专利名称:高精度直接显示强劲弦张(拉)力的测力电路的制作方法
本发明是一种新的直接显示强劲弦张(拉)力的测力电路，特别是强劲弦张(拉)力的测定精度可达测力误差≤±1%。
本发明的测定对象强劲弦系指在张力作用下，同时又有刚度的金属与非金属弦。
现有的测力电路，据法国R.Mussia的制造预应力混凝土楼板梁用钢丝的测量(MESURES DANS LA FABRICATION DES POUTRELLES EN BETOE PRECONTRAINT PAR ARMATURES ADHERENTES，《Quality control of concrete struetures》，June 17-21，1979，Stockholm Sweden，P.101-107)一文介绍SARET和INSA咨询部发明的测力仪器的电路是依照力频关系为f =12 LNm l]]>，式中f-频率;L-标距;N-强劲弦的张(拉)力;mι-强劲弦的单位长度质量;并通过微处理器直接显示张力，其测力误差为±3.3%，供电电源220伏交流电。据苏联А.И.КУДИНОВ的电子式钢筋预应力测试仪(БЕТОЕ И ЖЕПЕЗОВЕТОН，1960，№ 1，15-19，俄文)一文中介绍苏联建筑材料研究所研制成的频率测量仪，其测量电路通过一级电压信号放大，二级信号限幅，将正弦波信号通过电容成为脉冲信号，在电流计电路中使脉冲信号与电流强度成正比，在电流计上显示频率，根据力频关系f =12 LNm l]]>制成力-频对照曲线，进行对比查找出相应的张(拉)力，其测力误差≤±3.45%。据中国新疆维吾尔族自治区建筑科学研究所80-01《专题技术资料》关于数字式钢筋应力测试仪简介一文，其测量电路的组成有前置放大、阀门输入、计数、晶体振荡、分频、控制与稳压电源等七个单位电路，其力频关系依据为f =12 LNm l( 1 +2LE JN)]]>，式中E-材料的弹性模量;J-强劲弦的惯性矩。其测力误差为≤±5%，电源为220伏交流。据湖南大学1975年第1期《科技资料》所介绍的频率测力计，其测量电路组成有信号放大限幅电路、双稳整形电路、开关电路，在电流计上显示频率，並按下列力频关系f =12 LNm l〔 1 +2LE JN) + E ′ ( 4 +π2)2E JN L2〕]]>(式中K′-由实测而得的修正系数)在电流计表面上刻度力值，电源为220伏交流。文中提出，估计测力误差为≤±2%，但按文中所介绍的数据进行复算，其测力误差至少有≤±3.95%，对其测力误差的核算与分析如下湖南大学《科技资料》，1975，1，P.120“频率测力仪”一文中， 、频率测力仪性能，第4项，“测力精度误差小于2%”。
现按文中所介绍的数据复算，该文介绍性能参数如下“对于用得最多的φb4冷拔低碳钢丝的拉力值，设有直接读力的专档，可直接读得范围在400kg-650kg的拉力值”。並介绍“温漂，在温度补偿后，在0°-40℃范围内小于±0.8Hz”;“电压引起的漂移，电压改变±0.1V时，频率漂移±0.18Hz”，“电源部分用普通稳压电源24伏”;“测力架跨长600mm，误差±1mm”;“表头读数误差±0.1Hz”。“指示表头等级为1.5级”，“设有扩展刻度电路”。
计算如下φb4，L＝60cm，由力频函数算得400kg时，振频为183.1Hz，650kg时振频为228.6Hz。在此测力频段内，
(650-400)/(228.6-183.1) ＝5.49kg/Hz1、由温漂引起的绝对误差0.8Hz×5.49kg/Hz＝4.395kg相对误差4.395/400 ＝1.09%2、由电压变化引起的绝对误差普通稳压电流，稳压精度按2%计算24伏×2%＝0.48伏频漂数0.18× 0.48/0.1 ＝0.864Hz，0.864×5.49＝4.75kg相对误差4.75/400 ＝1.1%3、由跨距L的误差引起的测力误差由力频函数直接算出L＝60cm时，在此频段内，L相差1mm，频率差为0.37～0.41Hz，按0.39Hz计算0.39×5.49＝2.14kg2.14/400 ＝0.53%4、由表头为1.5级引起的误差先任意假定满刻度微安数(因文中未介绍)，设为100μA。电工仪表皆按引用误差计算，即表头误差为1.5μA。表头每μA对应的力(650-400)/100 ＝2.5kg/μA
绝对误差2.5×1.5＝3.75kg相对误差3.75/400 ＝0.93%5、读数误差现1.5级μA表头分格数不超过100格，按半格计算读数误差每格对应的力(650-400)/100 ＝2.5kg/格半格1.25kg相对误差 1.25/400 ＝0.3%按文中已提及的误差计算总的测力误差1.09+1.1+0.53+0.93+0.3＝3.95%计算结果表明，误差小于2%的结论是不成立的。
此外，文中还未计及在微安表头上刻度所用公式的误差。文中介绍用“公式(2)”制出图表，查出对应的应力值拉力值”。其(2)”式f =KLσ〔 1 +rLEσ+ K ′ (rL)2Eσ〕]]>式中K′-修正系数由实测而得。
这个由实测得来的系数有两个问题(1)实测时的误差将进入公式的误差。
(2)实测的系数将因直径、跨度等参数的离散而离散，仅选定某一系数代入公式计算，在表头上刻度，则直径、跨度的离散带来误差。
还应指出，文中没实测数据介绍，难以证明其测力精度。
国内外现有强劲弦张(拉)力的测力电路，其理论基础的力频关系都是依照公式f =12 LNm l〔 1 +2LE JN+ ( 4 +π2)2E JN L2〕]]>(引自美P.M.MORSE，《Vibration and sound》(振动与声)，1936)。以往，为利于计算或为利于电路设计，分别不同地采取减少项次或增加项次，试图使计算值接近实际值，但误差值都有±3.3%以上。在建筑业中按中华人民共和国国家标准《钢筋混凝土工程施工及验收规范》GEJ204-83中第六章预应力混凝土工程，第二节施加预应力，第6.2.1条规定检验张拉设备用的试验机或测力计精度不得低于±2%。否则不能保证预应力建筑构件中钢丝的张(拉)力符合设计要求，从而影响建筑构件的安全使用和使用寿命，这将直接影响使用人的生命和财产。
本发明的任务是提出一种符合国家有关标准的、高精度直接显示强劲弦张(拉)力的、能在实施测定现场，尤其是在施工现场可实用的测力电路。
本发明的任务是以如下的方式完成的。测力电路固化了新的力频关系，即在强劲弦两端为固定支点时，f = 2 π μ2( μ 1 + 2 β2)E Jml]]>，式中μ2-变量;可依t g ( π L μ2) = -1 +2 β2μ22]]>求得，π-圆周率，β＝ (N)/(8π2E J) ;用幂函数N＝A0+A1f+A2f2+……Anfn对上述的力频关系的数值解进行拟合，分析其数值解的均方差，从一次幂函数开始，如果力频关系精度满足有关标准规范或实际需要，则由拟合所得的系数A0、A1来设计电路;如不满足，则用二次幂函数拟合，依次升高幂次直到满足为止，再按所得的系数A0、A1……An来设计电路。本发明的测力电路分测频电路和测周电路两种类型。对于固有频率为100Hz以上的强劲弦，使用测频电路;对于固有频率为10Hz以下的强劲弦，使用测周电路;对于固有频率为10～100Hz的强劲弦，可用测频或测周电路。
本发明的测力电路的测频电路，其工作原理图见附图1。测频电路由放大整形电路1、启动电路2、延时电路3、延时信号控制电路4、门控电路5、晶振分频电路6、分档置数(2)电路7、译码、显示电路8、计数电路9、测频主门10、分档置数(1)电路11、分频(倍数)电路12、锁相环电路13、分频(位数)电路14组成。在本电路的工作条件下，测力精度不受温度与电压变化的影响。考虑数字电路所固有的±1误差对幂函数计算误差的影响，采用了锁相环倍频电路。将输入信号的频率倍频后，进入数字电路计算，使电路的±1误差影响降低为千分之几或万分之几。
本测力电路使计算电路中力的单位位数低于显示的力的单位位数，以提高显示的力的示值精度，並在计数电路的最低位预置“5”，可自动实行四舍五入的运算。在电路中用回归分析法修正拟合力频关系数值解的幂函数的系数，使电路设计在标定状态下。同一测力电路可通过琴键开关变化A0、A1……An等参数，以适应被测强劲弦的直径、跨度和弹性模量的变化。
强劲弦的固有振动频率高低表示强劲弦张(拉)力的大小，振动频率的产生可以采用击振方式，击振时在强劲弦上首先出现的是冲击波，其后是固有振动频率，最后是衰减波的振动频率。本电路根据输入波的频率的特点，采用可选时采样的延迟电路，避开受冲击波影响的时间段后，采集固有振动频率段，並用延长门控电路采样时间的方法提高计数精度。本电路一次采样、一次显示，並把测量值保留在显示器中，有利于记录;测力电路的电源为12伏直流，有利于组成便携式仪表在现场使用。
本发明与现有测力电路相比具有如下的优点和积极效果1、采用了与现有测力电路不同的力频计算关系，提出了以幂函数拟合力频关系数值解的新途径，实现了测力的高精度，並在电路中采取了降低计算力的位数、延迟采样、延长采样时间、在测频主门前设置乘法电路，在测频主门后采用加法电路等进一步提高测力精度，测力误差≤±1%。与现有测力电路的测力误差≤±3.3%相比，使几十年来国内外研究振频测力的精度长期未达到实用精度的情况有了突破，符合了国家有关标准规范的要求。
2、延时采样、延长采样时间、实现一次显示並保留显示的措施与现有国内外测频、测力电路采用间断采样、间断显示、依靠示值的重复次数判断测量值、容易误判漏读相比，本测力电路具有直读、记录方便的优点。
3、本测力电路由集成电路组成全数字电路，测力精度不受温度与电压变化的影响，供电为12伏直流，这些都便于使应用本测力电路的仪器能够工具化，方便检测与携带。
现以应用于测定建筑预制构件中的预应力钢丝为例，钢丝直径为φb5mm，固定支点跨距(标距)为60cm，材料E＝2×106kg/cm，测力范围为762-940kg，可求得频率为204.96-226.89Hz，先用一次幂函数N＝A0+A1f，求得在测定范围内的相对误差＜0.6%，A0＝-906，A1＝8.14，其相对误差满足要求后，电路的测力档就按N＝-906+8.14f函数来固化，对于冷拔低碳钢丝φb3、φb4、φb5，其测频电路的参数为
为提高电路的测力精度，采用降低电路参数的数量级，设要求显示读数最低位的单位为公斤，则电路中的脉冲计数的单位是0.1公斤，函数式为N＝10A0+10A1f，这样一方面解决数字电路固有的±1误差对显示数值的影响，另一方面在计数电路的最低位预置“5”，自动实行四舍五入的计算。钢丝被击振后，冲击波持续2秒钟，固有振频延续10秒钟。若按现有的频率计，电路设计采样时间为1秒，显示2秒钟，并且要从显示的三次读数中判别固有频率，而其数值实际上是从1秒钟的时间里采得的。本电路的特点在于，为减少偶然出现的干扰和数字电路±1误差的影响，门控电路采样时间越长，计数精度越高，根据输入波形的特点，选择在钢丝被击振后延时3秒钟开始采样，并持续8秒钟。8秒钟采样的数值精度高于1秒钟采样的精度。如采用8秒，则函数为N′＝10A0+80A′1f，式中A′1＝A1/8，A1变为A′1，反映在电路中，则是延长采样时间。此情况在电路中的原理为图一所示，分频(位数)输出10A′1f，延时电路延时3秒，测频主门输出为80A′1f，分档置数(2)电路输出10A0，计数器输出N′＝10A0+80A′1f，译码显示电路输出N＝A0+A1f值。
综上分析对于被测信号频率f，由于门控电路采样时间为8秒钟，则进入测频主门的脉冲数为8f;又由于乘法电路设置在测频主门之前，则进入测频主门的脉冲数就为8A′1f，这时数字电路±1的误差影响就降低为 1/(8A11) ;更由于电路中的脉冲计数单位是0.1公斤，而显示读数最低位的单位为公斤，这时数字电路±1的误差的最终影响就降低为 1/(80A11) 。
本发明的测力电路的测周电路，其工作原理图见附图2。测周电路由放大整形电路1，启动电路2，延时电路3，延时信号控制电路4，晶振分频电路5，分档置数(2)电路6，译码、显示电路7，计数电路8，测周主门9，分档置数(1)电路10，计数(倍乘)电路11组成。根据频率和周期的关系式T＝1/f，同样可用幂函数N＝A0+A1T+A2T2+……+AnTn进行拟合。附图2中计数器输出表示函数式N′＝10A0+10A′1T，译码、显示电路输出表示函数式N＝A0+A1T。测周电路同样由集成电路组成全数字电路，并在电路中采取了降低计算力的位数，延时采样，延长采样时间，实现一次采样、一次显示、并保留显示等一系列提高测力精度的措施。特别需要指出的是测周电路的延长采样时间这一概念反映在电路上与测频电路是完全不同的。如前所述，测频电路是由门控电路5延长测频主门10的开启时间，从而延长对倍频后的被测信号频率的采样时间。而测周电路则是在测周主门9之前设置计数(倍乘)电路11，先将被测信号周期按设定倍数进行倍乘，然后用这个被扩大了若干倍的周期去控制测周主门9的开启时间，从而延长对电路内设的标准计时脉冲的采样时间，提高计数精度。测周电路具有和测频电路同样的优点和积极效果。
本发明的测力电路可应用于弦式传感器、建筑业和交通业的预应力钢丝、钢筋、钢绞线、钢缆等强劲弦的张(拉)力测试。由于本电路具有测频、测周的高精度，也可应用于调试弦乐器的音频、定音等。
本发明的测力电路已应用到LYC-1型钢丝测力仪的样机上，经力学计量检定，实际测量钢丝张(拉)力的测力误差≤±1%。
图1为本发明测力电路的测频电路原理图1、放大整形电路，2、启动电路，3、延时电路，4、延时信号控制电路，5、门控电路，6、晶振分频电路，7、分档置数(2)电路，8、译码、显示电路，9、计数电路，10、测频主门，11、分档置数(1)电路，12、分频(倍数)电路，13、锁相环电路，14、分频(位数)电路。fX-输入信号(频率)，T-击振同步信号。
图2为本发明测力电路的测周电路原理图1、放大整形电路，2、启动电路，3、延时电路，4、延时信号控制电路，5、晶振分频电路，6、分档置数(2)电路，7、译码、显示电路，8、计数电路，9、测周主门，10、分档置数(1)电路，11、计数(倍乘)电路。TX-输入信号(周期)，T-击振同步信号。
权利要求
1.一种由输入讯号经放大整形，直接显示强劲弦张(拉)力的测力电路，其特征在于电路中固化了强劲弦两端为固定支点振动的力频转换关系，即f = 2 π μ2( μ22+ 2 β2)E Jm l]]>和其数值解的拟合幂函数N=A0+A1f+A2f2+……Anfn。式中f-频率，π-圆周率，μ2-变量，β＝ (E)/(8π2EJ)2N-材料的弹性模量，J-强劲弦的惯性矩。m1-强劲弦的单位长度质量，N-强劲弦的张(拉)力，A0、A1、A2……An-系数。
2.根据权利要求
1所述的测力电路，其特征在于电路为采用由集成电路和数字显示组成的数字电路和显示电路。
3.根据权利要求
2所述的测力电路，其特征在于电路中为克服数字电路所固有的±1误差影响被测对象强劲弦振频而采用了锁相环倍频电路。
4.根据权利要求
2所述的测力电路，其特征在于数字电路的设计降低了脉冲总的计数参数的数量级，以提高显示值的精度，在计数电路的最低位预置“5”可自动实行四舍五入的运算。
5.根据权利要求
1、2所述的测力电路，其特征在于使电路工作在标定状态，消除了强劲弦的尺寸偏差、材料的弹性模量偏差、支点内的标距偏差;以变换电路中的琴键开关即可适应对被测定的强劲弦在直径、标距与材料的弹性模量变化时的张(拉)力进行直接测定。
6.根据权利要求
1、2所述的测力电路，其特征在于电路中采用延迟采样电路即可一次测定被测的强劲弦固有频率，显示被测的强劲弦的张(拉)力。
7.根据权利要求
2所述的测力电路，其特征在于电路对固有频率为100Hz以上的强劲弦，使用测频电路，其测频电路由放大整形电路、锁相环倍频电路、分频电路、门控电路、延时电路、晶振分频电路、计数电路和译码、显示电路所组成;对固有频率为10Hz以下的强劲弦，使用测周电路，其测周电路由放大整形电路、计数倍乘电路、门控电路、延时电路、晶振分频电路、计数电路和译码、显示电路所组成;对于固有频率为10-100Hz的强劲弦可用测频或测周电路。
8.根据权利要求
2所述的测力电路，其特征在于电路电源为12伏直流供电。
专利摘要
本发明是一种新的直接显示强劲弦张(拉)力的测力电路。本发明的测力电路是以完全不同于现有技术的途径，即以N＝A
文档编号G01L5/10GK85103735SQ85103735
公开日1986年5月10日 申请日期1985年5月11日
发明者朱润枢, 杨祖耀, 杨燕萍, 张教翎 申请人:浙江省建筑科学研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan