CN105547541A - 一种单向力监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单向力监测装置及其监测方法，属于传感技术领域。该装置包括壳体，壳体为阶梯环状结构，壳体内侧外缘为凸起，壳体包括上壳体和下壳体，上、下壳体为上下对称设置，壳体的两个阶梯环形成凹槽，上、下壳体扣合而成的腔室内部设有承载体，承载体为内部空心的圆筒结构，上、下壳体与承载体接触处分别设有弹性垫，承载体外侧依次设有反光层、变色环，位于上、下壳体之间，变色环为内部空心的圆筒结构，偏振片设置在变色环的外侧。通过显示装置将均载机构产生的均匀压力转化为不同的颜色，通过观察显示装置的不同颜色来判断单向力。本发明对螺栓紧固结构和锚杆支护工程的施工质量管理和安全生产具有十分重要的意义。

Description

一种单向力监测装置及监测方法

技术领域

本发明涉及一种单向力监测装置及监测方法，属于传感技术领域。

背景技术

工程中大量存在许多需要监测或显示单向力的场合，例如重要场合的螺栓紧固力，岩土工程中的锚杆或者锚索轴力。能够及时、准确的显示这些力对于工程设施的安全具有十分重要的意义。传统的单向力监测装置分两类，一种使用电源，如应变片式，利用锚杆的应变来检测锚杆的应力，但由于需要电源，安全管理复杂。另一类不需要电源，有液压式、压感纸式,液压式是由液压压力盒和压力表组成，通过观察压力表的值来显示载荷，但其结构复杂，制造维护成本高，体积大，不宜大规模使用；压感纸式是通过压痕的长度来判断轴向力，但是周向分布的压感纸颜色长度不一，很难辨别。

因此，需要一种低成本、高可靠性、无需电源、适合大规模安装使用的监测装置，通过大规模安装该装置，可以实现人人均能检测工程设施安全，大大提高工程设施的安全性能。

中国专利CN203452813U公开了一种通过观察高强弹簧的位移来判断轴向力的方案，但是由于位移太小，直接通过肉眼观察变形量来判断锚杆的轴向力非常困难。中国专利201410468086.0公开了一种通过观察条纹图像来判断轴向力的方案，由于条纹的宽度受限，该方法适合近距离观察。

发明内容

本发明旨在提供一种单向力监测装置及监测方法，提出了一种由显示装置与均载机构组成的单向力监测装置，通过显示装置将均载机构产生的均匀压力转化为不同的颜色，通过观察显示装置的不同颜色来判断单向力。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种单向力监测装置，该装置包括壳体，壳体为阶梯环状结构，壳体内侧外缘为凸起，壳体包括上壳体和下壳体，上、下壳体为上下对称设置，壳体的两个阶梯环形成凹槽，上、下壳体扣合而成的腔室内部设有承载体，承载体为内部空心的圆筒结构，上、下壳体与承载体之间分别设有弹性垫，承载反光层、变色环，位于上、下壳体之间，变色环为内部空心的圆筒结构，偏振片设置在变色环的外侧；

壳体通过其中间的孔与导向柱配合从而固定在导向柱上并能上下相对移动，壳体内侧上方的凸起与锚杆或螺栓接触，导向柱为圆筒状，套在锚杆或螺栓外侧的中部。

上述装置中，所述弹性垫为内部空心的圆柱结构，弹性垫与承载体接触端通过密封环进行密封。

上述装置中，所述壳体采用不锈钢材料；弹性垫采用弹性材料，如聚氨酯、橡胶、硅胶；承载体根据变形量选择弹性材料；如尼龙、酚醛树脂。

上述装置中，所述变色环选用环氧树脂或聚碳酸酯材料，变色环具有双折射效应，由偏振片、反光层和变色环的共同作用产生。

本发明提供了上述单向力监测装置的监测方法，包括以下步骤：

将监测装置安装于螺母和固定件之间，锚杆或螺栓的外侧，当用螺母拧紧后，锚杆或螺栓受拉力，整个装置受到压力，压力作用于上、下壳体上，再传导到弹性垫上，从而均匀地传递到承载体上，承载体受到上、下的压力，在此压力载荷下，产生沿径向膨胀，导致变色环产生周向拉应力，从而显示出不同的颜色。

上述方案中，当有不同的螺栓或锚杆力导致不同的应力，变色环则显示不同的颜色，从而实现力的颜色指示；不同规格的螺栓或锚杆配不同的显色装置(显色装置是指反光层和变色环)，以螺栓或锚杆破断力为100％，破断力与颜色之间的对应关系如下：

破断力0％，无色；

破断力0～20％，从无色渐变成淡黄色；

破断力20～30％，从淡黄色渐变成深黄色；

破断力30～40％，从深黄色渐变成紫红色；

破断力40～50％，从紫红色渐变成蓝色；

破断力50～70％，从蓝色渐变成白色；

破断力70～80％，从白色渐变成金黄色；

破断力80～100％，从金黄色渐变成粉红色。

本发明的有益效果：

通过本发明的实施，实现锚杆力原位变色显示，即传感器颜色可根据锚杆力的大小而发生改变，不同的锚杆力对应不同的颜色，再加上传感器中具有增强反光效果，可以通过头灯或其他光源实现远距离高效观测，这样，利用该传感器能够对整个锚固工程海量布点监测，无需维护管理，无需专人点检，人人均可成为安全员，对锚杆支护工程的施工质量管理和安全生产具有十分重要的意义。

锚杆支护质量的监测，对锚杆支护工程的正常维护和矿井安全生产具有十分重要的意义。其中，锚杆力监测用于监视监测围岩应力，避免顶板(围岩)塌方冒顶且提供顶板支护参数，为巷道布置支护设计，顶板安全监测提供可靠的技术参数。同时为煤矿工程技术人员和检测人员提供确定锚杆的长度、抗拉强度，了解所使用锚杆、锚索的合理性、经济性而需要的科学依据。从而有效的防止顶板坍落事故的发生，确保煤矿安全生产。

附图说明

图1为单向力监测装置的结构示意图。

图2为承载体受力模型图。

图3为变色环受力模型图。

图4为变色环的双折射效应示意图。

图5为上壳体的立体剖视图。

图中：1为壳体，2为弹性垫，3为承载体，4为反光层，5为变色环，6为偏振片，7为密封环，8为导向柱，9为螺母，10为固定件，11为锚杆。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

本发明提供了一种单向力监测装置，如图1～5所示，该装置包括壳体1，壳体1为阶梯环状结构，壳体1内侧外缘为凸起，壳体1上两个阶梯环形成凹槽，壳体包括上壳体和下壳体，上、下壳体为上下对称设置，上、下壳体扣合而成的腔室内部设有承载体3，承载体3为内部空心的圆筒结构，上、下壳体与承载体3接触处分别设有弹性垫2，承载体3外侧依次设有反光层4和变色环5，位于上、下壳体之间，所述反光层4为圆环形薄层板，变色环5为内部空心的圆筒结构，圆筒的厚度不小于5mm；偏振片6设置在变色环5的外侧；

壳体1通过其中间的孔与导向柱8配合从而固定在导向柱8上并能上下相对移动，壳体1内侧上方的凸起与锚杆或螺栓接触，导向柱8为圆筒状，套在锚杆或螺栓外侧的中部。

上述装置中，所述弹性垫2为内部空心的圆柱结构，弹性垫2与承载体3接触端通过密封环7进行密封。

所述壳体1采用钢材料；弹性垫2采用弹性材料，如聚氨酯、橡胶或硅胶；承载体3根据变形量选择弹性材料；如尼龙、酚醛树脂。

所述变色环5选用环氧树脂或聚碳酸酯材料，变色环具有双折射效应。

上述单向力监测装置的监测方法：将上述装置安装于螺母9和固定件10之间，当用螺母9拧紧后，锚杆或螺栓受拉力，整个装置受到压力，压力作用于上下壳体1上，再传导到弹性垫2上，从而均匀地传递到承载体3上，承载体3受到上下的压力，在此压力载荷下，产生沿径向膨胀，导致变色环产生周向拉应力。

受力过程分析如下：

力的关系由图2分析：

$p_1=\frac{F}{S}---\left(1\right)$

F:螺栓或锚杆力

S：承载体面积

根据弹性力学承载体径向膨胀量 ${\mathrm{\Δr}}_1=r\·{\mathrm{\ϵ}}_r=\frac{1}{E_1}({\mathrm{\μp}}_1-p_2)---\left(2\right)$

其中r：承载体半径

ε_r：径向应变

E₁承载体弹性模量

μ承载体泊松比。

变色环按图3力学模型:

根据弹性力学，显色体径向膨胀量 ${\mathrm{\Δr}}_2=r\·\frac{p_2}{E_2}---\left(3\right)$

其中：

E₂显色体弹性模量

在受载过程中，显色体与承载体始终接触，因此径向膨胀量

△r₁＝△r₂(4)

式(2)(3)代入(4)

得： $p_2=\frac{{\mathrm{\μE}}_2}{E_1+E_2}\·p_1---\left(5\right)$

又根据显色体受力平衡：

得： ${\mathrm{\σ}}_1=\frac{r}{\mathrm{\δ}}{p}_2---\left(6\right)$

其中：

σ₁:显色体周向应力

δ：显色体壁厚。

将(1)(代入(5)再代入(6)得：

${\mathrm{\σ}}_1=\frac{r}{\mathrm{\δ}}\·\frac{{\mathrm{\μE}}_2}{E_1+E_2}\·\frac{1}{S}\·F---\left(7\right)$

由(7)可以看出显色体周向应力σ₁正比于传感器载荷F，因此σ₁可以作为F的观测量。

变色环5具有双折射效应，原理如图4，当有光线从外部照射通过偏振片6后形成平面偏振光F_P，进入变色环内部，变色环具有双折射效应，形成两个和主应力相关的偏振光矢量F₁和F₂，这两个光矢量到达反光层4后，又沿原路返回，穿过变色环到达人眼，这两个矢量由于由同一光源产生，从而产生干涉，导致不同颜色条纹的变化。该变化规律符合：

$\mathrm{\α}=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}cd({\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_2)---\left(5\right)$

其中:α:两光矢量的相位差，不同的相位差代表不同的颜色。

λ：光线波长

c：材料常数

d：变色环厚度

σ₁：第一主应力

σ₂：第二主应力

由于变色环约束条件可知:σ₂＝0

所以式(5)为：

$\mathrm{\α}=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{cd\σ}}_1---\left(6\right)$

由上述式(4)和(6)可以看出，当有不同的螺栓或锚杆力导致不同的应力，从而导致不同的颜色，从而实现力的颜色指示。

其中壳体采用通用的钢制材料，如Q235等，弹性垫采用聚氨酯、橡胶、硅胶等弹性材料，承载体根据变形量选择尼龙，酚醛树脂等弹性材料。变色环可以选用环氧树脂和聚碳酸酯等材料。

不同规格的螺栓或锚杆配不同的显色装置，可以实现以下归一化的颜色读数，以螺栓或锚杆破断力为100％，以Φ22mm，其破断力220kN锚杆(图1中11所示)为例，由于受到围岩变形的影响，锚杆轴力产生变化，采用本发明变色传感器产生如下变化：

锚杆力0kN，无色；

破断力0～4.5kN，从无色渐变成淡黄色；

破断力4.5kN～7kN，从淡黄色渐变成深黄色；

破断力7kN～9kN，从深黄色渐变成紫红色；

破断力9kN～11kN，从紫红色渐变成蓝色；

破断力11kN～15kN，从蓝色渐变成白色；

破断力15kN～18kN，从白色渐变成金黄色；

破断力18kN～22kN，从金黄色渐变成粉红色。

据此，观测人员可以判断锚杆力的变化，从而提出相应的维护方法，实现巷道的安全运行。

Claims (8)

1.一种单向力监测装置，其特征在于：该装置包括壳体，壳体为阶梯环状结构，壳体内侧外缘为凸起，壳体包括上壳体和下壳体，上、下壳体为上下对称设置，壳体的两个阶梯环形成凹槽，上、下壳体扣合而成的腔室内部设有承载体，承载体为内部空心的圆筒结构，上、下壳体与承载体接触处分别设有弹性垫，承载体外侧依次设有反光层、变色环，位于上、下壳体之间，变色环为内部空心的圆筒结构，偏振片设置在变色环的外侧；

壳体通过其中间的孔与导向柱配合从而固定在导向柱上并能上下相对移动，壳体内侧上方的凸起与锚杆或螺栓接触，导向柱为圆筒状，套在锚杆或螺栓外侧的中部。

2.根据权利要求1所述的单向力监测装置，其特征在于：所述弹性垫为内部空心的圆柱结构，弹性垫与承载体接触端通过密封环进行密封。

3.根据权利要求1所述的单向力监测装置，其特征在于：所述壳体采用钢材料，弹性垫采用弹性材料，承载体根据变形量选择弹性材料。

4.根据权利要求3所述的单向力监测装置，其特征在于：所述弹性垫选用的弹性材料为聚氨酯、橡胶或硅胶中的一种；承载体选用的弹性材料为尼龙、酚醛树脂的一种。

5.根据权利要求1所述的单向力监测装置，其特征在于：所述变色环选用环氧树脂或聚碳酸酯材料，变色环具有双折射效应。

6.根据权利要求1所述的单向力监测装置，其特征在于：所述反光层为圆环形薄层板，变色环为内部空心的圆筒结构，圆筒的厚度不小于5mm。

7.一种采用权利要求1~6任一项所述的单向力监测装置的监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

将监测装置安装于螺母和固定件之间，锚杆或螺栓的外侧，当用螺母拧紧后，锚杆或螺栓受拉力，整个装置受到压力，压力作用于上、下壳体上，再传导到弹性垫上，从而均匀地传递到承载体上，承载体受到上、下的压力，在此压力载荷下，产生沿径向膨胀，导致变色环产生周向拉应力，从而显示出不同的颜色。

8.根据权利要求7所述的单向力监测装置的监测方法，其特征在于：当有不同的螺栓或锚杆力导致不同的应力，变色环则显示不同的颜色，从而实现力的颜色指示；以螺栓或锚杆破断力为100%，破断力与颜色之间的对应关系如下：

破断力0%，无色；

破断力0~20%，从无色渐变成淡黄色；

破断力20~30%，从淡黄色渐变成深黄色；

破断力30~40%，从深黄色渐变成紫红色；

破断力40~50%，从紫红色渐变成蓝色；

破断力50~70%，从蓝色渐变成白色；

破断力70~80%，从白色渐变成金黄色；

破断力80~100%，从金黄色渐变成粉红色。