激光丝弦张力测量仪 本发明涉及一种激光丝弦张力测量仪，属量测技术领域。
在各国高能物理实验室普遍使用、获诺贝尔奖的多丝室中，通常有十几万根以一定张力绷紧的细丝。张力过大易断，张力过小不直。需在制作过程中测定丝的张力。其它一些科研和工程中，也存在测定丝弦张力的问题。
目前比较常用的已有技术是电磁共振法，以磁铁靠近被测丝，给被测丝通过一定频率的电流，调节电流频率使丝在磁场中共振；由丝长，丝的单位长度质量和测得的共振频率可以计算出丝的张力。另一种方法是将丝置于强电场中，调节丝上电压频率来产生电力共振。这两种方法的缺点是必需向丝中通过一定频率的电流来产生强迫振荡，因而，需解决电流接入、接出的接触问题和绝缘问题；每测一根丝要更换一次连接。为观察是否达到共振要目测或用示波器测，并需反复调节频率寻找共振，还要区别是谐波共振还是基波共振，费时费力，尤其是在有大量丝需要测量时。
本发明的目的是利用激光束在振动丝上的反射来测量丝的振动波形，进行数字化后，由专门设计的信号处理软件分析出基波频率而不必人工去确定频率。所设计的信号处理软件能分析自由振荡，可采用简单机械激励方法产生自由振荡，不必寻找共振，也免除测每一根丝时要引入音频电流的接线麻烦。
本发明设计的激光丝弦张力仪，由测量机构和光电信号处理系统二部分组成。测量机构由机架、激光器和光电传感器组成。机架包括机座、立柱、升降模块、滑杆、测量模块。激光器和光电传感器固定在测量模块上，测量模块置于滑杆上，滑杆固定在升降模块上，并与被测丝相垂直，升降模块置于立柱上。光电信号处理系统包括用以将光电传感器输出电流放大和转换的前置放大器，用以滤除光电传感器高频噪声的滤波放大器，用以将滤波后信号进一步放大的主放大器，用以接收滤波信号并进行信号数字化的模数变换器以及控制码寄存器。
本发明利用人手弹拨、机械压弹和气流喷吹等方法，使被测丝激励和产生自由衰减振荡，不需向被测丝引入任何交变电流。免除更换接触和保持绝缘等问题。由于利用自由振荡，不存在寻找共振频率的麻烦。测量速度快，灵敏度高。
附图说明：
图1是本发明的机械结构原理图。
图2是图1的侧示图。
图3是本发明的电信号处理系统电路图。
图4是激光丝弦张力测量原理图。
图5是本发明测量仪光路图。
图6是光电信号测量波形图。
下面结合附图，详细介绍本发明的内容。激光丝弦张力测量仪的机械结构，如图1和图2所示。图1和图2中，1是机座，2是立柱，3是升降模块，4是滑杆，5是测量模块，6是激光器，7是光电传感器，8是被测丝。激光器6和光电传感器7固定在一个可在两根滑杆上移动地测量模块5上，滑杆4的方向与被测丝8垂直。移动测量模块，可将激光束对准被测丝。滑杆固定在两端的升降模块3上，调节升降模块在立柱2上的位置可以改变激光束和丝的距离，使丝在静止位置的反射光正好进入光电传感器的灵敏区。立柱则固定在各自的机座1上。必要时，可以在滑杆4上并排安装多个探头模块而实现一次测量多根丝弦的张力。
本测量仪的测量原理如图4所示。图4中，7是光电传感器，8是被测丝。由激光器产生的激光束照射到被测丝上，反射的激光由光电传感器(光电二极管)接收。丝弦静止不动时，反射激光束正好照射到光电二极管灵敏区。光电二极管输出电流最大。当丝弦受激励(弹拨、电磁激励或机械压弹)而产生振荡时(图中以虚线表示丝弦的振荡范围)，反射激光束在光电二极管灵敏区附近摆动。光电二极管输出电流的大小随之周期变化。光电二极管输出信号的波形反映丝弦的振荡波形，经前置放大器放大后进行信号处理和数据处理，可以计算出丝弦振荡的基波频率f0。由下述公式，可以计算出丝弦张力T：
T＝4f02L2ρ
其中L为丝弦长度(可自由振荡部分的长度，m)；
ρ为丝弦单位长度的质量(kg/m)。
对于有阻尼的自由振荡，其振荡频率f略小于固有振荡频率f0：f=f0[1-1(ωτ)2]12]]>
其中ω＝2πf0，
τ为振荡的衰减时间常数，可以由实际振荡波形在达到单纯衰减振荡时的振幅衰减情况确定。由于丝弦在空气中振荡的阻尼不大，通常衰减时间常数τ以秒计。在丝弦绷直而不产生悬垂时，f0大于几十赫兹，ωτ大于100，f与f0差别不超过0.005％。所以，用测定丝弦自由衰减振荡的频率f来替代其固有谐振频率f0，对确定丝弦张力的误差通常不超过十万分之五。
图5为实际的光路图，图5中，7为光电传感器，8为被测丝，9为底面，10为反射光环。激光束照射到圆形被测丝上产生圆形反射光环。带有准直器(遮光器)的光电传感器只接收光环的一部分。被测丝振动时，光环的移动改变光电传感器输出电流的大小。投射到丝弦下方的底面材料上的激光也会产生反射。当底面材料光滑时，反射光集中但偏离光电传感器；底面材料粗糙时，其漫射光大部分被遮光器遮挡。因而，在被测丝距底面几毫米以上时，反射光的干扰影响不大。
如图5所示，光电传感器接收的是反射光环的一部分。在丝的振动方向不同时，光环在光电传感器灵敏面积上移动的情况不同。所接收的光的强弱变化不同。所以，在外加激励不规范时(例如采用手工弹拨时)，光电传感器输出信号的波形并不一致。要求信号处理系统能适应这种情况。另外，在外加激励不规范时，丝的起振过程也不相同。(如图6中的虚线)；需等达到接近理想的衰减振荡时才能测定其振荡频率。
本发明的信号处理系统为避免采用复杂的程序去识别不规范的起振阶段，采用了先将信号波形采样和数字化，然后进行数字处理。不管丝的起振情况如何，振动方向如何，在输出的振荡信号快衰减到零时的振荡波形是几乎一样的。本发明设置了两个阈值：大于零的上阈和小于零的下阈。当丝弦受激励而开始振荡时，信号超过上阈时就开始采样，将全部波形进行数字化记录。然后逆数据流方向(逆时间轴)寻找，第一个超出上下阈的信号记为1(图6右方)，向左越过n个信号达到信号幅度足够大处，在一定时间范围内计算信号过零点次数，以平均周期求出振荡频率。这样的处理结果，在用手工弹拨来产生激励时，其重复性也可以达到±0.5％的精度。
本测量仪的光电信号处理系统电路图如图3所示。A1为前置放大器，A2为滤波放大器，A3为主放大器，A1、A2和A3直接和光电传感器联在一起，装在图1的测量模块上。前置放大器A1将光电传感器D的输出电流放大和转换为输出电压。滤波放大器A2用输入端的RC积分电路滤除光电传感器的高频噪声。滤波后的信号由主放大器A3进一步放大，由电位器VR调节A3的放大倍数，使其输出信号幅度在D接收的光照最大时达到5V。A3的输出信号由电缆送到具有“采样/保持”功能的模数变换器ADC0809的一个模拟信号输人端IN-0，计算机提供的时钟信号CLK1经过分频电路74LS393将频率降低到CLK1的1/8后作为波形采样的时钟信号，输入到ADC的CLOCK输入端。计算机的数据获取端口控制信号313H在IOR为低电平时使ADC的ENABLE端为高电平，使ADC可以工作。当启动的控制电平312H在信号IOW为低电平时启动ADC(START)，ADC即把采样时刻的幅度值变换成数码，由输出数据总线D0～D7送住计算机。
图3中的ADC是可以同时接收多达8个波形信号，8个波形信号分别输入到IN-0至IN-7，用于多探头系统同时测量多根丝弦的振荡。ADC轮流将这8个波形的信号数字化，由计算机程序发出的加到寄存器74232的三位控制码D0、D1和D3进行控制。此控制码在启动ADC变换时传送到ADC的输入选择端ADD-A，ADD-B和ADD-C，用于选择IN-0到IN-7中某一路波形信号进行变换。
波形信号变换和记录完毕，计算机软件即启动上述数据处理过程，显示出所测波形(图6下方)和计算机出丝弦的自由振荡频率和张力。