CN101266473A - 锚索张拉自动监控系统及监控方法 - Google Patents

Abstract

锚索张拉自动监控系统及监控方法。被张拉的钢绞线穿过千斤顶中心，并在缸体外装拉杆式位移传感器，同时在回油管上装压力传感器，将测量的位移和油压转换为电信号，经长距离传输到硬件平台，顺次设数据采集模块，含中央处理器、数据存储器和串行通讯口的监控仪主机、电机驱动模块和数据自动存储输出系统。用编程控制，用电机控制送油阀开度实现自动张拉，再由张拉速度和油压信号控制电机转动方向和速度，达到控制油压。实现了锚索张拉自动实时监控、反馈、自动记录和打印报表图表，不仅大大降低劳动强度和提高效率，且有效保障锚索施工质量。用先进的高精度传感器代替现有千分尺和压力表，实现量测手段飞跃。用于需预应力施加—锚索张拉的岩土工程中。

Description

锚索张拉自动监控系统及监控方法

(一)技术领域：

锚索张拉自动监控系统及监控方法，属长度测量类(G01B)、压力测量类(G01L)和控制调节监测类(G05B)。

(二)背景技术：

预应力锚固(锚索)是指通过特殊工艺将钢绞线变成长期处于高应力状态下的受拉结构，以此增强被钢绞线加固岩体的强度，改善岩体应力状态和提高岩体稳定性。但是预应力锚固是一项工序复杂、制约因素较多、难以补救的隐蔽工程，因此在锚索施工的张拉过程中，做好实时监测，严格保证施工质量非常重要。现有采用的锚索测力计可以解决应力长期监测，但因其昂贵的成本无法针对每一束锚索单元体实施，同时测力计无法实现对锚索弹性伸长值的测定，因而不能解决锚索应力施加的实时监控与自动记录。

作为检查和验证锚索施工成果和效用关键环节的预应力施加——锚索张拉，还是沿袭传统的张拉力由油压表测读，结合测量钢绞线弹性伸长值核验的“双控法”原则，这种方法在水利水电及其他岩土工程施工领域中普遍使用。该方法全部靠人工操作精度不高、劳动强度大、施工效率低、存在较大的人为误差，同时也无法实现实时监控和反馈，对锚索这类隐蔽性工程施工质量难以起到应有的保障作用，因而不适应日新月异的岩土工程的发展。

(三)发明内容：

本发明提出的锚索张拉自动监控系统及监控方法，就是解决现有测力计成本昂贵无法对每一束锚索单元体实施、无法测伸长值的问题；解决现有油压表测读和钢绞线弹性伸长测量结合的“双控法”精度低、劳动强度大、效率低及不能实时监控的问题。其技术方案如下：

锚索张拉自动监控系统，包括千斤顶3及液压系统，其特征是：

(A)设置拉杆式位移传感器2，通过夹具2.3安装固定在千斤顶3缸体3.3上；位移传感器活动杆2.1前端2.1A直接固定于活塞3.1；或者活动杆前端2.1A固定于装于活塞前端的圆环3.5，圆环为轴向随活塞移动，周向相对活塞转动的圆环活接结构；位移传感器信号输出端经长距离信号线2.4接数据采集模块5输入端。(B)在千斤顶回油管3.4上装设压力传感器4，再经压力变送器4.1和长距离信号线4.2接设置的数据采集模块5输入端。(C)数据采集模块5内有顺次连接的信号调理电路5.1、模/数转换器5.2和数据存储器5.3。其中信号调理电路5.1有电流--电压信号转换和滤波器。数据采集模块输出端接设置的监控仪主机6。(D)监控仪主机6内设有中央处理器6.1、数据存储器6.2和串行通讯口6.3。监控仪主机6输出端接电机驱动模块7和自动存储输出系统8，或增设键盘、显示屏和打印机。电机驱动模块7输出端接千斤顶液压系统电机9控制回路。(E)自动存储输出系统8内有数据传输模块8.1和U盘8.2。

上述位移传感器活动杆安装采用的圆环活接结构、两传感器选型及自动监控系统编程控制方法等下面结合附图详细描述。

本发明有益效果：①用先进的高精度传感器代替千分尺和压力表，进行自动测量，实现了量测手段的飞跃。位移传感器设计量程200mm，同千斤顶活塞行程相同，设计精度0.5％，分辨率为0.2mm；用高精度陶瓷电容式压力传感器，0.5％精度压力变送器。A/D转换器精度达0.025。②用自动数据采集系统代替人工测量，大大减少了量测误差。③用功能强大的监控系统对张拉施工过程进行实时的自动监测和控制，削减了繁琐的工序劳动。④用可靠的数据库代替人工记录对施工数据进行保存，保证了施工原始记录的及时性和真实性。⑤用数据整理系统代替人工手动汇总，并对数据进行整理与分析，结合新版本锚固施工规范要求，可自动生成施工报表，实现施工报表规范化。⑥用传统的锚索张拉一束锚索，油泵操作、钢绞线伸长值测量及数据记录需要三人，同时还需要进行繁琐、冗长的数据统计、分析与计算。用自动监控系统，只需要一人便可完成。若实现群锚张拉，可节省人工三分之二。⑦模拟信号调理电路5.1将电流信号变为电压信号并除去干扰信号以保证采集的锚索变形和张力失真率小。⑧活塞前端设圆环活接结构和环形防护。实现活动杆既可随活塞移动，又可实现钢绞线、活动杆旋转，活塞不随旋转，不影响位移测量误差和损坏传感器。

(四)附图说明：

图1本发明锚索张拉自动监控系统总布置示意图

图2张拉自动控制方法编程流程图

(五)具体实施方式：

本实施例按以下几大部分，分别描述。

(A)位移测量：见图1，钢绞线1穿过预应力千斤顶3中心，千斤顶型号为YDC 240Q，其内设有油缸3.3、活塞3.1、穿心套3.6、回程弹簧3.7、夹片3.8、锚环3.9、支撑套螺母3.10和支撑套3.11等。位移传感器选拉杆式电感位移传感器2，最大位移量200mm，精度0.1％，型号为H-250，位移传感器2沿轴向通过夹具2.3安装固定在千斤顶3缸体3.3上，夹具为两个固定于位移传感器外壳2.2并箍在缸体上的连接环2.3。活塞前端开凹形环槽，环槽内嵌入作为滑动轴承外圈的圆环3.5，活塞环槽底作为滑动轴承的轴颈3.5B，圆环和活塞摩擦面间装高硬度及抗磨性材料的环形防护3.5A。当千斤顶液压系统电机9启动油泵11控制送油阀10，压力油经进油管3.2进入缸体内，活塞在油压作用下拉钢铰线1，进行自动张拉，此时活塞相对缸体和位移传感器轴向前移，活动杆也随活塞的移动相对位移传感器本体轴向移动，由此传感器内线圈电感变化，位移传感器产生位移电信号。若钢绞线在张力作用下产生旋转效应，则缸体3.3、位移传感器2、活动杆2.1均随之转动，此时可带动作为滑动轴承的圆环3.5转动，而作为轴承轴颈3.5B即活塞3.1保持不转，因此避免了测量误差和传感器损坏。活塞位移量为钢绞线张拉弹性伸长值。位移传感器将检测的位移量转换成电流信号，信号输出标准4～20mA，经长距离信号线2.4传输到硬件采集平台，接入数据采集模块输入端2a、2_b。当张拉完毕，千斤顶卸荷，夹片3.8自动拆开，工作钢铰线夹片自锁，千斤顶等从钢绞线上取出。

(B)张拉力测量：见图1，压力传感器选用陶瓷电容式压力传感器4，最大测量压力60MPa，精度0.5％，型号为B0803。见图1，在千斤顶3回油管3.4上装设压力传感器4，它将测量的千斤顶油压转换成原始电信号，信号输出端经压力变送器4.1，(压力变送器精度为0.5％)，将压力传感器4原始电信号变成输出标准为4～20mA电流信号，再由长距离信号线4.2传输到硬件采集平台，再接入数据采集模块5输入端4a、4_b。锚索张拉自动监控系统可将测量的油压(电信号)根据千斤顶活塞面积换算成张拉力，见如下换算公式M＝KF-K₀式中：M--千斤顶3顶压MPa，F--张拉力KN，K和K₀---由千斤顶率定结果确定。

(C)数据采集及处理：见图1，数据采集模块5内有顺次连接的信号调理电路5.1、模/数转换器5.2和数据存储器5.3。输入端2a、2_b和4a、4_b分别输入锚索钢绞线1的伸长值(即位移)和压力的模拟信号，经信号调理电路5.1将输入的4～20标准电流信号转换为1～5V标准电压信号，再通过滤波器滤去除干扰信号。模/数转换器5.2对滤波以后的模拟信号进行模/数(A/D)转换(A/D转换器精度达0.025％)，获得的数字信号送入数据存储器5.3；并设有采样时钟发生器5.4，产生同步时钟信号控制设置的地址发生器5.5、模/数转换器5.2和数据存储器5.3使其严格按时序进行工作；地址发生器向数据存储器5.3提供地址信号。

(D)张拉自动控制：见图1，设监控仪主机6，其内设有中央处理器6.1、数据存储器6.2和串行通讯口6.3。其中中央处理器6.1采用处理速度达每秒1百万条指令。数据存储器6.2可为电子硬盘。为显示和打印出位移和张拉力有关数据，增设小型打印机6.6、显示屏6.5、键盘6.4。监控仪主机6输出端接电机驱动模块7和自动存储输出系统8，电机驱动模块7通过长距离信号线7.1接电机9。进油管路3.2中装送油阀10，通过控制电机9控制送油阀10开度实现自动张拉，监控仪主机6根据锚索施工规范或施工技术要求中规定的张拉加载速率、持续稳压时间等向电机驱动模块7发出信号，控制电机9的方向和速度达到控制油压的目的。千斤顶液压系统中还有油泵11和油箱12等。

(E)自动存储输出系统8内有数据传输模块8.1和U盘8.2；其数据传输模块8.1和上面的串行通讯口6.3均按V282传输协议要求设计，保证数据在恶劣工况下稳定、准确地传输。本系统有实现报表、图表处理的数据库软件系统。

见图2，张拉自动控制通过编程控制，其程序包括如下步骤：

1)‘准备张拉’；2)‘传感器异常’(两传感器3和4有输出电信号)；若有(Y)则张拉在进行，一直到‘结束张拉’；若无(N)，则进行3)‘开始张拉’；通过控制电机控制送油阀10开度实现；4)‘加载油压’：监控仪主机6根据张拉加载速率控制电机9的方向和速度实现；5)‘P≤P₁？位移增加？’：当P≤P₁是(Y)，位移没有增加(N)，则为(YN)回到加载油压；当P≤P₁不是(NY)，位移有增加(YY)，则暂停加压；当P≤P₁不是(NY)，位移没有增加，则为(NN)，进行6)；P1为某加载时间内设定的不断变化油压值；6)‘P₀≤P≤P₀+0.5’：当不是(N)则回到加载油压，当是(Y)则预紧完成；P0为预紧油压；7)‘预紧完成’同时‘存储数据’；8)‘加载油压’；9)‘P≤P₁？位移增加？’当P≤P₁是(Y)，位移没有增加(N)，则回到加载油压；当P≤P₁不是(NY)，位移有增加(YY)，则暂停加压，当P≤P₁不是(NY)，位移没有增加，则为(NN)，进行10)；10)‘P≤P₂+0.1’，当是(Y)则回到加载油压，当不是(N)则进行11)；P2为张拉该循环最大油压；11)‘开始稳压计时T₀≤T’；12)‘结束张拉’。

Claims (6)

1.锚索张拉自动监控系统，包括千斤顶(3)及液压系统，其特征是：

(A)设置拉杆式位移传感器(2)，通过夹具(2.3)安装固定在千斤顶(3)缸体(3.3)上；位移传感器活动杆(2.1)前端(2.1A)直接固定于活塞(3.1)；或者活动杆前端(2.1A)固定于装于活塞前端的圆环(3.5)，圆环为轴向随活塞移动，周向相对活塞转动的圆环活接结构；位移传感器信号输出端经长距离信号线(2.4)接数据采集模块(5)输入端；

(B)在千斤顶回油管(3.4)上装设压力传感器(4)，再经压力变送器(4.1)和长距离信号线(4.2)接数据采集模块(5)输入端；

(C)设置的数据采集模块(5)内有顺次连接的信号调理电路(5.1)、模/数转换器(5.2)和数据存储器(5.3)；数据采集模块(5)输出端接设置的监控仪主机(6)；

(D)监控仪主机(6)内设有中央处理器(6.1)、数据存储器(6.2)和串行通讯口(6.3)，监控仪主机(6)输出端接设置的电机驱动模块(7)和自动存储输出系统(8)；电机驱动模块(7)输出端接千斤顶液压系统电机(9)控制电路；

(E)自动存储输出系统(8)内有数据传输模块(8.1)和U盘(8.2)。

2.按权利要求1所述锚索张拉自动监控系统，其特征是所述圆环活接结构为：活塞前端开凹形环槽，环槽内嵌入作为滑动轴承外圈的圆环(3.5)，活塞环槽底作为轴承轴颈(3.5B)，圆环和活塞摩擦面间装高硬度及抗磨性材料的环形防护(3.5A)。

3.按权利要求1所述锚索张拉自动监控系统，其特征是监控仪主机(6)内设显示器(6.5)、键盘(6.4)和打印机(6.6)。

4.按权利要求1所述锚索张拉自动监控系统，其特征是位移传感器选用拉杆式电感位移传感器(2)，最大位移量200mm，精度0.1％；信号线标准为4～20mA。

5.按权利要求1所述锚索张拉自动监控系统，其特征是压力传感器选用陶瓷电容式压力传感器(4)，最大测量压力60MPa，精度0.5％；压力变送器(4.1)精度为0.5％，信号线标准为4～20mA。

6.按权利要求1所述锚索张拉自动监控系统的监控方法，其特征是该方法为编程控制，包括如下步骤：

1)‘准备张拉’；2)‘传感器异常’：若有(Y)则张拉在进行，一直到‘结束张拉’；若无(N)，则进行3)‘开始张拉’：通过电机(9)控制送油阀(10)开度实现；4)‘加载油压’：监控仪主机根据张拉加载速率控制电机的方向和速度实现；5)‘P≤P₁？位移增加？’：当P≤P₁是(Y)，位移没有增加(N)，则为(YN)回到加载油压；当P≤P₁不是(NY)，位移有增加(YY)，则暂停加压；当P≤P₁不是(NY)，位移没有增加，则为(NN)，进行6)；P1为某加载时间内设定的不断变化油压值；6)‘P₀≤P≤P₀+0.5’：当不是(N)则回到加载油压，当是(Y)则预紧完成；P0为预紧油压；7)‘预紧完成’同时‘存储数据’；8)‘加载油压’；9)‘P≤P₁？位移增加？’当P≤P₁是(Y)，位移没有增加(N)，则回到加载油压；当P≤P₁不是(NY)，位移有增加(YY)，则暂停加压，当P≤P₁不是(NY)，位移没有增加，则为(NN)，进行10)；10)‘P≤P₂+0.1’，当是(Y)则回到加载油压，当不是(N)则进行11)；P2为张拉该循环最大油压；11)‘开始稳压计时T₀≤T’；12)‘结束张拉’。

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