CN104897330A - 基于静压变形的膜结构预张力测量仪器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于静压变形的膜结构预张力测量仪器及方法，包括一具有开口的测量盒、控制盒，测量盒的开口上覆盖膜面，用于形成膜面的区域边界，其中测量盒内安装非接触式位移传感器，测量盒外安装真空泵、压力表，真空泵与测量盒内腔连通，且真空泵与压力表连接，压力表控制真空泵内的压力；控制盒内设置控制电路板、中央处理器、显示屏、电源、控制开关，其中电源分别与控制电路板、显示屏、中央处理器电连接，其中中央处理器分别与显示屏、非接触式位移传感器电连接或信号连接，且控制开关分别控制真空泵、非接触式位移传感器、电源的启闭，本发明适用于各种膜材，能测量膜结构在不同的荷载作用下的张力，使用范围广。

Description

基于静压变形的膜结构预张力测量仪器及方法

技术领域

本发明属于结构健康监测与检测技术领域，具体涉及一种基于静压变形的膜结构预张力测量仪器及方法。

背景技术

大型膜结构主要用于建筑工程、农业工程等领域。膜结构的刚度通常是通过给膜材施加预张力来实现的。膜材的预张力越大，膜结构的刚度就越大，其承受外荷载的能力就相应越强。然而，膜材的预张力越大，对施工张力设备以及边界构件的锚固条件的要求就越高，其强度储备也就越低。但是膜材的预张力过小，其平面外刚度就过小，在风、雨和雪等平面外荷载作用下，变形会很大，影响外观造型的同时还可能使得屋面积水、积雪而影响结构的安全，造成工程事故。因此，膜结构预张力的测量成为影响膜结构设计、施工和完工后工程验收及日常维护的一个重要因素，也是膜结构不同于其他类型结构的一个特点。为了控制膜结构实际预张力与设计预张力值相符合，保证工程质量，防止膜褶皱松弛或被撕裂，减少工程事故，对膜结构预张力的精确检测就显得十分必要和重要。

目前国内外测量膜材张力的方法，主要有：应变法、频率法、位移法、拟索法和弹射法等几种。下面对其中主要几种方法的原理作简要介绍：

(一)应变法(激光光谱测试法)

该方法利用激光拉曼光谱技术标定出膜材纤维所受应变与拉曼光谱频率位移之间的关系，然后用激光拉曼光谱仪测出膜材界层相邻纤维的拉曼光谱频率位移，从而换算出纤维的应变，根据纤维的弹性模量，求出膜材纤维的应力。此方法主要着眼点于膜材的纤维部分，而许多膜材(如建筑膜材)实际上是纤维基层与涂层合成的，涂层对膜材的材料性质以及受力特性的影响是很大的，这种方法忽略了涂层的影响，显然精确度是要打折扣的，而且此方法所用的仪器比较昂贵，要在实际工程中大范围推广也是很困难的。

(二)频率测试法

通过对存在预张力的膜材的振动问题进研究，得到矩形膜材振动的固有频率公式：

$\mathrm{\ω}={[1+\frac{1}{{\mathrm{\π}}^{2}D}\frac{N_x{\left(\frac{m}{a}\right)}^2+N_y{\left(\frac{n}{b}\right)}^2}{{[{\left(\frac{m}{a}\right)}^2+{\left(\frac{n}{b}\right)}^2]}^2}]}^{\frac{1}{2}}\·{\mathrm{\π}}^2(\frac{m^2}{a^2}+\frac{n^2}{b^2})\sqrt{\frac{D}{\mathrm{\ρh}}}$

式中ω为圆频率，D为膜材的刚度系数，N_x、N_y为膜的预张力，ρ为膜的密度，h为膜的厚度，m和n振动半波数，a和b为矩形膜材两边长。

实测膜结构上某点的N_x、N_y时，可以采用特制的设备，在膜材局部隔离出x、y分别为a、b的矩形区域，使得区域边界条件为简支边，测出该区域局部矩形膜材的频率ω₁，然后调转方向使得y、x分别为a、b，再测出频率为ω₂。ω₁、ω₂均与该局部的N_x、N_y有关系，可建立两个方程，解出的N_x、N_y即是膜材的预张力。

在这种方法的所用的基频的公式中含有膜的抗弯刚度项，实际上是按照板的理论在计算膜，但是膜是柔性结构，应不考虑其抗弯刚度，所以该方法在理论上存在缺陷；另外该频率公式基于线性理论，而实际膜材的振动有较强的非线性，因此理论上也不够准确。同时，测量过程中膜材的基频也难以测量准确。因此总体上来讲，该方法的精度是不高，工程上应用也很少。

(三)位移法

膜结构在日本的应用比较广，在膜张力测量研究方面也有一些成果。鹿岛建设株式会社开发的膜张力测量装置由一个丙烯酸容器、一个真空泵和一个具有计算数字显示功能的测量盒组成。容器内安装有一个非接触式位移传感器和一个气压计。容器为底面开口的盒子，平面形状是200mm×500mm的长圆形，两端是直径为200mm的半圆弧。在测量时：首先，把容器底面贴紧在膜材表面上，形成一个封闭的空间，通过与它连接的真空泵将容器的气体降低到一个特定的水准，此时容器底面所围的膜面在均匀负压作用下向容器内凹陷。紧接着，用非接触式位移传感器量测膜材的最大凹陷位移。最后，通过预先标定的膜张力与凹陷位移关系演算出膜张力。因此，这是一种在恒定荷载作用下应用位移法测量膜张力的装置。容器是带圆角的长圆形，这样就可以分别测量膜材在经向和纬向的膜张力。在容器长向的膜张力对位移的影响要比短向小得多，可以近似地忽略不计。于是，容器短向的膜张力可以根据位移求出。膜材的材质、涂层、厚度、经维双向的杨氏模量等参数以及膜材表面与容器底面间摩擦系数都对膜材的位移有影响。对于不同的膜材，这些因素是不同的。因此，对不同的膜材必须分别进行标定试验。通过标定试验获得各种膜材的膜张力与凹陷位移之间的相关公式，就可以使用这种装置在实际膜结构中测量相应膜材的膜张力。

这种方法适用的范围受到已经标定的膜材种类的限制。使用该方法，对不同种类、不同厚度以及同一种类膜材的经向和纬向也都必须先标定位移与应力关系曲线，工作量巨大。同时该方法测量一个方向的预张力时，忽略了另一个方向预张力对位移的影响；因此，这一方法的精度也不高。

(四)拟索法

拟索法的基本思路是：对一个膜结构的局部区域而言，当该矩形区域尺寸长边的长度与短边的长度之比b/a足够大时，可认为该区域在平面外均布荷载q作用下的受力性能与单向板类似。这样，在平面外均布荷载作用下，单向板中心点的平面外位移与短向的应力主要决定于板短向的性质和跨度而与长向的参数关系较小，经计算发现当b/a≥5时，不考虑长向的影响所造成的误差可以足够小。有了这样的结论，那么对单向板尺寸膜块的研究就可转化为对模块长向中心单位宽度的膜条的研究，而此单位宽度的膜条力学性能和具有与膜条同样面积，弹性模量又与膜材短向弹性模量一样的索的力学性能一致，这样，解决膜材预张力测量问题也就可以通过有关单索的理论加以修正来进行讨论。通过一系列的理论推导，得出了关于拟索法测量膜材张力的理论公式：

$\frac{H-H_0}{E^{\′}}=\frac{8f^2}{3l^2}-\frac{32f^4}{5l^4},$ 其中 $H=\frac{q{l}^2}{8f}$

式中：H——膜单位长度的张力；H₀——膜单位长度的预张力；E′——为等效弹性模量；f——为膜区域中心点的位移；l——膜区域短边的跨度

在实测过程中，只要在同样的条件下在测点处施加比较接近的两级荷载q₁、q₂，实测得荷载下的中心点位移f₁、f₂，然后算出相应的H₁、H₂；把两组数据(q₁、f₁、H₁)和(q₂、f₂、H₂)代入理论公式可求得预张力H₀。

此方法本质类似于位移法，只是在理论上用索的理论近似地进行膜的计算。此方法还有个优点在于：引入了没有实际意义的等效弹性模量E′，而可以不用去关心膜材的实际弹性模量，从而消除了弹性模量E提供不准确的影响，降低了这一因素所造成的误差，在一定的程度上提高了测量的精度。但此方法用索的理论计算膜材，理论上不够精确；在实际的测量中，其边界条件难以满足，且测量过程比较复杂，测量的装置携带也不方便。

(五)弹射法

弹射法的基本的思想是：用一个看做质点的小球发射到一固定边界的张拉膜面，使膜面产生振动，同时小球被弹回。由于在这个过程中小球的动能被膜面振动、空气阻尼以及碰撞所消耗，小球反弹到原位置的速度必然小于发射时的速度。所以可以通过测量小球的入射速度，反弹速度，以及膜面的振幅，来得到膜材预张力。测量时，将一质点小球入射一固定边界的张拉膜面，使膜面产生振动，同时小球被弹回；测量同一固定边界的张拉膜面内小球的入射速度v₀，返回速度v_t，膜面中点最大位移(振幅)T_max，以及小球的质量m₀；调换经纬方向重复测量出T_max、v₀、v_t；将测得的数据代入下面的测量公式求解得到膜面张力σ_0x和σ_0y。此方法的优点在于理论公式精度高，适用于各种膜材，能测出膜材正交两个方向的预张力，且能测量膜在不同的荷载作用下的张力。但是由于其测量方法是基于动力理论的，在实际测量时，其测量数据的随机性较大，很难精确获得，这会降低其测量精度；同时在测量时，其操作过程也较为复杂。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一套测量方法简单、适用范围广、易于工程推广使用；而且，测量数据可靠的基于静压变形的膜结构预张力测量仪器及方法。

通过对矩形边界膜材在均布荷载作用下的变形问题的深入研究，提出测量膜结构预张力的新方法，再通过实验验证理论的正确性，最后研制出能应用于工程实际的测量仪器。本方法可以直接应用于膜结构预张力测量的工程实际中，是一种简便而有效的测量方法。

实现上述目的的技术方案如下：

测量膜结构预张力的仪器，其特征在于：包括一具有开口的测量盒、控制盒，测量盒的开口用于形成膜面的区域边界，其中测量盒内安装非接触式位移传感器，测量盒外安装真空泵、压力表，真空泵与测量盒内腔连通，且真空泵与压力表连接，压力表控制真空泵内的压力；

控制盒内设置控制电路板、中央处理器、显示屏、电源、控制开关，其中电源分别与控制电路板、显示屏、中央处理器电连接，其中中央处理器分别与显示屏、非接触式位移传感器电连接或信号连接，且控制开关分别控制真空泵、非接触式位移传感器、电源的启闭。

本发明的方法适用于各种膜材(包含涂层膜材与非涂层膜材)，且能测量膜结构在不同的荷载作用下的张力，使用范围广，能很快地应用到与实际工程中。

附图说明

图1为四边固支的矩形膜结构的受力模型；

图2为测量仪器示意图；

图3为待测区域的边界的确定步骤示意图。

附图序号说明：测量盒1、控制盒2、开口3、非接触式位移传感器4、真空泵5、压力表6、电源开关7、抽气开关8、测量开关9、显示屏10、拉手11、膜面A。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细的说明。

本发明的理论计算模型建立在实际工程基础之上。其基本的思路是：在膜面需要测量预张力的位置，首先固定出一个矩形边界区域，如果膜材为正交异性材料，则矩形边界区域的长短边要分别平行于膜材的经纬向；再在该矩形边界区域施加一个均布荷载q，使得膜面在该荷载作用下产生挠度，并测量出挠度最大值w_max；最后将w_max代入测量的理论计算公式，求得膜材预张力。

理论计算公式的推导如下：

四边固支的矩形膜结构的受力模型如图1所示：

理论模型中，膜材为正交异性材料，且正交两相的预张力不相等。根据弹性力学基本理论，可以建立受预张力正交异性膜材在均布横向荷载q作用下的变形的基本方程：

${\mathrm{\σ}}_{x0}\frac{{\∂}^{2}w}{\∂x^2}+{\mathrm{\σ}}_{y0}\frac{{\∂}^{2}w}{\∂y^2}+\frac{q}{h}=0---\left(1\right)$

其中：σ_x0为薄膜经向(x向)预张力；σ_y0为纬向(y向)膜面预张力；h为膜厚度；q为均布横向荷载。w为薄膜横向挠度。

本理论计算模型边界条件为四边固支，则边界条件为：

(w)_x＝0＝0  (w)_x＝a＝0

                               (2)

(w)_y＝0＝0  (w)_y＝b＝0

其中：a为矩形薄膜经向(x向)边长；b为矩形薄膜纬向(y向)边长。

根据弹性力学基本理论，薄膜的基本方程(1)的解的形式为：

$w(x,y)=\underset{m=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{\mathrm{mn}}\sin \frac{\mathrm{m\πx}}{a}\sin \frac{\mathrm{n\πy}}{b}---\left(3\right)$

于是：

$\frac{{\∂}^{2}w}{\∂x^2}=-\underset{m=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{A_{\mathrm{mn}}{\mathrm{\π}}^2{m}^2}{a^2}\sin \frac{\mathrm{m\πx}}{a}\sin \frac{\mathrm{n\πy}}{b}$

                                     (4)

$\frac{{\∂}^{2}w}{\∂y^2}=-\underset{m=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{A_{\mathrm{mn}}{\mathrm{\π}}^2{n}^2}{b^2}\sin \frac{\mathrm{m\πx}}{a}\sin \frac{\mathrm{n\πy}}{b}$

将(4)代入(1)得：

$\underset{m=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{\mathrm{mn}}{\mathrm{\π}}^2(\frac{{\mathrm{\σ}}_{x0}{m}^2}{a^2}+\frac{{\mathrm{\σ}}_{y0}{n}^2}{b^2})\sin \frac{\mathrm{m\πx}}{a}\sin \frac{\mathrm{n\πy}}{b}=\frac{q}{h}---\left(5\right)$

同样，将横向荷载q也用相同的重三角级数表示：

$q=\underset{m=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{mn}}\sin \frac{\mathrm{m\πx}}{a}\sin \frac{\mathrm{n\πy}}{b}---\left(6\right)$

将(6)式两边同时乘以(i和j为任意正整数)，再积分得：

${\∫}_0^a{\∫}_0^{b}q\sin \frac{\mathrm{i\πx}}{a}\sin \frac{\mathrm{j\πy}}{b}\mathrm{dxdy}=\frac{\mathrm{ab}}{4}{C}_{\mathrm{ij}}---\left(7\right)$

将i和j换成m和n得：

${\∫}_0^a{\∫}_0^{b}q\sin \frac{\mathrm{m\πx}}{a}\sin \frac{\mathrm{n\πy}}{b}\mathrm{dxdy}=\frac{\mathrm{ab}}{4}{C}_{\mathrm{mn}}---\left(8\right)$

根据(8)式解得C_mn，再代入(6)式可得：

$q=\frac{4}{\mathrm{ab}}\underset{m=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left[{\∫}_0^a{\∫}_0^{b}q\sin \frac{\mathrm{m\πx}}{a}\sin \frac{\mathrm{n\πy}}{b}\mathrm{dxdy}\right]\sin \frac{\mathrm{m\πx}}{a}\sin \frac{\mathrm{n\πy}}{b}---\left(9\right)$

将据(9)式代入(5)式，进行对比可得：

$A_{\mathrm{mn}}=\frac{4{\∫}_0^a{\∫}_0^{b}q\sin \frac{\mathrm{m\πx}}{a}\sin \frac{\mathrm{n\πy}}{b}\mathrm{dxdy}}{{\mathrm{\π}}^2\mathrm{abh}(\frac{{\mathrm{\σ}}_{x0}{m}^2}{a^2}+\frac{{\mathrm{\σ}}_{y0}{n}^2}{b^2})}---\left(10\right)$

因为q为均布荷载，即q为常量，则(10)式可以化为：

$A_{\mathrm{mn}}=\frac{4q(1-\cos \mathrm{m\π})(1-\cos \mathrm{n\π})}{{\mathrm{\π}}^4\mathrm{mnh}(\frac{{\mathrm{\σ}}_{x0}{m}^2}{a^2}+\frac{{\mathrm{\σ}}_{y0}{n}^2}{b^2})}---\left(11\right)$

将式(11)代入(3)可得：

$w(x,y)=\underset{m=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{4q(1-\cos \mathrm{m\π})(1-\cos \mathrm{n\π})}{{\mathrm{\π}}^4\mathrm{mnh}(\frac{{\mathrm{\σ}}_{x0}{m}^2}{a^2}+\frac{{\mathrm{\σ}}_{y0}{n}^2}{b^2})}\sin \frac{\mathrm{m\πx}}{a}\sin \frac{\mathrm{n\πy}}{b}---\left(12\right)$

实际工程中，式(12)中级数的高阶项贡献很小，因此一般取m＝n＝1，则在膜面的最大挠度，即中点的挠度为：

$w_{\max }=\frac{16q}{{\mathrm{\π}}^{4}h(\frac{{\mathrm{\σ}}_{x0}}{a^2}+\frac{{\mathrm{\σ}}_{y0}}{b^2})}---\left(13\right)$

式中：σ_x0为薄膜经向(x向)预张力；σ_y0为纬向(y向)膜面预张力；h为膜厚度；q为均布横向荷载。w_max为膜中点最大挠度；h为膜材厚度；a为矩形薄膜经向(x向)边长；b为矩形薄膜纬向(y向)边长。

公式(13)即为测量的理论公式。测量中σ_x0和σ_y0为待求参数；均布荷载q可以通过预先标定，取一个固定值，因此q可以当成已知参数；膜中心最大的挠度w_max为作为待测参数；其他参数均为已知参数。因为待求参数为σ_x0和σ_y0两个参数，因此需要测量两个挠度，即w_max和w′_max。为了获得w_max和w′_max，可以采用调换矩形测量边界的方式进行，在后面详细叙述。将w_max和w′_max代入公式(13)，建立两个方程联立求解σ_x0和σ_y0。因此测量的理论公式变为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\π}}^{4}h(\frac{{\mathrm{\σ}}_{x0}}{a^2}+\frac{{\mathrm{\σ}}_{y0}}{b^2})=\frac{16q}{w_{\max }}\\ {\mathrm{\π}}^{4}h(\frac{{\mathrm{\σ}}_{x0}}{b^2}+\frac{{\mathrm{\σ}}_{y0}}{a^2})=\frac{16q}{w_{\max }^{\′}}\end{array}\right.---\left(14\right)$

在此，举一个实例，对公式的应用进行说明。取薄膜x向边长a＝0.4m，b＝0.2m；膜面测量区域中心最大挠度w_max＝3mm，w′_max＝2mm；压力q＝20N/m²，膜材厚度h＝1mm。将数据代入公式(14)得：

$\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{c}{3.14}^4\×0.001\×(\frac{{\mathrm{\σ}}_{x0}}{{0.4}^2}+\frac{{\mathrm{\σ}}_{y0}}{{0.2}^2})=\frac{16\×20}{0.003}\\ {3.14}^4\×0.001\×(\frac{{\mathrm{\σ}}_{x0}}{{0.2}^2}+\frac{{\mathrm{\σ}}_{y0}}{{0.4}^2})=\frac{16\×20}{0.002}\end{array}\right.\\ \⇒\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{x0}=58520.6N/m^2\\ {\mathrm{\σ}}_{y0}=29260.3N/m^2\end{array}\right.\end{array}$

解得薄膜经向(x向)预张力为σ_x0＝58520.6N/m²，纬向(y向)预张力为σ_y0＝29260.3N/m²。x向预张力为y向预张力的两倍。

测量公式(14)适用于正交异性膜结构正交两相受力不同的情况。而对于各向均匀受力的膜结构，只需在公式(13)中令σ_x0＝σ_y0＝σ，即可得到其测量的理论公式：

$w_{\max }=\frac{16q}{{\mathrm{\π}}^4\mathrm{h\σ}(\frac{1}{a^2}+\frac{1}{b^2})}---\left(15\right)$

公式(15)中只有一个待求量σ，因此很容易求解，在此不再举例。

根据测量的基本理论设计如下测量仪器，如图2所示。

测量仪的组成：

图中，测量仪包括一具有开口的测量盒1、控制盒2，测量盒1的开口3用于形成膜面的区域边界，其中测量盒内安装非接触式位移传感器4，测量盒外安装真空泵5、压力表6，真空泵5与测量盒内腔连通，且真空泵与压力表连接，压力表控制真空泵内的压力；

控制盒内设置控制电路板、中央处理器、显示屏10、电源、控制开关，其中电源分别与控制电路板、显示屏、中央处理器电连接，其中中央处理器分别与显示屏、非接触式位移传感器电连接或信号连接，且控制开关分别控制真空泵、非接触式位移传感器、电源的启闭。测量盒下口需进行磨圆处理，使之光滑，能与膜面很好地贴合。测量盒内边缘尺寸为400mm×200mm。所述控制开关包括电源开关7、抽气开关8、测量开关9，其中电源开关控制电源的开闭；抽气开关控制真空泵的工作；测量开关控制非接触式位移传感器的工作，按一次测量一次。测量仪器的控制、数据处理和显示功能都由控制盒来完成。控制盒上还设置有外置电源接口和/或USB接口。当然中央处理器上也可以设置一个计算开关，按下计算开关，控制盒中的中央处理器就能计算出预张力值，并显示出预张力值，测量出的数据先存储在中央处理器，等数据测好以后，按下计算开关，则中央处理器才计算预张力并显示在屏幕上。本发明中涉及的各种计算方法使用现有技术即可。

仪器各部分的作用及相互关系

测量盒主要用于形成膜面的区域边界。测量盒类似于一个矩形的吸盘结构，在它上面通过导管连接有真空泵，真空泵上面有压力表。测量时，通过真空泵抽气，使得测量盒吸住膜面，形成封闭的矩形膜面，同时在测量盒内产生负压，使膜面向测量盒内凹陷。通过压力表读数，当压力达到所要求的压力q以后，真空泵停止抽气。再通过装在测量盒内正上方的非接触式位移传感器测出此时的矩形膜区域中心的最大位移w_max。控制盒固定于测量盒之上，控制盒与测量盒之间的连接线将测得的数据传到控制盒。通过控制盒内的计算机程序将测得的数据演算成膜的预张力，再通过显示屏将预张力值显示出来。控制盒内的计算程序根据理论推导的测量公式进行编程。控制盒上的电源开关用来控制电源的开闭，电源由蓄电池提供；抽气开关控制真空泵的工作；测量开关用来控制非接触式位移传感器的工作，按一次测量一次。同时各开关兼有指示灯功能，各开关按下时，开关亮起橙色；开关弹起时，开关不亮。控制盒和检测盒上都设置有连接线和电源线接口。控制盒上设置有把手11，以便仪器携带和操作。

测量过程分析

①.首先使测量盒的长边与膜材的经向(即x向)平行，测量盒的短边与膜材的纬向(即y向)平行，这时用真空泵抽气，达到压力q以后，测出测量盒矩形区域中心点的位移w_max。q的取值根据所测膜结构的实际情况定，一般取值在10N/m²～100N/m²之间。

②.然后以第①步中测量区域的中心点为圆心，让测量盒旋转90度，重新确定边界，使得区域边界的长边与膜材的纬向(即y向)平行，区域边界的短边与膜材的经向(即x向)平行，同样用真空泵抽气，达到压力q以后，测出测量盒矩形区域中心点的位移w′_max。

待测区域的边界的确定步骤如下图3，实线为第一步确定的待测区域，虚线为第二步确定的待测区域。

把测得的两个数据w_max和w′_max代入公式(14)，可以解得σ_0x和σ_0y。对于均匀受力的膜结构，只需将一个数据w_max代入公式(15)，即可求得预张力σ。

测量具体操作步骤

(1)将待测膜材的膜面表面清理干净，以便吸盘能吸住膜面A；

(2)用蓝色彩笔在测量区域绘制400mm×200mm的一号矩形，使其长边与膜材经向平行，短边与纬向平行。绘制一个以一号矩形中心为圆心，旋转90度后的二号矩形。二号矩形的中心与一号矩形中心重合，但二号矩形的长边与膜材纬向平行，短边与经向平行，即一号矩形与测量盒开口的长宽对应，二号矩形的长宽与测量盒开口的宽长对应，且一号、二号矩形同时绘制在需要试验的同一张膜面上。

(3)按下控制盒电源开关按扭，接通电源，同时电源开关亮起橙色。

(4)将测量盒扣在受预张力的膜面上，让测量盒开口边界与一号矩形重合。

(5)按下抽气开关按扭，同时抽气开关亮起橙色。这时真空泵开始抽气，使得测量盒开口吸住膜面。这样测量盒开口形成一个封闭的矩形膜面区域，膜面受负压向测量盒内凹陷。

(6)观察真空泵上的压力计，当压力达到q值后，关闭抽气开关。

(7)按一下测量开关按扭。此时非接触式位移传感器开启，测出矩形测量区域中点的最大挠度w_max。此时数据线将测得的最大挠度w_max传到控制盒储存，并显示在显示屏的1区域。

(8)关掉除电源开关的所有开关，将测量盒开口边界与膜面上绘制的2号矩形重合。再重复(5)到(7)步骤。可得到另一个最大挠度w′_max，显示在显示屏的2区域。

(9)按下计算开关，这时控制盒计算出正交两向预张力σ_x0和σ_y0，并将其值显示在显示屏的3和4区域上。

(10)测量完毕后关闭电源开关。

测量均匀膜材时，进行(1)～(7)和第(9)步，最后所得均匀预张力σ将显示在显示屏的3区域；且在第(2)步中只需绘制一个矩形。

相比现有技术，本发明具有如下优点：

(1.)本发明的方法以矩形薄膜在静力均布荷载作用下的变形理论为基础，在理论中摒除了以前有的方法中动力随机因素的影响，在理论上更准确可靠。

(2.)本发明的方法在理论公式的推导中，同时考虑了正交异性膜结构两个方向上的预张力。较以前的方法(只考虑一个方向的预张力)，在理论上更精确，提高了测量的精度；

(3.)本发明的方法的理论公式中不含膜材的弹性模量项，这使得测量后数据的处理得到简化，也提高了测量结果的准确性和可靠性。(因为膜材供应商一般不提供膜材的弹性模量，需要自己测量，在测量弹性模量的过程中可能产生误差，以致影响预张力的测量结果。)

(4.)利用本发明的方法可以同时测量出正交异性膜结构的正交两向的预张力值；

(5.)利用本发明的方法可以测量正交异性膜结构的预张力也可以测量均匀膜结构的预张力值；

(6.)本发明的方法适用于各种膜材(包含涂层膜材与非涂层膜材)，且能测量膜结构在不同的荷载作用下的张力，使用范围广，能很快地应用到与实际工程中；

(7.)本测量装置结构简单、体积小、便于携带，且制作成本较低，操作简单方便，在任何外界环境下都能进行测量；

(8.)本测量装置测量精度高，且在测量的时候不破坏膜材，测量后不影响膜结构的正常使用。

以上仅为本发明实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本发明实施例，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围内。

Claims (10)

1.基于静压变形的膜结构预张力测量仪器，其特征在于：包括一具有开口的测量盒、控制盒，测量盒的开口用于形成膜面的区域边界，其中测量盒内安装非接触式位移传感器，测量盒外安装真空泵、压力表，真空泵与测量盒内腔连通，且真空泵与压力表连接，压力表控制真空泵内的压力；

控制盒内设置控制电路板、中央处理器、显示屏、电源、控制开关，其中电源分别与控制电路板、显示屏、中央处理器电连接，其中中央处理器分别与显示屏、非接触式位移传感器电连接或信号连接，且控制开关分别控制真空泵、非接触式位移传感器、电源的启闭。

2.根据权利要求1所述的基于静压变形的膜结构预张力测量仪器，其特征在于：所述控制开关包括电源开关、抽气开关、测量开关，其中电源开关控制电源的开闭；抽气开关控制真空泵的工作；测量开关控制非接触式位移传感器的工作，按一次测量一次。

3.根据权利要求1所述的基于静压变形的膜结构预张力测量仪器，其特征在于：所述测量盒开口为矩形，测量盒开口尺寸为400x200mm。

4.根据权利要求1所述的基于静压变形的膜结构预张力测量仪器，其特征在于：测量盒的开口处进行磨圆处理，使之光滑，能与膜面很好地贴合。

5.根据权利要求1所述的基于静压变形的膜结构预张力测量仪器，其特征在于：所述测量盒材质为钢化玻璃，所述控制盒材质为金属外壳。

6.根据权利要求1所述的基于静压变形的膜结构预张力测量仪器，其特征在于：所述电源为蓄电池。

7.根据权利要求1所述的基于静压变形的膜结构预张力测量仪器，其特征在于：控制盒上设置有把手，方便仪器携带和操作。

8.根据权利要求1所述的基于静压变形的膜结构预张力测量仪器，其特征在于：所述控制盒上还设置有外置电源接口和/或USB接口；所述电源开关、抽气开关、测量开关上分别设置有指示灯。

9.基于静压变形的膜结构预张力测量仪器的使用方法，其特征在于：首先将测量盒的开口与膜材的膜面表面贴合，之后启动真空泵，使真空泵抽气，测量盒内产生负压，借助负压将膜面吸住形成封闭的矩形膜面，同时因为负压的持续作用使膜面向测量盒内凹陷，之后通过压力表读数，当压力达到所要求的压力值q以后，真空泵停止抽气，接着启动非接触式位移传感器和中央处理器，通过装在测量盒内正上方的非接触式位移传感器测出此时的矩形膜区域中心的最大位移w_max，非接触式位移传感器测得的数据传到控制盒的中央处理器，中央处理器将测得的数据演算成膜的预张力，再通过显示屏将预张力值显示出来。

10.基于静压变形的膜结构预张力测量仪器的使用方法，其特征在于：

(1)首先将待测膜材的膜面清理干净，以便测量盒能吸住膜面A；

(2)用笔在测量区域绘制400mm×200mm的一号矩形，使一号矩形长边与测量盒长度方向平行，短边与测量盒宽度方向平行，之后在同一张膜面上再绘制一个二号矩形，二号矩形的中心与一号矩形中心重合，且二号矩形的长边与测量盒宽度方向平行，短边与测量盒长度方向平行；

(3)按下控制盒电源开关按扭，接通电源；

(4)将测量盒扣在膜面上，让测量盒开口边界与一号矩形重合；

(5)按下抽气开关按扭，真空泵开始抽气，使得测量盒开口吸住膜面，此时测量盒开口形成一个封闭的矩形膜面区域，膜面受负压向测量盒内凹陷；

(6)观察真空泵上的压力计，当压力达到所要求的压力值q值后，关闭抽气开关；

(7)按下测量开关按扭，非接触式位移传感器开启，测出矩形测量区域中点的最大挠度w_max，此时数据线将测得的最大挠度w_max传到中央处理器储存，并通过显示屏显示出来；

(8)关掉除电源开关的所有开关，将测量盒开口边界与膜面上绘制的二号矩形重合，再重复(5)到(7)步骤，能够得到另一个最大挠度w′_max，并通过显示屏显示出来；

(9)按下中央处理器上的计算开关，这时中央处理器计算出正交两向预张力σ_x0和σ_y0，并通过显示屏显示出来；

(10)测量完毕后关闭电源开关。