钢索张力智能检测仪的设计

　　1　引　　言

　　在工程中常用张紧的钢索来进行承载、运输、牵引等作业,为了准确地测量出钢索的张力,以满足工程设计的要求,最好有一种能在线检测钢索张力的检测器,这无论对工程的质量评估,还是状态监测,都具有重要的工程实际意义。目前常采用的方法是利用传感器拾取钢索在脉冲激励下的振动信号,然后脱机借用频谱分析仪或其他仪器进行数据分析[1],这种方法实时性较差,不能实现在线数据处理;也有采用脉动法通过测量钢索的自振频率来测得张力[2],由于随机激励(如风等)引起的自振信号非常微弱,振幅范围为0.1～1um,频率为0.05～2Hz,给信号拾取和精确测量带来一定的难度。本文提出一种在线智能检测方法,用击振法使钢索起振,根据弦振动模型,通过单片机实时处理,在信号处理过程中采用了程控放大和程控滤波,具有电路实现简单,适用范围广等特点。

　　2　在线智能检测仪的原理

　　钢索振动的固有频率的确定是利用这样一个原理,即信号功率谱的峰值发生在相当于体系固有频率的频率处,求得功率谱的峰值即可知钢索的固有频率。在线智能检测仪是用软榔头敲击钢索使钢索引起振动,当敲击引起的振动与钢索共振时所对应的频率即为钢索的固有频率。而敲击位置的确定和信号的接收与处理是检测仪实现的关键所在。

　　2.1　钢索张力的计算

　　两端铰支张紧的匀质钢索,若自重相对内力可以忽略不计,钢索的振动方程为:

　　(2)式中l为钢索的长度,n为自然数,fn为钢索自由振动时的第n阶固有频率。当钢索的弯曲刚度EI为0或弯曲刚度与索长的平方相比可以忽略不计时,得钢索的张力T和固有频率fn之间的关系:

　　(4)式中的fl为第一阶固有频率。从(3)、(4)式说明,钢索的振动是多自由度的振动模型。张力T除了与钢索本身有关外,还与第n阶固有频率有关,只要知道固有频率,即可求得张力;在忽略弯曲刚度的情况下,钢索的第n阶固有频率是第一阶固有频率fl的n倍,或者说,任意两次相邻固有频率之差等于第一阶固有频率。根据这一特征,利用频谱分析即对信号进行离散傅立叶变换,从频谱中求得前n阶的固有频率或相邻峰值对应的频率之差值,从而得到钢索的张力。

　　2.2　激振位置的确定

　　由(2)式可知,随着n的增加,钢索的弯曲刚度不容忽视,为了使测量值与实际值更接近,n不能取太大,也就是低频段的固有频率具有更大的实用意义。由文献[3]可知,各阶固有频率对应的信号峰值距离钢索的一端位置为L/(2n),可以看出低阶固有频率的响应信号,其幅度在钢索的两端很微弱,有可能无法识别,n应取大一点。鉴于以上的矛盾,要求在设计过程中,首先要选定固有频率的阶次n;其次要提高传感器的灵敏度,尽可能能够拾取第一、二阶固有频率的信号。也可适当加大激励能量,提高信噪比。