專利名稱：錨索張拉自動監(jiān)控系統(tǒng)及監(jiān)控方法
技術領域：
錨索張拉自動監(jiān)控系統(tǒng)及監(jiān)控方法，屬長度測量類(G01B)、壓力測量類(G01L)和控制調節(jié)監(jiān)測類(G05B)。
背景技術：
預應力錨固(錨索)是指通過特殊工藝將鋼絞線變成長期處于高應力狀態(tài)下的受拉結構，以此增強被鋼絞線加固巖體的強度，改善巖體應力狀態(tài)和提高巖體穩(wěn)定性。但是預應力錨固是一項工序復雜、制約因素較多、難以補救的隱蔽工程，因此在錨索施工的張拉過程中，做好實時監(jiān)測，嚴格保證施工質量非常重要。現(xiàn)有采用的錨索測力計可以解決應力長期監(jiān)測，但因其昂貴的成本無法針對每一束錨索單元體實施，同時測力計無法實現(xiàn)對錨索彈性伸長值的測定，因而不能解決錨索應力施加的實時監(jiān)控與自動記錄。
作為檢查和驗證錨索施工成果和效用關鍵環(huán)節(jié)的預應力施加——錨索張拉，還是沿襲傳統(tǒng)的張拉力由油壓表測讀，結合測量鋼絞線彈性伸長值核驗的“雙控法”原則，這種方法在水利水電及其他巖土工程施工領域中普遍使用。該方法全部靠人工操作精度不高、勞動強度大、施工效率低、存在較大的人為誤差，同時也無法實現(xiàn)實時監(jiān)控和反饋，對錨索這類隱蔽性工程施工質量難以起到應有的保障作用，因而不適應日新月異的巖土工程的發(fā)展。

發(fā)明內容
本發(fā)明提出的錨索張拉自動監(jiān)控系統(tǒng)及監(jiān)控方法，就是解決現(xiàn)有測力計成本昂貴無法對每一束錨索單元體實施、無法測伸長值的問題；解決現(xiàn)有油壓表測讀和鋼絞線彈性伸長測量結合的“雙控法”精度低、勞動強度大、效率低及不能實時監(jiān)控的問題。其技術方案如下 錨索張拉自動監(jiān)控系統(tǒng)，包括千斤頂3及液壓系統(tǒng)，其特征是 (A)設置拉桿式位移傳感器2，通過夾具2.3安裝固定在千斤頂3缸體3.3上；位移傳感器活動桿2.1前端2.1A直接固定于活塞3.1；或者活動桿前端2.1A固定于裝于活塞前端的圓環(huán)3.5，圓環(huán)為軸向隨活塞移動，周向相對活塞轉動的圓環(huán)活接結構；位移傳感器信號輸出端經(jīng)長距離信號線2.4接數(shù)據(jù)采集模塊5輸入端。(B)在千斤頂回油管3.4上裝設壓力傳感器4，再經(jīng)壓力變送器4.1和長距離信號線4.2接設置的數(shù)據(jù)采集模塊5輸入端。(C)數(shù)據(jù)采集模塊5內有順次連接的信號調理電路5.1、模/數(shù)轉換器5.2和數(shù)據(jù)存儲器5.3。其中信號調理電路5.1有電流--電壓信號轉換和濾波器。數(shù)據(jù)采集模塊輸出端接設置的監(jiān)控儀主機6。(D)監(jiān)控儀主機6內設有中央處理器6.1、數(shù)據(jù)存儲器6.2和串行通訊口6.3。監(jiān)控儀主機6輸出端接電機驅動模塊7和自動存儲輸出系統(tǒng)8，或增設鍵盤、顯示屏和打印機。電機驅動模塊7輸出端接千斤頂液壓系統(tǒng)電機9控制回路。(E)自動存儲輸出系統(tǒng)8內有數(shù)據(jù)傳輸模塊8.1和U盤8.2。
上述位移傳感器活動桿安裝采用的圓環(huán)活接結構、兩傳感器選型及自動監(jiān)控系統(tǒng)編程控制方法等下面結合附圖詳細描述。
本發(fā)明有益效果①用先進的高精度傳感器代替千分尺和壓力表，進行自動測量，實現(xiàn)了量測手段的飛躍。位移傳感器設計量程200mm，同千斤頂活塞行程相同，設計精度0.5％，分辨率為0.2mm；用高精度陶瓷電容式壓力傳感器，0.5％精度壓力變送器。A/D轉換器精度達0.025。②用自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)代替人工測量，大大減少了量測誤差。③用功能強大的監(jiān)控系統(tǒng)對張拉施工過程進行實時的自動監(jiān)測和控制，削減了繁瑣的工序勞動。④用可靠的數(shù)據(jù)庫代替人工記錄對施工數(shù)據(jù)進行保存，保證了施工原始記錄的及時性和真實性。⑤用數(shù)據(jù)整理系統(tǒng)代替人工手動匯總，并對數(shù)據(jù)進行整理與分析，結合新版本錨固施工規(guī)范要求，可自動生成施工報表，實現(xiàn)施工報表規(guī)范化。⑥用傳統(tǒng)的錨索張拉一束錨索，油泵操作、鋼絞線伸長值測量及數(shù)據(jù)記錄需要三人，同時還需要進行繁瑣、冗長的數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析與計算。用自動監(jiān)控系統(tǒng)，只需要一人便可完成。若實現(xiàn)群錨張拉，可節(jié)省人工三分之二。⑦模擬信號調理電路5.1將電流信號變?yōu)殡妷盒盘柌⒊ジ蓴_信號以保證采集的錨索變形和張力失真率小。⑧活塞前端設圓環(huán)活接結構和環(huán)形防護。實現(xiàn)活動桿既可隨活塞移動，又可實現(xiàn)鋼絞線、活動桿旋轉，活塞不隨旋轉，不影響位移測量誤差和損壞傳感器。


圖1本發(fā)明錨索張拉自動監(jiān)控系統(tǒng)總布置示意圖 圖2張拉自動控制方法編程流程圖 具體實施例方式 本實施例按以下幾大部分，分別描述。
(A)位移測量見圖1，鋼絞線1穿過預應力千斤頂3中心，千斤頂型號為YDC 240Q，其內設有油缸3.3、活塞3.1、穿心套3.6、回程彈簧3.7、夾片3.8、錨環(huán)3.9、支撐套螺母3.10和支撐套3.11等。位移傳感器選拉桿式電感位移傳感器2，最大位移量200mm，精度0.1％，型號為H-250，位移傳感器2沿軸向通過夾具2.3安裝固定在千斤頂3缸體3.3上，夾具為兩個固定于位移傳感器外殼2.2并箍在缸體上的連接環(huán)2.3?；钊岸碎_凹形環(huán)槽，環(huán)槽內嵌入作為滑動軸承外圈的圓環(huán)3.5，活塞環(huán)槽底作為滑動軸承的軸頸3.5B，圓環(huán)和活塞摩擦面間裝高硬度及抗磨性材料的環(huán)形防護3.5A。當千斤頂液壓系統(tǒng)電機9啟動油泵11控制送油閥10，壓力油經(jīng)進油管3.2進入缸體內，活塞在油壓作用下拉鋼鉸線1，進行自動張拉，此時活塞相對缸體和位移傳感器軸向前移，活動桿也隨活塞的移動相對位移傳感器本體軸向移動，由此傳感器內線圈電感變化，位移傳感器產(chǎn)生位移電信號。若鋼絞線在張力作用下產(chǎn)生旋轉效應，則缸體3.3、位移傳感器2、活動桿2.1均隨之轉動，此時可帶動作為滑動軸承的圓環(huán)3.5轉動，而作為軸承軸頸3.5B即活塞3.1保持不轉，因此避免了測量誤差和傳感器損壞?；钊灰屏繛殇摻g線張拉彈性伸長值。位移傳感器將檢測的位移量轉換成電流信號，信號輸出標準4～20mA，經(jīng)長距離信號線2.4傳輸?shù)接布杉脚_，接入數(shù)據(jù)采集模塊輸入端2a、2b。當張拉完畢，千斤頂卸荷，夾片3.8自動拆開，工作鋼鉸線夾片自鎖，千斤頂?shù)葟匿摻g線上取出。
(B)張拉力測量見圖1，壓力傳感器選用陶瓷電容式壓力傳感器4，最大測量壓力60MPa，精度0.5％，型號為B0803。見圖1，在千斤頂3回油管3.4上裝設壓力傳感器4，它將測量的千斤頂油壓轉換成原始電信號，信號輸出端經(jīng)壓力變送器4.1，(壓力變送器精度為0.5％)，將壓力傳感器4原始電信號變成輸出標準為4～20mA電流信號，再由長距離信號線4.2傳輸?shù)接布杉脚_，再接入數(shù)據(jù)采集模塊5輸入端4a、4b。錨索張拉自動監(jiān)控系統(tǒng)可將測量的油壓(電信號)根據(jù)千斤頂活塞面積換算成張拉力，見如下?lián)Q算公式M＝KF-K0式中M--千斤頂3頂壓MPa，F(xiàn)--張拉力KN，K和K0---由千斤頂率定結果確定。
(C)數(shù)據(jù)采集及處理見圖1，數(shù)據(jù)采集模塊5內有順次連接的信號調理電路5.1、模/數(shù)轉換器5.2和數(shù)據(jù)存儲器5.3。輸入端2a、2b和4a、4b分別輸入錨索鋼絞線1的伸長值(即位移)和壓力的模擬信號，經(jīng)信號調理電路5.1將輸入的4～20標準電流信號轉換為1～5V標準電壓信號，再通過濾波器濾去除干擾信號。模/數(shù)轉換器5.2對濾波以后的模擬信號進行模/數(shù)(A/D)轉換(A/D轉換器精度達0.025％)，獲得的數(shù)字信號送入數(shù)據(jù)存儲器5.3；并設有采樣時鐘發(fā)生器5.4，產(chǎn)生同步時鐘信號控制設置的地址發(fā)生器5.5、模/數(shù)轉換器5.2和數(shù)據(jù)存儲器5.3使其嚴格按時序進行工作；地址發(fā)生器向數(shù)據(jù)存儲器5.3提供地址信號。
(D)張拉自動控制見圖1，設監(jiān)控儀主機6，其內設有中央處理器6.1、數(shù)據(jù)存儲器6.2和串行通訊口6.3。其中中央處理器6.1采用處理速度達每秒1百萬條指令。數(shù)據(jù)存儲器6.2可為電子硬盤。為顯示和打印出位移和張拉力有關數(shù)據(jù)，增設小型打印機6.6、顯示屏6.5、鍵盤6.4。監(jiān)控儀主機6輸出端接電機驅動模塊7和自動存儲輸出系統(tǒng)8，電機驅動模塊7通過長距離信號線7.1接電機9。進油管路3.2中裝送油閥10，通過控制電機9控制送油閥10開度實現(xiàn)自動張拉，監(jiān)控儀主機6根據(jù)錨索施工規(guī)范或施工技術要求中規(guī)定的張拉加載速率、持續(xù)穩(wěn)壓時間等向電機驅動模塊7發(fā)出信號，控制電機9的方向和速度達到控制油壓的目的。千斤頂液壓系統(tǒng)中還有油泵11和油箱12等。
(E)自動存儲輸出系統(tǒng)8內有數(shù)據(jù)傳輸模塊8.1和U盤8.2；其數(shù)據(jù)傳輸模塊8.1和上面的串行通訊口6.3均按V282傳輸協(xié)議要求設計，保證數(shù)據(jù)在惡劣工況下穩(wěn)定、準確地傳輸。本系統(tǒng)有實現(xiàn)報表、圖表處理的數(shù)據(jù)庫軟件系統(tǒng)。
見圖2，張拉自動控制通過編程控制，其程序包括如下步驟 1)‘準備張拉’；2)‘傳感器異?！?兩傳感器3和4有輸出電信號)；若有(Y)則張拉在進行，一直到‘結束張拉’；若無(N)，則進行3)‘開始張拉’；通過控制電機控制送油閥10開度實現(xiàn)；4)‘加載油壓’監(jiān)控儀主機6根據(jù)張拉加載速率控制電機9的方向和速度實現(xiàn)；5)‘P≤P1？位移增加？’當P≤P1是(Y)，位移沒有增加(N)，則為(YN)回到加載油壓；當P≤P1不是(NY)，位移有增加(YY)，則暫停加壓；當P≤P1不是(NY)，位移沒有增加，則為(NN)，進行6)；P1為某加載時間內設定的不斷變化油壓值；6)‘P0≤P≤P0+0.5’當不是(N)則回到加載油壓，當是(Y)則預緊完成；P0為預緊油壓；7)‘預緊完成’同時‘存儲數(shù)據(jù)’；8)‘加載油壓’；9)‘P≤P1？位移增加？’當P≤P1是(Y)，位移沒有增加(N)，則回到加載油壓；當P≤P1不是(NY)，位移有增加(YY)，則暫停加壓，當P≤P1不是(NY)，位移沒有增加，則為(NN)，進行10)；10)‘P≤P2+0.1’，當是(Y)則回到加載油壓，當不是(N)則進行11)；P2為張拉該循環(huán)最大油壓；11)‘開始穩(wěn)壓計時T0≤T’；12)‘結束張拉’。
權利要求
1.錨索張拉自動監(jiān)控系統(tǒng)，包括千斤頂(3)及液壓系統(tǒng)，其特征是
(A)設置拉桿式位移傳感器(2)，通過夾具(2.3)安裝固定在千斤頂(3)缸體(3.3)上；位移傳感器活動桿(2.1)前端(2.1A)直接固定于活塞(3.1)；或者活動桿前端(2.1A)固定于裝于活塞前端的圓環(huán)(3.5)，圓環(huán)為軸向隨活塞移動，周向相對活塞轉動的圓環(huán)活接結構；位移傳感器信號輸出端經(jīng)長距離信號線(2.4)接數(shù)據(jù)采集模塊(5)輸入端；
(B)在千斤頂回油管(3.4)上裝設壓力傳感器(4)，再經(jīng)壓力變送器(4.1)和長距離信號線(4.2)接數(shù)據(jù)采集模塊(5)輸入端；
(C)設置的數(shù)據(jù)采集模塊(5)內有順次連接的信號調理電路(5.1)、模/數(shù)轉換器(5.2)和數(shù)據(jù)存儲器(5.3)；數(shù)據(jù)采集模塊(5)輸出端接設置的監(jiān)控儀主機(6)；
(D)監(jiān)控儀主機(6)內設有中央處理器(6.1)、數(shù)據(jù)存儲器(6.2)和串行通訊口(6.3)，監(jiān)控儀主機(6)輸出端接設置的電機驅動模塊(7)和自動存儲輸出系統(tǒng)(8)；電機驅動模塊(7)輸出端接千斤頂液壓系統(tǒng)電機(9)控制電路；
(E)自動存儲輸出系統(tǒng)(8)內有數(shù)據(jù)傳輸模塊(8.1)和U盤(8.2)。
2.按權利要求1所述錨索張拉自動監(jiān)控系統(tǒng)，其特征是所述圓環(huán)活接結構為活塞前端開凹形環(huán)槽，環(huán)槽內嵌入作為滑動軸承外圈的圓環(huán)(3.5)，活塞環(huán)槽底作為軸承軸頸(3.5B)，圓環(huán)和活塞摩擦面間裝高硬度及抗磨性材料的環(huán)形防護(3.5A)。
3.按權利要求1所述錨索張拉自動監(jiān)控系統(tǒng)，其特征是監(jiān)控儀主機(6)內設顯示器(6.5)、鍵盤(6.4)和打印機(6.6)。
4.按權利要求1所述錨索張拉自動監(jiān)控系統(tǒng)，其特征是位移傳感器選用拉桿式電感位移傳感器(2)，最大位移量200mm，精度0.1％；信號線標準為4～20mA。
5.按權利要求1所述錨索張拉自動監(jiān)控系統(tǒng)，其特征是壓力傳感器選用陶瓷電容式壓力傳感器(4)，最大測量壓力60MPa，精度0.5％；壓力變送器(4.1)精度為0.5％，信號線標準為4～20mA。
6.按權利要求1所述錨索張拉自動監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控方法，其特征是該方法為編程控制，包括如下步驟
1)‘準備張拉’；2)‘傳感器異?！粲?Y)則張拉在進行，一直到‘結束張拉’；若無(N)，則進行3)‘開始張拉’通過電機(9)控制送油閥(10)開度實現(xiàn)；4)‘加載油壓’監(jiān)控儀主機根據(jù)張拉加載速率控制電機的方向和速度實現(xiàn)；5)‘P≤P1？位移增加？’當P≤P1是(Y)，位移沒有增加(N)，則為(YN)回到加載油壓；當P≤P1不是(NY)，位移有增加(YY)，則暫停加壓；當P≤P1不是(NY)，位移沒有增加，則為(NN)，進行6)；P1為某加載時間內設定的不斷變化油壓值；6)‘P0≤P≤P0+0.5’當不是(N)則回到加載油壓，當是(Y)則預緊完成；P0為預緊油壓；7)‘預緊完成’同時‘存儲數(shù)據(jù)’；8)‘加載油壓’；9)‘P≤P1？位移增加？’當P≤P1是(Y)，位移沒有增加(N)，則回到加載油壓；當P≤P1不是(NY)，位移有增加(YY)，則暫停加壓，當P≤P1不是(NY)，位移沒有增加，則為(NN)，進行10)；10)‘P≤P2+0.1’，當是(Y)則回到加載油壓，當不是(N)則進行11)；P2為張拉該循環(huán)最大油壓；11)‘開始穩(wěn)壓計時T0≤T’；12)‘結束張拉’。
全文摘要
錨索張拉自動監(jiān)控系統(tǒng)及監(jiān)控方法。被張拉的鋼絞線穿過千斤頂中心，并在缸體外裝拉桿式位移傳感器，同時在回油管上裝壓力傳感器，將測量的位移和油壓轉換為電信號，經(jīng)長距離傳輸?shù)接布脚_，順次設數(shù)據(jù)采集模塊，含中央處理器、數(shù)據(jù)存儲器和串行通訊口的監(jiān)控儀主機、電機驅動模塊和數(shù)據(jù)自動存儲輸出系統(tǒng)。用編程控制，用電機控制送油閥開度實現(xiàn)自動張拉，再由張拉速度和油壓信號控制電機轉動方向和速度，達到控制油壓。實現(xiàn)了錨索張拉自動實時監(jiān)控、反饋、自動記錄和打印報表圖表，不僅大大降低勞動強度和提高效率，且有效保障錨索施工質量。用先進的高精度傳感器代替現(xiàn)有千分尺和壓力表，實現(xiàn)量測手段飛躍。用于需預應力施加—錨索張拉的巖土工程中。
文檔編號G05B19/048GK101266473SQ20081004427
公開日2008年9月17日 申請日期2008年4月22日 優(yōu)先權日2008年4月22日
發(fā)明者羅建林, 蔣曉春, 李正兵 申請人:中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司, 北京中大華瑞科技有限公司