。因此，难于达到精确和可靠的校准。发生故障的测量传感器的替换也很难处理。
一个发明方面是测量传感器单元，即测量系统的测量单元，包括处理来自传感器的信号的装置，从而可以将完整的数学测量结果由测量单元传输到中心处理单元。按此方式，中心处理单元不需大计算能力，而且这种容量需求也不直接依赖于所用的测量传感器的数量。这样，测量传感器的数量可以方便地增加。另外，测量单元和中心处理单元之间线缆引起的干涉的负面影响将会减小，这是因为要传输的信号是数字信号并且如果需要可以重复传输。
第二个发明方面是测量传感器具有机械特征，使得它方便地连接到被测构件或从被测构件拆卸下来。此例中，被测构件优选地含有一个用于固定测量传感器的底座。测量传感器可以在离开被测构件时校准，并且被测构件上的测量传感器的运转与在校准条件下的运转几乎一致。
再一个发明方面是由传感器部件以及应变仪组装成测量传感器从而变形可传递到应变仪，该应变仪固定在传感器部件的弹性区。弹性区优选地由传感器部件上的双H开口部分构成。此外，传感器优选地包括一个第二应变仪用于温度校准，该第二应变仪固定在传感器部件不发生变形的部分。按此方式，提供一种小型但高精度的测量传感器，该传感器在校准时便于处理。
本发明所述的用于测量构件载荷的系统包括一个中心处理单元和至少一个测量单元，其特征在于，测量单元包括—测量传感器，用以将构件变形转换为电信号；—将所述信号转换为数字信号的装置；—数字信号的数学处理装置；以及—将处理结果传输到中心处理单元的装置，中心处理单元包括用于接收和收集由至少一个测量单元传输过来的处理结果的装置。
本发明的用于测量构件上载荷的测量传感器特征在于，测量传感器包括一个传感器组件和一个第一应变仪，其中，该传感器部件固定在被测构件上并且含有两个刚性件用以连接到被测构件上，以及在刚性件之间具有一个弹性件；该第一应变仪固定在所述弹性件上，用于将构件和传感器部件的变形传递给应变仪从而生成与应变仪变形成比例的信号。
本发明的用于测量构件上载荷的测量单元特征在于，测量单元包括—测量传感器，用以将构件变形转换为电信号；
—将所述信号转换为数字信号的装置；—数字信号的数学处理装置；以及—将处理结果传输到中心处理单元的装置。
本发明的优选实施例在所附的权利要求书中描述。
图2是本发明所述的测量系统的简图。该系统包括一个中心处理单元20，它连接于数字数据通信总线21。与数据通信总线21相连，设有多个测量单元30、32、和34，这些测量单元在被测构件上布置在合适的测量位置。
中心处理单元包括例如一台PC计算机并装有例如NT操作系统。在此例中，在Windows NT操作系统里，分开的内存作为开放的用户接口，基于该接口用户可以进入系统里的测量结果并可以控制系统。数据通信总线优选地是ARCNET数据网络(增强资源计算机网络Attached Resource Computer Network)。ARCNET计算机网络具有自动重新配置的特点。这一特点优选地用于不必修改程序或对系统进行其他修改而增加和减少测量传感器/单元。每个测量传感器/单元可以在系统里根据其专用标识符(例如序列号)被识别，从而在Windows NT的分开的内存里通过专用标识符将数据组织为用户接口(数据结构)。ARCNET计算机网络自动处理与每次配置有关的数据通信网点标识符。因此包含于中心处理单元的信息解析中的四通连接可以自动组织并将数据通信网点标识符与测量单元的专用标识符关联。从而配置不需用户操作。
图3表示了本发明所述的测量单元30。该测量单元包括一个惠斯通电桥302，其中用于测量变形的第一应变仪和用于温度补偿的第二应变仪顺次连接。固定电阻器构成了该电桥的第二部分。
从惠斯通电桥得到的测量信号通过放大仪器304放大，放大仪器的输出信号进一步由低通滤波器306滤波。测量频带为例如0-150Hz，并且频带优选地可由程序选定。放大并滤波后的模拟信号通过模拟—数字(A/D)转换器308转换为数字信号，由此所得的数字试样进入微处理器310。A/D转换器308也可以包含于处理器310。处理器310经测量单元里的内部总线312将测量结果存储在内存324里。该可重复编程的内存314具有例如4kB+32kB的容量。举例来说，该内存可以存储最近10秒以内的实时测量信号。计算机参数也可以存储在内存里。连接于总线312的数据通信接口316还与系统总线21通信，该系统总线在中心处理单元和测量单元之间传送数据。从测量单元内存314到中心处理单元的测量数据的传输基于中心处理单元的指令和存储在测量单元里的程序进行。根据中心处理单元的需要，测量单元可以向中心处理单元传输例如10秒的试样记录。
测量单元以试样频率向中心处理单元传输测量试样信号，该试样频率优选地低于D/A转换器的采样频率。测量单元还可以经数据通信总线配置。这样，例如，可以选择在测量单元内编程好的分析方法来运行。测量单元还以特定的间隔传输其配置设定以由中心处理单元验证。还有，测量误差可以校准并且数据采样频率可以在中心处理单元的控制下设定。测量单元还优选地监控其自身的运行。从而，例如，信号分析程序的周期得以监控，以避免处理器计算容量的过载。
处理器310优选地包括具有例如128kB容量的内部永久性ROM内存。与测量单元功能有关的程序以及与中心处理单元和测量单元之间的数据通信有关的程序都保存在该ROM内。所需的信号分析算法也存储在该ROM内，算法为，例如—计算信号均值；—计算有效信号值；—表示峰值正峰值、负峰值以及最大峰跨度值；—计算零溢出和平均零溢出频率；—Rainflow分类以及—利用快速傅里叶变换(FFT)计算信号的频谱。
这些编程于测量单元处理器内的分析方法优选地由测量单元实时运行。
除了上述的部件，测量单元还包括电路，用于由来自总线的电源电压生成运行电压(图3未显示)。
图4是本发明所述的在测量单元和中心处理单元之间传输数据的程序400的流程图。首先，测量单元检查是否已经从中心处理单元接收到信息，步骤402。如果已经接收到信息，则解析信息，404。随后检查测量单元是否接收到新的配置数据，步骤406。如果已经接收到新的配置数据，则测量单元根据这些新的数据重新配置，408。接着检查测量单元是否接收到向中心处理单元传输有效配置数据的指令，410。该指令可以是从中心处理单元发到测量单元的信息中的诸如一个比特/比特串。该指令也可以从传感器定时装置发出。如果已接收这种指令，则将配置数据传输给中心处理单元，412。
随后检查测量单元是否接收到向中心处理单元传输数学计算的测量数据的指令，步骤414。如果已接收这种指令，则将测量数据传输给中心处理单元，416。之后检查测量单元是否接收到向中心处理单元传输信号记录的指令，418。如果已接收这种指令，则将信号记录传输给中心处理单元，420。接着检查测量单元是否接收到向中心处理单元传输Rainflow分类的指令，422。如果已接收这种指令，则将Rainflow分类传输给中心处理单元，424。然后检查测量单元是否接收到向中心处理单元传输FFT结果的指令，426。如果已接收这种指令，则将FFT结果传输给中心处理单元，428。最后检查测量单元的信号试样缓冲器是否含有数据，430。如果缓冲器含有数据，则将该数据传输给中心处理单元，432。此例中，传输优选地以低于采样频率的试样频率进行。这些步骤之后，重新开始步骤402，并且重复上述的步骤，从而中心处理单元在每种状况下需要的测量数据可以按照中心处理单元的指令精确地传输给中心处理单元。应当指出，除了中心处理单元，上述的指令还可以从测量单元的定时装置发出。
图5a和5b表示了本发明所述的测量传感器50，适用于本发明所述的测量单元中。图5a是该测量传感器的俯视图，而图5b是该测量传感器的侧视图。所述测量传感器包括传感器部件502，该传感器部件在其端部具有刚性件504和508，在其中心部位具有弹性件506。图示中用虚线分隔开刚性件和弹性件。传感器部件的刚性件设有孔520和522用于将传感器固定在被测构件体或构件体上的装配件上。
传感器部件的弹性件506有两个形状为H形的开口510和512，构成了所谓的双H开口。利用该开口，弹性件具有比刚性件更高的弹性。在这两个H形开口之间，固定有第一应变仪传感器530，它连接于例如惠斯通电桥，提供与弹性件变形成比例的信号。另外，在第二H形开口里，固定有第二应变仪传感器，在其装配底座上不发生变形。该第二应变仪传感器的目的在于作为惠斯通电桥的基准电阻，以及补偿因第一应变仪传感器上的传感器温度变化引起的电阻变化。
传感器部件材料的弹性区(即弹性极限σE)优选地要大于构件材料的弹性区，从而被测构件体的变形不会引起传感器部件弹性区的属性改变。另外，传感器部件材料选择为如构件材料那样，可以经受变化的载荷而不发生疲劳破坏。传感器部件的双H形的支脚是矩形横截面，当对应于构件材料变形的压缩载荷超过其整个弹性区(σE)时，支脚长度不会超过压缩载荷下的弯曲长度。
传感器优选地由螺钉固定在焊接于构件体上的装配件上，从而测量传感器可以替换和校准。事实上，测量传感器可以象一般的精确工件一样安装。来自构件材料的能量传递通过摩擦接缝进行，传感器部件的结合面用碳化钴涂层544和548粗化。涂层的碳化晶体渗入焊接在构件体上的固定件的配合面内，从而防止滑动。
当测量单元包括有本发明所述的传感器以及本发明所述的信号处理电子装置时，该测量单元可以优选地由含有测量传感器的外壳壳底以及含有信号处理电子装置的外壳封盖封装。另外，壳底部分和封盖部分优选地以确保防水的方式结合。测量单元优选地使用可在合适的接线盒里延伸的固定线缆。
第二种选择是将测量传感器和信号处理电子装置封装在独立的外壳里。这种方案当需要在易爆环境下进行传感器的安装时具有优点。这种位置是例如各种容器的内表面。测量电子装置，例如，优选地布置在容器外面。
以上描述了本发明的几个优选实施例。本发明的原理当然可以在对应于本申请的细节和各方面的权利要求书所确定的保护范围内作出自然的变动。
特别要指出的是，本发明除了用于船体上载荷的测量以外，还可以用于许多各种构件。还要指出的是，本发明所述的测量传感器、测量单元以及测量方法和/或系统还可以相互独立地使用。
权利要求
1.一种测量构件载荷的系统，包括一个中心处理单元(20)和至少一个测量单元(30、32、34)，其特征在于，测量单元包括—测量传感器(302、50)，用以将构件形变转换为电信号；—将所述信号转换为数字信号的装置(308)；—数字信号的数学处理装置(310)；以及—将处理结果传输到中心处理单元的装置(316、21)，中心处理单元包括用于接收和收集由至少一个测量单元传输过来的处理结果的装置。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括用于从中心处理单元控制至少一个测量单元的功能的装置。
3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，中心处理单元(20)和测量单元(30、32、34)之间的数据通信经总线(21)进行，至少两个测量单元连接于该总线上，测量单元有可在逻辑上识别测量单元的标识符，标识符在测量单元和中心处理单元之间传输，以便识别发至给定测量单元的数据和发自给定测量单元的数据。
4.如权利要求1到3任何项所述的系统，其特征在于，所述至少一个测量单元可拆卸地连接于被测构件体。
5.一种用于测量构件载荷的测量传感器(50)，其特征在于，测量传感器包括一个传感器部件(502)和一个第一应变仪(530)，该传感器部件固定在被测构件上并且含有两个刚性件(504、508)用以连接到被测构件上，在刚性件之间具有一个弹性件(506)；该第一应变仪固定在所述弹性件上，用于将构件和传感器部件的变形传递给应变仪从而生成与变形成比例的信号。
6.如权利要求5所述的测量传感器，其特征在于，测量传感器地包括一个第二应变仪(532)用于温度补偿，该第二应变仪固定在底座上基本不发生变形的部分。
7.如权利要求6所述的测量传感器，其特征在于，所述第一应变仪和第二应变仪集成于惠斯通电桥(302)中。
8.如权利要求5到7中任一项所述的测量传感器，其特征在于，所述传感器部件包括双H开口(510、512)用于形成弹性区并为所述第一应变仪(530)提供测量点。
9.如权利要求8所述的测量传感器，其特征在于，所述第一应变仪固定在两个H开口之间。
10.如权利要求6和8或9所述的测量传感器，其特征在于，第二应变仪(532)固定在H开口的中心。
11.如权利要求5到10中任一项所述的测量传感器，其特征在于，传感器部件材料的弹性区/弹性极限(σE)选择为大于构件材料的弹性区/弹性极限。
12.如权利要求5到11中任一项所述的测量传感器，其特征在于，刚性件(504、508)上紧靠被测构件体或紧靠构件体上固定件的表面(544、548)已被粗化以增加结合处的摩擦。
13.一种用于测量构件载荷的测量单元(30)，其特征在于，测量单元包括—测量传感器(302)，用以将构件变形转换为电信号；—将所述信号转换为数字信号的装置(308)；—数字信号的数学处理装置(310)；以及—将处理结果传输到中心处理单元的装置(316)。
14.如权利要求13所述的测量单元，其特征在于，包括用于可拆卸地固定在构件体上的装置(520、522)。
全文摘要
本发明涉及一种测量构件中的载荷、应力和/或材料疲劳的系统。本发明还涉及一种适用于所述方法的测量传感器单元(50)和测量传感器(302)。本发明尤其适用于测量船体内的应力和载荷。一个发明方面是测量系统的测量传感器单元(50),包括处理来自传感器的信号的装置(310),从而可以将完整的数学测量结果由测量传感器单元传输(316、21)到中心处理单元。另一个发明方面是由传感器部件以及应变仪组装成测量传感器,从而变形可传递到固定在传感器部件弹性区的应变仪。利用本发明,测量单元可以在离开被测构件时校准,并且只要需要,可以在系统内增加另外的测量单元。
文档编号G01M99/00GK1353808SQ00808382
公开日2002年6月12日 申请日期2000年6月2日 优先权日1999年6月3日
发明者里斯托·萨卡利·鲁维利 申请人:R·鲁维利有限公司