CN2911652Y - 一种膜材预张力测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种膜材预张力测量仪，包括：测量盒和控制箱，测量盒部分包括外壳以及设置于其中的激光位移传感器、真空压力传感器、真空泵以及气阀；控制箱部分包括机箱以及设置于其中的控制电路板、显示装置、开关以及电源；测量盒和控制箱之间通过连接线相连。具有如下特点：仪器适用于各种膜材，不受膜材种类、厚度的限制；通过试验调试验证，稳定性好，精度高；解决了膜结构领域中存在的成型结构中张拉膜材实际预应力无法量测的急迫问题，弥补国内空白，应用前景广阔；体积小，方便携带，便于测量。

Description

一种膜材预张力测量仪

技术领域

本实用新型属于建筑膜结构行业，特别涉及是有关膜结构、膜材的预张力的测量。

背景技术

预张力就是在建造膜结构建筑时引入的拉力，这是膜结构很重要的一个因素。膜表面的形状由曲率的两个主方向的预张力比率决定，设计过程中这部分可通过计算机的找形程序来实现，预张力的绝对值能保证在任何工况下膜结构的各部分的形状。膜中要施加的预张力水平还与使用过程中需要承受的荷载有关，预张力太小，在荷载作用下膜会出现松弛，同时如果预张力不够，一定的荷载会引起膜面下陷，但是如果预张力太大，膜材的边沿构件受力会增大，这会增加安装的难度。所以要综合考虑受力分析的结果和安装过程等因素，在设计阶段确定合理的预张力水平，并且在施工过程中和使用过程中准确测定膜结构实际的张力变化以便能控制和把握设计要求的张力水平是成功建造膜结构的关键。

对张拉安装完毕后的膜结构进行膜材预张力值的测定属于无损检测范畴。如何准确地测定膜材预张力值一直是业界致力于解决的一个问题。按工作原理划分，主要有拉曼光谱测试法、振动测试法和位移标定测试法三类。

膜材受张拉力后，界面层中任何两个原子离开平衡位置并在新的位置发生平衡，原子间的作用力随之改变。原子间的作用力决定着原子的间距，而原子间的间距与原子振动频率有关。随着外加拉应力的增加，原子间距增加，原子振动频率下降；反之在压应力下，原子间距减小，原子振动频率增加。这种振动频率的变化可用激光拉曼光谱测定出来，相应的就可把变形(原子间的改变)测出来。光测的方法可以利用激光拉曼光谱技术标定出纤维所受应变与拉曼谱频率位移之间的关系，而后又用激光拉曼光谱仪测出膜材界层相邻纤维的拉曼谱频率位移，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。这是拉曼光谱测试法的基本原理。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还是很大的，这种方法忽略了涂层的影响，显然精确度是打折扣的，而且采用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困难的。

振动测试是通过膜面区域的基频测试，反推膜面预张力。振动测试对于理想边界条件的结构内力测试是比较有效的，但是实际工程中局部区域的膜面边界十分复杂，有时很难识别膜面振动的基频，或者所识别的基频精度很低，这就大大降低了振动测试法的精度。

位移标定测试是通过向给定区域的膜面施加真空荷载，使膜面产生变形，测定变形值，反推膜面的预张力值。采用本方法比较有代表的是日本鹿岛建设株式会社开发的膜张力测量装置，日本鹿岛建设株式会社利用预先对指定的膜材进行一系列的试验，然后根据试验数据回归得到膜张力与平面外位移的函数关系，这样特定膜材的预应力与在指定荷载下的平面外位移的关系就得到标定。

现场测量时，通过真空泵加载，测量膜材平面外位移，然后对应已标定好的关系寻找此时膜材的预张力。由于不同的膜材，存在不同的荷载——变形——预张力之间的非线性关系，真空测试法需要对不同材料的膜材预先进行标定。此方法的缺点就是适用范围受到已经标定的膜材种类的限制，鹿岛建设株式会社只对日本使用的膜材种类进行了标定，这种仪器对中国使用的其它膜材需要另行标定，同时使用该方法，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预张力关系曲线，工作量巨大。由于现场膜材的实际情况与标定实验时的条件经常存在很大的差别，测试结果还取决于材料弹性模量，因此这一方法的精度也是有限的。

综上所述，现有的测量方法和设备的精确度都较低，测量成本比较高，应用也不够广泛。实际工程中，很多情况下还是靠比较原始的方法，即通过有经验的工人手敲的方法来估计膜材预张力值的施加程度。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种膜材预张力测量仪，克服现有技术的上述缺点。

为达到上述目的，本实用新型的解决方案是：一种膜材预张力测量仪，包括：测量盒和控制箱，测量盒部分包括外壳以及设置于其中的激光位移传感器、真空压力传感器、真空泵以及气阀；控制箱部分包括机箱以及设置于其中的控制电路板、显示装置、开关以及电源；测量盒和控制箱之间通过连接线相连。

进一步，控制箱部分的电路结构包括：

短路保护装置是由电阻与导线并联而成，可并联一个发光二极管作为状态显示；电源指示装置由一个电阻和一个发光二极管串联组成；测量指示装置由一个电阻与一个发光二极管串联而成，与一个真空泵共接一个开关。

短路保护装置，变压器，整流器，加发光二极管的短路保护装置，电源，电源开关，电源指示，测量指示以及真空泵相互并联构成测量仪的第一部分；测量仪的第二部分由真空传感器，两片14引脚的芯片以及激光传感器组成，第一芯片通过引脚并接在第一部分上，通过另外两引脚与激光传感器并联接在第一部分，第二芯片的六个引脚接在第一部分上，另一边四个引脚通过开关控制检测感停止。

控制箱部分的电路结构是：测量仪通过电源线与控制仪电源相连获得供电；电源下方连接短路保护装置，其通过一个变压器与整流器相连；设置电阻和发光二极管并联形成的短路保护装置接在整流器的正输出，一电源负极接在整流器的负输出正极接在短路保护装置的另一端，与电源并联的有电源开关，电阻串联发光二极管的指示装置，电阻与发光二极管串联的测量指示装置；测量指示装置与真空泵通过开关同时并联在该电源上或同时断开。

该测量盒的尺寸为长方形。

该测量盒长边长度与短边长度之比大于3∶1。

本实用新型具有如下特点：

1、仪器适用于各种膜材，不受膜材种类、厚度的限制。

2、通过试验调试验证，稳定性好，精度高。

3、解决了膜结构领域中存在的成型结构中张拉膜材实际预应力无法量测的急迫问题，弥补国内空白，应用前景广阔。

4、体积小，方便携带，便于测量。

附图说明

图1是本实用新型一实施例的立体示意图。

图2是依图1所示图例的整体示意图。

图3是依图1所示图例的电路结构示意图。

具体实施方式

膜材张力仪由测量盒和控制箱两部分组成，测量盒部分由金属外壳、激光位移传感器、真空压力传感器、真空泵以及气阀等组成；控制箱部分由机箱、控制电路板、显示装置以及电源等组成。仪器的动力、自动控制功能以及数据的采集、处理、显示具有控制箱自动完成。

建筑膜材是柔性材料，当平面内预拉力为零时，其承受平面外荷载的能力是很弱的，但当平面内施加有预应力时，膜结构就变成具有一定刚度的结构，不但能很好地承受自身的自重，同时还能有效地抵抗风、雨、雪等来自外部的平面外荷载。这就是膜结构的主要特点。

本测量仪的功能就是用来测量膜结构上膜材各点的预张力，使得能人为控制它们的大小。测量仪的基本结构如附图1-3所示，它主要由两部分组成：控制箱和测量盒，测量盒则主要是由一个有机玻璃盒及附在其上的、能从盒内抽气的真空泵以及附在盒顶、能测量盒开口处膜材测量区域中心点位移的非接触式激光位移传感器构成；控制箱主要能控制和协调测量盒上几个部件的运行，目的是读取到当测量盒与膜面的密封空间达到一定的真空度时的真空度及相应的膜面中心点的位移，并依此运算膜面的预张力并显示出来。量盒的平面尺寸的确定；测量盒与膜面边界条件的确定。测量盒的尺寸为长方形，长边长度与短边长度之比大于3∶1；膜结构往往面积很大，从两个面同时进行测量操作很困难，单面操作才是现实的。单面操作也使得测量工作变得比较简易，测量时测量盒与膜面之间一般不用采用另外特殊处理，最多在测量的区域涂以润滑剂即可，测量盒与膜面之间可自由滑动，这样的边界条件在工程现场很容易实现。

测量仪通过电源线与控制仪电源相连获得220VAC单相供电。电源下方连接一个装有电阻RD1的短路保护装置，其通过一个变压器与整流器QC1相连。电阻R1和发光二极管D1并联形成的短路保护装置接在整流器的正输出，一个12VDC的电源E1负极接在整流器QC1的负输出正极接在短路保护装置的另一端，与电源E1并联的有电源开关SA1，电阻R2串联发光二极管D2的指示装置，电阻R3与发光二极管D3串联的测量指示装置。测量指示装置与真空泵通过开关KA1同时并联在E1上成同时断开。

B1的1引脚通过真空传感器与引脚2接电源E1的两端1，2上，引脚5连接B1的自端口6引脚6连接B1的金属端口7，B1的红端口与黑端口接到端口1，2上。B1与激光传感器相连。B1的引脚15，16，17，18相互串联，引16，17连有开关QA1，QA2。引脚22，24，27接到端口1，引脚23通过继电器KA1接到端口2，引脚2通过正向发光二极管与电阻R4接到端口2，引脚28接到端口2，引脚27，28分别提供+12VDC与-12VDC电压。

测量仪由电源，短路保护装置，变压器，整流器，电源开关，电源指示，测量指示，真空泵，相容传感器，中间继电器以及激光传感器等组成。

短路保护装置是由电阻与导线并联而成，接到其它器件感装置上起到防止短路的作用，可并联一个发光二极管作为状态显示。电源指示装置由一个电阻和一个发光二极管串联组成。测量指示装置由一个电阻与一个发光二极管串联而成，与一个真空泵共接一个开关。短路保护装置，变压器，整流器，加发光二极管的短路保护装置，12VDC电源，电源开关，电源指示，测量指示以及真空泵相互并联构成测量仪的第一部分。

测量仪的第二部分由真空传感器，两片14引脚的芯片以及激光传感器组成，芯片1通过引脚并接在第一部分上，通过另外两引脚与激光传感器并联接在第一部分。芯片2的六个引脚接在第一部分上，另一边四个引脚通过开关控制检测感停止。

本实用新型包括：真空罩1、放气阀2、真空传感器3、位移传感器4、真空泵5、测量盒6、测量盒真空传感器接口7、测量盒位移传感器接口8、测量盒真空泵接口9、电源指示灯10、充电指示灯11、报警指示灯12、测量指示灯13、检测开关14、中断开关15、电源开关16、控制仪17、电源插座18、控制仪真空泵接口19、控制仪真空传感器接口20、控制仪位移传感器接口21、控制仪22。

为实现本实用新型发明，研制膜材预张力测量仪器说明书如下：

一、仪器用途及特点：

二、仪器组成

膜材张力仪由测量盒和控制箱两部分组成，测量盒部分由金属外壳、激光位移传感器、真空压力传感器、真空泵以及气阀等组成；控制箱部分由机箱、控制电路板、显示装置以及电源等组成。仪器的动力、自动控制功能以及数据的采集、处理、显示具有控制箱自动完成。具体组成部件如附图1-3所示

三、仪器使用方法：

1、将控制箱、测量盒用激光位移计连线、真空传感器连线以及真空泵连线连接起来。接通电源插座，(若无毫源，则必须事先将仪器充好电)。连接连线及各接口时，将连线端口卡槽与接口处凸点对应即可牢固连接(如附图2所示)

2、打开电源开关，检查仪器各部分工作正常(电源指示灯亮、若接通外界交流电源则充电指示灯亮，显示屏有数据显示)，将测量盒放置在待测膜材待测位置上，防止测量盒时，可预先将待测位置以十字花标出，测量盒底部边框画有中点位置，将该中点位置与膜材上十字花相应直线重叠即可准确定位测量盒测量位置，(如附图3所示)

3、按下显示屏翻页按钮，显示屏出现压力设定界面，将四组压力值设置为：

压力一：1.000，压力二：1.500，压力三：2.000，压力四：2.500，设置真空泵转速参数n₂＝6，设置时运用左右以及上下数据调整按钮调整数据的大小。参数选择按钮确定已调整数据并自动翻至下一页面调整下一个数据，翻页按钮回到主界面，并取消正在输入的数据。

4、同时按下左右数据调整按钮和上下数据调整按钮进行数据调零，观察显示屏上的压力与位移数据均为零或极小值，则可进行预张力的测量。

5、按下检测按钮，真空泵开始抽气，此时显示屏显示不断变化的压力及位移数据，几十秒钟之后，检测停止，即可进行数据采集。连续按下显示屏翻页按钮，可以读取四组压力数据、四组位移数据以及膜材中的预张力数值。数据显示如附图4所示：

四、注意的问题：

1、仪器使用过程中，有可能会出现屏幕突然无显示的问题，这是仪器暂时休眠的原因造成的，遇此问题，可稍等一会，屏幕即可恢复正常。若屏幕仍无显示，则要对机器关机重启，重新进行测量。

2、仪器施加的真空压力值以及控制真空泵转速的参数值是可以调整设定的，我们建议用户采用本说明中指定的数值。

3、应用本仪器进行膜材预张力测量时，待测预张力的测量方向与测量盒放置的方向关系如附图5所示：

4、仪器显示屏中给出的各数据单位：

压力：10²kN/m²

位移：mm

预张力：kN/m

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以很快地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，对于本实用新型做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种膜材预张力测量仪，其特征在于：包括：测量盒和控制箱，测量盒部分包括外壳以及设置于其中的激光位移传感器、真空压力传感器、真空泵以及气阀；控制箱部分包括机箱以及设置于其中的控制电路板、显示装置、开关以及电源；测量盒和控制箱之间通过连接线相连。

2.根据权利要求1所述的膜材预张力测量仪，其特征在于：控制箱部分的电路结构包括：

短路保护装置是由电阻与导线并联而成，可并联一个发光二极管作为状态显示；电源指示装置由一个电阻和一个发光二极管串联组成；测量指示装置由一个电阻与一个发光二极管串联而成，与一个真空泵共接一个开关。

3.根据权利要求1所述的膜材预张力测量仪，其特征在于：短路保护装置，变压器，整流器，加发光二极管的短路保护装置，电源，电源开关，电源指示，测量指示以及真空泵相互并联构成测量仪的第一部分；测量仪的第二部分由真空传感器，两片14引脚的芯片以及激光传感器组成，第一芯片通过引脚并接在第一部分上，通过另外两引脚与激光传感器并联接在第一部分，第二芯片的六个引脚接在第一部分上，另一边四个引脚通过开关控制检测感停止。

4.根据权利要求1所述的膜材预张力测量仪，其特征在于：控制箱部分的电路结构是：测量仪通过电源线与控制仪电源相连获得供电；电源下方连接短路保护装置，其通过一个变压器与整流器相连；设置电阻和发光二极管并联形成的短路保护装置接在整流器的正输出，一电源负极接在整流器的负输出正极接在短路保护装置的另一端，与电源并联的有电源开关，电阻串联发光二极管的指示装置，电阻与发光二极管串联的测量指示装置；测量指示装置与真空泵通过开关同时并联在该电源上或同时断开。

5.根据权利要求1-4中任一所述的膜材预张力测量仪，其特征在于：该测量盒的尺寸为长方形。

6.根据权利要求6中任一所述的膜材预张力测量仪，其特征在于：该测量盒长边长度与短边长度之比大于3∶1。

Images