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1、船队钢缆测试系统 丁生奇 ( 交通部西南水运工程科学研 究所， 重庆4 0 0 0 1 6 ) 摘 要介绍一种附 着式 ( 并 联型) 钢缆拉力 传感器及其由单片微机组成的测试系统。 论述了传 感器测量原理、 设计方法， 微机测试系统的组成，以及在葛洲坝大江航道航行船队的钢缆测试应用实例. 关键 词并联型钢缆传感器，微机接口硬件与软件，应用实例 前言 钢缆受拉所 产生的应力通常可采用串联型 拉力传感器、 应变仪、光 线示波器组成的 测试系统测量。 此测量方法简单， 但使 用设 备多， 设 备笨重， 测试点 少， 测 试结果不便于 数据处理， 己 不能 适应现代测量的要求。 特别是 测量航行中船
2、队 连接 钢缆 受力 情况， 由 于 船队的编组方式已确定，通常不允许解缆 ( 尤其是重载情况下) 安装传感器，因此不能采 用这种测量方法。 鉴于上述情况， 为了 船队 钢缆测试的 需要，我们设计了 一种附着式 ( 并联型) 钢缆 应力传感器，并研制了 与其配套的微机多点自 动测试系统。 应用该系统测量钢缆受力情况时，只需将 传感器并联安装 在钢缆 上，由电缆直接连 接单片微机测试系统。 由 于采用的 是并联式传感器， 因 而可以 在受 力钢缆不 解缆的情况下 自由 装卸传感器， 而不影响航行船队编组肮行。 微机测试系统可同 步1 6 路钢缆自 动测量， 直读钢缆受力值，绘制受力 过程线，并打
3、印铡量结果. 该系统在葛洲坝大江航道船队上实船测试中 取得了 较满 意效果。 下面介 绍附 着式传感 器结 构原理、设计 方法， 微机测 试部分的接口、 微 机硬件与软件，以 及在葛洲坝大江实 船 测 幸 时 应 用 结 果 2 并联型钢缆测力传感器结 构及设计原理 如图 1 为 传感器结构原理图。 传感器采用弹 簧钢板浇制成山字型， 传感器中间两边分 2 7 7L _ _ 别有两螺帽， 及压板用于固定 被测钢缆， 因 而在不解缆情况下可任意装卸传感器。 传感器 两端上 下分别贴有应变片。当 钢缆受力时，拉 直的钢缆抵住传感器两凸端，而传感器中部钢缆 则产生相反 方向的作用力， 使传感器 产生
4、 对称变 形，两端上下应变片分别产生拉伸应变。 应变量 通过导线直接输入微机测试部分输入端，进行放图 工 传感器结构 大， 数据原理图 采集。 该应变量同钢缆受力大小成线性关系， 并同应变片粘贴的位置有较 大的关系。现简要分析如下: 图2 为传感器简化后情况， 相当于两端固定梁的结构形式。 如集中 力F 作用于传感器 的中点 O时 ( 相当 于钢缆受 力时，固定在中间螺帽处的钢缆对传感器中 点施加的外力) 应力在传感器上的分 布为距O点 距离X的函数，可推导简化为: 3 F L 厂 1 x 。 ， = b h 2 反一 习 式中:b 一传感器宽 ( 2 - 1 ) a应力 L - 一 传感器长
5、 卜 一- 传感器厚 因为: 式中: 所以: 6 x =s x E ( 2 - 2 ) 6 ， 一应变值; E -弹性模最 二 _3F L _1Eb h2 C4 一 x )L 式 得 ， 当 。 万 L 时 。 、 = 。 ; 当 X = 月 L 时 ， 由 ( 2 - 3 ) “ 含 3 F L 4 E b h 2 当X = O时， 3 FL e 0 = 4 瓦h 2 定 均为常量 ， 所以 应变最大 处在传感的两端和中点。 由于设计时传感器b , L , h , E己 确 所以F同它 成线性关系。 ( 2 - 3 ) 式中F 是钢缆受拉时的对传感器中 心产生 的合力，钢缆实际受力 F由下式
6、换算: 2F F = s i n甲 ( 2 - 4) 2 7 8 式中:甲 传感器同钢缆夹角。 传感器设计时，考虑应变片有一定长度，应按应变片长度方向的平均值计算应力。设 。 为 应 变 片 平 均 应 变，。 。 为 传 感 器 中 点 处 应 变， a 为 应 变 片 长 度， 则 由( 2 - 3 ) 式 得 : 。3 F L( I x 、 _ I !- ， = I 一一- I d x 一 ”Eb h 4L/ 1 i x d x 3 F L厂 ， a l _ 厂 ，a 、 一 4 E b h 2 l 一 习 “ 6 0 l ， 一 习 ( 2 - 5 ) 由 此 可 知 ， ” 感 器
7、平 均 应 “ 的 “ 小 “ _aL “ 关 。 由 于 “ 感 器 中 心 己 用 来 固 定 钢 缆 ， “ 了获得较大输出信号，通常应变片粘贴在传感器两端，传感器的厚度 h较大影响应变量， 太薄应变输出大，但传感器两臂挠度太大会产生误差， 太厚应变量太小， 2 通 常 取 h 之 万 D !R p iaD为钢缆 0000 八今，、 直径。 图3 为测量桥压 1 0 V时传感输出特性。 3 系统结构 如图4为系统结构框图。图3 传感器输出 特性 传感器接成全桥形式，输出 信号经多路开关， 可编程放大器，1 2 位A / D转换至微型 计算机。 应变式电桥传感器通常 采用交流电 桥源， 由
8、于 集成电 路技术的进步， 低漂移运放和高 精度 直流电 源模块的出 现， 近年来先 进的 测试系统多采用直流电桥， 所以本 系统传感器采 用不平衡直流电 桥电路， 其测试桥源采用Y M 9 0 6 0 高精度集成稳压模块。 多 路模拟开关采 用4 片A D 7 5 0 3 同仪用放大器连接成1 6 路双端输入放大电 路。 系 统采用定时中断采样由 地址寄存器分 别选通其中一通道进行放大，经 采保电 路A D 2 7 9 5 8 2 和 1 2 位A / D转换器A D 5 7 4 完成数据的采集。C P U采 用i n t e 1 8 0 9 8 单片机、 R O M, 气月嗽职叽留卜臼州
9、户 R A M 1 2 8 K B ,视频发生器 MC 6 8 4 7 作 C R T控制器，有效显示窗C 7 为2 5 6 X 1 9 2 .显示器采 用于 5 英寸小型视频显示器，整机显 l e .r l 示器、主机电源、传感器桥源、C P U 主板、A / D板采用一体化结构，安装 在同一机箱内以便于野外使用。 4 信号处理e / - 图4系统结构原理图 众所周知应变式传感器普 遍存在零漂、 蠕动、 非线性等问题。 生产传感器厂家通常在 桥路中 加上多 种补 偿元件， 以 提高 传感器性能， 但增加了 造价。 本系统除了 在电路上设 计 预平衡调节外 ( 粗调)，主 要是软件上采 取多种
10、补偿措 施。 主要有: ( 1 ) 调零软件， 若 预平衡调校后仍有微信号 输出， 系统数据采集时将自 动减去 这一初 始值， 从而使调零非常 方便; ( 2 ) 滤波软件， 每中 断一次采 样2 - 4 次取其均值; ( 3 ) 温度补 偿软件; ( 4 ) 非 线性补偿软件，由弹性元件、应变片电桥引起的综合非线性，采用最小贰乘法补偿。 5 系统软件 本系 统设计了4 个同 操 作人员有良 好人机对话界面软 件，分别是; ( 1 ) 传感器率定 模块，现场测试传感器参数，将测量值量化，并键入计 算的K , C 值 ( K , C值分别为传 感器 放大倍数及常量) ，自 动记 忆零点值。改 换
11、通道号可 分为别率定 1 6 路传感器; ( 2 ) 设 定测试参数模块，通过画 面可 键入 本次采 样频率 ( 本系统采样频率可在 l O m s - - - 1 0 0 0 m s 内 任意设定)，上下限量程 等测 试参数; ( 3 ) 现场测试模块: 产生中 断进行数据采集， 量化保存数据， 显示瞬时应 力， 并绘制测试应力过 程线数据处理、 显 示极大 值极小值平均 值等。画 面具有加标尺加横 条绘图打印等功能。通过键盘可 切换到作 任一通道; ( 4 ) 现 场监测显示 模块，同 屏显示1 6 路瞬时钢缆受力值， 便于直读各路受力情况。 以上4 个模块均采用中 文下 拉菜单方式操 作
12、， 便于掌握使用。 2 8 0 6 应用实例 葛洲 坝大 江下游口门 区航道位于大坝 右侧紫阳河至笔架山弯道凹岸， 由 于受大江电 站 尾水和二江泄水闸流折冲的影响.航道在洪水时流态紊乱，波浪汹涌，对船队安全航行造 成一定威 胁， 限制了一号 船闸的运行。 为了研究涌浪 时对肮行船队钢缆受力的 影响， 我所 受委托应用该测试系统对长江重庆轮船公司和宜昌 港拖轮顶推三驳船队作了 拖驳间连接 钢缆受力实 船测试。 图5 为由本系统测 试绘制的 长江重庆 轮三驳船队， 在毕家山一大江 船 闸导航墙段 主缆实测受力过 程线。 9 5 . 1 6 . 0 9 ! 3 1 5 之 ; 1上 游 M 1 1 9 8 2 碱 图5 长江重庆轮三驳船队主缆上行受力过程线 参考文献 袁希光 传感器技术手册.国防工业出版社，1 9 8 6 年 李科杰 传感技术 . 北京理工大学出版社，1 9 8 9 年 丁生奇 黄石长江主墩大桥主墩钢围堰下 沉模拟试验钢缆系统及测控技术 中国 科学 技术文库， 1 9 9 7 年 程道喜等 传感器的信号处理及接口 北京科学出版社，1 9 8 9年 刘振安等 MC S - 9 6 系列单片微机原理与实践 合肥中国科技大学出 版社，1 9 9 1 年 2 8 1
