高精度直接顯示強勁弦張(拉)力的測力電路的製作方法

2023-06-11 00:09:41 2

專利名稱:高精度直接顯示強勁弦張(拉)力的測力電路的製作方法
本發明是一種新的直接顯示強勁弦張(拉)力的測力電路，特別是強勁弦張(拉)力的測定精度可達測力誤差≤±1%。
本發明的測定對象強勁弦係指在張力作用下，同時又有剛度的金屬與非金屬弦。
現有的測力電路，據法國R.Mussia的製造預應力混凝土樓板梁用鋼絲的測量(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)一文介紹SARET和INSA諮詢部發明的測力儀器的電路是依照力頻關係為f =12 LNm l]]>，式中f-頻率;L-標距;N-強勁弦的張(拉)力;mι-強勁弦的單位長度質量;並通過微處理器直接顯示張力，其測力誤差為±3.3%，供電電源220伏交流電。據蘇聯А.И.КУДИНОВ的電子式鋼筋預應力測試儀(БЕТОЕ И ЖЕПЕЗОВЕТОН，1960，№ 1，15-19，俄文)一文中介紹蘇聯建築材料研究所研製成的頻率測量儀，其測量電路通過一級電壓信號放大，二級信號限幅，將正弦波信號通過電容成為脈衝信號，在電流計電路中使脈衝信號與電流強度成正比，在電流計上顯示頻率，根據力頻關係f =12 LNm l]]>製成力-頻對照曲線，進行對比查找出相應的張(拉)力，其測力誤差≤±3.45%。據中國新疆維吾爾族自治區建築科學研究所80-01《專題技術資料》關於數字式鋼筋應力測試儀簡介一文，其測量電路的組成有前置放大、閥門輸入、計數、晶體振蕩、分頻、控制與穩壓電源等七個單位電路，其力頻關係依據為f =12 LNm l( 1 +2LE JN)]]>，式中E-材料的彈性模量;J-強勁弦的慣性矩。其測力誤差為≤±5%，電源為220伏交流。據湖南大學1975年第1期《科技資料》所介紹的頻率測力計，其測量電路組成有信號放大限幅電路、雙穩整形電路、開關電路，在電流計上顯示頻率，並按下列力頻關係f =12 LNm l〔 1 +2LE JN) + E ′ ( 4 +π2)2E JN L2〕]]>(式中K′-由實測而得的修正係數)在電流計表面上刻度力值，電源為220伏交流。文中提出，估計測力誤差為≤±2%，但按文中所介紹的數據進行復算，其測力誤差至少有≤±3.95%，對其測力誤差的核算與分析如下湖南大學《科技資料》，1975，1，P.120「頻率測力儀」一文中， 、頻率測力儀性能，第4項，「測力精度誤差小於2%」。
現按文中所介紹的數據復算，該文介紹性能參數如下「對於用得最多的φb4冷拔低碳鋼絲的拉力值，設有直接讀力的專檔，可直接讀得範圍在400kg-650kg的拉力值」。並介紹「溫漂，在溫度補償後，在0°-40℃範圍內小於±0.8Hz」;「電壓引起的漂移，電壓改變±0.1V時，頻率漂移±0.18Hz」，「電源部分用普通穩壓電源24伏」;「測力架跨長600mm，誤差±1mm」;「表頭讀數誤差±0.1Hz」。「指示表頭等級為1.5級」，「設有擴展刻度電路」。
計算如下φb4，L＝60cm，由力頻函數算得400kg時，振頻為183.1Hz，650kg時振頻為228.6Hz。在此測力頻段內，
(650-400)/(228.6-183.1) ＝5.49kg/Hz1、由溫漂引起的絕對誤差0.8Hz×5.49kg/Hz＝4.395kg相對誤差4.395/400 ＝1.09%2、由電壓變化引起的絕對誤差普通穩壓電流，穩壓精度按2%計算24伏×2%＝0.48伏頻漂數0.18× 0.48/0.1 ＝0.864Hz，0.864×5.49＝4.75kg相對誤差4.75/400 ＝1.1%3、由跨距L的誤差引起的測力誤差由力頻函數直接算出L＝60cm時，在此頻段內，L相差1mm，頻率差為0.37～0.41Hz，按0.39Hz計算0.39×5.49＝2.14kg2.14/400 ＝0.53%4、由表頭為1.5級引起的誤差先任意假定滿刻度微安數(因文中未介紹)，設為100μA。電工儀表皆按引用誤差計算，即表頭誤差為1.5μA。表頭每μA對應的力(650-400)/100 ＝2.5kg/μA
絕對誤差2.5×1.5＝3.75kg相對誤差3.75/400 ＝0.93%5、讀數誤差現1.5級μA表頭分格數不超過100格，按半格計算讀數誤差每格對應的力(650-400)/100 ＝2.5kg/格半格1.25kg相對誤差 1.25/400 ＝0.3%按文中已提及的誤差計算總的測力誤差1.09+1.1+0.53+0.93+0.3＝3.95%計算結果表明，誤差小於2%的結論是不成立的。
此外，文中還未計及在微安表頭上刻度所用公式的誤差。文中介紹用「公式(2)」制出圖表，查出對應的應力值拉力值」。其(2)」式f =KLσ〔 1 +rLEσ+ K ′ (rL)2Eσ〕]]>式中K′-修正係數由實測而得。
這個由實測得來的係數有兩個問題(1)實測時的誤差將進入公式的誤差。
(2)實測的係數將因直徑、跨度等參數的離散而離散，僅選定某一係數代入公式計算，在表頭上刻度，則直徑、跨度的離散帶來誤差。
還應指出，文中沒實測數據介紹，難以證明其測力精度。
國內外現有強勁弦張(拉)力的測力電路，其理論基礎的力頻關係都是依照公式f =12 LNm l〔 1 +2LE JN+ ( 4 +π2)2E JN L2〕]]>(引自美P.M.MORSE，《Vibration and sound》(振動與聲)，1936)。以往，為利於計算或為利於電路設計，分別不同地採取減少項次或增加項次，試圖使計算值接近實際值，但誤差值都有±3.3%以上。在建築業中按中華人民共和國國家標準《鋼筋混凝土工程施工及驗收規範》GEJ204-83中第六章預應力混凝土工程，第二節施加預應力，第6.2.1條規定檢驗張拉設備用的試驗機或測力計精度不得低於±2%。否則不能保證預應力建築構件中鋼絲的張(拉)力符合設計要求，從而影響建築構件的安全使用和使用壽命，這將直接影響使用人的生命和財產。
本發明的任務是提出一種符合國家有關標準的、高精度直接顯示強勁弦張(拉)力的、能在實施測定現場，尤其是在施工現場可實用的測力電路。
本發明的任務是以如下的方式完成的。測力電路固化了新的力頻關係，即在強勁弦兩端為固定支點時，f = 2 π μ2( μ 1 + 2 β2)E Jml]]>，式中μ2-變量;可依t g ( π L μ2) = -1 +2 β2μ22]]>求得，π-圓周率，β＝ (N)/(8π2E J) ;用冪函數N＝A0+A1f+A2f2+……Anfn對上述的力頻關係的數值解進行擬合，分析其數值解的均方差，從一次冪函數開始，如果力頻關係精度滿足有關標準規範或實際需要，則由擬合所得的係數A0、A1來設計電路;如不滿足，則用二次冪函數擬合，依次升高冪次直到滿足為止，再按所得的係數A0、A1……An來設計電路。本發明的測力電路分測頻電路和測周電路兩種類型。對於固有頻率為100Hz以上的強勁弦，使用測頻電路;對於固有頻率為10Hz以下的強勁弦，使用測周電路;對於固有頻率為10～100Hz的強勁弦，可用測頻或測周電路。
本發明的測力電路的測頻電路，其工作原理圖見附圖1。測頻電路由放大整形電路1、啟動電路2、延時電路3、延時信號控制電路4、門控電路5、晶振分頻電路6、分檔置數(2)電路7、解碼、顯示電路8、計數電路9、測頻主門10、分檔置數(1)電路11、分頻(倍數)電路12、鎖相環電路13、分頻(位數)電路14組成。在本電路的工作條件下，測力精度不受溫度與電壓變化的影響。考慮數字電路所固有的±1誤差對冪函數計算誤差的影響，採用了鎖相環倍頻電路。將輸入信號的頻率倍頻後，進入數字電路計算，使電路的±1誤差影響降低為千分之幾或萬分之幾。
本測力電路使計算電路中力的單位位數低於顯示的力的單位位數，以提高顯示的力的示值精度，並在計數電路的最低位預置「5」，可自動實行四捨五入的運算。在電路中用回歸分析法修正擬合力頻關係數值解的冪函數的係數，使電路設計在標定狀態下。同一測力電路可通過琴鍵開關變化A0、A1……An等參數，以適應被測強勁弦的直徑、跨度和彈性模量的變化。
強勁弦的固有振動頻率高低表示強勁弦張(拉)力的大小，振動頻率的產生可以採用擊振方式，擊振時在強勁弦上首先出現的是衝擊波，其後是固有振動頻率，最後是衰減波的振動頻率。本電路根據輸入波的頻率的特點，採用可選時採樣的延遲電路，避開受衝擊波影響的時間段後，採集固有振動頻率段，並用延長門控電路採樣時間的方法提高計數精度。本電路一次採樣、一次顯示，並把測量值保留在顯示器中，有利於記錄;測力電路的電源為12伏直流，有利於組成可攜式儀表在現場使用。
本發明與現有測力電路相比具有如下的優點和積極效果1、採用了與現有測力電路不同的力頻計算關係，提出了以冪函數擬合力頻關係數值解的新途徑，實現了測力的高精度，並在電路中採取了降低計算力的位數、延遲採樣、延長採樣時間、在測頻主門前設置乘法電路，在測頻主門後採用加法電路等進一步提高測力精度，測力誤差≤±1%。與現有測力電路的測力誤差≤±3.3%相比，使幾十年來國內外研究振頻測力的精度長期未達到實用精度的情況有了突破，符合了國家有關標準規範的要求。
2、延時採樣、延長採樣時間、實現一次顯示並保留顯示的措施與現有國內外測頻、測力電路採用間斷採樣、間斷顯示、依靠示值的重複次數判斷測量值、容易誤判漏讀相比，本測力電路具有直讀、記錄方便的優點。
3、本測力電路由集成電路組成全數字電路，測力精度不受溫度與電壓變化的影響，供電為12伏直流，這些都便於使應用本測力電路的儀器能夠工具化，方便檢測與攜帶。
現以應用於測定建築預製構件中的預應力鋼絲為例，鋼絲直徑為φb5mm，固定支點跨距(標距)為60cm，材料E＝2×106kg/cm，測力範圍為762-940kg，可求得頻率為204.96-226.89Hz，先用一次冪函數N＝A0+A1f，求得在測定範圍內的相對誤差＜0.6%，A0＝-906，A1＝8.14，其相對誤差滿足要求後，電路的測力檔就按N＝-906+8.14f函數來固化，對於冷拔低碳鋼絲φb3、φb4、φb5，其測頻電路的參數為
為提高電路的測力精度，採用降低電路參數的數量級，設要求顯示讀數最低位的單位為公斤，則電路中的脈衝計數的單位是0.1公斤，函數式為N＝10A0+10A1f，這樣一方面解決數字電路固有的±1誤差對顯示數值的影響，另一方面在計數電路的最低位預置「5」，自動實行四捨五入的計算。鋼絲被擊振後，衝擊波持續2秒鐘，固有振頻延續10秒鐘。若按現有的頻率計，電路設計採樣時間為1秒，顯示2秒鐘，並且要從顯示的三次讀數中判別固有頻率，而其數值實際上是從1秒鐘的時間裡採得的。本電路的特點在於，為減少偶然出現的幹擾和數字電路±1誤差的影響，門控電路採樣時間越長，計數精度越高，根據輸入波形的特點，選擇在鋼絲被擊振後延時3秒鐘開始採樣，並持續8秒鐘。8秒鐘採樣的數值精度高於1秒鐘採樣的精度。如採用8秒，則函數為N′＝10A0+80A′1f，式中A′1＝A1/8，A1變為A′1，反映在電路中，則是延長採樣時間。此情況在電路中的原理為圖一所示，分頻(位數)輸出10A′1f，延時電路延時3秒，測頻主門輸出為80A′1f，分檔置數(2)電路輸出10A0，計數器輸出N′＝10A0+80A′1f，解碼顯示電路輸出N＝A0+A1f值。
綜上分析對於被測信號頻率f，由於門控電路採樣時間為8秒鐘，則進入測頻主門的脈衝數為8f;又由於乘法電路設置在測頻主門之前，則進入測頻主門的脈衝數就為8A′1f，這時數字電路±1的誤差影響就降低為 1/(8A11) ;更由於電路中的脈衝計數單位是0.1公斤，而顯示讀數最低位的單位為公斤，這時數字電路±1的誤差的最終影響就降低為 1/(80A11) 。
本發明的測力電路的測周電路，其工作原理圖見附圖2。測周電路由放大整形電路1，啟動電路2，延時電路3，延時信號控制電路4，晶振分頻電路5，分檔置數(2)電路6，解碼、顯示電路7，計數電路8，測周主門9，分檔置數(1)電路10，計數(倍乘)電路11組成。根據頻率和周期的關係式T＝1/f，同樣可用冪函數N＝A0+A1T+A2T2+……+AnTn進行擬合。附圖2中計數器輸出表示函數式N′＝10A0+10A′1T，解碼、顯示電路輸出表示函數式N＝A0+A1T。測周電路同樣由集成電路組成全數字電路，並在電路中採取了降低計算力的位數，延時採樣，延長採樣時間，實現一次採樣、一次顯示、並保留顯示等一系列提高測力精度的措施。特別需要指出的是測周電路的延長採樣時間這一概念反映在電路上與測頻電路是完全不同的。如前所述，測頻電路是由門控電路5延長測頻主門10的開啟時間，從而延長對倍頻後的被測信號頻率的採樣時間。而測周電路則是在測周主門9之前設置計數(倍乘)電路11，先將被測信號周期按設定倍數進行倍乘，然後用這個被擴大了若干倍的周期去控制測周主門9的開啟時間，從而延長對電路內設的標準計時脈衝的採樣時間，提高計數精度。測周電路具有和測頻電路同樣的優點和積極效果。
本發明的測力電路可應用於弦式傳感器、建築業和交通業的預應力鋼絲、鋼筋、鋼絞線、鋼纜等強勁弦的張(拉)力測試。由於本電路具有測頻、測周的高精度，也可應用於調試弦樂器的音頻、定音等。
本發明的測力電路已應用到LYC-1型鋼絲測力儀的樣機上，經力學計量檢定，實際測量鋼絲張(拉)力的測力誤差≤±1%。
圖1為本發明測力電路的測頻電路原理圖1、放大整形電路，2、啟動電路，3、延時電路，4、延時信號控制電路，5、門控電路，6、晶振分頻電路，7、分檔置數(2)電路，8、解碼、顯示電路，9、計數電路，10、測頻主門，11、分檔置數(1)電路，12、分頻(倍數)電路，13、鎖相環電路，14、分頻(位數)電路。fX-輸入信號(頻率)，T-擊振同步信號。
圖2為本發明測力電路的測周電路原理圖1、放大整形電路，2、啟動電路，3、延時電路，4、延時信號控制電路，5、晶振分頻電路，6、分檔置數(2)電路，7、解碼、顯示電路，8、計數電路，9、測周主門，10、分檔置數(1)電路，11、計數(倍乘)電路。TX-輸入信號(周期)，T-擊振同步信號。
權利要求
1.一種由輸入訊號經放大整形，直接顯示強勁弦張(拉)力的測力電路，其特徵在於電路中固化了強勁弦兩端為固定支點振動的力頻轉換關係，即f = 2 π μ2( μ22+ 2 β2)E Jm l]]>和其數值解的擬合冪函數N=A0+A1f+A2f2+……Anfn。式中f-頻率，π-圓周率，μ2-變量，β＝ (E)/(8π2EJ)2N-材料的彈性模量，J-強勁弦的慣性矩。m1-強勁弦的單位長度質量，N-強勁弦的張(拉)力，A0、A1、A2……An-係數。
2.根據權利要求
1所述的測力電路，其特徵在於電路為採用由集成電路和數字顯示組成的數字電路和顯示電路。
3.根據權利要求
2所述的測力電路，其特徵在於電路中為克服數字電路所固有的±1誤差影響被測對象強勁弦振頻而採用了鎖相環倍頻電路。
4.根據權利要求
2所述的測力電路，其特徵在於數字電路的設計降低了脈衝總的計數參數的數量級，以提高顯示值的精度，在計數電路的最低位預置「5」可自動實行四捨五入的運算。
5.根據權利要求
1、2所述的測力電路，其特徵在於使電路工作在標定狀態，消除了強勁弦的尺寸偏差、材料的彈性模量偏差、支點內的標距偏差;以變換電路中的琴鍵開關即可適應對被測定的強勁弦在直徑、標距與材料的彈性模量變化時的張(拉)力進行直接測定。
6.根據權利要求
1、2所述的測力電路，其特徵在於電路中採用延遲採樣電路即可一次測定被測的強勁弦固有頻率，顯示被測的強勁弦的張(拉)力。
7.根據權利要求
2所述的測力電路，其特徵在於電路對固有頻率為100Hz以上的強勁弦，使用測頻電路，其測頻電路由放大整形電路、鎖相環倍頻電路、分頻電路、門控電路、延時電路、晶振分頻電路、計數電路和解碼、顯示電路所組成;對固有頻率為10Hz以下的強勁弦，使用測周電路，其測周電路由放大整形電路、計數倍乘電路、門控電路、延時電路、晶振分頻電路、計數電路和解碼、顯示電路所組成;對於固有頻率為10-100Hz的強勁弦可用測頻或測周電路。
8.根據權利要求
2所述的測力電路，其特徵在於電路電源為12伏直流供電。
專利摘要
本發明是一種新的直接顯示強勁弦張(拉)力的測力電路。本發明的測力電路是以完全不同於現有技術的途徑，即以N＝A
文檔編號G01L5/10GK85103735SQ85103735
公開日1986年5月10日 申請日期1985年5月11日
發明者朱潤樞, 楊祖耀, 楊燕萍, 張教翎 申請人:浙江省建築科學研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan