專利名稱：構件載荷的測量系統、測量裝置和測量傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量構件中的載荷、應力和/或材料疲勞的系統。本發明還涉及一種適用于所述系統的測量單元和測量傳感器。本發明尤其適用于測量船體內的應力和載荷。
常規的方法包括將測量傳感器固定在船體上來測量構件的局部變形。
圖1表示了船體主甲板10的俯視圖，以及測量傳感器11、12、13和14在船體主甲板上的典型布置。典型使用的測量傳感器是大約1到2米的鋼條，例如通過焊接，穩固地固定在船體主甲板上，并且鋼條一端固定而另一端可軸向移動。在連接處，例如設置有一個位移傳感器以測量相對位移。測量傳感器的鋼條的長度要至少等于上述的長度，以便使鋼條的相對位移足夠大(典型地最大為+/-5毫米)并且使變形的測量足夠精確。
在常規的方法當中，測量傳感器獲取的弱信號傳到測量系統的中心單元，在此，從傳感器接收的信號被放大并轉換為數字形式，并進行數學信號處理。現有各種不同的標準信號處理模型可以通過測量結果得到臨界變形的最佳的可靠檢測。這類模型包括頻率范圍分析和所謂的Rainflow分類。Rainflow分類在美國材料實驗協會(ASTM)的E1049-85標準(1990年重新通過)中有詳細說明。
上述在先技術的系統存在一些缺陷。首先，該系統已經設計有給定數量的標準測量傳感器，因而如果需要時不能提供另外的測量傳感器。這是由于系統的中心處理單元的計算容量以及接口已經限定于特定數量的測量傳感器的事實。存在這樣的情況，即正常數量的測量傳感器不夠，比如在雙體船上，相比于通常有4個測量傳感器的“常見”船體，雙體船需要更多的測量傳感器，例如60套。
其次，在先技術的系統存在由于測量傳感器和中心處理單元之間很長的測量線而引起的干涉問題。通過保護測量線纜很難避免這種問題，因為從測量傳感器傳輸的信號是低頻模擬信號。
另外，在先技術的測量傳感器還存在校準麻煩的問題。一個原因是大量測量傳感器從船體的繁重的拆卸，而另一個原因是大型測量傳感器比較于校準狀態下當固定在船體時運轉有差異。因此，難于達到精確和可靠的校準。發生故障的測量傳感器的替換也很難處理。
一個發明方面是測量傳感器單元，即測量系統的測量單元，包括處理來自傳感器的信號的裝置，從而可以將完整的數學測量結果由測量單元傳輸到中心處理單元。按此方式，中心處理單元不需大計算能力，而且這種容量需求也不直接依賴于所用的測量傳感器的數量。這樣，測量傳感器的數量可以方便地增加。另外，測量單元和中心處理單元之間線纜引起的干涉的負面影響將會減小，這是因為要傳輸的信號是數字信號并且如果需要可以重復傳輸。
第二個發明方面是測量傳感器具有機械特征，使得它方便地連接到被測構件或從被測構件拆卸下來。此例中，被測構件優選地含有一個用于固定測量傳感器的底座。測量傳感器可以在離開被測構件時校準，并且被測構件上的測量傳感器的運轉與在校準條件下的運轉幾乎一致。
再一個發明方面是由傳感器部件以及應變儀組裝成測量傳感器從而變形可傳遞到應變儀，該應變儀固定在傳感器部件的彈性區。彈性區優選地由傳感器部件上的雙H開口部分構成。此外，傳感器優選地包括一個第二應變儀用于溫度校準，該第二應變儀固定在傳感器部件不發生變形的部分。按此方式，提供一種小型但高精度的測量傳感器，該傳感器在校準時便于處理。
本發明所述的用于測量構件載荷的系統包括一個中心處理單元和至少一個測量單元，其特征在于，測量單元包括—測量傳感器，用以將構件變形轉換為電信號；—將所述信號轉換為數字信號的裝置；—數字信號的數學處理裝置；以及—將處理結果傳輸到中心處理單元的裝置，中心處理單元包括用于接收和收集由至少一個測量單元傳輸過來的處理結果的裝置。
本發明的用于測量構件上載荷的測量傳感器特征在于，測量傳感器包括一個傳感器組件和一個第一應變儀，其中，該傳感器部件固定在被測構件上并且含有兩個剛性件用以連接到被測構件上，以及在剛性件之間具有一個彈性件；該第一應變儀固定在所述彈性件上，用于將構件和傳感器部件的變形傳遞給應變儀從而生成與應變儀變形成比例的信號。
本發明的用于測量構件上載荷的測量單元特征在于，測量單元包括—測量傳感器，用以將構件變形轉換為電信號；
—將所述信號轉換為數字信號的裝置；—數字信號的數學處理裝置；以及—將處理結果傳輸到中心處理單元的裝置。
本發明的優選實施例在所附的權利要求書中描述。
圖2是本發明所述的測量系統的簡圖。該系統包括一個中心處理單元20，它連接于數字數據通信總線21。與數據通信總線21相連，設有多個測量單元30、32、和34，這些測量單元在被測構件上布置在合適的測量位置。
中心處理單元包括例如一臺PC計算機并裝有例如NT操作系統。在此例中，在Windows NT操作系統里，分開的內存作為開放的用戶接口，基于該接口用戶可以進入系統里的測量結果并可以控制系統。數據通信總線優選地是ARCNET數據網絡(增強資源計算機網絡Attached Resource Computer Network)。ARCNET計算機網絡具有自動重新配置的特點。這一特點優選地用于不必修改程序或對系統進行其他修改而增加和減少測量傳感器/單元。每個測量傳感器/單元可以在系統里根據其專用標識符(例如序列號)被識別，從而在Windows NT的分開的內存里通過專用標識符將數據組織為用戶接口(數據結構)。ARCNET計算機網絡自動處理與每次配置有關的數據通信網點標識符。因此包含于中心處理單元的信息解析中的四通連接可以自動組織并將數據通信網點標識符與測量單元的專用標識符關聯。從而配置不需用戶操作。
圖3表示了本發明所述的測量單元30。該測量單元包括一個惠斯通電橋302，其中用于測量變形的第一應變儀和用于溫度補償的第二應變儀順次連接。固定電阻器構成了該電橋的第二部分。
從惠斯通電橋得到的測量信號通過放大儀器304放大，放大儀器的輸出信號進一步由低通濾波器306濾波。測量頻帶為例如0-150Hz，并且頻帶優選地可由程序選定。放大并濾波后的模擬信號通過模擬—數字(A/D)轉換器308轉換為數字信號，由此所得的數字試樣進入微處理器310。A/D轉換器308也可以包含于處理器310。處理器310經測量單元里的內部總線312將測量結果存儲在內存324里。該可重復編程的內存314具有例如4kB+32kB的容量。舉例來說，該內存可以存儲最近10秒以內的實時測量信號。計算機參數也可以存儲在內存里。連接于總線312的數據通信接口316還與系統總線21通信，該系統總線在中心處理單元和測量單元之間傳送數據。從測量單元內存314到中心處理單元的測量數據的傳輸基于中心處理單元的指令和存儲在測量單元里的程序進行。根據中心處理單元的需要，測量單元可以向中心處理單元傳輸例如10秒的試樣記錄。
測量單元以試樣頻率向中心處理單元傳輸測量試樣信號，該試樣頻率優選地低于D/A轉換器的采樣頻率。測量單元還可以經數據通信總線配置。這樣，例如，可以選擇在測量單元內編程好的分析方法來運行。測量單元還以特定的間隔傳輸其配置設定以由中心處理單元驗證。還有，測量誤差可以校準并且數據采樣頻率可以在中心處理單元的控制下設定。測量單元還優選地監控其自身的運行。從而，例如，信號分析程序的周期得以監控，以避免處理器計算容量的過載。
處理器310優選地包括具有例如128kB容量的內部永久性ROM內存。與測量單元功能有關的程序以及與中心處理單元和測量單元之間的數據通信有關的程序都保存在該ROM內。所需的信號分析算法也存儲在該ROM內，算法為，例如—計算信號均值；—計算有效信號值；—表示峰值正峰值、負峰值以及最大峰跨度值；—計算零溢出和平均零溢出頻率；—Rainflow分類以及—利用快速傅里葉變換(FFT)計算信號的頻譜。
這些編程于測量單元處理器內的分析方法優選地由測量單元實時運行。
除了上述的部件，測量單元還包括電路，用于由來自總線的電源電壓生成運行電壓(圖3未顯示)。
圖4是本發明所述的在測量單元和中心處理單元之間傳輸數據的程序400的流程圖。首先，測量單元檢查是否已經從中心處理單元接收到信息，步驟402。如果已經接收到信息，則解析信息，404。隨后檢查測量單元是否接收到新的配置數據，步驟406。如果已經接收到新的配置數據，則測量單元根據這些新的數據重新配置，408。接著檢查測量單元是否接收到向中心處理單元傳輸有效配置數據的指令，410。該指令可以是從中心處理單元發到測量單元的信息中的諸如一個比特/比特串。該指令也可以從傳感器定時裝置發出。如果已接收這種指令，則將配置數據傳輸給中心處理單元，412。
隨后檢查測量單元是否接收到向中心處理單元傳輸數學計算的測量數據的指令，步驟414。如果已接收這種指令，則將測量數據傳輸給中心處理單元，416。之后檢查測量單元是否接收到向中心處理單元傳輸信號記錄的指令，418。如果已接收這種指令，則將信號記錄傳輸給中心處理單元，420。接著檢查測量單元是否接收到向中心處理單元傳輸Rainflow分類的指令，422。如果已接收這種指令，則將Rainflow分類傳輸給中心處理單元，424。然后檢查測量單元是否接收到向中心處理單元傳輸FFT結果的指令，426。如果已接收這種指令，則將FFT結果傳輸給中心處理單元，428。最后檢查測量單元的信號試樣緩沖器是否含有數據，430。如果緩沖器含有數據，則將該數據傳輸給中心處理單元，432。此例中，傳輸優選地以低于采樣頻率的試樣頻率進行。這些步驟之后，重新開始步驟402，并且重復上述的步驟，從而中心處理單元在每種狀況下需要的測量數據可以按照中心處理單元的指令精確地傳輸給中心處理單元。應當指出，除了中心處理單元，上述的指令還可以從測量單元的定時裝置發出。
圖5a和5b表示了本發明所述的測量傳感器50，適用于本發明所述的測量單元中。圖5a是該測量傳感器的俯視圖，而圖5b是該測量傳感器的側視圖。所述測量傳感器包括傳感器部件502，該傳感器部件在其端部具有剛性件504和508，在其中心部位具有彈性件506。圖示中用虛線分隔開剛性件和彈性件。傳感器部件的剛性件設有孔520和522用于將傳感器固定在被測構件體或構件體上的裝配件上。
傳感器部件的彈性件506有兩個形狀為H形的開口510和512，構成了所謂的雙H開口。利用該開口，彈性件具有比剛性件更高的彈性。在這兩個H形開口之間，固定有第一應變儀傳感器530，它連接于例如惠斯通電橋，提供與彈性件變形成比例的信號。另外，在第二H形開口里，固定有第二應變儀傳感器，在其裝配底座上不發生變形。該第二應變儀傳感器的目的在于作為惠斯通電橋的基準電阻，以及補償因第一應變儀傳感器上的傳感器溫度變化引起的電阻變化。
傳感器部件材料的彈性區(即彈性極限σE)優選地要大于構件材料的彈性區，從而被測構件體的變形不會引起傳感器部件彈性區的屬性改變。另外，傳感器部件材料選擇為如構件材料那樣，可以經受變化的載荷而不發生疲勞破壞。傳感器部件的雙H形的支腳是矩形橫截面，當對應于構件材料變形的壓縮載荷超過其整個彈性區(σE)時，支腳長度不會超過壓縮載荷下的彎曲長度。
傳感器優選地由螺釘固定在焊接于構件體上的裝配件上，從而測量傳感器可以替換和校準。事實上，測量傳感器可以象一般的精確工件一樣安裝。來自構件材料的能量傳遞通過摩擦接縫進行，傳感器部件的結合面用碳化鈷涂層544和548粗化。涂層的碳化晶體滲入焊接在構件體上的固定件的配合面內，從而防止滑動。
當測量單元包括有本發明所述的傳感器以及本發明所述的信號處理電子裝置時，該測量單元可以優選地由含有測量傳感器的外殼殼底以及含有信號處理電子裝置的外殼封蓋封裝。另外，殼底部分和封蓋部分優選地以確保防水的方式結合。測量單元優選地使用可在合適的接線盒里延伸的固定線纜。
第二種選擇是將測量傳感器和信號處理電子裝置封裝在獨立的外殼里。這種方案當需要在易爆環境下進行傳感器的安裝時具有優點。這種位置是例如各種容器的內表面。測量電子裝置，例如，優選地布置在容器外面。
以上描述了本發明的幾個優選實施例。本發明的原理當然可以在對應于本申請的細節和各方面的權利要求書所確定的保護范圍內作出自然的變動。
特別要指出的是，本發明除了用于船體上載荷的測量以外，還可以用于許多各種構件。還要指出的是，本發明所述的測量傳感器、測量單元以及測量方法和/或系統還可以相互獨立地使用。
權利要求
1.一種測量構件載荷的系統，包括一個中心處理單元(20)和至少一個測量單元(30、32、34)，其特征在于，測量單元包括—測量傳感器(302、50)，用以將構件形變轉換為電信號；—將所述信號轉換為數字信號的裝置(308)；—數字信號的數學處理裝置(310)；以及—將處理結果傳輸到中心處理單元的裝置(316、21)，中心處理單元包括用于接收和收集由至少一個測量單元傳輸過來的處理結果的裝置。
2.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述系統包括用于從中心處理單元控制至少一個測量單元的功能的裝置。
3.如權利要求1或2所述的系統，其特征在于，中心處理單元(20)和測量單元(30、32、34)之間的數據通信經總線(21)進行，至少兩個測量單元連接于該總線上，測量單元有可在邏輯上識別測量單元的標識符，標識符在測量單元和中心處理單元之間傳輸，以便識別發至給定測量單元的數據和發自給定測量單元的數據。
4.如權利要求1到3任何項所述的系統，其特征在于，所述至少一個測量單元可拆卸地連接于被測構件體。
5.一種用于測量構件載荷的測量傳感器(50)，其特征在于，測量傳感器包括一個傳感器部件(502)和一個第一應變儀(530)，該傳感器部件固定在被測構件上并且含有兩個剛性件(504、508)用以連接到被測構件上，在剛性件之間具有一個彈性件(506)；該第一應變儀固定在所述彈性件上，用于將構件和傳感器部件的變形傳遞給應變儀從而生成與變形成比例的信號。
6.如權利要求5所述的測量傳感器，其特征在于，測量傳感器地包括一個第二應變儀(532)用于溫度補償，該第二應變儀固定在底座上基本不發生變形的部分。
7.如權利要求6所述的測量傳感器，其特征在于，所述第一應變儀和第二應變儀集成于惠斯通電橋(302)中。
8.如權利要求5到7中任一項所述的測量傳感器，其特征在于，所述傳感器部件包括雙H開口(510、512)用于形成彈性區并為所述第一應變儀(530)提供測量點。
9.如權利要求8所述的測量傳感器，其特征在于，所述第一應變儀固定在兩個H開口之間。
10.如權利要求6和8或9所述的測量傳感器，其特征在于，第二應變儀(532)固定在H開口的中心。
11.如權利要求5到10中任一項所述的測量傳感器，其特征在于，傳感器部件材料的彈性區/彈性極限(σE)選擇為大于構件材料的彈性區/彈性極限。
12.如權利要求5到11中任一項所述的測量傳感器，其特征在于，剛性件(504、508)上緊靠被測構件體或緊靠構件體上固定件的表面(544、548)已被粗化以增加結合處的摩擦。
13.一種用于測量構件載荷的測量單元(30)，其特征在于，測量單元包括—測量傳感器(302)，用以將構件變形轉換為電信號；—將所述信號轉換為數字信號的裝置(308)；—數字信號的數學處理裝置(310)；以及—將處理結果傳輸到中心處理單元的裝置(316)。
14.如權利要求13所述的測量單元，其特征在于，包括用于可拆卸地固定在構件體上的裝置(520、522)。
全文摘要
本發明涉及一種測量構件中的載荷、應力和/或材料疲勞的系統。本發明還涉及一種適用于所述方法的測量傳感器單元(50)和測量傳感器(302)。本發明尤其適用于測量船體內的應力和載荷。一個發明方面是測量系統的測量傳感器單元(50),包括處理來自傳感器的信號的裝置(310),從而可以將完整的數學測量結果由測量傳感器單元傳輸(316、21)到中心處理單元。另一個發明方面是由傳感器部件以及應變儀組裝成測量傳感器,從而變形可傳遞到固定在傳感器部件彈性區的應變儀。利用本發明,測量單元可以在離開被測構件時校準,并且只要需要,可以在系統內增加另外的測量單元。
文檔編號G01M99/00GK1353808SQ00808382
公開日2002年6月12日 申請日期2000年6月2日 優先權日1999年6月3日
發明者里斯托·薩卡利·魯維利 申請人:R·魯維利有限公司