CN1657863A - 大型结构框架非接触式应力测量装置 - Google Patents

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Abstract

大型结构框架非接触式应力测量装置，主要包括传感器、前置放大器、稳压电源与信号输出装置、A/D转化装置、PLC、计算机、指示与报警装置。能消除零点漂移对检测精度的影响。本发明以高精度电涡流微位移传感器为核心，成功消除了常规应力检测设备存在的抗干扰差、零漂大、工作不稳定、使用寿命短的缺陷，具有精度高、维护方便，在不损伤基体的前提下又能长期稳定工作和特点，适用于各种大型结构框架的应力在线检测。

Description

大型结构框架非接触式应力测量装置
技术领域  本发明涉及一种用于大型结构框架如水压机、轧机、挤压机的非接触式应力测量装置，属传感技术。
背景技术  大型结构框架如水压机、轧机、挤压机等在复杂工况下的应力检测可以为其安全、可靠运行提供保证。传统的应力检测方法存在损伤基体、容易脱离而不能长期工作、抗干扰能力差、难于实现标准化和系列化、不能消除零漂对检测精度的影响以及维修和维护不便等缺点。
发明内容  为了解决大型结构框架应力检测中存在的问题，提高大型结构框架的安全性能以及主机系统的工作效率和精度，本发明提供一种以电涡流传感器作为基本元件的非接触式应力测量装置。
本发明的具体内容如下：
大型结构框架非接触式应力测量装置，主要包括传感器、前置放大器、稳压电源与信号输出装置、A/D转化装置、PLC、计算机、指示与报警装置，
所述传感器完成框架受载时微位移信号的高精度拾取，并转换为电信号；
所述前置放大器将传感器输出微电信号进行放大至0-10或±5伏的电压信号，传感器与前置放大器必须匹配，并保证灵敏度系数在β＝20mv/μm以上，以便有足够的分辨率；
所述稳压电源与信号输出装置为多路传感器提供24伏电源，并将多路输出信号集成输出，并可模拟显示；
所述A/D转化装置的完成模拟信号向数字信号的转化，便于后续计算机等对数据的处理等；
所述PLC和工控计算机对数字信号进行处理，进行应力状态指示和当应力超限时的声光报警。
大型结构框架测位型立柱应力测量装置，以电涡流微位移传感器作为基本元件，电涡流传感器由被测体2、探头3和前置放大器5组成。传感器探头3和前置器5之间由高频电缆连接，前置器5中的高频振荡器给探头中的线圈提供激励电流，当被测金属导体2靠近传感器探头时，将在金属导体2表面产生涡流，涡流损耗引起探头3中的线圈电流值变化，经前置器5转换成电压变化，这个电压的变化与探头线圈3到被测体2之间的距离δ成线性，实现由机械位移转换成电压信号。当受力件(立柱或框架)4受载后，产生应力为σ，则有应变ε＝σ/E。
受力件4(立柱或框架)表面上两固定支架1之间的距离为L，则两支架间在应力σ作用下的相对变形为ΔL＝ε*L。
同时，被测体2与探头3之间的相对位移Δδ几乎与ΔL等量。由电涡流微位移传感的特性可知，当灵敏度系数为β(mv/μm)，则系统的输出值为：
                      ΔV0＝V-V0＝β·Δδ
而系统的输出值ΔV0可以从稳压电源的数字显示屏上读取的V值和V0值之差求得。于是可以得出立柱的应力值，从而达到检测受力件4(立柱或框架)所受应力的目的。电涡流微位移传感器的输出特性如图3所示。
所述传感器安装在大型结构框架受力件(立柱或框架)上具有一定活动空间，并易于防护的位置即可，图4所示是一种使用实例：(探头与被测体的位置可实现互换)。为保证测试精度传感器安装尺寸要求：L≥300毫米，L/H＞6，其中，L为受力件4表面上两固定支架1之间的距离，H为受力件4与固定支架1之间的距离。
图4中定位块6通过电焊点固定于受力件4(立柱或框架)上，确定了检测的标距L(拟定标距L＝300mm，L值太大则由于立柱活动空间尺寸限制不能安装，太小则影响分辨率，降低检测精度)，再将带有夹块7的支架1通过螺栓安装到定位块6上，在夹块6上装好被测体2和探头3，调整好两者之间的距离(调整到传感器线性输出范围的中点位置为最佳)，并将位置固定锁住，即可进行检测。图示支架1结构具有安装、调整、维修方便等特点。
检测基准零点的确定和零点温度漂移的消除。为了确定大型结构框架立柱应力检测与保护系统的报警值，首先必须知道主机空载时立柱应力检测系统的输出值，即确定零点位。现具体说明确定的方法如下：如果传感器的两固定支架间的间距为L＝300mm，由计算可知，两支架间的最大应力(如：1000Kg/cm2)下的相对位移ΔL＝0.146mm，由选定的传感器类型和规格，根据其传感器V-δ输出特性曲线，选取包含0.146mm区间内的最佳线性区间，以该区间的起点为零点V0，并以此为传感器安装的初始位置确定的依据。
由于主工作机工作的环境温度变化范围较大，而温度的变化使立柱应力检测系统在主机空载状态下的输出值发生改变，即零点温度漂移。为使应力检测准确，系统报警可靠，必须消除零漂的影响。因此，本发明采用如下技术措施：当主机启动后，每一次工作前对空载输出V0采样，该采样值作为“0”点输出，也即为动态零点值。同时将该值作为应力检测、信号分析与计算的基值。从而消除了环境温度变化、模具更换等因素对应力检测精度的影响。
本发明以高精度电涡流微位移传感器为核心，成功消除了常规应力检测设备存在的抗干扰差、零漂大、工作不稳定、使用寿命短的缺陷，具有精度高、维护方便，在不损伤基体的前提下又能长期稳定工作和特点，适用于各种大型结构框架的应力在线检测，具有广泛推广应用价值。研制的系统使用于我国巨型模锻水压机立柱的应力检测，填补了在大型模锻水压机上实现长期立柱应力高精度检测的空白。同时该应力检测装置还具有灵敏度高、频率响应好，线形范围大、结构尺寸小、对环境及介质影响不敏感、使用寿命长等特点。
附图说明
图1：大型结构框架应力测试系统图，
图2：传感器结构示意图；
图3：电涡流传感器输出特性；
图4：传感器使用安装图。
具体实施方式
成功运用于某铝加工厂的1万吨和3万吨模锻水压机立柱的应力检测，经过工业生产的长期考证表明：应力检测与保护系统工作可靠，检测精度高，完全满足实际生产的需要以及自动控制系统对检测系统的高精度检测与实时性要求；与常规应力检测方法相比，其抗干扰能力强，稳定性好，维护方便，并成功地消除了零点漂移对检测精度的影响。使用效果如下：
电涡流微位移传感器动态性能优良，传感器输出特性稳定；立柱应力检测的18点斜对角布置形式能满足现场要求，而且较全面反映了立柱受载的最危险状况；立柱应力在线检测与保护系统采用动态零点的方法，消除了环境温度及模具更换等因素对应力检测精度的影响；实现了对巨型水压机全工况参数的实时监控，并与运行操作系统实现了协同闭环工作；达到了对水压机的工况实时监控和对立柱应力进行检测和保护的目的。

Claims (2)

1.大型结构框架非接触式应力测量装置，其特征在于：主要包括传感器、前置放大器、稳压电源与信号输出装置、A/D转化装置、PLC、计算机、指示与报警装置，
所述传感器完成框架受载时微位移信号的高精度拾取，并转换为电信号；
所述前置放大器将传感器输出微电信号进行放大至0-10或±5伏的电压信号，传感器与前置放大器必须匹配，并保证灵敏度系数在β＝20mv/μm以上，以便有足够的分辨率；
所述稳压电源与信号输出装置为多路传感器提供24伏电源，并将多路输出信号集成输出，并可模拟显示；
所述A/D转化装置的完成模拟信号向数字信号的转化，便于后续计算机等对数据的处理等；
所述PLC和工控计算机对数字信号进行处理，进行应力状态指示和当应力超限时的声光报警。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述传感器安装在大型结构框架受力件上具有一定活动空间，并且满足L≥300毫米，L/H＞6，其中，L为受力件表面上两固定支架之间的距离，H为受力件与固定支架之间的距离。
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