高灵敏度的振弦式应变计的制作方法

本发明涉及应变计，尤其是涉及一种高灵敏度的振弦式应变计。

背景技术：

1、应变计作为传感器的一种，在建筑行业得到了广泛应用，其工作原理是：当被测结构物内部的应力发生变化时，应变计同步感受变形，变形通过前、后端座传递给振弦，转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物内部的应变量。目前，应变计普遍用于建筑物的应变监测，也在桥梁安全结构的监测方面得到了应用。

2、振弦式应变计是建筑行业最为常用的应变计之一，其虽可满足大部分监测需求，但用于桥梁应变监测时仍存在以下不足之处：首先，现有振弦式应变计测量范围只有250mm，现如今桥梁大多数都是几十米甚至达到百米跨度，此时如果想要实现全桥布控监测，所需的应变计数量极其庞大，会极大地提高桥梁成本；其次，由于振弦式应变计的标距较短，应变计的灵敏度较低，在其测量范围内如果发生微小裂缝或应变时，应变计输出的信号较弱，应变监测系统的仪表盘变化幅度过小，人眼无法捕捉到变化量的准确数值，从而导致无法监测到微小裂缝，时间久了造成桥梁本身的破坏。

3、综上，如何设计一种监测距离长且精度高的长标距应变计对降低监测成本、提高监测数据的可靠性具有重要的意义。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种高灵敏度的振弦式应变计，不仅具有较长的监控长度，还提高了灵敏度，能够监控到桥梁的微小裂缝，提高桥梁安全性。

2、为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

3、本发明所述的高灵敏度的振弦式应变计，包括测量单元、用于放大所述测量单元位移量的放大单元和将所述测量单元固定在所述放大单元的连接单元，所述放大单元包括至少两个滑轮和绕设在至少两个所述滑轮上的钢丝，所述连接单元具有两个连接件，测量单元通过两所述连接件固定在所述钢丝上。

4、在上述方案中，本发明的测量单元通过连接单元设置在钢丝上，使得应变计的有效长度长达5m~10m，特别适用于大跨度桥梁的应变监测，极大程度地降低了桥梁的应变监测成本。本发明在测量时，将测量单元固定在钢丝上，当被测物体发生应变时，可将至少两倍位移量传递到测量单元，进而放大了钢弦的自振频率，钢弦的张力也随之增加，则应变计测得的位移也增加，进一步放大了应变计的输出信号，仪器本身带来的噪音不变，信号强度增强，提高了应变计的信噪比，缩小了应变计本身带来的误差，提高了应变计的灵敏度，能够监测到细小裂缝的微小应变，为评估桥梁安全性提高更可靠的数据。

5、在本发明的优选实施方式中，每个所述滑轮内通过轴承连接有轮轴，所述轮轴固定在被监测的建筑物上，确保滑轮能够相对转动。

6、在本发明的更优选实施方式中，所述轮轴上设置有支架，轮轴通过所述支架固定在被监测的建筑物上，支架便于固定安装。

7、在本发明的优选实施方式中，所述测量单元包括固定在两所述连接件之间的护筒、钢弦和测量部，所述钢弦设置在由所述护筒和连接件围成的密封腔室内，钢弦的两端分别与连接件相固连。

8、在本发明的优选实施方式中，所述测量单元还包括弹簧，其一端与钢弦连接，另一端通过拉杆与其中一个所述连接件连接，且钢弦、弹簧和拉杆在同一直线上。

9、在本发明的优选实施方式中，所述测量部包括自内向外依次设置在所述外护筒上的线圈、磁钢和树脂层，所述树脂层将所述线圈和磁钢封装在外护筒上，且线圈的电缆引线向外引出树脂层。在实际安装时，树脂层采用环氧树脂，利用环氧树脂将线圈和磁钢封装在护筒上，使测量部和护筒形成一个整体。

10、在本发明的优选实施方式中，所述钢丝的长度大于10m，优选控制在10m-20m。由于钢丝绕在两个滑轮上，使本发明的应变计的有效长度在5m-10m，以满足大跨度桥梁的应变监控需求。

11、振弦式应变计的工作原理：利用内部钢弦的自振频率与钢弦张力的变化关系来表征应变计所在点的应变。钢弦张拉作用前的初始张力 t 0，对应的频率为 f 0；对钢弦施加张力 t，钢弦的振动频率为 f；钢弦的张力 t和频率 f满足关系式 t=kf2（ k为常数）；应变计的应变ε=△ l /l，应变位移变化量△ l =tl / ea－t 0 l / ea=（ kf2 －kf 02）× l /ea = k（ f2 －f 02）× l  /ea（ ea为钢弦轴向刚度，为常数），应变 ε= k（ f2 －f 02） /ea。其中， k和 ea为常数。因而，应变增量随着频率 f的增大而增加。若钢弦的自振频率 f在外力的作用下增大，相应的变形增量也增大,应变计的位移量也将增加。

12、与现有振弦式应变计相比，本发明将测量单元固定在钢丝上，钢丝绕设在两个滑轮上，安装时两滑轮的间距在5m-10m，使得本发明的标距是现有应变计（以250mm的标距计）的至少20倍，特别适用于大跨度桥梁的应变监测，极大程度地降低了大跨度桥梁的应变监测成本。以100m长的桥梁为例，本发明的标距在5m-10m，只需要10-20个应变计即可布满整个桥梁；而传统应变计的有效长度仅有250mm，布满100m长的桥梁则需要200-400个应变计，是本发明的20-40倍，可见本发明的应变计极大程度地降低了桥梁的应变监测成本。

13、在另一方面，本发明提高了应变计的灵敏度，能够感受到桥梁的微小应变。具体地：由动滑轮工作原理可知，动滑轮不能改变力的方向，但能增加距离。当桥梁监测长度范围内发生应变时，滑轮移动一倍变形量，钢丝增加两倍的位移量，进而传递给弹簧两倍的变形量，进而通过弹簧向钢弦传递两倍的变形量，线圈激振钢弦，弹簧弹力的变化使钢弦自振频率 f增加，故线圈监测到的钢弦频率相对增加，使得应变计测得的位移量△ l也增大，实现了输出信号的放大。由于仪器本身带来的噪音不变，信号强度增强，提高了应变计的信噪比，提高了应变计的灵敏度。因而，本发明的应变计在监测时能够监控到桥梁的微小应变，进而监控到桥梁的细小裂缝，为桥梁安全性评估提供更可靠的数据。