(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 108151957 A(43)申请公布日 2018.06.12
(21)申请号 201711259873.4(22)申请日 2017.12.04
(71)申请人 交通运输部公路科学研究所
地址 100088 北京市海淀区西土城路8号(72)发明人 何华阳 周毅姝 陈南 郭鸿博 (74)专利代理机构 北京思海天达知识产权代理
有限公司 11203
代理人 刘萍(51)Int.Cl.
G01L 25/00(2006.01)
权利要求书2页 说明书5页 附图5页
CN 108151957 A(54)发明名称
一种索力动测仪校准装置及方法(57)摘要
一种索力动测仪校准装置及方法属于拉索的振动频率校准领域。现有的标准振动台法校准索力动测仪的方法，由于标准振动台配备的标准振动传感器在0.3Hz～10Hz的低频范围内测量能力极差，无法准确得到标准振动台在低频范围内的振动频率，故实际校准结果误差较大，根据现有文献记载，现有标准振动台在校准索力动测仪低频测量能力时不确定度一般不低于10％。本发明引入不确定度的分量由波形盘加工精度和波形盘与接触杆分离时间组成。边界转动器、边界块、边界块滑动架、杆台接头、接触杆、位移记录模块、主控器以及接触判断器共同构成的负反馈结构能够将分离时间减小到0.08秒，故使得校准装置的不确定度降低到2.5％。
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权 利 要 求 书
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1.一种索力动测仪校准装置，其特征在于，包括边界转动器、边界块、边界块滑动架、杆台接头、接触杆、位移记录模块、底座、主控器、接触判断器、波形转动器、波形盘、振动连接块、振动单元；
边界转动器由电机及驱动电路组成，用于驱动边界块在边界块滑动架上发生竖直方向的位移；
边界块在边界块滑动架上自由发生位移，边界块一端连接在边界块滑动架上，另一端连接在振动单元上，并在位移记录模块中起到位移标记作用；
边界块滑动架使得边界转动器不上电工作时边界块在边界块滑动架上沿着竖直方向自由移动；
杆台接头上端连接振动单元，下端连接接触杆，杆台接头与接触杆之间导电；接触杆下端与波形盘接触，接触杆下端光滑，波形盘的边界为正弦曲线，且正弦曲线的频率为f；当波形盘转动时，促使接触杆上下移动；
位移记录模块用于记录边界块的移动时程曲线；底座上安装了上述各部件，并能放置在水平地面上；主控器能够实时显示振动单元的振动频率，主控器能够控制边界转动器和波形转动器转动；
接触判断器分别连接到波形盘和杆台接头上；接触判断器工作时，与波形盘、杆台接头以及接触杆形成电流闭合回路，当回路中断时，接触判断器判定接触杆与波形盘分离，此时接触判断器将分离信号传输到主控器中，由主控器驱动边界转动器转动，带动边界块发生相应的移动，迫使接触杆与波形盘恢复接触状态；
波形转动器由电机及驱动电路组成，用于驱动波形盘发生旋转运动；振动连接块一端连接在底座上，振动单元能够穿过振动连接块并发生位移，边界块在振动连接块的右侧自由上下移动；
振动单元下端与杆台接头连接，上端用于安装被校仪器的传感器。2.应用如权利要求1所述装置，其特征在于：波形盘由导电材料制作，表面粗糙度Ra不大于0.2μm；且接触杆下端与波形盘之间的摩擦系数小于0.05。
3.应用如权利要求1-2所述的装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：将索力动测仪的振动传感器安装到振动单元上，使得振动传感器和振动单元紧密贴合；
(1)将底座安放在平稳的地面上，用手上下移动接触杆，使得接触杆的底部端点与波形盘接触良好，不发生分离或卡壳；
(2)接触判断器上电，使得接触判断器与波形盘、杆台接头以及接触杆形成电流闭合回路；
(3)位移记录模块上电，并初始化位移值；(4)启动主控制器；
(5)主控制器控制波形转动器带动波形盘发生旋转；(6)接触杆因波形盘旋转而被迫发生上下位移；在位移过程中，若接触杆与波形盘发生了分离，则接触判断器发出信号，将相对分离方向传输到主控器中，同时位移记录模块将接触杆的位移时程曲线传输到主控器中；主控器根据位移时程曲线及相对分离方向计算得到负反馈力及负反馈时间，并控制边界转动器转动，给边界块施加向下的负反馈力，并在负反
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馈时间内保持住施加力的作用；当接触杆与波形盘恢复接触，接触判断器发出信号，主控制器停止控制边界转动器，使得此时接触杆受波形盘压迫发生移动；
(7)启动索力动测仪，测量校准装置的振动频率；(8)待波形盘连续转动1分钟以上以后，索力动测仪停止测量，并输出测得的频率值；(9)主控器通过位移记录模块和接触判断器传输的数据计算得到频率修正系数p，与波形盘上刻有的固定频率f进行修正计算，得到实际标准频率pf，并显示出来；
(10)比较主控器和索力动测仪的频率示值，计算差值，得到被测索力动测仪的频率测量示值误差，索力动测仪校准完成。
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说 明 书
一种索力动测仪校准装置及方法
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技术领域
[0001]本发明属于索力动测仪的振动频率测量能力校准领域。
背景技术
[0002]伴随着我国经济建设和对外开放的迅速发展，桥梁技术的不断进步和人们对桥梁美学因素的要求，拉索技术日益广泛地应用在大跨度桥梁中。其中典型的应用有悬索桥的主缆、吊索，斜拉桥的斜缆索、拱吊桥的吊索等。作为上述大型桥梁结构的核心构件，桥跨结构的重量和桥上活载绝大部分通过拉索传递到塔柱上。据不完全统计，我国大跨径拉索类桥梁有300余座，绝大部分拉索存在不同程度的病害，近年来，因桥梁拉索断裂造成桥梁垮塌的严重事故也有所发生。2011年宜宾小南门金沙长江大桥吊杆断裂，桥面垮塌；2010年南坪玉屏大桥断裂换索。可见由于长期处于交变应力、腐蚀和风致振动的环境中，拉索极易造成局部疲劳与损伤，不仅导致其使用寿命缩短，且直接影响结构的内力分布和结构线型，危及整个结构安全。索作为一种柔性构件，与刚性构件具有不同的受力特性：没有抗压刚度，只能承受拉力，具有明显的几何非线性，容易产生松弛和应力损失。桥梁拉索的受力与工作状态是直接反映桥梁是否处于正常运营的重要标志之一。在设计和施工时，需要对桥梁拉索索力进行检测和优化，以使得塔、梁处于最佳受力状态。在成桥后，也需要不断监测索力的变化，了解拉索的工作状态，及时进行调整，使之符合设计需求。中华人民共和国行业标准CJJ99-2003《城市桥梁养护技术规范》5.9.5中要求：“拉索索力必须每年进行一次测量，大桥竣工后最后一次调索的索力应与设计索力进行比较”。中华人民共和国行业推荐标准JTG/T J21-2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》中明确指出，索力是斜拉桥与悬索桥的主要加载测试项目之一，是反映桥梁状态的重要参数之一。因此桥梁索力检测业务是各检测机构是一种不可或缺的检测项目和基本能力。[0003]JTG/T J21-2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》5.10.1指出：“拉吊索索力测量可采用振动法”；JTG/T J21-01-2015《公路桥梁荷载试验规程》附录B中提出：“在一定条件下索股拉力与索的振动频率存在对应的关系，在已知索的长度、分布质量及抗弯刚度时，可通过索股的振动频率计算索的拉力”。显然，振动法测量索力是目前较为通用的方法，该方法的基本原理和理论依据则是动力学理论。
[0004]十八世纪初期科研人员开始了对拉索结构动力学理论的探索，Brook Taylor、D’Alembert、Euler以及Daniel Bernoulli针对张紧弦研究了其在两端固定的条件下的振动理论，并证明了复杂振动总可以分解为若干相互独立的模态振动，从而奠定了动力学的基础。十九世纪初期，Possion给出了任意力作用下索的一般偏微分方程，十九世纪中期，Rohrs、Stokes以及Routh得出了索竖向振动的精确解，二十世纪中期，Ranie和von Karman推导出了不可伸长的三跨索的竖向振动解，二十世纪末，H.Max Irvine出版了《索结构》一书，通过考虑悬索两端点间高差的影响，将水平索振动的解推广到斜拉索上，基本建立了理想柔性索结构的动力学理论体系。[0005]目前索力动测仪(JMM-268、SET-PF1-11、DH5906等型号)的基本原理是十八世纪初
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建立和完善的弦振动理论。显然，拉索的振动频率校准是索力动测仪校准的关键环节。[0006]1)标准振动台系统[0007]根据JJG 676-2000《工作测振仪检定规程》中的规定，可以采用标准振动台系统进行校准。标准振动台系统如图6所示，主要由数字计数器、信号发生器、放大器、振动台、标准传感器、数字电压表等组成。标准传感器的参考灵敏度的不确定度为1％。由信号发生器、放大器、振动台组成的振动台系统的加速度波形失真度小于等于5％，横向振动比小于等于10％，幅值均匀度小于等于5％，台面漏磁小于等于3×10-3T。数字计数器的不确定度为0.01％。数字电压表的不确定度为0.5％。[0008]现在技术存在以下缺点：
[0009]1)标准振动台系统价格昂贵，以中国计量科学研究院与中国地震局工程力学研究所生产的LF-01型标准振动台为例，总价至少需要上百万元。[0010]2)低频振动能力较差。目前的标准振动台低频范围内产生的运动信号质量不佳，一般情况下仅能产生10Hz以上的振动频率，而长索其振动频率一般较底，标准振动台法无法满足低频振动测量的校准需要。
[0011]3)标准振动台法需要配置标准传感器用于获得标准振动频率值，所需要的标准传感器频率响应范围一般需要涵盖0.1Hz-200Hz，具有该技术指标的传感器较难配备，且精度较低。
发明内容
[0012]本专利所述用于测量拉索索力的装置主要由边界转动器、边界块、边界块滑动架、杆台接头、接触杆、位移记录模块、底座、主控器、接触判断器、波形转动器、波形盘、振动连接块、振动单元等部分组成，硬件连接图如图1所示。[0013]边界转动器可以由电机及驱动电路组成，用于驱动边界块在边界块滑动架上发生竖直方向的位移。
[0014]边界块可以在边界块滑动架上自由发生位移，边界块一端连接在边界块滑动架上，另一端连接在振动单元上，并在位移记录模块中起到位移标记作用。[0015]边界块滑动架可以采用气浮导轨，使得边界转动器不上电工作时边界块可以在边界块滑动架上沿着竖直方向自由移动。[0016]杆台接头上端连接振动单元，下端连接接触杆，杆台接头与接触杆之间导电性能良好。
[0017]接触杆下端与波形盘接触，接触杆下端光滑，当波形盘转动时，由于波形盘上存在的起伏不平的结构，促使接触杆上下移动，且接触杆下端与波形盘产生的摩擦力很小。[0018]位移记录模块可以是光栅尺或激光干涉仪。位移记录模块用于记录边界块的移动时程曲线。
[0019]底座上安装了上述各部件，并能平稳放置在水平地面上。[0020]主控器可以采用嵌入式装置、计算机或PLC等。主控器能够实时显示振动单元的振动频率，主控器能够控制边界转动器和波形转动器转动。[0021]接触判断器分别连接到波形盘和杆台接头上。接触判断器工作时，与波形盘、杆台接头以及接触杆形成电流闭合回路，当回路中断时，接触判断器可判定接触杆与波形盘分
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离，此时接触判断器将分离信号传输到主控器中，由主控器驱动边界转动器转动，带动边界块发生相应的移动(移动方向和移动时长由接触判断器通过回路中断时间计算得到，并传输给主控器)，迫使接触杆与波形盘恢复接触状态。[0022]波形转动器可以由电机及驱动电路组成，用于驱动波形盘发生旋转运动。[0023]波形盘由导电材料制作，耐磨损，波形盘侧面印有相应的凹凸波形，波形表面光滑，波形具有固定的频率值。
[0024]振动连接块一端连接在底座上，振动连接块的左侧为实心，其他部位中空且光滑，振动单元能够穿过振动连接块并发生位移，边界块可以在振动连接块的右侧自由上下移动。
[0025]振动单元下端与杆台接头连接，上端用于安装被校仪器的传感器。
[0026]本专利所述用于校准索力动测仪的装置和方法的技术方案流程图如图2所示。[0027]本专利所述用于校准索力动测仪的装置由边界转动器、边界块、边界块滑动架、杆台接头、接触杆、位移记录模块、底座、主控器、接触判断器、波形转动器、波形盘、振动连接块、振动单元等部分组成。[0028]总体技术方案实现过程如下：[0029](1)将索力动测仪的振动传感器安装到振动单元上，使得振动传感器和振动单元紧密贴合。[0030](2)将底座安放在平稳的地面上，用手上下移动接触杆，使得接触杆的底部端点与波形盘接触良好，不发生分离或卡壳。[0031](3)接触判断器上电，使得接触判断器与波形盘、杆台接头以及接触杆形成电流闭合回路。[0032](4)位移记录模块上电，并初始化位移值。[0033](5)启动主控制器。[0034](6)主控制器控制波形转动器带动波形盘发生旋转。[0035](7)接触杆因波形盘旋转而被迫发生上下位移。在位移过程中，若接触杆与波形盘发生了分离，则接触判断器发出信号，将相对分离方向传输到主控器中，同时位移记录模块将接触杆的位移时程曲线传输到主控器中。主控器根据位移时程曲线及相对分离方向计算得到负反馈参数(负反馈力及负反馈时间)，并控制边界转动器转动，给边界块施加向下的负反馈力，并在负反馈时间内保持住施加力的作用。当接触杆与波形盘恢复接触，接触判断器发出信号，主控制器停止控制边界转动器，使得此时接触杆受波形盘压迫发生移动。[0036](8)启动索力动测仪，测量校准装置的振动频率。[0037](9)待波形盘连续转动1分钟以后，索力动测仪停止测量，并输出测得的频率值。[0038](10)主控器通过位移记录模块和接触判断器传输的数据计算得到频率修正系数p，与波形盘上刻有的固定频率f进行修正计算，得到实际标准频率pf，并显示出来。[0039](11)比较主控器和索力动测仪的频率示值，计算差值，得到被测索力动测仪的频率测量示值误差，索力动测仪校准完成。附图说明
[0040]图1装置示意图
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图1中，1为边界转动器，2为边界块，3为边界块滑动架，4为杆台接头，5为接触杆，6
为位移记录模块，7为底座，8为主控器，9为接触判断器，10为波形转动器，11为波形盘，12为振动连接块，13为振动单元。[0042]图2装置俯视图
[0043]图3校准索力动测仪的装置和方法的技术方案流程图[0044]图4具体实例的技术方案流程图[0045]图5波形盘示意图
[0046]图6现有技术装置示意图
具体实施方式
[0047]参考图4所示实例1流程图，实例1技术方案实现过程如下：[0048](1)将校准装置安放在一个平稳的地面上[0049](2)将索力动测仪的传感器安装在校准装置的振动单元上。[0050](3)校准装置上电，调整接触杆的位置使得接触杆与波形盘接触良好，接触判断器不发出分离信号。[0051](4)启动主控制器，控制波形盘转动。[0052](5)振动单元发生位移。[0053](6)启动索力动测仪，测量振动单元产生的振动频率。[0054](7)索力动测仪测得一组数据后(根据仪器设备的不同，采集1024个点或更多点)，振动单元停止位移，索力动测仪停止测量并输出测得频率值。[0055](8)记录主控制器输出的频率值，并与索力动测仪输出的频率值相减，得到频率差值。[0056](9)计算得到的频率差值即为被校索力动测仪的频率测量示值误差，校准完成。[0057]本专利实现了对索力动测仪的低频测量能力的校准，解决了索力动测仪低频测量能力校准困难的问题。
[0058]本专利能够有效复现出低频振动，解决了振动台复现低频振动困难的问题，并且产生的振动频率结果准确度高。
[0059]本专利成本较目前常用的方法低廉，节约了校准成本。[0060]本专利发明了一种可以产生低频振动，且振动频率值可以较为简单测到，准确度较高的索力动测仪校准装置和方法。
[0061]现有的标准振动台法校准索力动测仪的方法，由于标准振动台配备的标准振动传感器在0.3Hz～10Hz的低频范围内测量能力极差，无法准确得到标准振动台在低频范围内的振动频率，故实际校准结果误差较大，根据现有文献记载，现有标准振动台在校准索力动测仪低频测量能力时不确定度一般不低于10％。而采用本专利，引入不确定度的分量由波形盘加工精度和波形盘与接触杆分离时间组成。波形盘加工精度可以达到0.01mm，边界转动器、边界块、边界块滑动架、杆台接头、接触杆、位移记录模块、主控器以及接触判断器共同构成的负反馈结构能够将分离时间减小到0.08秒，故使得校准装置的不确定度降低到2.5％。
[0062]在位移过程中，若接触杆与波形盘发生了分离，则接触判断器发出信号，将相对分
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离方向传输到主控器中，同时位移记录模块将接触杆的位移时程曲线传输到主控器中。主控器根据位移时程曲线及相对分离方向计算得到负反馈参数(负反馈力及负反馈时间)，并控制边界转动器转动，给边界块施加向下的负反馈力，并在负反馈时间内保持住施加力的左右。当接触杆与波形盘恢复接触，接触判断器发出信号，主控制器停止控制边界转动器，使得此时接触杆受波形盘压迫发生移动。[0063]波形盘示意图中，虚线构成的圆形O1为辅助线，黑色构成的图形为波形盘，O1的圆心是波形盘的中心。横轴为X轴，纵轴为Y轴。[0064]设O1的半径为R，波形盘中心到波形盘侧面的直线距离为r。波形盘侧面各点的坐标为(x，y)，满足下列关系：r＝sinkx+R，x＝rcosθ，y＝rsinθ。[0065]则波形盘上印有的凹凸波形为sinkx，波形的频率f＝k/(2π)。[0066]波形盘侧面的表面粗糙度Ra不大于0.2μm，且接触杆下端与波形盘接触杆下端与波形盘之间的摩擦系数小于0.05。
[0067]本专利所述校准装置能够复现出的低频振动频率为0.02Hz～30Hz，误差不超过±0.09％，失真度小于1.5％，测量不确定度不大于2.5％。[0068]根据调研结果，现有桥梁索力动测仪的频率范围为(0.3～200)Hz，频率精度为0.5％F±0.01Hz或优于0.1％F(F为被测频率)，故在进行索力动测仪低频测量能力校准的时候，需要保证校准装置的频率误差不超过±0.1％。本专利的低频振动复现能力完全可以满足实际需求。
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