CN105675201B - 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监测方法，属于传感器领域。该装置由显示装置与均载机构组成，包括上、下壳体，上、下壳体扣合形成的空间内设有承载体，承载体外侧设有显示装置；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受力情况。本发明无需维护管理，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。能有效地防止顶板坍落事故的发生，确保煤矿安全生产。

Description

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，属于传感器领域。

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，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受力情况。

根据以上分析综合考虑单向力监测装置，采用颜色作为显示装置的输出量。

本发明提供了一种单向力监测装置，包括上、下壳体，壳体为阶梯形圆环结构，上、下壳体扣合形成的空间内设有承载体，承载体为内部空心的圆筒结构，承载体外侧设有一圈反光层，反光层外部设有圆筒状的变色环，变色环外侧贴有偏振片，反光层与变色环之间为一环形空腔；壳体与变色环之间设有弹性过渡件，弹性过渡件为截面是双U形槽的环状结构，弹性过渡件与壳体之间留有液体腔，液体腔内灌充液体；在上、下壳体的径向靠近外缘处分别设有螺孔，该螺孔也是注液孔，注液孔分别位于弹性过渡件的上、下外侧，螺孔内设置密封件来密封液体；上壳体的上端连接螺母，下壳体的下端连接固定件。

上述方案中，所述壳体与承载体之间、壳体与弹性过渡件之间采用胶粘的方式进行连接。

上述方案中，所述密封件为螺塞压缩密封件或球涨堵头。

上述方案中，所述壳体采用钢材料，承载体根据变形量选择弹性材料；承载体选用的弹性材料为尼龙、酚醛树脂中的一种；弹性过渡件采用不锈钢或铝合金片材。

上述方案中，所述液体为水或液压油。

上述方案中，所述反光层为圆环形薄膜，所述变色环选用环氧树脂或聚碳酸酯材料；变色环为内部空心的圆筒结构，圆筒的厚度不小于5mm。

本发明提供了一种采用上述的单向力监测装置的单向力监测方法，将所述监测装置安装于螺母和固定件之间，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，一部分压力作用于承载体上，另一部分压力依次传导到液体和弹性过渡件上，弹性过渡件的力均匀地传递到变色环上，导致变色环产生轴向压应力；不同的应力使变色环显示不同的颜色，从而实现力的颜色指示。

上述监测方法，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。

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。从而有效地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为监测装置的受力模型图。

图3为变色环的受力模型示意图。

图4为双折射原理图。

图5为上壳体的结构示意图。

图中1，壳体，2，螺塞压缩密封件，3，密封套，4，偏振片，5，反光层，6，固定件，7，弹性过渡件，8，变色环，9，液体，10,承载体，11，螺母，12，螺栓。

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。

如图1～5所示，一种单向力监测装置，包括上、下壳体，壳体1为阶梯形圆环结构，上、下壳体扣合形成的空间内设有承载体10，承载体10为内部空心的圆筒结构，承载体10外侧设有一圈反光层5，反光层5外部设有圆筒状的变色环8，变色环8外侧贴有偏振片4，反光层5与变色环8之间为一环形空腔；壳体1与变色环8之间设有弹性过渡件7，弹性过渡件7为截面是双U形槽的环状结构，弹性过渡件7与壳体1之间留有液体腔，液体腔内灌充液体；在上、下壳体的径向靠近外缘处分别设有螺孔，该螺孔也是注液孔，注液孔分别位于弹性过渡件7的上、下外侧，螺孔内设置螺塞压缩密封件2来密封液体，螺塞压缩密封件2与壳体之间还设有密封套3；上壳体的上端连接螺母11，下壳体的下端连接固定件6。

上述方案中，所述壳体1与承载体10之间、壳体1与弹性过渡件7之间采用胶粘的方式进行连接。

上述方案中，所述壳体1采用钢材料，承载体10根据变形量选择弹性材料；承载体选用的弹性材料为尼龙、酚醛树脂或钢中的一种。

上述方案中，所述液体9为水或液压油；弹性过渡件7采用不锈钢或铝合金片材。

上述方案中，所述反光层5为圆环形薄层板，所述变色环8选用环氧树脂或聚碳酸酯材料；变色环为内部空心的圆筒结构，圆筒的厚度不小于5mm。

上述方案中，螺塞压缩密封件2可用球涨堵头代替。

本发明提供了一种采用上述的单向力监测装置的单向力监测方法，将所述监测装置安装于螺母11和固定件6之间，套在锚杆或螺栓12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，一部分压力作用于承载体上，另一部分压力依次传导到液体和弹性过渡件上，弹性过渡件的力均匀地传递到变色环上，导致变色环8产生轴向压应力。

受力过程分析如下：

若锚杆或螺栓12所受力为F、变色环或液体所受力为F₁、承载体所受力为F₂，并设液体刚度为K₂、变色环刚度为K₁、承载体刚度为K₃，则整体结构可简化为如图2所示力学模型。

由力的平衡关系得：

F₁+F₂＝F (1)

由图2液体与变色环串联，设其等效刚度为K₁₂，由弹性力学知识得：

液体与变色环串联后与承载体组成并联机构，该并联机构的两组成部分变形量相等得：

对变色环刚度K₁进行推导，其力学模型如图3所示。

根据弹性力学：

其中：

ΔL₁变色环变形量

E₁变色环弹性模量

ε变色环应变

L₁变色环高度

σ₁变色环轴向应力

S₁变色环面积

将式(5)代入式(4)得：

同理，可推出液体的刚度K₂、承载体刚度K₃

其中：

E₂液体体积弹性模量

S₂液体轴向投影面积

V₂液体体积

E₃承载体弹性模量

S₃承载体面积

L₃承载体高度

将(2)(3)(6)(7)(8)代入(1)可推出变色环所受轴向力F₁

将式(9)代入式(5)可推出变色环所受轴向应力σ₁

由(10)可以看出显色体轴向应力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8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4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F₃，这两个光矢量到达反光层5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：

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(11)为：

由上述式(10)和(12)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。

上述监测方法，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。

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12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.单向力监测装置，其特征在于：包括壳体，壳体分为上、下壳体，壳体为阶梯形圆环结构，上、下壳体扣合形成的空间内设有承载体，承载体为内部空心的圆筒结构，承载体外侧设有一圈反光层，反光层外部设有圆筒状的变色环，变色环外侧贴有偏振片，反光层与变色环之间为一环形空腔；壳体与变色环之间设有弹性过渡件，弹性过渡件为截面是双U形槽的环状结构，弹性过渡件与壳体之间留有液体腔，液体腔内灌充液体；在上、下壳体的径向靠近外缘处分别设有螺孔，该螺孔也是注液孔，注液孔分别位于弹性过渡件的上、下外侧，螺孔内设置密封件来密封液体；上壳体的上端连接螺母，下壳体的下端连接固定件。

2.根据权利要求1所述的单向力监测装置，其特征在于：所述壳体与承载体之间、壳体与弹性过渡件之间采用胶粘的方式进行连接。

3.根据权利要求1所述的单向力监测装置，其特征在于：所述密封件为螺塞压缩密封件或球涨堵头。

4.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，承载体根据变形量选择弹性材料；承载体选用的弹性材料为尼龙、酚醛树脂中的一种；弹性过渡件采用不锈钢或铝合金片材。

5.根据权利要求1所述的单向力监测装置，其特征在于：所述液体为水或液压油。

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膜，所述变色环选用环氧树脂或聚碳酸酯材料；变色环为圆筒结构，圆筒的厚度不小于5mm。

7.一种单向力监测方法，采用权利要求1~6任一项所述的单向力监测装置，其特征在于：将所述监测装置安装于螺母和固定件之间，套在锚杆或螺栓外侧，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，一部分压力作用于承载体上，另一部分压力依次传导到液体和弹性过渡件上，弹性过渡件的力均匀地传递到变色环上，导致变色环产生轴向压应力；不同的应力使变色环显示不同的颜色，从而实现力的颜色指示。

8.根据权利要求7所述的单向力监测方法，其特征在于：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。