專利名稱：激光絲弦張力測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光絲弦張力測量儀，屬量測技術(shù)領(lǐng)域。
在各國高能物理實驗室普遍使用、獲諾貝爾獎的多絲室中，通常有十幾萬根以一定張力繃緊的細(xì)絲。張力過大易斷，張力過小不直。需在制作過程中測定絲的張力。其它一些科研和工程中，也存在測定絲弦張力的問題。
目前比較常用的已有技術(shù)是電磁共振法，以磁鐵靠近被測絲，給被測絲通過一定頻率的電流，調(diào)節(jié)電流頻率使絲在磁場中共振；由絲長，絲的單位長度質(zhì)量和測得的共振頻率可以計算出絲的張力。另一種方法是將絲置于強電場中，調(diào)節(jié)絲上電壓頻率來產(chǎn)生電力共振。這兩種方法的缺點是必需向絲中通過一定頻率的電流來產(chǎn)生強迫振蕩，因而，需解決電流接入、接出的接觸問題和絕緣問題；每測一根絲要更換一次連接。為觀察是否達(dá)到共振要目測或用示波器測，并需反復(fù)調(diào)節(jié)頻率尋找共振，還要區(qū)別是諧波共振還是基波共振，費時費力，尤其是在有大量絲需要測量時。
本發(fā)明的目的是利用激光束在振動絲上的反射來測量絲的振動波形，進(jìn)行數(shù)字化后，由專門設(shè)計的信號處理軟件分析出基波頻率而不必人工去確定頻率。所設(shè)計的信號處理軟件能分析自由振蕩，可采用簡單機械激勵方法產(chǎn)生自由振蕩，不必尋找共振，也免除測每一根絲時要引入音頻電流的接線麻煩。
本發(fā)明設(shè)計的激光絲弦張力儀，由測量機構(gòu)和光電信號處理系統(tǒng)二部分組成。測量機構(gòu)由機架、激光器和光電傳感器組成。機架包括機座、立柱、升降模塊、滑桿、測量模塊。激光器和光電傳感器固定在測量模塊上，測量模塊置于滑桿上，滑桿固定在升降模塊上，并與被測絲相垂直，升降模塊置于立柱上。光電信號處理系統(tǒng)包括用以將光電傳感器輸出電流放大和轉(zhuǎn)換的前置放大器，用以濾除光電傳感器高頻噪聲的濾波放大器，用以將濾波后信號進(jìn)一步放大的主放大器，用以接收濾波信號并進(jìn)行信號數(shù)字化的模數(shù)變換器以及控制碼寄存器。
本發(fā)明利用人手彈撥、機械壓彈和氣流噴吹等方法，使被測絲激勵和產(chǎn)生自由衰減振蕩，不需向被測絲引入任何交變電流。免除更換接觸和保持絕緣等問題。由于利用自由振蕩，不存在尋找共振頻率的麻煩。測量速度快，靈敏度高。


圖1是本發(fā)明的機械結(jié)構(gòu)原理圖。
圖2是圖1的側(cè)示圖。
圖3是本發(fā)明的電信號處理系統(tǒng)電路圖。
圖4是激光絲弦張力測量原理圖。
圖5是本發(fā)明測量儀光路圖。
圖6是光電信號測量波形圖。
下面結(jié)合附圖，詳細(xì)介紹本發(fā)明的內(nèi)容。激光絲弦張力測量儀的機械結(jié)構(gòu)，如圖1和圖2所示。圖1和圖2中，1是機座，2是立柱，3是升降模塊，4是滑桿，5是測量模塊，6是激光器，7是光電傳感器，8是被測絲。激光器6和光電傳感器7固定在一個可在兩根滑桿上移動的測量模塊5上，滑桿4的方向與被測絲8垂直。移動測量模塊，可將激光束對準(zhǔn)被測絲?；瑮U固定在兩端的升降模塊3上，調(diào)節(jié)升降模塊在立柱2上的位置可以改變激光束和絲的距離，使絲在靜止位置的反射光正好進(jìn)入光電傳感器的靈敏區(qū)。立柱則固定在各自的機座1上。必要時，可以在滑桿4上并排安裝多個探頭模塊而實現(xiàn)一次測量多根絲弦的張力。
本測量儀的測量原理如圖4所示。圖4中，7是光電傳感器，8是被測絲。由激光器產(chǎn)生的激光束照射到被測絲上，反射的激光由光電傳感器(光電二極管)接收。絲弦靜止不動時，反射激光束正好照射到光電二極管靈敏區(qū)。光電二極管輸出電流最大。當(dāng)絲弦受激勵(彈撥、電磁激勵或機械壓彈)而產(chǎn)生振蕩時(圖中以虛線表示絲弦的振蕩范圍)，反射激光束在光電二極管靈敏區(qū)附近擺動。光電二極管輸出電流的大小隨之周期變化。光電二極管輸出信號的波形反映絲弦的振蕩波形，經(jīng)前置放大器放大后進(jìn)行信號處理和數(shù)據(jù)處理，可以計算出絲弦振蕩的基波頻率f0。由下述公式，可以計算出絲弦張力TT＝4f02L2ρ其中L為絲弦長度(可自由振蕩部分的長度，m)；ρ為絲弦單位長度的質(zhì)量(kg/m)。
對于有阻尼的自由振蕩，其振蕩頻率f略小于固有振蕩頻率f0f=f0[1-1(ωτ)2]12]]>其中ω＝2πf0，τ為振蕩的衰減時間常數(shù)，可以由實際振蕩波形在達(dá)到單純衰減振蕩時的振幅衰減情況確定。由于絲弦在空氣中振蕩的阻尼不大，通常衰減時間常數(shù)τ以秒計。在絲弦繃直而不產(chǎn)生懸垂時，f0大于幾十赫茲，ωτ大于100，f與f0差別不超過0.005％。所以，用測定絲弦自由衰減振蕩的頻率f來替代其固有諧振頻率f0，對確定絲弦張力的誤差通常不超過十萬分之五。
圖5為實際的光路圖，圖5中，7為光電傳感器，8為被測絲，9為底面，10為反射光環(huán)。激光束照射到圓形被測絲上產(chǎn)生圓形反射光環(huán)。帶有準(zhǔn)直器(遮光器)的光電傳感器只接收光環(huán)的一部分。被測絲振動時，光環(huán)的移動改變光電傳感器輸出電流的大小。投射到絲弦下方的底面材料上的激光也會產(chǎn)生反射。當(dāng)?shù)酌娌牧瞎饣瑫r，反射光集中但偏離光電傳感器；底面材料粗糙時，其漫射光大部分被遮光器遮擋。因而，在被測絲距底面幾毫米以上時，反射光的干擾影響不大。
如圖5所示，光電傳感器接收的是反射光環(huán)的一部分。在絲的振動方向不同時，光環(huán)在光電傳感器靈敏面積上移動的情況不同。所接收的光的強弱變化不同。所以，在外加激勵不規(guī)范時(例如采用手工彈撥時)，光電傳感器輸出信號的波形并不一致。要求信號處理系統(tǒng)能適應(yīng)這種情況。另外，在外加激勵不規(guī)范時，絲的起振過程也不相同。(如圖6中的虛線)；需等達(dá)到接近理想的衰減振蕩時才能測定其振蕩頻率。
本發(fā)明的信號處理系統(tǒng)為避免采用復(fù)雜的程序去識別不規(guī)范的起振階段，采用了先將信號波形采樣和數(shù)字化，然后進(jìn)行數(shù)字處理。不管絲的起振情況如何，振動方向如何，在輸出的振蕩信號快衰減到零時的振蕩波形是幾乎一樣的。本發(fā)明設(shè)置了兩個閾值大于零的上閾和小于零的下閾。當(dāng)絲弦受激勵而開始振蕩時，信號超過上閾時就開始采樣，將全部波形進(jìn)行數(shù)字化記錄。然后逆數(shù)據(jù)流方向(逆時間軸)尋找，第一個超出上下閾的信號記為1(圖6右方)，向左越過n個信號達(dá)到信號幅度足夠大處，在一定時間范圍內(nèi)計算信號過零點次數(shù)，以平均周期求出振蕩頻率。這樣的處理結(jié)果，在用手工彈撥來產(chǎn)生激勵時，其重復(fù)性也可以達(dá)到±0.5％的精度。
本測量儀的光電信號處理系統(tǒng)電路圖如圖3所示。A1為前置放大器，A2為濾波放大器，A3為主放大器，A1、A2和A3直接和光電傳感器聯(lián)在一起，裝在圖1的測量模塊上。前置放大器A1將光電傳感器D的輸出電流放大和轉(zhuǎn)換為輸出電壓。濾波放大器A2用輸入端的RC積分電路濾除光電傳感器的高頻噪聲。濾波后的信號由主放大器A3進(jìn)一步放大，由電位器VR調(diào)節(jié)A3的放大倍數(shù)，使其輸出信號幅度在D接收的光照最大時達(dá)到5V。A3的輸出信號由電纜送到具有“采樣/保持”功能的模數(shù)變換器ADC0809的一個模擬信號輸人端IN-0，計算機提供的時鐘信號CLK1經(jīng)過分頻電路74LS393將頻率降低到CLK1的1/8后作為波形采樣的時鐘信號，輸入到ADC的CLOCK輸入端。計算機的數(shù)據(jù)獲取端口控制信號313H在IOR為低電平時使ADC的ENABLE端為高電平，使ADC可以工作。當(dāng)啟動的控制電平312H在信號IOW為低電平時啟動ADC(START)，ADC即把采樣時刻的幅度值變換成數(shù)碼，由輸出數(shù)據(jù)總線D0～D7送住計算機。
圖3中的ADC是可以同時接收多達(dá)8個波形信號，8個波形信號分別輸入到IN-0至IN-7，用于多探頭系統(tǒng)同時測量多根絲弦的振蕩。ADC輪流將這8個波形的信號數(shù)字化，由計算機程序發(fā)出的加到寄存器74232的三位控制碼D0、D1和D3進(jìn)行控制。此控制碼在啟動ADC變換時傳送到ADC的輸入選擇端ADD-A，ADD-B和ADD-C，用于選擇IN-0到IN-7中某一路波形信號進(jìn)行變換。
波形信號變換和記錄完畢，計算機軟件即啟動上述數(shù)據(jù)處理過程，顯示出所測波形(圖6下方)和計算機出絲弦的自由振蕩頻率和張力。
權(quán)利要求
1.一種激光絲弦張力測量儀，其特征在于該測量儀由測量機構(gòu)和光電信號處理系統(tǒng)二部分組成；其中所述的測量機構(gòu)由機架、激光器和光電傳感器組成，機架包括機座、立柱、升降模塊、滑桿、測量模塊；激光器和光電傳感器固定在測量模塊上，測量模塊置于滑桿上，滑桿固定在升降模塊上，并與被測絲相垂直，升降模塊置于立柱上；所述的光電信號處理系統(tǒng)包括用以將光電傳感器輸出電流放大和轉(zhuǎn)換的前置放大器，用以濾除光電傳感器高頻噪聲的濾波放大器，用以將濾波后信號進(jìn)一步放大的主放大器，用以接收濾波信號并進(jìn)行信號數(shù)字化的模數(shù)變換器以及控制碼寄存器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種激光絲弦張力測量儀,該測量儀由測量機構(gòu)和光電信號處理系統(tǒng)二部分組成。測量機構(gòu)由機架、激光器和光電傳感器組成,激光器和光電傳感器固定在機架的滑桿上,并使滑桿與被測絲相垂直。信號處理系統(tǒng)由前置放大器、模數(shù)變換器和寄存器等組成。本發(fā)明采用機械激勵方法產(chǎn)生自由振蕩,不必尋找共振,免除測每一根絲都要引入音頻電流的接線麻煩。測量速度快,靈敏度高。
文檔編號G01L5/04GK1174989SQ9710445
公開日1998年3月4日 申請日期1997年6月6日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月6日
發(fā)明者王經(jīng)瑾, 汪富貴 申請人:清華大學(xué)