智能便携式缆索张力测量仪的制作方法

专利名称：智能便携式缆索张力测量仪的制作方法
技术领域：
本发明属于力学、液压和嵌入式系统等技术在缆索张力测量方面的应用，具 体适用于斜拉桥、悬索桥、提升机、架空索道、高压电线等空间结构中的张力检 测装置。
背景技术：
现代工程设施中许多采用缆索的张力来支承载荷，如斜拉桥、悬索桥、提升 机、架空索道、高压电线等。缆索结构在此类支承载荷作用中占据着关键地位。 为保障此类结构的安全性，精确、迅速地测量缆索应力成为工程设施后期维护的 重要环节。索力测量为随时监测缆索结构的受力情况，评价结构的技术状况和及 时发现安全隐患提供有效的手段。对高压输电线，斜拉桥等缆索索力的测量可在 一定程度检测防护系统等是否完好、缆索是否发生锈蚀。因此为保证工程的安全 和施工的顺利进行，测量缆索的张力是一个关键因素。
对于悬索桥、斜拉桥、高山索道、滑索等结构，缆索的受力状况在其建设和 营运期间都成为评价本身所处状态的重要环节。忽略了这个环节，例如因为设备 老化而产生接近破坏的应力状态未能及时检测，就可能引起重大的工程事故，使 国民经济遭受很大程度的损失。为实时检测索力，以用于技术分析、排除安全隐 患、便于工程的施工与维护，必须提供有效而简易的缆索张力检测方法。
目前缆索的张力检测方法主要包括传统机械式的测量方法与计算机辅助测量 (ComputerAidedTesting，简称CAT)方法。传统的模拟式的测量方式在精度、可靠 性、灵活性等方面存在的问题可望通过结合计算机的数字式测量方法得以解决。
目前缆索的张力测量的方法有多种，传统的如压力表、压力传感器、磁力环 法测量的模拟式测量方法和频率法、波动法等数字式测量方法。业界普遍认为，模拟式测量方法适用于施工阶段的索力测量，数字式测量方法由于其灵活性而适 于在施工阶段完成后对设施的维护。
目前工程中常用的缆索张力的测量方法可大致分为压力表读数法、传感器读 数法、频率法和波动法等四种方法，各种测量方法的原理概述如下
(一)压力表读数法
该方法的原理是根据张拉缆索时，油泵上油压表的读数来推算张拉千斤顶的 张拉力，由此得出缆索张力。用该方法测定索力时，事先要对张拉缆索的液压系 统进行标定，建立油压表读数与千斤顶张拉力之间的对应关系。
压力表读数法适合于施工阶段确定缆索索力大小，施工完成后由于安装和移 动大吨位的张拉千斤顶十分麻烦而不宜采用。 (二)传感器读数法
该方法是在张拉千斤顶的牵引杆和活塞之间串联一压力传感器，张力大小通 过压力传感器及与之相匹配的仪表来测定。利用此法测量索力，同样需要事先对 传感器系统进行标定，建立传感器读数与它所受压力之间的关系。如果所用的传 感器的性能稳定，用它来测量缆索的张力可望得到比油压表读数法更高的精度。 因为用该方法时，传感器要与千斤顶配合使用，所以该方法与压力表读数法一样 只适用于施工阶段的索力测量，对于施工完成后的索力测量并不方便。
(三)频率法
用该方法测量缆索的张力，需首先设法测出缆索的振动频率，因缆索的振动 频率与索力之间存在着固定的关系。通过从传感器采集的振动信号以计算机辅助 测量的方式获得的采样数据进行功率谱分析，根据谱图的特征获得信号的基频。 通过基频与缆索张力的关系公式计算出索力大小。
根据待测缆索振动频率的不同，频率法又可分为共振法和随机振动法。采用 共振法测量缆索振动频率时，需用人工激振的方法使之作单一的基频振动，然后 用频率计测出基频。共振法测定索振动频率的缺点是测量结果的准确性与操作者的经验有关，经验丰富的测试人员能在较短的时间里激出索的纯基频振动，而一 般人往往激励不出纯基频振动，当然也就测不出拉索的基频。用随机振动法测量 缆索振动频率时，不用对其进行人工激振，而是利用风、桥面振动等环境下的随 机激振源对缆索的激励进行测量。
在环境随机振源的激励下，索的振动是一种随机振动，可利用频谱分析仪对 获得的随机信号进行频谱分析， 一般可以得到前几阶的振动频率。利用环境随机 振动法测量缆索的振动频率具有不需要对其进行人工激振，具有测得的振动频率 准确可靠等优点。
(四)波动法
该方法根据应力波在缆索中传播波速与拉索张力的关系，先测出激励脉冲与 反射波之间的传播时差，便可根据公式计算出拉索张力。波动法实施简单，只需 力锤敲击，击起应力波，由测出的应力波传播图即可分析得出结果。
中国实用新型专利(专利号200620104859.8)公开了一种钢索内力测试仪，
这种测力仪器包括承力架和设于承力架两端之间的索夹紧件，其特征在于所述
的索夹紧件通过一拉力传感器与一可做升降运动的动力输入轴相连，另设有一动 力输入件，该动力输入件通过减速机构与动力输入轴相连接，所述的动力输入轴 还连接有挠度传感器。通过改进索夹紧力供给机构及测量仪器，提高了测量精度， 工作可靠，达到了省力、便于操作的目的。
中国实用新型专利(专利号03273775.0)公开了一种索拉力测量仪，该测 量仪中包括桥臂、支点装置、力敏传感器、索夹紧器及显示装置，支点装置固定 在桥臂上，力敏传感器一端连接在桥臂上，另一端与索夹紧器连接，显示装置与 力敏传感器相连，索夹紧器包括与力敏传感器连接的基体、动接在该基体上的压 点装置，及固接在该基体上的限位块，该支点装置、压点装置及限位块之间形成 有间隙。因为该索拉力测量仪在无需卸载的情况下即可对被测索进行测量，所以 可在张紧的被测索的任何位置上迅速而准确地进行各种索拉力的测量，并可在高空作业环境下使用。
在缆索张力机械式的测量方法中可以分为三种形态(l)固定变形量的大小， 读取所施加的作用力来推算出缆索张力；(2)固定所施加的作用力大小，读取变 形量的数据来推算出缆索张力；(3)同时读取变形量和作用力的大小，计算缆索 张力。
但是，随着工程上所使用的缆索直径不断加粗，在设施的维护阶段希望采用 缆索张力机械式的测量方法受到了极大的限制，特别是在大型的空间结构上对缆 索的张力进行在线检测，由于需要对缆索产生较大的测量作用力往往需要配备有 一套动力作用装置来产生测量作用力，这对斜拉桥、悬索桥、架空索道等高空作
业环境下的缆索张力进行在线测量受到的极大的限制；专利号为03273775.0所公
开的索拉力测量仪中所采用的索夹紧器以及专利号为200620104859.8所公开的钢
索内力测试仪中所采用的索夹紧力供给机构是无法实现大直径缆索测量作用力，
另外为了实现较大的测量作用力所需的旋紧力也必须很大，于是操作手轮的力就
附加在被测缆索上，导致在测量作用力中叠加了旋紧力，使得测量精度受到该旋
紧力的影响。

发明内容
为了克服已有的缆索张力仪的测量范围受限、测量精度差、难以在高空作业 环境下使用、智能化程度低的不足，本发明提供一种测量范围广、测量精度高、 携带方便、智能化程度高的智能便携式缆索张力测量仪。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
一种智能便携式缆索张力测量仪，包括用于产生缆索张力测量作用力的液压 千斤顶、桥臂、压力传感器、位移传感器以及用于根据压力传感器和位移传感 器的测量数据进行缆索张力测量的微处理器，所述的液压千斤顶包括缸体和测 量力发生部件，在缸体一端的容腔内装有活塞，活塞与一端伸出缸体外的测量杆固定连接，所述的测量力发生部件包括测量杆与活塞之间装有弹簧，缸体外 有凸缘，桥臂、端盖和挡圈固定连接后，挡圈与缸体外圆柱面之间转动配合， 端盖上装有位移传感器；缸体中部分别设有一端与活塞底部容腔连通、另一端 与小柱塞底部容腔连通的单向陶， 一端与油囊连通、另一端与活塞底部容腔连 通的卸荷球阀，以及一端与油囊连通、另一端与小柱塞底部容腔连通的进油单 向阀；在与活塞底部容腔连通的缸体中部引出一个测量液压油的压力的测量孔， 在测量孔上安装压力传感器；所述的桥臂与端盖进行固定连接，所述压力传感 器和位移传感器的输出与所述微处理器连接；所述微处理器包括 数据读取单元，用于读取压力传感器和位移传感器的测量数据； 被测缆索直径估算单元，用于估算被测缆索的直径，根据公式(2)条件刚满足
时测量千斤顶的活塞的位移量来估算 F"州2 0 (2) 其中，r为在千斤顶的活塞上的作用力，F，^y)为千斤顶的压縮弹簧的作用 反力；
公式(2)条件刚满足时，表示千斤顶的测量杆巳经与被测缆索相接触，测量 杆的位移等于被测缆索的直径d;
被测缆索弯矩估算单元，用于釆用实验法得到不同缆索的直径d和变形量5y为 变量的被测缆索弯矩曲线，根据获得的被测缆索的直径d和变形量3y求得被测缆 索弯矩f
缆索张力测量单元，用于根据压力传感器和位移传感器的测量数据、桥臂的长度、 被测缆索弯矩数据计算缆索的张力根据桥臂长度D、变形量^y、活塞19的面 积A以及压力传感器测量到的在活塞19的作用力P，缆索张力计算方法由公式(3)
来表示r = JXjP-F"(3力—(3) sin(arc tan(^^》
式中D为桥臂长度，3y为变形量，A为活塞的面积，P为液压油的压力，Fw (5力为在变形量为々时的被测缆索弯矩，(5力为在变形量为 一 时的复位弹 簧的力。
进一步，所述微处理器还包括通信接口单元，用于跟其他通信设备进行 数据交换；显示输出单元，用于将缆索张力测量结果显示在显示单元上。
作为优选的另一种方案所述的液压千斤顶还包括本体部件和手柄部件； 所述本体部件包括固定在缸体上的壳体，壳体一端的容腔内装有油囊，装入缸 体另一端孔中、并能在所述另一端孔中滑动的小柱塞，小柱塞外端圆柱面上套 有弹簧，与小柱塞固定成一体的弹簧垫上的圆柱销与前后两连杆的一端铰接，
前后两连杆的另一端分别通过前后圆柱销与手柄一端的曲拐铰接；所述的手柄
部件包括两个手柄，两个手柄一端的曲拐分别与壳体另一端两个凸块上的圆柱
销铰接，在两个手柄中部分别有方向相反的凸台，在两个手柄一端的曲拐上装
有分别能绕圆柱销转动的限位片。
所述的手柄部件包括两个手柄，两个手柄一端的曲拐，分别与壳体另一端
两个凸块上的圆柱销铰接；为了防止在使用过程中两手相撞，在两个手柄中部
分别有方向相反的凸台，在两个手柄一端的曲拐上装有分别能绕圆柱销转动的
限位片。
本发明具有的有益效果是
1)利用双手的握力，通过小柱塞往复运动，产生吸排油，液压油推动活塞 运动，使测量杆逐渐对缆索产生测量位移，通过测量液压油的压力和测量杆的 位移实现缆索的张力测量，操作时不费力，也不会给被测缆索有任何附加干扰力；
2) 具有体积小、重量轻、携带方便等优点，非常适合于野外及高空空间结构 测量时使用；
3) 智能化程度高，能消除被测缆索弯矩以及编绞类的被测缆索不稳定区对 张力测量的影响。


图1为本发明的结构原理示意图2为测量缆索张力时的受力分析图3为一种理想的作用力与变形量之间的关系图4为智能便携式缆索张力测量仪处理流程图5为测量杆的局部放大图6为一种实际的测量作用力与变形量之间的关系图。
图中，l-端盖、2-测量杆、3-凸缘、4-挡圈、5-缸体、6-旋松卸荷旋钮、7-排 油孔、8-油囊、9-凸±央、10-限位片、11-圆柱销、12-圆柱销、13-手柄、14-圆柱销、 15-凸台、16-凸台、17-桥臂、18-小圆轮、19-活塞、20-卸荷球阀、21-通油孔、22-单向阀、23-进油单向阀、24-通油孔、25-小柱塞、26-凸块、27-圆柱销、28-连杆、 29-弹簧、30-手柄、31-限位片、32-曲拐、33-壳体、34-弹簧、35-槽、36-圆柱销、 37-连杆、38-曲拐、39-缆索张力测量系统、40-被测缆索。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1 图6， 一种智能便携式缆索张力测量仪，包括用于产生缆索张力 测量作用力的液压千斤顶、桥臂、压力传感器、位移传感器以及用于根据压力 传感器和位移传感器的测量数据进行缆索张力测量的微处理器，所述的液压千 斤顶包括缸体5，在缸体5—端的容腔内装有活塞19，活塞19与一端伸出缸体外的测量杆2固定成一体的测量力发生部件；所述的测量力发生部件包括测量 杆2与活塞19之间装有弹簧34，缸体5外有凸缘3，桥臂17、端盖1和挡圈4 固定成一体后，挡圈4与缸体5外圆柱面形成转动配合，端盖1上装有位移传 感器35，用于测量测量杆2的位移；缸体5中部分别有一端与活塞19底部容腔 连通、另一端与小柱塞25底部容腔连通的单向阀22，有一端与油囊8连通、另 一端与活塞19底部容腔连通的卸荷球阀20，有一端与油囊8连通、另一端与小 柱塞25底部容腔连通的进油单向阀23;在与活塞19底部容腔连通的缸体中部 引出一个测量液压油的压力的测量孔，在测量孔上安装压力传感器36用于测量 活塞19的受力；所述的桥臂17与端盖1进行固定连接，所述压力传感器和位 移传感器输出通过A/D接口与所述微处理器连接，所述微处理器控制所述的显 示单元显示；
所述微处理器包括
数据读取单元，用于读取压力传感器和位移传感器的测量数据； 被测缆索直径估算单元，用于估算被测缆索的直径；
被测缆索弯矩估算单元，根据估算被测缆索的直径以及所述的位移传感器 测量到的变形量估算被测缆索弯矩；
缆索张力测量单元，根据压力传感器和位移传感器的测量数据、桥臂的长 度、被测缆索弯矩等数据计算缆索的张力；
通信接口单元，用于跟其他通信设备进行数据交换；
显示输出单元，用于将缆索张力测量结果显示在显示单元上；
微处理器中的软件处理流程如附图4所示。
所述液压千斤顶还包括本体部件和手柄部件，所述本体部件包括固定在缸 体5上的壳体33，壳体33—端的容腔内装有油囊8，装入缸体5另一端孔中、并能在所述另一端孔中滑动的小柱塞25，小柱塞25外端圆柱面上套有弹簧29， 与小柱塞25固定成一体的弹簧垫上的圆柱销12与前后两连杆28、 27的一端铰 接，前后两连杆28、 27的另一端分别通过前后圆柱销与手柄一端的曲拐32、 38 铰接。所述的手柄部件包括两个手柄30、 13，两个手柄一端的曲拐32、 38，分 别与壳体33另一端两个凸块26、 9上的圆柱销27、 11铰接；为了防止在使用 过程中两手相撞，在两个手柄30、 38中部分别有方向相反的凸台16、 15，在两 个手柄一端的曲拐32、 38上装有分别能绕圆柱销27、 11转动的限位片31、 10。
本发明的液压千斤顶工作过程可分为吸油过程，排油及张力测量过程，测量 结束后的复位过程，现将每个过程作如下描述
吸油过程当双手分别握住手柄13、 30并松开时，小柱塞25在弹簧29的作 用下向右运动，装在油囊8中的油，经过进油单向阀23，孔24进入小柱塞25向 右运动后形成的容腔，这时单向阀22和卸荷球阀20在卸荷旋钮6旋紧的作用下， 均处于关闭状态，同时小柱塞25向右运动，通过与小柱塞25固定的圆柱销12 带动前后连杆28、 37也向右运动，连杆28、 37向右运动时，分别通过圆柱销14、 36经两个手柄13、 30，前端的曲拐32、 38绕着与壳体33固定一体的两个凸块 26、 9上的圆柱销27、 ll回转，此时手柄13、 30渐渐张开。
排油及张力测量过程当双手分别握住两个已经张开的手柄13、 30并向内用 力运动时，手柄13、 30分别绕圆柱销11、 27转动，手柄13、 30前端的曲拐38、 32通过圆柱销36、 14分别带动连杆37、 28向左运动，再通过与小柱塞25固定 成一体的圆柱销12，带动小柱塞25向左运动，使小柱塞25底部容腔中的液压油 通过单向阀22排出，进入活塞19底部容腔，推动活塞19和与活塞19固定在一 体的测量杆2向左运动，通过检测测量杆2的位移和活塞19上的作用压力测量缆 索的内张力T，在测量过程中进油单向阀23和卸荷球阀20在卸荷旋钮6旋紧的 作用下均处于关闭状态，通过反复进行吸油、排油过程，测量杆2逐渐向左运动
13使缆索40在径向上产生变形位移，通过检测变形位移量S y以及活塞19上的作 用压力F'来计算缆索的内张力，并同时压縮弹簧34，因此在计算实际测量作用力 F时必须考虑压縮弹簧34的作用反力F"以及由于缆索发生形变所产生的抗弯力 Fw，计算公式如(1)所示
F二F'-m广州 (1) 式中F为实际测量作用力，P为在活塞19上的作用力，F"(^y)为压縮弹簧 34的作用反力，Fw (5力为由于缆索变形所产生的弹性反力。被测缆索的受力分 析如附图2所示。
测量结束后的复位过程当缆索张力测量结束后，旋松卸荷旋钮6，卸荷球 阀20打开，活塞19在弹簧34的弹性力的作用下，使活塞19向右运动，活塞19 的底部容腔中的液压油通过孔21、卸荷球阀20、孔7排入油囊8中，活塞19和 测量杆2复位。
所述的被测缆索直径估算单元，用于估算被测缆索的直径，由于缆索变形所 产生的弹性反力是与被测缆索的直径相关，因此在测量时需要获得被测缆索的直 径，在本发明中缆索直径估算方法是根据公式(2)条件刚满足时测量活塞19的 位移量来估算的，
<formula>formula see original document page 14</formula>公式(2)条件刚满足时，表示测量杆2已经与被测缆索40相接触，从测量 杆2的位移来估算出被测缆索40的直径D;
被测缆索弯矩估算单元，根据估算被测缆索的直径以及所述的位移传感器测 量到的变形量估算被测缆索弯矩；也就是为了求得公式(1)中的F, (3力，本 发明中采用实验法得到不同缆索的直径d和变形量^K为变量的被测缆索弯矩曲 线，因此只要获得了直径d和变形量^少就可求得被测缆索弯矩F㈱(^y);
缆索张力测量单元，根据压力传感器和位移传感器的测量数据、桥臂的长度、 被测缆索弯矩等数据计算缆索的张力；根据桥臂长度D、变形量c^、活塞19的面积A以及压力传感器测量到的在活塞19的作用力P，缆索张力计算方法可以由 公式(3)来表示，
<formula>formula see original document page 15</formula>式中D为桥臂长度，3少为变形量，A为活塞的面积，P为液压油的压力，
Fw (々)为在变形量为^时的被测缆索弯矩，,(^0为在变形量为&时的复位 弹簧的力。
理想的张力测量是从外作用力为零处开始计算的，如附图3所示；但是实际 上由于编绞类的缆索存在着力不稳定区域，如附图6所示，因此在测量编绞类的 缆索张力时需要排除这一段力不稳定区域的影响，在本发明中将这个误差考虑到 被测缆索弯矩F^ (^;)中，因此需要对每一种编绞类的缆索在没有张力作用下测 量其缆索弯矩F, W力数据，并将这些数据保存到缆索直径与弯矩的数据库中， 以便测量时利用这些数据。
为了提高测量精度，本发明中对与被测缆索的接触采用整圆的小圆轮，如附 图5所示，由于在测量中已经考虑了力不稳定区域的影响，小圆轮与被测缆索的 点接触方式是有助于提高桥臂长度D的计算精度的。
权利要求
1、一种智能便携式缆索张力测量仪，其特征在于所述智能便携式缆索张力测量仪包括用于产生缆索张力测量作用力的液压千斤顶、桥臂、压力传感器、位移传感器以及用于根据压力传感器和位移传感器的测量数据进行缆索张力测量的微处理器，所述的液压千斤顶包括缸体和测量力发生部件，在缸体一端的容腔内装有活塞，活塞与一端伸出缸体外的测量杆固定连接，所述的测量力发生部件包括测量杆与活塞之间装有弹簧，缸体外有凸缘，桥臂、端盖和挡圈固定连接后，挡圈与缸体外圆柱面之间转动配合，端盖上装有位移传感器；缸体中部分别设有一端与活塞底部容腔连通、另一端与小柱塞底部容腔连通的单向阀，一端与油囊连通、另一端与活塞底部容腔连通的卸荷球阀，以及一端与油囊连通、另一端与小柱塞底部容腔连通的进油单向阀；在与活塞底部容腔连通的缸体中部引出一个测量液压油的压力的测量孔，在测量孔上安装压力传感器；所述的桥臂与端盖固定连接，所述压力传感器和位移传感器的输出与所述微处理器连接；所述微处理器包括数据读取单元，用于读取压力传感器和位移传感器的测量数据；被测缆索直径估算单元，用于估算被测缆索的直径，根据公式(2)条件刚满足时测量千斤顶的活塞的位移量来估算F*-F**(δy)≥0(2)其中，F*为在千斤顶的活塞上的作用力，F**(δy)为千斤顶的压缩弹簧的作用反力；公式(2)条件刚满足时，表示千斤顶的测量杆已经与被测缆索相接触，测量杆的位移等于被测缆索的直径d；被测缆索弯矩估算单元，用于采用实验法得到不同缆索的直径d和变形量δy为变量的被测缆索弯矩曲线，根据获得的被测缆索的直径d和变形量δy求得被测缆索弯矩F***(δy)；缆索张力测量单元，用于根据压力传感器和位移传感器的测量数据、桥臂的长度、被测缆索弯矩数据计算缆索的张力根据桥臂长度D、变形量δy、活塞19的面积A以及压力传感器测量到的在活塞19的作用力P，缆索张力计算方法由公式(3)来表示式中D为桥臂长度，δy为变形量，A为活塞的面积，P为液压油的压力，F***(δy)为在变形量为δy时的被测缆索弯矩，F**(δy)为在变形量为δy时的复位弹簧的力。
2、 如权利要求1所述的智能便携式缆索张力测量仪，其特征在于所述微处理 器还包括通信接口单元，用于跟通信设备进行数据交换；显示输出单元，用于将缆索张力测量结果显示在显示单元上。
3、 如权利要求1或2所述的智能便携式缆索张力测量仪，其特征在于所述的 液压千斤顶还包括本体部件和手柄部件；所述本体部件包括固定在缸体上的壳体，壳体一端的容腔内装有油囊，装入缸 体另一端孔中、并能在所述另一端孔中滑动的小柱塞，小柱塞外端圆柱面上套 有弹簧，与小柱塞固定成一体的弹簧垫上的圆柱销与前后两连杆的一端铰接， 前后两连杆的另一端分别通过前后圆柱销与手柄一端的曲拐铰接； 所述的手柄部件包括两个手柄，两个手柄一端的曲拐分别与壳体另一端两个凸 块上的圆柱销铰接，在两个手柄中部分别有方向相反的凸台，在两个手柄一端的曲拐上装有分别能绕圆柱销转动的限位片,
全文摘要
一种智能便携式缆索张力测量仪，包括用于产生缆索张力测量作用力的液压千斤顶、桥臂、压力传感器、位移传感器以及用于根据压力传感器和位移传感器的测量数据进行缆索张力测量的微处理器，微处理器包括数据读取单元，用于读取压力传感器和位移传感器的测量数据；被测缆索直径估算单元，用于估算被测缆索的直径；被测缆索弯矩估算单元，用于采用实验法得到不同缆索的直径d和变形量δy为变量的被测缆索弯矩曲线，根据被测缆索的直径d和变形量δy求得被测缆索弯矩F^***(δy)；缆索张力测量单元，用于根据压力传感器和位移传感器的测量数据、桥臂的长度、被测缆索弯矩数据计算缆索的张力。本发明测量范围广、测量精度高、携带方便、智能化程度高。
文档编号G01L5/04GK101532894SQ20091009773
公开日2009年9月16日 申请日期2009年4月16日 优先权日2009年4月16日
发明者李顺成, 杨燕萍, 汤一平, 闫晨光 申请人:浙江工业大学