CN101680753B - 监控诸如实体结构的结构构件变形的传感器装置 - Google Patents

Abstract

一种传感器装置，包括传感元件，适于与监控系统相连接以发送与结构构件变形相关联的信号。粘合剂，其适于将传感元件粘在结构构件表面。胶带，其至少具有一个粘贴面，适于粘在被监控的结构构件表面，以及传感元件，位于胶带与结构构件之间。该传感器装置可以与监控系统结合使用。

Description

监控诸如实体结构的结构构件变形的传感器装置

相关申请的交叉引用

本专利申请要求在2007年5月2日提交的美国临时专利申请No.60/915,488的优先权。

技术领域

本申请总体上涉及监控结构的传感器，尤其是，但不是绝对地，涉及例如由挠曲、负载、压力或者倾斜造成的变形。

背景技术

所有类型的传感器都安装在结构上，以测量由多种内部因素(例如材料质量、地基)以及外部因素(例如风、温度变化、地震、山崩、冰雪堆积、负载叠加、压力)造成的诸如变形和倾斜的参数。

例如，为了在仓库中进行物料输送，经常使用叉式升运车辆。叉式升运机具有用来起升负载的货叉。货叉安装在竖直延伸的立柱(mast)上。这种叉式升运车辆的一个问题在于，当用伸展的立柱支撑负载时，升运机会变得不稳。另一个问题在于当负载的重心不在货叉上时(例如负载朝向货叉的尖端)。更具体地，升运相对较重的负载具有改变叉式升运机的重心的作用，因此，增加了叉式升运机及其负载倾覆的风险。

提供传感器以通过检测可能造成严重损害的上述参数的异常变化，来保证结构设备(structure)的所有者或使用者的安全。这种监控可以指示何时需要采取正确的操作，以防止此类被监控结构的故障事故。

现有传感器的一个问题在于，安装这种传感器需要不可忽略的工作量。许多情况下，存在与安装传感器有关的接入问题(accessissue)。例如，可能需要远程设置传感器，从而需要安装步骤容易执行。

发明内容

本申请的目的在于提供一种新的传感器装置，以监控表面的变形程度。

因此，根据本申请，提供了一种传感器装置，包括：传感元件，其适于被连接至监控系统以发送与结构构件的变形相关联的信号；粘合剂，其适于将传感元件粘在结构构件的表面；以及胶带，其具有适于粘在被监控的结构构件的表面上的至少一个粘贴面，使得传感元件处于胶带与结构构件的表面之间。

另外，根据本申请，胶带具有两个所述粘贴面，第一粘贴面适于粘在结构构件的表面，以及第二粘贴面适于以粘附方式支撑与传感元件相关联的元件。

另外，根据本申请，结构元件粘在第二粘贴面，以支撑与传感元件相关联的用于与监控系统接口的元件。

另外，根据本申请，所述的结构元件与胶带相连接，以支撑与传感元件相关联的用于与监控系统接口的元件。

另外，根据本申请，结构元件是一个容纳与传感元件相关联的用于与监控系统接口的元件的外壳。

另外，根据本申请，外壳具有圆形的几何形状，使得传感器装置适于成正对着结构构件的圆形表面而安装。

另外，根据本申请，外壳具有与传感元件相关联的标准墙式安装电话插座，以适于接收来自监控系统的电话插头，且胶带具有两个所述粘贴面，其中第一粘贴面适于粘在结构构件的表面，以及第二粘贴面适于以粘附方式支撑标准墙式安装电话插座。

另外，根据本申请，传感元件是至少一个箔式应变计。

另外，根据本申请，四个所述的箔式应变计组成一个惠斯通电桥(wheatstone bridge)。

另外，根据本申请，一个衬片(backing sheet)临时连接在至少一个粘贴面的暴露在外的一个粘贴面上，以便在安装之前保护粘贴面和传感元件。

另外，根据本申请，在结构元件上提供接口元件，所述接口元件与传感元件相连接，用于与监控系统接口。

另外，根据本申请，在结构元件和传感元件形成对准的孔以用于将传感元件的引线从其中穿过。

另外，根据本申请，结构元件具有分配所述粘合剂的内置储液器(buid-on reservoir)。

另外，根据本申请，结构元件具有研磨表面以清洁结构构件的表面。

另外，根据本申请，结构元件包含湿布来清洁结构构件的表面和传感元件。

根据本申请的另一个实施例，提供一种传感器装置和监控系统的结合结构，包括：至少一个传感器装置，该传感器装置具有适于粘在结构构件的表面上的传感元件；以及胶带，其具有适于粘在被监控的结构构件表面的至少一个粘贴面，其中传感元件置于胶带与结构构件表面之间；以及与传感器装置连接的监控系统，用于接收与结构构件的变形相关联的信号，监控系统包括信号解释器和接口，其中信号解释器产生与所述变形相关联的值，接口使用所述值产生用户输出。

另外，根据本申请，所述的接口是一个显示数字值(作为与所述变形相关联的所述用户输出)的显示单元。

另外，根据本申请，所述的接口是一个警报器，指示所述的值超过了给定的阈值。

另外，根据本申请，所述的传感器装置还包括发射器，且监控系统包括接收器，用于在传感器装置与发射器之间进行无线通信。

另外，根据本申请，所述的传感器装置和发射器具有可充电电源。

另外，根据本申请，两个所述的传感器装置用于一个所述的监控系统。

另外，根据本申请，限制开关与监控系统相连接，通过触发限制开关来激活阈值，信号解释器将阈值和与所述变形相关联的所述值进行比较。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的传感器装置的透视图，其中部分地移动了衬片；

图2是图1中的传感器装置安装在具有平坦表面的结构构件上时的侧视图；

图3是图1中的传感器装置安装在多孔渗水(porous)材料的结构构件上时的侧视图；

图4是根据另一个实施例的传感器装置的剖面图，该传感器装置具有封装的结构元件；

图5是根据另一个实施例的传感器装置安装在圆柱结构构件上时的透视图；

图6是根据另一个实施例的传感器装置的透视图，其中结构元件是标准墙式安装的电话插座；

图7是根据另一个实施例的传感器装置的俯视图，其中结构元件是电缆的塑料固定器；

图8是图7中的传感器装置的透视图，其中尚未连接电缆；

图9用于图1中的传感器装置的传感器监控系统的框图；以及

图10是图9中的传感器监控系统在用于多个传感器装置时的框图。

具体实施方式

现在参考附图，以及更具体地参考图1，其中以10总体上示出了根据一个实施例的传感器装置。传感器装置10具有传感元件12、结构元件14、固定元件16以及接口元件18。

提供所述的传感元件12来监控结构构件(诸如实体结构或者机构部件)的负载或其承受的压力，或者其变形的程度。

提供结构元件14用来在传感元件12执行其监控负载、压力、变形等任务时支撑传感元件12以及支撑其他附件。

固定元件16用于将传感器装置10固定在被监控的表面上。固定元件16还使传感元件12与结构元件14互相连接。

接口元件18是传感器装置10与控制系统、监控系统等等之间的接口，这些系统等可以启动传感元件并接收传感元件的信号来计算被监控的结构构件的变形程度。

同时参考图1和图2，其中示出传感元件12为四个应变计或者类似的半导体，通过取向来检测沿不同方向的负载、压力、变形。在一个实施例中，应变计是具有导电侧和非导电侧的箔式应变计，以及这些应变计组成一个惠斯通电桥的结构。应变计的非导电侧暴露在外，并避开结构元件14。

应变计的引线20与接口元件18相连接，如从图2中可以看到的那样，从而将应变计与传感器监控系统相连接。应当指出的是，应变计固定在固定元件16上，其中引线20从中延伸出的侧面是正对着固定元件16的。

在图1和图2的实施例中，结构元件14是具有大致平坦表面22的硬板。固定元件16是带粘性的胶带，例如双面胶带，其第一表面粘在硬板的平坦表面22上。如图1所示，双面胶带的第二表面24位于远离平坦表面22，并且由衬片26覆盖以便在传感器装置10固定到被监控的结构构件表面之前保持其粘性。

应变计粘附在胶带的第二表面24上，胶带的粘合剂足够将应变计维持在胶带上的需要的位置和方向。由于支撑应变计的引线的表面正对着胶带的第二表面24，因而需要选择具有绝缘性能的胶带和结构元件14。

如图2所示，通过将固定元件16(即双面胶带)的第二表面24粘附在结构构件的表面A上(其中衬片26已被事先除去)，可以将传感器装置10固定到被监控的结构构件的表面A上。因此，当传感器装置10固定在表面A上时，传感元件12(即应变计)与表面A共面，其中导电表面或者支撑应变计的引线20的表面朝向远离表面A。固定元件16的第二表面24的一部分与表面A相配合以将传感器装置10固定在表面A上，同时支撑应变计12。

传感器装置10及其所有其他实施例的安装，通过先将某种粘合剂添加到应变计12的暴露表面，然后再将传感器装置10经其表面24粘贴至被监控的结构构件的选择表面，是容易实现的。添加至应变计12的暴露表面的粘合剂会使得应变计12粘在被监控的结构构件或者实体结构的表面上。这种固定允许应变计12检测结构构件或结构由于压力、负载、变形而承受的应变。应变计通过接口元件18被激活和被监控，表面A的变形将通过信号告知传感器监控系统。

传感器装置10可以适合用于监控多孔渗水材料的变形。参考图3，示出传感器装置10用在多孔渗水材料的表面B上，其中液体粘合剂固化以填充多孔渗水材料的孔隙，并将传感元件12粘在表面B上。因此，传感器装置10可以用来监控诸如沥青和水泥的材料的变形。

参考图4，示出了根据另一个实施例的传感器装置10A。在图4中的传感器装置10A中，结构元件是外壳30。外壳30容纳应变计12的引线与电缆18之间的接口。

更具体地，传感器装置10A具有散布在双面胶带16的第二表面24上的应变计12。开口32被限定为穿过胶带16以及外壳30的硬壁14A。每个应变计的引线通过相应的开口32以到达接口电路34(或类似的连接器)，以便与电缆18(即接口元件)中的相关电线相连接。在电缆18外壳30的接合处设置连接器36，以将电缆18固定在外壳30上。在一个实施例中，连接器36是向内拧入的以便对电缆18施加压力。

在图6中，，示出了类似于外壳30的实施例的一个实施例，但使用标准电话插座30B(例如RJ11，RJ14，RJ25等等)，其中接口元件与插孔40连接。图6中的传感器10B具有最小安装时间，因为传感器装置10B的连接只需要将阳的插头(未示出)插入插孔40中。

可以观察到，传感器装置适合用于不一定具有平坦表面的结构构件。参考图5，以10C示出了传感器装置的另一个实施例，用于监控大致呈圆柱形的结构构件中的变形。传感器装置10C具有弓形的结构元件14C，基本上与圆柱形结构构件的表面C的形状相匹配。双面胶带16和应力测量器(以12示出了其中的一个)是由柔性材料制成的，从而他们都可以与表面C的形状相匹配。

参考图7，以10D示出了传感器装置，以典型的墙式安装平面塑料固定器50为其特性，其中塑料固定器50作为结构元件使用。束带52用于将电缆18的自由端固定在传感器装置10D上。图8示出了该壁挂式平面塑料固定器50，其中没有示出电缆18。可以看到使用了胶带形式的固定元件16。

在传感器装置10、10A-10D的任何实施例中可以提供其他未示出的特征。例如，所述的传感器装置10可以具有内置的储液器以分配用于将传感元件12粘在被监控对象的表面A上的液体粘合剂。此外，结构元件14可以支撑砂纸或者类似的研磨表面以清洁传感器装置10将要连接至的表面。最后，另一个可选方式，传感器装置10可以以具有湿布为特征，以备清洁传感器装置10将要连接至的表面，以及清洁传感元件12。

同样地，传感器装置10还可以用于启动继电器、灯、产生信号或者警报，其中这些元件可选地可以作为传感器装置10中包含的部分。

参考图9，示出了传感器装置10(或可选地，传感器10A-10D中的任何一个)与传感器监控系统100一起使用。传感器监控系统100具有控制器单元102(例如处理器)，用于对系统100及其元件(信号解释器104，数据库106，显示单元108和/或警报器110)进行操作。

在一个实施例中，系统100由电线连接至传感器装置10。系统100启动传感器装置10并接收来自传感元件12(图1)的信号，所述的信号作为由元件12(图1)感应到的变形的函数。

系统100具有信号解释器104，信号解释器用于解释信号以便提供一个与变形相关联的值。因此，信号解释器104将电信号(例如电压)转换为数字值，其幅度是电信号强度的函数。

在控制器单元102中提供了数据库106，且存储了与信号解释器104计算得到的值结合使用的信息。例如，数据库106可以用于将与电信号强度有关的校准数据存储为通过信号解释器102计算的数字值。作为另一个例子，数据库106可以存储与传感器装置10感应到的变形相关的阈值数据，例如最大允许变形。

显示单元108显示与变形感应有关的值和其他相关联数据。由显示器单元108显示的信息可以是数字值、通过/不通过(go/no go)指示、阈值界限等形式。

还可以提供警报器110，如果测量到的变形超过了给定的阈值，可以产生可听见的或者可看见的警报信号(例如以警告光的形式)。

因此，传感器监控系统100(传感器装置10可以与其一起用于任何一个实施例(10、10A-10D))可以执行警报、启动继电器、提供数字读数、发出警告信号等功能。

根据另一个实施例，传感器装置10与发射器112A相连接，而传感器监控系统100具有接收器112B，接收来自发射器112A的信号。通过使用无线技术，传感器装置10可以相对于传感器监控系统100进行远程安置，或者在机构中不用大体积的电线。例如，Massload^TM技术提供了采用无线技术的传感器监控系统100，使用“无线传感器和定标接口(Scale Interface)”产品，传感器装置10可以共享公用的发射器112A。传感器装置10可以装备有其独立的电源，比如(例如使用太阳能可充电的)电池。

参考图10，示出了许多传感器装置10(或者10A-10D)可以使用一个传感器监控系统100。另外，图10中示出了限制开关120。限制开关120可以用于修改阈值的值，在下文中将详细描述。

根据传感器装置的使用性质，一旦后者(传感器装置)安装在结构构件的表面上，可能就需要提供外壳将传感器装置的暴露部分完全地装入。因此，传感器装置可以与潮湿、灰尘、水相隔离。

将传感器装置10、10A至10D设计为监控压力、应变、应力、超载、疲劳程度、以及任何实体结构的强度。结构构件或者实体结构可以放置在地面上或者以其他方式被支撑，而且可以是任何实体材料制成。任何合适的转换器(transducer)结构都可以用于解释由应变计/传感元件12获得的应变。

传感器装置10、10A至10D可以单独地或者同时地用于多个结构中。更具体地，但不是绝对地，桥梁、隧道、大坝、地震探测系统、滑坡探测系统、竖井、桶箱、水库、屋顶、铁路、地铁、地基、地板、墙壁、核工厂、工业烟囱、高层建筑和塔楼、工业标志、起重机、缆车的高立柱、供电线路和游乐园、以及包括本发明的传感器装置。

根据一个实施例，传感器装置10与传感器监控系统100相结合用于叉式升运机。更具体地，在货叉的每一侧设置传感器装置10以感应与负载的升运/支撑相关的货叉变形。优选地，传感器装置10设置在连接货叉和立柱的垂直臂上，或者设置在任何其他合适的位置(比如货叉的侧面)。通过将传感器放置在垂直臂上或者放置在负载与垂直臂之间，负载对货叉的杠杆作用会被传感器装置10感应到。这样的放置提高了由传感器监控系统100计算得到的读数的精确度。

立柱支撑的负载越高，叉式升运车辆的倾覆风险越大。然而，如果在叉式升运机上设置传感器装置10，其读数将独立于负载的高度。因此，图10中示出的配置适于调整作为负载高度的函数的阈值，例如，在叉式升运机的立柱延伸到超过阈值高度时触发限制开关120。在这样的配置中，限制开关120可以向传感器监控系统100指示变形阈值应该降低。

优选地，在叉式升运机上使用无线技术，否则需要滑轮或者其他类似机构以使电线沿着立柱延伸。

Claims (24)

1.一种传感器装置，包括：

传感元件，其适于与监控系统相连接以发送与结构构件的变形相关联的信号；

粘合剂，其适于将所述传感元件粘在结构构件的表面；以及

双面胶带，其具有第一粘贴面，适于粘在被监控的结构构件的表面，使所述传感元件置于所述胶带与所述结构构件的所述表面之间，以及第二粘贴面，适于以粘附方式支撑与所述传感元件相关联的元件。

2.根据权利要求1所述的传感器装置，其中所述传感元件具有正对应着所述胶带的导电表面。

3.根据权利要求2所述的传感器装置，其中结构元件粘在所述第二粘贴面，以支撑与所述传感元件相关联的用于与监控系统接口的元件。

4.根据权利要求1所述的传感器装置，其中结构元件与所述胶带相连接，以支撑与所述传感元件相关联的用于与监控系统接口的元件。

5.根据权利要求4所述的传感器装置，其中所述结构元件是一个外壳，该外壳容纳与所述传感元件相关联的用于与监控系统接口的所述元件。

6.根据权利要求5所述的传感器装置，其中所述的外壳具有圆形的几何形状，使得所述传感器装置适于正对着所述结构构件的圆形表面而安装。

7.根据权利要求5所述的传感器装置，其中所述的外壳具有与所述传感元件相关联的标准墙式安装电话插座，以适于接收来自所述监控系统的电话插头，且所述胶带具有两个所述粘贴面，其中第一粘贴面适于粘在所述结构构件的所述表面上，以及第二粘贴面适于以粘附方式支撑所述标准墙式安装电话插座。

8.根据权利要求1所述的传感器装置，其中所述传感元件是至少一个箔式应变计。

9.根据权利要求8所述的传感器装置，包括组成惠斯通电桥的四个所述箔式应变计。

10.根据权利要求1所述的传感器装置，还包括衬片，临时连接在所述至少一个粘贴面中的暴露在外的一个粘贴面上，以便在安装之前保护所述粘贴面和所述传感元件。

11.根据权利要求4所述的传感器装置，还包括在所述结构元件上的接口元件，所述接口元件与所述传感元件相连接，用于与监控系统接口。

12.根据权利要求4所述的传感器装置，还包括在所述结构元件和所述胶带上的对准的用于使传感元件的引线从中穿过的孔。

13.根据权利要求4所述的传感器装置，其中所述结构元件具有分配所述粘合剂的内置储液器。

14.根据权利要求4所述的传感器装置，其中所述结构元件支撑有研磨表面以清洁所述结构构件的表面。

15.根据权利要求4所述的传感器装置，其中所述的结构元件包含湿布以清洁所述结构构件的表面以及所述传感元件。

16.一种传感器装置和监控系统的结合结构，包括：

至少一个传感器装置，其具有传感元件，适于粘在结构构件的表面上；胶带，具有至少一个粘贴面，适于粘在被监控的结构构件的所述表面上，以及所述传感元件置于所述胶带与所述结构构件的所述表面之间，以及结构元件，连接到所述胶带的另一面，以便支撑与所述传感元件相关联的用于监控系统接口的元件；以及

监控系统，其与所述传感器装置相连接，以接收与所述结构构件的变形相关联的信号，所述监控系统包括信号解释器和接口，其中所述信号解释器产生与所述变形相关联的值，所述接口使用所述值产生用户输出。

17.根据权利要求16所述的结合结构，其中所述接口是一个显示单元，其显示数字值作为与所述变形相关联的所述用户输出。

18.根据权利要求16所述的结合结构，其中所述接口是指示所述值超过了给定阈值的警报器。

19.根据权利要求16所述的结合结构，其中所述传感器装置还包括发射器，且所述监控系统包括接收器，该接收器用于在所述传感器装置与所述发射器之间进行无线通信。

20.根据权利要求19所述的结合结构，其中所述传感器装置和发射器具有可充电电源。

21.根据权利要求16所述的结合结构，还包括用于一个所述监控系统的两个所述传感器装置。

22.根据权利要求16所述的结合结构，还包括与所述监控系统相连接的限制开关，通过触发所述限制开关来激活阈值，以及所述信号解释器将所述阈值和与所述变形相关联的所述值进行比较。

23.根据权利要求16所述的结合结构，其中至少一个传感器装置是至少一个应变计，以及所述应变计引线伸出的一面正对着所述胶带的所述粘贴面。

24.根据权利要求23所述的结合结构，还包括在所述结构元件和所述胶带上的对准的用于应变计的引线从其中穿过孔。

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