CN103604540A - 光电式应力计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电式应力计，包括有应变管，应变管一侧内壁上安装有两应变座，其中长度较长的应变座座端安装有短导杆，长度较短的应变座座端安装有长导杆，长导杆杆端延伸至短导杆下方，短导杆、长导杆之间设置有应变轴，应变轴上连接有连杆，连杆杆端安装有遮光板，还包括有光电采集模块，光电采集模块由光源、凸透镜、分光镜、基准光敏管、测量光敏管、基准光阑、测量光阑构成，光源的光出射光路上依次设置凸透镜、分光镜，分光镜反射光光路上依次设置基准光阑、基准光敏管，分光镜透射光光路上依次设置测量光阑、测量光敏管，遮光板伸入分光镜与测量光阑之间。本发明具有实时测量、电耗极低和采用国际标准接口输出数据的优点。

Description

光电式应力计

技术领域

本发明涉及应力计领域，具体为一种用于工程中监测构筑物内部应力变化的光电式应力计。

背景技术

目前，在工程中广泛应用的是振弦式应力计，由于这种应力计在实际测量时需要先从外部设备（读数仪）输送激励电能，之后再采集测量数据，其不足之处在于，电能功耗较大，采集周期较长，不适合用在系统化、自动化采集站点作为测量装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种光电式应力计，以克服现有技术存在的不足。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

光电式应力计，其特征在于：包括有直管状的应变管，所述应变管一侧内壁上通过刚性关联安装有两应变座，两应变座构成的直线与应变管轴向平行，两应变座分别沿应变管径向伸入应变管中且长度不同，其中长度较长的应变座座端安装有短导杆，所述短导杆与应变管轴向平行并指向长度较短的应变座，长度较短的应变座座端安装有长导杆，所述长导杆与应变管轴向平行并指向长度较长的应变座，且长导杆杆端延伸至短导杆下方，所述短导杆、长导杆之间设置有应变轴，所述应变轴的圆周曲面分别与长、短导杆相切且在切点处分别柔性关联，应变轴上连接有与应变管轴向平行并向长度较短的应变座延伸的连杆，连杆杆端安装有遮光板，还包括有光电采集模块，所述光电采集模块由光源、凸透镜、分光镜、基准光敏管、测量光敏管、基准光阑、测量光阑构成，其中光源的光出射光路上依次设置凸透镜、分光镜，分光镜反射光光路上依次设置基准光阑、基准光敏管，分光镜透射光光路上依次设置测量光阑、测量光敏管，所述连杆杆端安装的遮光板伸入分光镜与测量光阑之间并部分遮挡测量光阑。

所述的一种光电式应力计，其特征在于：所述光源、凸透镜、分光镜、基准光敏管、测量光敏管、基准光阑、测量光阑封装于一个盒体内。

所述的一种光电式应力计，其特征在于：所述光源采用高相干性发光二极管，基准光敏管、测量光敏管分别采用高线性光敏二极管。

所述的一种光电式应力计，其特征在于：所述应变管内还设置有印刷电路板，印刷电路板上内置电路模块，所述电路模块包括MCU构成的微处理器单元、分别接入微处理器单元的差分放大器和模数转换器、接入微处理器单元和模数转换器的通用串行接口，所述光电采集模块中光源接入微处理器单元，基准光敏管、测量光敏管分别接入差分放大器，微处理器单元向光源发出控制信号，测量光敏管、基准光敏管的输出信号依次经过差分放大器、模数转换器后，通过通用串行接口输出。

所述的一种光电式应力计，其特征在于：所述电路模块还包括电源管理模块、电池，所述电池供电至微处理器单元，微处理器单元通过电源管理模块管理电池。

所述的一种光电式应力计，其特征在于：所述电路模块中，通用串行接口上连接有输出电缆，应变管侧壁上开有供输出电缆引出的出线孔。

所述的一种光电式应力计，其特征在于：所述应变管两端管口内壁分别加工有内螺纹，且应变管两端管口中分别安装有密封应变管的堵头。

本发明测量原理如下：

在工程实践中，应变管受到外部机械力场的作用，会产生轴向压缩或拉伸的位移形变，通过长、短导杆及应力轴构成的相向搓动机构将位移形变数据进行采集并转换，可转化为相应的角形变，再通过连杆将角形变放大，并联动其控制光敏管的受光通量，从而获取与应变管位移形变同步的线性变化电量，将该变化电量放大处理后通过电缆输出，即为应力测量数据。

本发明设计了一种新的、光机电一体化应力测量机构，并通过嵌入的微电子系统实现采集数据的自动化操作，具有实时测量、电耗极低和采用国际标准接口输出数据的优点。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明相向搓动机构原理示意图。

图3为本发明光电采集模块原理示意图。

图4为本发明电路模块原理框图。

图5为本发明光电采集模块封装示意图。

具体实施方式

如图1-图5所示。光电式应力计，包括有直管状的应变管1，应变管1一侧内壁上通过刚性关联安装有两应变座2、3，两应变座2、3构成的直线与应变管1轴向平行，两应变座2、3分别沿应变管1径向伸入应变管中且长度不同，其中长度较长的应变座2座端安装有短导杆4，短导杆4与应变管1轴向平行并指向长度较短的应变座3，长度较短的应变座3座端安装有长导杆5，长导杆5与应变管1轴向平行并指向长度较长的应变座2，且长导杆5杆端延伸至短导杆4下方，短导杆4、长导杆5之间设置有应变轴6，应变轴6的圆周曲面分别与长、短导杆5、4相切且在切点处分别柔性关联，应变轴6上连接有与应变管1轴向平行并向长度较短的应变座3延伸的连杆7，连杆7杆端安装有遮光板8，还包括有光电采集模块9，光电采集模块9由光源91、凸透镜92、分光镜93、基准光敏管94、测量光敏管95、基准光阑96、测量光阑97构成，其中光源91的光出射光路上依次设置凸透镜92、分光镜93，分光镜93反射光光路上依次设置基准光阑96、基准光敏管94，分光镜93透射光光路上依次设置测量光阑97、测量光敏管95，连杆7杆端安装的遮光板8伸入分光镜93与测量光阑97之间并部分遮挡测量光阑97。

光源91、凸透镜92、分光镜93、基准光敏管94、测量光敏管95、基准光阑96、测量光阑97封装于一个盒体内。

光源91采用高相干性发光二极管，基准光敏管94、测量光敏管95分别采用高线性光敏二极管。

应变管1内还设置有印刷电路板10，印刷电路板上10内置电路模块，电路模块包括MCU构成的微处理器单元、分别接入微处理器单元的差分放大器和模数转换器、接入微处理器单元和模数转换器的通用串行接口，光电采集模块9中光源91接入微处理器单元，基准光敏管94、测量光敏管95分别接入差分放大器，微处理器单元向光源发出控制信号，测量光敏管94、基准光敏管95的输出信号依次经过差分放大器、模数转换器后，通过通用串行接口输出。

电路模块还包括电源管理模块、电池，电池供电至微处理器单元，微处理器单元通过电源管理模块管理电池。

电路模块中，通用串行接口上连接有输出电缆，应变管1侧壁上开有供输出电缆引出的出线孔11。

应变管1两端管口内壁分别加工有内螺纹，且应变管1两端管口中分别安装有密封应变管的堵头12。

本发明中，应变管为长度小于20cm呈轴线对称的不锈钢机械加工件，两端管口处加工符合工程安装标准的内螺纹，其管壁内侧和中空的内腔用于安装应力测量部件，并通过在管壁一侧加工的通孔将连接在光电器件上的电缆引出。内腔部件安装完成后，用与应变管同质材料制成的赌头密封应变管两端，形成封闭的机电一体化装置。

如图2所示。本发明中，长、短导杆及应变轴构成相向搓动机构，应变座2和应变座3分别通过刚性关联安装在应变管1内壁同一侧，安装在应变座2上的短导杆4和安装在应变座3上的长导杆5能够与应变座2和应变座3之间的距离变化随动，即发生相对位移。

应变轴6的圆周曲面分别与相互平行的短导杆4和长导杆5内切，并在切点线处进行柔性关联，当短导杆4、长导杆5发生相对位移时能够搓动应变轴偏转，于是，通过连杆7与应变轴6进行刚性关联的遮光板8将在其转动弧切线方向发生位移（因为弧度很小，可以认为是平移）。

如图3所示。本发明中，遮光板8是实现力学变量转化为光电变量的关键部件，遮光板8的后方依次是光源91、凸透镜92和分光镜93，光源91发出的光照先经凸透镜92聚焦，再经分光镜93分别导出两路，一路是指向基准光敏管94的折射光，另一路是指向测量光敏管95的直射光。其中，指向基准光敏管94的折射光通过基准光阑96的固定光孔，指向测量光敏管95的直射光则必须通过遮光板8与测量光阑97组合的可变光孔，于是基准光敏管94感生的电量是一个（理论）常量，而测量光敏管95感生的电量则是变量，上述常量与变量的差值与应变量值具有数学线性关系。

采用同光源两路输出采样，是为了消除光电器件在长期实践过程中可能发生的温漂效应和时效影响。

如图4所示。本发明中，通过光电采集后获取的相对应变电量，经由电路组件中的差分放大器、模数转换器（模拟信号/数字信号转换）等电路处理后，即按照约定的通信协议从通用串行接口通过输出电缆输出，至此，完成应力测量数据输出。

微处理器单元是基于MCU的微电路控制系统，用于本装置的初始化校零、采样基准设置和光电控制，同时管理通信接口和内置电源，通常处于电路休眠状态，当接收到外部协议信号时才被唤醒，进行测量采样和数据输出。

电路组件包括一组镍氢电池，可以连续使用数年，用于长期驻留微系统软件设置，必要时可以通过引出电缆为电池充电。

设计实例：

应变管作为装置的外壳和支撑构件，同时也是测量主体应力感受部件，下面先了解应变管形变位移（仅指轴向应变的情况）与测量数据之间的数学关系。

针对本实例，当设计对象最大测量范围（压缩/拉伸）轴向应力σ=400MPa，应变管弹性模量（参照碳钢196-216GPa）E=200GPa，应变座A和应变座B之间距离L=110mm，应变轴直径φ=5mm，连杆长度M=100mm；

设：应变座A和应变座B之间位移变量为ΔL，遮光板位移为ΔS；

根据材料弹性模量计算关系，推得如下方程并得解：

$\mathrm{\ΔL}=\frac{\mathrm{\δ}}{E}L=\frac{400}{200\×E3}\×100=0.2\left(\mathrm{mm}\right)$

具体实施例：

本发明装置由应变管及其堵头、相向搓动机构、光电采集模块和电路模块所组成。

应变管的外形结构参照目前工程中常用的应力计用材和规格（。应变管两端的适当位置预先加工内螺纹作为装配堵头和用于工程安装时的联接口。应变管的一侧预留一个出线孔，另一侧加工两个分别用于固定两应变座的定位通孔。

两应变座、短导杆、长导杆、应变轴和连杆按照工艺规范组合装配后形成搓动机构总成，将搓动机构总成嵌入应变管预留的定位通孔后，采用外部焊接永久固定。

用作相向搓动机构零部件的材料，都必须预先经过调质和时效处理。

将装配光电采集模块和内置电路模块的印刷电路板，安装在长导杆一侧。印刷电路板采用高刚性的陶瓷基或铝基材料，安装后与长导杆形成刚性永久连接。

如图5所示。光电采集模块采用铸铝材料的盒体封装。盒腔内安装作为光源的高相干性发光二极管、用作基准光采样和测量光采样的高线性光敏二极管，以及凸透镜、分光镜、基准光阑和测量光阑。

装配印刷电路板的同时，将预先在内置电路模块上连接完毕的电缆通过出线孔引出，并密封应变管外部孔线之间的缝隙。

应变管腔体部件安装完成后，将堵头装配在应变管两端预定的位置，起密封保护作用。

Claims (7)

1.光电式应力计，其特征在于：包括有直管状的应变管，所述应变管一侧内壁上通过刚性关联安装有两应变座，两应变座构成的直线与应变管轴向平行，两应变座分别沿应变管径向伸入应变管中且长度不同，其中长度较长的应变座座端安装有短导杆，所述短导杆与应变管轴向平行并指向长度较短的应变座，长度较短的应变座座端安装有长导杆，所述长导杆与应变管轴向平行并指向长度较长的应变座，且长导杆杆端延伸至短导杆下方，所述短导杆、长导杆之间设置有应变轴，所述应变轴的圆周曲面分别与长、短导杆相切且在切点处分别柔性关联，应变轴上连接有与应变管轴向平行并向长度较短的应变座延伸的连杆，连杆杆端安装有遮光板，还包括有光电采集模块，所述光电采集模块由光源、凸透镜、分光镜、基准光敏管、测量光敏管、基准光阑、测量光阑构成，其中光源的光出射光路上依次设置凸透镜、分光镜，分光镜反射光光路上依次设置基准光阑、基准光敏管，分光镜透射光光路上依次设置测量光阑、测量光敏管，所述连杆杆端安装的遮光板伸入分光镜与测量光阑之间并部分遮挡测量光阑。

2.根据权利要求1所述的一种光电式应力计，其特征在于：所述光源、凸透镜、分光镜、基准光敏管、测量光敏管、基准光阑、测量光阑封装于一个盒体内。

3.根据权利要求2所述的一种光电式应力计，其特征在于：所述光源采用高相干性发光二极管，基准光敏管、测量光敏管分别采用高线性光敏二极管。

4.根据权利要求1所述的一种光电式应力计，其特征在于：所述应变管内还设置有印刷电路板，印刷电路板上内置电路模块，所述电路模块包括MCU构成的微处理器单元、分别接入微处理器单元的差分放大器和模数转换器、接入微处理器单元和模数转换器的通用串行接口，所述光电采集模块中光源接入微处理器单元，基准光敏管、测量光敏管分别接入差分放大器，微处理器单元向光源发出控制信号，测量光敏管、基准光敏管的输出信号依次经过差分放大器、模数转换器后，通过通用串行接口输出。

5.根据权利要求4所述的一种光电式应力计，其特征在于：所述电路模块还包括电源管理模块、电池，所述电池供电至微处理器单元，微处理器单元通过电源管理模块管理电池。

6.根据权利要求4所述的一种光电式应力计，其特征在于：所述电路模块中，通用串行接口上连接有输出电缆，应变管侧壁上开有供输出电缆引出的出线孔。

7.根据权利要求1所述的一种光电式应力计，其特征在于：所述应变管两端管口内壁分别加工有内螺纹，且应变管两端管口中分别安装有密封应变管的堵头。

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