一种张力计系统及钢丝绳张力测量方法与流程

1.本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种张力计系统及钢丝绳张力测量方法。


背景技术：

2.电梯钢丝绳的张力是影响电梯舒适性与安全性的重要因素。目前，电梯钢丝绳张力的检测手段主要有两种，一种是采用传统弹簧测力计，一种是采用电子测量计。
3.传统的弹簧测力计需要操作人员站在轿顶，用弹簧测力计将各钢丝绳逐一水平拉动相同距离后，人为的记录下每根钢丝绳的拉力值。该种方式需要操作人员同时兼顾距离和拉力2个物理量，导致操作不便、效率低下、测量精度低。
4.电子测量计主要包括dsg型、wsg型和hd型三种类型，但这三种测量计均是利用“三点法”原理研制而成。dsg型和hd型这两种测力计体积较大，测量时需对钢丝绳两端进行支撑，中间加载受力，而电梯钢丝绳排列紧密，导致测量计和钢丝绳之间存在相互干涉，不易测量，且需要手动加载使所测钢丝绳的径向拉伸位移相等，存在微动调节，费时且精准度不高。wsg型测量计需要拧动螺栓，才能把传感器固定在钢丝绳上，存在工装麻烦费时，钢丝绳径向位移控制较为困难的缺点。
5.更重要的是，不同的钢丝绳在使用过程中会存在张力不均的问题，有些钢丝绳随着使用时长的增加，其张力会变大，导致在测量过程中不易被拉至设定的相同距离以测量张力，现有的电子产品并未就该问题给出针对性的解决方案，而传统的测量方法则采用“一刀切”的方式，不论钢丝绳张力紧张与否，均采用大力气将其拉至相同距离以测量同等距离下的张力，既不够人性化，且操作不便。


技术实现要素：

6.鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种可根据钢丝绳特点选择对应的测量方案，以便精准高效测量张力，且体积轻便小巧、携带方便、操作简单、智能化的张力计系统。
7.本发明的目的还在于提供一种对应的钢丝绳张力测量方法。
8.为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种张力计系统，其特征在于：所述系统包括，
9.用于测量钢丝绳被拉动过程中因形变产生的弯折角大小的角度测量模块；
10.与角度测量模块相连以接收弯折角信息的从控制模块；
11.用于测量拉动过程中的钢丝绳的张力值的张力测量模块；
12.与张力测量模块和从控制模块分别相连以接收张力值和从控制模块发送的弯折角信息的主控制模块；
13.所述主控制模块还用于对接收到的张力值和弯折角进行判断，并在张力值达到设定值或弯折角达到预定值时记录当前的张力值，还用于将达到设定值的张力值换算成弯折角为预定值情形下的张力值，以及将弯折角为预定值下的所有张力值与阈值进行比较来判断对应的钢丝绳的张力合格与否。
14.进一步的，所述角度测量模块包括可夹持在钢丝绳上的工装结构以及设置在工装结构上用以检测工装结构的张角大小的角度传感器；
15.所述工装结构包括可供钢丝绳上端部伸入套接的上转动杆机构和可供钢丝绳下端部伸入套接的下转动杆机构；
16.所述上转动杆机构的下端与下转动杆机构的上端转动相连以便随位于上下转动杆机构之间的钢丝绳被拉动而发生相对转动，且二者间形成的张角大小与钢丝绳形变产生的弯折角相等；
17.所述角度传感器与从控制模块相连并通过将检测的张角信息发送至从控制模块以提供弯折角信息。
18.进一步的，所述将达到设定值的张力值换算成弯折角为预定值情形下的张力值所采用的换算公式为：
19.f1’＝︱tanβ’*f1/tanα︱＝︱tanγ’*f1/tanα︱，其中，f1为设定值，α为张力值达到设定值时的钢丝绳因形变产生的张角变化量，γ’为预定值，β’为弯折角为预定值时角度测量模块测得的工装结构的张角，γ’＝β’，f1’为弯折角为预定值情形下对应的张力值。
20.进一步的，所述张力计系统还包括与主控制模块相连并可实时显示张力值及判断结果的显示模块。
21.进一步的，所述张力计系统还包括与主控制模块相连并当张力值达到设定值或弯折角达到预定值时由主控制模块触发进行声光报警以提示操作人员停止继续拉动操作的声光报警器模块。
22.进一步的，所述角度传感器为as5045芯片，所述主控制模块和从控制模块均为dsp芯片，所述声光报警器模块为蜂鸣器，所述张力测量模块采用悬臂梁传感器，所述显示模块由2块级联而成的74hc595驱动芯片构成。
23.进一步的，所述主控制模块与从控制模块间通过hc
‑
12无线串口收发模块进行无线通信；
24.所述张力测量模块与主控制模块之间还设有将张力测量模块输出的张力差分输出的电压信号进行放大的hx711型数模转换芯片。
25.一种钢丝绳张力测量方法，其特征在于：所述方法包括，
26.s1、判断弯折角是否达到预定值或张力值是否达到设定值，若是，记录当前的张力值，若否，继续执行弯折角与预定值、张力值与设定值之间的大小判断；
27.s2、判断记录的所有张力值中是否存在张力值为设定值的情形，若是，执行s3，若否，执行s4；
28.s3、将大小为设定值的张力值换算成弯折角为预定值情形下的张力值，并执行s4；
29.s4、将弯折角为预定值情形下对应的所有张力值与阈值一一比较，若张力值与阈值间的差值在误差范围内，则判断该张力值对应的钢丝绳张力合格，反之，不合格。
30.进一步的，所述阈值由所有弯折角为预定值情形下的张力值经求和取平均得到。
31.进一步的，所述误差范围为
±
0.05。
32.与现有技术相比，本发明的优点在于：
33.利用测量张力时需保持拉动距离相等以供测量张力，而拉至相等距离时对应着钢丝绳变形产生的弯折角度相等，又弯折角度相对距离而言更容易测量的特点，巧妙地将确
保距离相等的测量因素转化为角度相等，从而提高了测量精准性；角度测量与张力测量的协同配合借助电子元器件的轻巧简便，很好的实现了张力计系统测量方便、精准、方便小巧、便于携带；根据钢丝绳张力紧张度特点，对张力紧张度高，不易拉动的钢丝绳采用以张力值达到设定值为参照基准，并利用换算公式将其转换成常规测量下的弯折角等于预定值时下的张力值的情形，而对于张力紧张度不高，易拉动的钢丝绳而言，则采用普通的以弯折角等于预定值的参照测量方式，巧妙解决了钢丝绳实测过程中操作不便，导致测量精准度不高的问题。
附图说明
34.图1为本技术张力计系统的整体结构图。
35.图2为本技术中从控制模块电路原理图。
36.图3为本技术中主控制模块电路原理图。
37.图4为本技术中hc
‑
12无线接口电路原理图。
38.图5为本技术中as5045芯片电路原理图。
39.图6为本技术中hx711型数模转换电路原理图。
40.图7为显示模块电路原理图。
41.图8为本技术中工装结构示意图。
42.图9为本技术的测量流程图。
43.图10为本技术的张力计测量简化图。
44.图11为钢丝绳拉动过程中角度关系示意图。
45.图12为钢丝绳拉动过程中的受力分析图。
具体实施方式
46.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
47.如图1
‑
12所示为本技术张力计系统的优选实施例，如图所示，该张力计系统包括用于测量钢丝绳被拉动过程中因形变产生的弯折角大小的角度测量模块1、与角度测量模块1相连以接收弯折角信息的从控制模块2、用于测量拉动过程中的钢丝绳的张力值的张力测量模块3以及与张力测量模块3和从控制模块2分别相连以接收张力值和从控制模块2发送的弯折角信息的主控制模块4。
48.该主控制模块4还用于对接收到的张力值和弯折角进行判断，并在张力值达到设定值或弯折角达到预定值时记录当前的张力值，还用于将达到设定值的张力值换算成弯折角为预定值情形下的张力值，以及将弯折角为预定值下的所有张力值与阈值进行比较来判断对应钢丝绳张力合格与否。
49.判断电梯钢丝绳是否合格，多以同等参照条件下对应的各张力值与参考值之间的大小比较得到，该同等条件主要以理想环境下钢丝绳被拉至相同距离为前提，但正如背景技术所提到的一样，由于钢丝绳在使用过程中存在张力变化的现象，有的钢丝绳使用后张力会变小，很容易拉动，而有的则在使用后张力会变大，很难拉动设定的距离，这就导致钢
丝绳被拉至相同距离时所需的力量各不相同，对于张力值变大，紧张度较高的钢丝绳而言，要想将其拉至相同距离环境下以便测量张力，需要费更多力，而这对本身所处环境较为复杂的钢丝绳而言既操作不便，又适用性不强。
50.现在，本技术通过巧妙利用钢丝绳测量过程中各方向的力与角度之间的关系，对张力值紧张度高的钢丝绳通过换算，提出了更为简便高效的测量方案，从而解决钢丝绳张力值不均带来的测量不便的问题，具体换算方式将在后文阐述。
51.同时，如前所述，目前通过将钢丝绳拉至相同距离条件下测量钢丝绳的张力仅是一种较为理想状态，本领域技术人员均知晓，鉴于操作者力度大小或经验的不同，很容易造成拉动的距离有大小偏差，而此偏差往往会造成张力测量不准确，尤以传统弹簧测力计测量方式表现更甚。
52.申请人通过分析发现，对大多数钢丝绳而言，当钢丝绳被拉至相等距离时，钢丝绳弯曲形变时的弯折角度一样，而角度相对距离而言能被更加精准的测量出来，故当将距离转化为角度时，能通过确保测量角度的一致性，保证拉动的距离一样，进而保障测量张力时的条件相同，从而提高测量的精准性。基于此，本技术提出了一种电子张力计系统，能通过该系统实现测量的智能自动以及精准简便化，大大降低传统测量存在的偏差大的问题。
53.具体而言，本技术中的角度测量模块1包括可夹持在钢丝绳上的工装结构11以及设置在工装结构11上用以检测工装结构11的张角大小的角度传感器12。该工装结构11在钢丝绳上能随着钢丝绳一起发生形变，同时保持形变角度一致。
54.该结构已在专利zl201921211285.8中进行了保护，具体结构可参见该专利以及本技术的图8，其包括上转动杆机构111和下转动杆机构112，上转动杆机构111的上端形成有可供钢丝绳上端部伸入套接的第一固定环1111，下转动杆机构112的下端形成有可供钢丝绳下端部伸入套接的第二固定环1121，上转动杆机构111的下端与下转动杆机构112的上端可转动相连。
55.角度传感器12设置在上、下转动杆机构之间并用于检测上、下转动杆机构之间的张角，上、下转动杆机构可随位于上下转动杆机构之间的钢丝绳被拉动而发生相对转动，且二者间形成的张角与钢丝绳被拉动形成的弯折角相等。
56.这样，角度传感器12检测到的张角值实际就是钢丝绳因形变产生的弯折角值，而角度传感器12与从控制模块2相连，则通过其将检测的张角信息发送给从控制模块2，就能知道钢丝绳的弯折角信息，从而通过工装结构与钢丝绳之间的配合，巧妙实现对钢丝绳弯折角的测量。
57.在本技术中，该角度传感器12采用的是as5045芯片，从控制模块采用dsp芯片，具体电路原理图如图5和图2所示。
58.鉴于电梯环境的复杂性，为了便于信号的传输及系统的简便性，该从控制模块2与主控制模块4之间通过无线方式相连，具体到本实施例，即是采用hc
‑
12无线串口收发模块进行无线方式通信相连，图4示出了hc
‑
12无线串口收发模块接口电路原理图。
59.在实际测量中，轿厢一般位于井道下部，测量点位于轿顶钢丝绳支点(也即轿顶反绳轮与钢丝绳的相切点)1m处，测量时钢丝绳会被径向水平拉动l米。但有些钢丝绳张力过大，不易径向水平拉动至l米，为了提高操作便捷性，当张力计系统监测到拉力达到p牛时，停止继续拉动，通过换算，将p存储转换成钢丝绳被径向水平拉至l米时对应的张力值，显
然，这方案的实现离不开工装结构与钢丝绳之间的同步形变关系以及对钢丝绳拉动过程中各个力之间的特色把握和运用。
60.具体的，为使操作人员既省力又方便地水平径向拉动钢丝绳，统一受拉点位置，便于建立统一的径向水平距离与张角的关系，本技术规定受拉点为在轿厢处于井道下部时，距轿顶钢丝绳支点1m距离处，水平径向拉动距离l为0.1m，即预定值为0.1m。
61.同时，为了降低角度检测的误差，使得操作人员有一个合适的张力计操作力，本技术规定，针对张力值过大的钢丝绳，其参考操作标准为张力值p达到100n，也即设定值为100n，因为若水平径向拉动钢丝绳的拉力>100n，将使操作人员感到费力，故从张力计使用便捷性上出发，规定此拉力不大于100n。
62.轿顶上的钢丝绳支点有2种形式，第一种为轿顶反绳轮式，另外一种是钢丝绳绳头式，无论是哪一种形式，根据电梯的安装规范要求，曳引轮与钢丝绳的相切点垂直对准轿厢。对于第一种，要求相切点垂直对准轿顶反绳轮与钢丝绳的相切点；对于第二种，要求相切点对准绳头板中心点。由于两种类型的张力折算方法一样，故以轿顶反绳轮形式为例。
63.如图10所示，a点为曳引轮与钢丝绳的相切点，b点为轿顶反绳轮与钢丝绳的相切点，从曳引轮到轿顶反绳轮的钢丝绳是垂直布置的。11为工装结构，o1为工装结构上下转动机构的转动中心，o2为张力测量模块3与钢丝绳的受拉点。
64.根据前述对张力测量位置的定义可知，bo2＝1m，操作人员测量钢丝绳张力时，如图11所示，径向水平拉动钢丝绳，钢丝绳在受拉点形成弯折角γ，同时工装结构的上下两转动机构间形成的张角β，根据工装结构的特性可知，在拉动过程中，张角β始终等于弯折角γ。
65.根据电梯结构布置，曳引轮位于井道顶部或者机房，而测量点位于电梯井道下部，可知ao2>>bo2，这样，当操作人员在水平向右拉动钢丝绳时，钢丝绳bo2弯折，而ao2只发生水平移动，依然保持垂直，bo2与ao2的延长线形成钢丝绳张角变化量α。
66.以钢丝绳与张力测量模块3之间的受拉点为受力分析点，对径向水平拉动钢丝绳作受力分析，如图12所示，f1为水平拉力，f2为垂直向上的钢丝绳张力，f3为向下的钢丝绳张力，f2始终正交于f1，则有f2在受拉过程中始终不变，得出以下算式：
67.f2＝f3
×
cosα
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
68.f1＝f3
×
sinα
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
69.由算式(1)和(2)可得f1＝f2tanα
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
70.钢丝绳张力在电梯使用过程中会发生张力不均现象，有的钢丝绳张力变小，有的钢丝绳张力变大。张力变小的钢丝绳受径向水平拉力时，更易发生位移，也更容易被拉至设定的距离0.1m，而张力变大的钢丝绳受径向水平拉力不易发生位移。若在张力测量过程中，钢丝绳径向水平拉动距离未至0.1m，然而径向水平拉力达到了100n，为了提高张力计操作上的便捷性，也会停止继续拉动，此时，通过角度传感器12测出的当前张角变化量α和通过张力测量模块3采集的张力值f1(此时的f1即为设定值)，经算式(3)和主控制模块4计算得出f2大小。
71.又由于f2值不变，而拉至0.1m时钢丝绳的张角变化量α’根据图11的三角函数关系可知，α’＝π
‑
γ’＝π
‑
β’，则可求得钢丝绳拉至0.1m的张力值f1’存在关系，
72.f1’＝︱tanβ’*f1/tanα︱＝︱tanγ’*f1/tanα︱，其中，f1为设定值，α为张力值达到
设定值时的钢丝绳因形变产生的张角变化量，γ’为预定值，f1’为弯折角为预定值情形下对应的张力值。
73.因而，通过该公式换算，可以轻松实现钢丝绳张力变大情形下的张力测量，确保钢丝绳合格与否的准确判断。
74.在拉动过程中，除了角度传感器11检测弯折角外，张力测量模块3也会测量当前的张力，这样，对当前测量的钢丝绳而言，主控制模块4会实时接收弯折角信息和张力值信息，并对弯折角与预定值、张力值与设定值之间的大小关系进行实时判断，谁先达到比照值(指代预定值或设定值)，就记录下该情形下的张力值。在本技术中，该张力测量模块3采用悬臂梁测力传感器。
75.为了在达到条件时，及时阻值操作人员对当前钢丝绳的继续拉动操作，该张力计系统还包括与主控制模块4相连并当张力值达到设定值或弯折角达到预定值时由主控制模块4触发进行声光报警以提示操作人员停止继续拉动操作的声光报警器模块6。在本技术中，该声光报警器模块6采用蜂鸣器。由于蜂鸣器电路属于常规电路，故而此处就不详细展开。
76.在测量完一根钢丝绳后，操作人员会按照相同测量方式对剩余钢丝绳进行一一测量，以记录下所有钢丝绳的对应张力值。此后，主控制模块4会对所有记录的张力值进行判断，看记录的张力值中是否对应有张力值为设定值情形下的数据，若有，则会对该情形下的张力值采用前述的公式一一进行换算，以得到弯折角为预定值情形下对应的张力值，此操作即是为了确保参照比较条件的统一性。
77.在进行完这一步判断操作后，主控制模块4会将弯折角为预定值情形下的所有张力值与阈值进行分别判断，以此确定对应的钢丝绳是否合格，这也就出现了后文将会描述的测量方法。
78.需要说明的是，为了便于操作人员及时准确知晓张力值数据及判断结果，该张力计系统还包括与主控制模块4相连并可实时显示张力值及判断结果的显示模块5。
79.同时，在本实施例中，主控制模块4也均采用dsp芯片，具体电路原理图请参见图3。显示模块5采用2块级联而成的74hc595驱动芯片，如图7所示。
80.由于选择的悬臂梁测力传感器的满量程输出信号仅为5mv，为了提高转换精度，需对该信号进行放大，故本技术的张力计系统还包括在张力测量模块3与主控制模块4之间还设有将张力测量模块3输出的张力差分输出的电压信号进行放大的hx711型数模转换芯片7，其具体的电路原理图如图6所示。
81.本技术还请求保护一种钢丝绳张力测量方法，具体流程图请参见图9，该方法包括，
82.s1、判断弯折角是否达到预定值或张力值是否达到设定值，若是，记录当前的张力值，若否，继续执行弯折角与预定值、张力值与设定值之间的大小判断；
83.s2、判断记录的所有当前张力值中是否存在张力值为设定值的情形，若是，执行s3，若否，执行s4；
84.s3、将大小为设定值的张力值换算成弯折角为预定值情形下的张力值，并执行s4；
85.s4、将弯折角为预定值情形下对应的所有张力值与阈值一一比较，若张力值与阈值间的差值在误差范围内，则判断该张力值对应的钢丝绳张力合格，反之，不合格。
86.根据前述描述可知，步骤s4中的所有张力值既包括钢丝绳易拉动情形下弯折角先于张力值到达参照数值而直接得到的张力值，又包括钢丝绳不易拉动时，张力值先于弯折角达到参照数值时，经公式变换后得到的弯折角为预定值情形下对应的张力值。其中，阈值由所有弯折角为预定值情形下的张力值经求和取平均得到，而误差范围为
±
0.05。
87.由于每个模块独自运转的工作原理属于本领域技术人员均知晓的普通技术知识，故而此处就不详细展开。本技术通过利用测量张力时需确保拉至相等距离，而拉至相等距离时对应钢丝绳变形弯折角度相等，又弯折角度相对距离而言更容易测量的特点，巧妙将确保距离相等的因素转化为角度相等，从而提高了张力计系统测量的精准性，而角度测量与张力测量的协同配合，同时借助电子元器件的轻巧简便，很好的实现了张力计系统测量方便、精准、方便小巧、便于携带；将张力变大的钢丝绳测量通过换算公式进行换算，解决了测量不方便和不精准的问题。
88.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。