一種可直接顯示出應力值的壓磁式混凝土絕對應力檢測裝置，的製作方法

2023-06-27 07:48:26

專利名稱：一種可直接顯示出應力值的壓磁式混凝土絕對應力檢測裝置，的製作方法
技術領域：
本發明屬混凝土應力檢測儀器。
國內外歷來檢測圬工結構的混凝土應力的傳統方法是先測得應變再換算成應力。現有各種布置在混凝土構件表面的或預埋於混凝土構件內部的應變計，不論這些應變計的工作原理和性能如何，都不能直接檢測出混凝土的應力。1950年，美國混凝土學會顧問工程師R·W·卡爾遜與人合作研製出一種液壓式混凝土應力計。基本上是雙膜壓力盒的變形。這種應力計預埋於混凝土內，混凝土的應力傳遞到外膜板上，外膜板變形改變了水銀腔的液壓，使得內膜板變形，將此變形用一固定在應力計後底板中央的差動式應變計檢測出來，根據預埋前應力計裸露加載標定曲線查找和計算出混凝土應力來。試驗結果證明，這種應力計確能直接檢測出混凝土應力來。但由於其受到依賴於膜板撓曲變形來工作的檢測方式的限制，使其有剛度小，尺寸大，不能進行溫度補償等一系列缺點，至今不能推廣使用。1985年武漢工業大學雷射研究所宣布研製成一種光纖式混凝土應力計，其埋入混凝土內的傳感頭是由環氧樹脂一類的光彈材料製成，外形為3×3×6mm稜柱體。這種應力計由於其剛度無法與混凝土相匹配等原因，不論裸露加載標定情況如何，也不能準確地檢測到混凝土絕對應力。實際上，這種光纖式混凝土應力計並未研製成功。南京生產的國內廣泛使用的DI-10和DI-20型電阻應變計，也不能直接檢測出混凝土絕力應力值，也需通過換算。所以可以說，國內外尚無實際使用的可直接檢測混凝土絕對應力的應力計。
本發明的目的就在於研製出一種由預埋於混凝土構件中的混凝土絕對應力計(亦稱混凝土絕對應力傳感器)及其配套的應力儀組成的檢測裝置，適用於各種彈性模量，各種應力水平，各種斷面尺寸和各種環境溫度的混凝土構件，可以可靠地、長期地隨時直接檢測到混凝土絕對應力值，並用數字直接顯示出來。
本發明的要點是，本裝置由應力計與應力儀組成，應力計由膜板、壓磁元件(亦稱應力敏感元件)、溫度補償元件及差動式前置放大單元(亦稱前置頭)組成。壓磁元件為專門研製出的磁性材料製作的磁芯和磁套組成。磁芯上繞有線圈，磁芯和磁套構成一個閉合磁路。壓磁元件被夾持在兩塊對稱膜板所形成的內腔中央，壓磁元件與膜板間的空隙處有溫度補償元件，壓磁元件與溫度補償元件由電纜與差動式前置放大單元連接。應力儀由恆流源、信號調整單元、數據處理單元及數字顯示等組成。前置放大單元由電纜與應力儀連接。
當混凝土應力通過膜板直接傳送給磁芯，使磁芯沿軸向受力時，磁芯的磁導率將發生變化，引起磁芯和磁套構成的磁路之磁阻發生變化，由此引起線圈兩端之電壓發生變化。這個電壓變化與混凝土應力的大小有一定的相關關係。這個電壓變化信號經前置放大單元預處理後，輸入應力儀，再經信號調整、數據處理，然後用數字顯示出混凝土的絕對應力值來。即是說，本裝置可準確地直接檢測並用數字顯示出混凝土的絕對應力值。
下面結合附圖詳細說明之。


圖1為檢測裝置框圖。
1為壓磁元件(亦稱應力敏感元件)，2為溫度補償元件，3為差動式前置放大單元(亦稱前置頭)4為平衡調節，5為靈敏度調節，6為恆流源，7為信號調整單元，8為數據處理單元，9為數字顯示，10為列印控制，11為外部磁帶機，12為外部印表機。
圖2為壓磁式混凝土絕對應力計的傳感器示意圖。
13為磁芯，14為線圈，15為磁套，16為翼緣，17為溫度補償元件，18為電纜，19為膜板，20為裝配螺釘，21為空隙。
圖3為溫度補償電路框圖。
22為溫度補償元件靈敏度適調電阻，23為溫度補償元件，24為敏感元件感抗。
圖4為前置放大單元電路框圖。
25、26為預放級，27、28為精密檢波級29為差動放大級。
圖5為恆流源電路框圖。
29為晶體振蕩器，30為窄帶濾波器，31為恆流功率放大器，32為自動增益控制電路，33為基準。
圖7為應力儀框圖。
34為信號源，35為分頻，36為故障指示，37為多路開關，38為有源濾波，39為通道切換信號，40為控制開關，41為前置頭電源指示，42為電源，43為列印接口，44為單位轉換。
圖8為前置頭電路原理圖。
圖9為電源單元電路原理圖。
圖10為恆流源電路原理圖。
圖11為依號調整單元電路原理圖。
圖12為列印控制單元電路原理圖。
磁芯13和磁套15是用專門研製的一種新型磁性材料製成。此種材料以鎳鐵為基體，添加少量的鉻矽和錳等微量元素製成。配合比以Ni63～66%Cr2.7%，Si≤0.3%，Mn≤0.5%，其餘為Fe為最佳。此種材料導磁率高，飽和磁致伸縮係數大，物理性能也好，具有滿足應力計需要之壓磁效應。此種材料的研製成功，解決了應力計壓磁元件的關鍵問題，使得壓磁元件輸出靈敏度大、重複性好、非線性誤差小、變形剛度大、屈服極限高、可以加工成需要的薄片形狀。為研製成的應力計，在力學和電磁學兩方面都具備良好的性能打下了基礎。此種材料屬國內首創。
壓磁元件製成園形，周邊有翼緣16及槽，槽中繞有線圈14，磁套15套在周邊上，溫度補償元件17置於磁芯附近之空隙21處，溫度補償元件17與磁芯13中的線圈14與前置頭3相連。壓磁元件被兩塊對稱膜板19夾持緊固在膜板形成的內腔中。膜板由高彈材料製成，以45Cr最好。膜板由裝配螺釘20緊固，其緊固程度可給予磁芯13以適當之預應力。此預應力可使得應力計在滿量程內，都能在標定曲線線性較好的區段內工作。同時也使應力計各部分受力元件之間相互位置不動，消除了接觸非彈性變形，增加了穩定性，減少了滯後誤差。採用這種結構，傳感器中央部份近似實心，剛度大，傳感器的等效彈性換量比液壓式應力計等依靠膜板撓曲變形來工作的應力計大得多，大大高於混凝土的彈性模量，使得傳感器與各種混凝土之間剛度匹配誤差趨於一致便於作系統校正。也使得傳感器工作量程高，抵抗破壞能力強。傳感器可以作成圓形薄板形狀和尺寸，具備最佳的直徑與厚度比值。此種結構對混凝土的非應力變形，徐變和彈性模量差異極不敏感。模板中央部分對應力敏感，而邊緣部分不敏感，極大地消除了傳感器埋入混凝土後，邊緣應力集中引起的測量誤差，克服了技術難點。
傳感器溫度補償元件17以用高強漆包線製成為最佳材料，溫度補償元件靈敏度適調電阻22則採用康銅絲製作。
在溫度補償電路中，Rt23的溫度係數大於ZL24，且二者都是線性溫度係數，Rt經過R1、R2的調整，當溫度變化時，電路中a、b兩點的電壓增量關係是△Va＝△Vb。這兩個相等的電壓增量，分別經過相同的放大、檢波、濾波後至差動放大器進行相減運算後將其抵消掉，達到自動進行溫度補償之目的。經過溫度補償後，前置頭3隻將由應力變化引起的電壓信號輸入應力儀中。應力計在裸露加載標定的時候，則利用前置頭3的平衡電路固定初始狀態，再通過靈敏度適調電阻22調節並固定應力計之靈敏度。經上述前置頭3預處理後，每個應力計的輸入輸出曲線都具有相同的零點和斜率。
應力儀主要包括恆流源單元電路，信號調整單元電路，列印控制單元電路，電源電路以及數字顯示電壓表等幾部分，電路設計以集成電路為主，如運算放大器IC、數字IC、集成穩壓器等，採用精密電阻電容元件，針式接插件等，以提高整機精度和可靠性並利用亮度LED數碼管顯示，信號源取自晶體振蕩器，經分頻濾波後供給恆流源放大器，由恆流源放大器對信號分兩路放大，輸出兩路同步恆定、穩頻穩幅的正弦交流恆流源，然後分別到應力計的力敏感元件和溫度補償元件。前置頭對應力傳感部分的信號調整後到應力儀八選一電子開關，並具有溫度自動補償功能，電子開關選通某路輸入信號，該信號經過調整，濾波後到數字電壓表直接顯示絕對應力值，這個應力值同時被轉換成BCD碼列印輸出接口，列印控制單元的作用是提供多路選擇電子開關的控制碼，通道號BCD碼，列印信號。用標準精密電阻組成恆流源模擬負載用於校準目的。電源電路採用帶屏蔽層的變壓器，全波橋式整流器，濾波電容和三端集成穩壓器為主體構成。輸出四組穩壓源+15V400mA，±12V100mA，±5V100mA，±11.5V30mA。其中±11.5V電源是專門提供應力計前置頭的，這組電源取自±12V電源，通過RC濾波器與其隔離。由於前置單元與儀器之間聯線較長，容易出現破壞性故障，因而設置了前置頭電源工作狀態指示燈，指示電路用電晶體對電壓，電流狀態信號進行取樣，若前置頭工作正常，聯接電纜無破損，則前置頭電源的電壓電流值正常，取樣信號正常，電晶體驅動指示燈發光(綠色LED)。當電源電壓降低時，電壓指示燈熄滅，指示出現短路類故障，當電源電流減小時，電源指示燈熄滅，指示出現斷路類故障。電源設計允許接容性負載，具有過載保護功能。
恆源流電路由晶體振蕩器，分頻器，選通濾波器恆流放大器等幾部分組成。
數字集成門晶體多諧振蕩器產生2MHZ的方波信號，該信號具有極高的頻率穩定性，經過三個串聯的CMOS型十分頻器產生2KHZ的方波信號，方波信號通過振蕩器上的微調電容調節佔空比，可以達到0.49999。用兩個CMOS與非門並聯，其輸入端接分頻器輸出的2000HZ方波信號，其輸出端到一個二階有源選通濾波器，起到隔離和提高驅動能力的目的。
有源濾波器Q值較高，選通性能較好，RC元件採用精密型，選通頻率穩定。採用運算放大器設計的有源濾波器輸出阻抗很小，其輸出電壓幅度的穩定性取決於供電直流電源電壓的穩定性。因此，濾波器的輸出即是一個無其它頻率成份，頻率2000HZ的穩頻穩幅信號源，這個信號源接到恆流放大器。
恆流源功率放大器，自動穩流AgC電路各有兩套電路，它們產生的兩路恆流源分別提供給應力敏感元件和溫度補償元件，它們的直流基準和輸入交流信號源都相同。
功率放大器是雙通道集成功放HA1392，其增益由外接反饋電阻設定，用3DJ型結型場效應電晶體代替這個反饋電阻，場效應管的電阻值可由柵極加一個電壓控制信號而改變，若這個控制信號反映了功率放大器輸出電流的變化，則可通過控制信號改變功放的增益，補償輸出電流的變化，達到恆流之目的。
功率放大器為OTL工作方式，其輸出通過電解電容到負載，在負載迴路上串有一取樣電阻，用運放構成的差動式取樣放大器對取樣交流電壓進行放大，如果取樣電阻恆定，這個電壓就反映了電流之大小，取樣放大器輸出再到精密檢波器產生一個直流電壓信號，這個信號大小與恆流源電流成正比，並將其與基準電壓比較，由控制放大器放大這個差值，輸出一個偏差電壓到場效應管的柵極，改變功率放大器的增益，恆定取樣電阻上的電壓，也就是使功放的輸出電流恆定AGC電路實際上是由取樣放大，精密檢波，控制放大三級組成，全部採用運放。恆流源的控制精密(或恆定度)是由AGC增益決定的。精度K＝ (r)/(A) (負載變化率，A電路增益)。一般說來A值高，恆流精密度高，A值太高，電路不穩定，調試困難，故A值的選取以滿足精度為準，在此裝置中取A＝55倍。
AGC的響應速度取決於控制放大器濾波時間常數，本裝置中取τ＝20ms。這個時間其實就是恆流源的恢復時間，恢復時間為20ms，已能滿足一般橋梁的動態測試頻率要求。
兩路恆源流所有的關鍵阻容元件都是採用精密型，因此恆流源精度和穩定性指標都較高。功率集成電路運算IC都是單片兩路型，分別對稱用於兩路恆流放大和AGC電路中，阻容元件、場效應電晶體也是配對挑選分別運用在兩套電路裡，加之兩路恆流源採用同一信號源，同一基準，故兩路恆流源輸出電流大小和恆流精度基本相同，特別是溫度係數，漂移方向也基本相同，這樣恆流源的漂移就可以在前置頭裡抵消。可以這樣說，兩路恆流源的相對溫度係數比較小，相對精度較高。所以，由於恆流源誤差(主要是溫度漂移)給長期測量帶來的一系列問題，在此裝置中得到較好解決。
恆流源故障指示電路是利用負載開路時，AGC控制電平超過門限，使三極體飽和，驅動紅色LED發光，指示故障情況，兩路恆流源均設有故障指示電路。
信號調整單元是使前置單元送來的信號得到修正處理，送到模擬輸出接口和數字電壓表，由數字直接顯示測量應力值，集成多路開關選擇出某一測量通道的信號，通過一運放跟隨器耦合至有源濾波器，跟隨器起阻抗匹配和隔離的作用。有源濾波器濾除雜波，至精密檢波器進行半峰整流，峰值濾波後即為測點應力信號，經過輸出放大器接到模擬輸出接口供動態測試記錄和分析，輸出放大器另一路輸出經過100倍衰減到數字電壓表，顯示測點應力值。為了實現應力單位kg/cm2和Pa的轉換，利用開關切換輸出放大器的反饋電阻，改變其增益，同時切換顯示器上的顯示單位，達到單位轉換之目的。信號調整單元電路中設有調零開關，供每次試驗前調零，為了保證整個電路的精度，減少溫度漂移，關鍵元件選用精密型。
列印控制單元電路全部採用74LS系列數字集成電路，包括6分頻器，通道信號形成電路，組合邏輯電路和10-4解碼器，主要實現對列印時間間隔的控制，信號調整單元開關電路選通以及形成通道BCD碼等，當操作者按下某一通道鍵，通道LED指示燈亮，由鍵開關產生一個電平，經過脈衝形成電路形成一個尖脈衝，經整形後到六分頻器，鍵開關產生的電平也進入10-4解碼器，譯出該通道號的正邏輯BCD碼，到列印接口和信號調整單元的電子開關。六分頻器對數字電壓表輸出的列印信號分頻，配合組合邏輯電路形成列印指令。鍵脈衝控制分頻器的清零端，每個鍵按下時都有一個鍵脈衝形成，將分頻器清零，重新計數，起延時作用，使前置頭能在穩定工作後，測點的信號才被列印。列印鍵和列印狀態指示燈的作用是控制和指示列印工作情況，如按下列印鍵不鬆開，鍵開關將使數字電壓表輸出的列印信號通過組合邏輯門，直接到列印接口，印表機以3次/秒的速度列印，稱為「快打狀態」，若按下列印鍵，在0.5秒鐘內鬆開，由於內部RC延時電路作用，不會進入快打狀態，而列印鍵另一組開關將觸動一雙穩電路，每按鍵一次，雙穩就翻轉一次，控制由分頻器出來的列印指令是否到列印接口，如果雙穩的狀態使組合邏輯門打開，列印接口就有0.5次/秒的列印指令驅動印表機，此種稱為「慢打狀態」，這時列印指示燈(黃色LED)是亮的，如果雙穩處的狀態禁止列印指示到列印接口，列印指示燈熄滅，在測量過程中印表機就不會工作，稱為「不列印狀態」。
列印輸出BCD碼接口全部為TTL電平，正邏輯，列印速度為3次/秒，或0.5次/秒。
此種混凝土絕對應力檢測裝置的研製成功，使用者們可以可靠地、方便地隨時直接檢測到混凝土的絕對應力。可為圬工工程結構或模型的施工安全監測，工程質量評價，結構改造加固以及驗證設計理論等，提供準確的混凝土應力數據。可以促進檢測技術和設計理論的發展。有著明顯的社會經濟效益，意義重大該檢測裝置適用於各種彈性模量，各種應力水平，各種斷面尺寸的混凝土構件。該檢測裝置性能穩定，傳感器埋設簡便，不易破壞，操作簡單，使用方便，易學易會，不僅適用於科研單位專門測試人員應用，也適合於工作單位一般測試人員應用，具有重要的實用價值和使用前景。
圖6為實施例。
應力計傳感器直徑100mm，厚8mm。
前置頭直徑75mm，厚30mm。
應力儀尺寸280×280×95(mm3)。
重量3.3kg。
非線性誤差±0.5%FS。
溫度漂移8×10-4/C。
時間漂移1×10-4/小時。
交流電源220V，±10%。
50HZ，-5%，+20%。
應力計使用環境溫度-20C～+60C。
應力儀使用環境溫度-10C～+40C。
定名為HJY-1型混凝土絕對應力計及應力儀。
權利要求
1.一種有力敏感元件和溫度補償元件的預裡式應力計，其特徵在於傳感器由兩塊模板(19)和作為應力敏感元件的磁芯(13)構成，磁芯(13)置於兩塊模板形成的腔中，磁芯(13)旁置溫度補償元件(17)，磁芯(13)繞有線圈(14)，該線圈(14)和溫度補償元件(17)用電纜(18)和前置頭(3)連接，前置頭和應力儀用電纜連接。
2.(1.)一種可顯示混凝土絕對應力值的應力儀，有信號調整單元和數據處理單元，其特徵在於有恆流源和應力值直接顯示裝置，應力儀與應力計由電纜連接(2.)根據權利要求(1)所述的應力儀，其特徵在於恆流源提供兩路同步穩定、穩壓穩幅的正弦交流恆流源給應力計的磁芯線圈和溫度補償元件。(3.)根據權利要求(1)所述的應力儀，其特徵在於應力值顯示裝置為數字電壓表，也可列印出來。
全文摘要
壓磁式混凝土絕對應力檢測裝置由應力計和應力儀組成。應力計的傳感器之壓磁元件由新型磁性材料製成。應力計有溫度自動補償裝置。具有準確地直接檢測出混凝土絕對應力並立即用數字顯示出絕對應力值的優良性能。
文檔編號G01L1/12GK1043785SQ8810897
公開日1990年7月11日 申請日期1988年12月27日 優先權日1988年12月27日
發明者張力, 劉亞蒙 申請人:交通部重慶公路科學研究所