CN105675201B - 单向力监测装置及监测方法 - Google Patents

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    • G01L5/00Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/12Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring axial thrust in a rotary shaft, e.g. of propulsion plants

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
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 上述方案中,所述密封件为螺塞压缩密封件或球涨堵头。
[0010] 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。
[0011] 上述方案中,所述液体为水或液压油。
[0012] 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5_。
[0013] 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。
[0014] 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:
[0015] 破断力0%,无色;
[0016] 破断力0〜20%,从无色渐变成淡黄色;
[0017] 破断力20〜30%,从淡黄色渐变成深黄色;
[0018] 破断力30〜40%,从深黄色渐变成紫红色;
[0019] 破断力40〜50%,从紫红色渐变成蓝色;
[0020] 破断力50〜70%,从蓝色渐变成白色;
[0021] 破断力70〜80%,从白色渐变成金黄色;
[0022] 破断力80〜100%,从金黄色渐变成粉红色。
[0023] 本发明的有益效果:
[0024] 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。
[0025] 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
[0026] 图1为单向力监测装置的结构示意图。
[0027] 图2为监测装置的受力模型图。
[0028] 图3为变色环的受力模型示意图。
[0029] 图4为双折射原理图。
[0030] 图5为上壳体的结构示意图。
[0031] 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
[0032] 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。
[0033] 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。
[0034] 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。
[0035] 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。
[0036] 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。
[0037] 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5_。
[0038] 上述方案中,螺塞压缩密封件2可用球涨堵头代替。
[0039] 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。
[0040] 受力过程分析如下:
[0041] 若锚杆或螺栓12所受力为F、变色环或液体所受力为^、承载体所受力为F2,并设液 体刚度为κ2、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。
[0042] 由力的平衡关系得:
[0043] Fi+F2 = F (I)
[0044] 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:
[0045]
Figure CN105675201BD00051
.⑵
[0046] 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:
[0047]
Figure CN105675201BD00052
(3)
[0048] 对变色环刚度心进行推导,其力学模型如图3所示。
[0049] 根据弹性力学:
Figure CN105675201BD00061
[0052] 其中:
[0053] Δ L1变色环变形量
[0054] 色环弹性模量
[0055] ε变色环应变
[0056] L1变色环高度
[0057] 〇丨变色环轴向应力
[0058] S1变色环面积
[0059] 将式⑶代入式⑷得:
[0060]
Figure CN105675201BD00062
(6:)
[0061]同理,可推出液体的刚度K2、承载体刚度K3
Figure CN105675201BD00063
[0064] 其中:
[0065] E2液体体积弹性模量
[0066] S2液体轴向投影面积
[0067] V2液体体积
[0068] E3承载体弹性模量
[0069] S3承载体面积
[0070] L3承载体高度
[0071] 将⑵⑶⑶⑵⑶代入⑴可推出变色环所受轴向力F1
[0072]
Figure CN105675201BD00064
[0073] 将式(9)代入式⑶可推出变色环所受轴向应力〇1
[0074]
Figure CN105675201BD00065
[0075] 由(10)可以看出显色体轴向应力O1正比于传感器载荷F,因此〇1可以作为F的观测 量。
[0076] 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FP,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FjPF3,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:
[0077]
Figure CN105675201BD00071
(H)
[0078] 其中:
[0079] α两光矢量的相位差,不同的相位差代表不同的颜色。
[0080] λ光线波长
[0081] c材料常数
[0082] d变色环厚度
[0083] O1第一主应力
[0084] 〇2第二主应力
[0085] 由于变色环约束条件可知:〇2 = 0
[0086] 所以式(11)为:
[0087]
Figure CN105675201BD00072
(12)
[0088] 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。
[0089] 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:
[0090] 破断力0%,无色;
[0091] 破断力0〜20%,从无色渐变成淡黄色;
[0092] 破断力20〜30%,从淡黄色渐变成深黄色;
[0093] 破断力30〜40%,从深黄色渐变成紫红色;
[0094] 破断力40〜50%,从紫红色渐变成蓝色;
[0095] 破断力50〜70%,从蓝色渐变成白色;
[0096] 破断力70〜80%,从白色渐变成金黄色;
[0097] 破断力80〜100%,从金黄色渐变成粉红色。
[0098] 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φ 22mm,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:
[0099] 锚杆力OkN,无色;
[0100] 破断力〇〜4.5kN,从无色渐变成淡黄色;
[0101] 破断力4.5kN〜7kN,从淡黄色渐变成深黄色;
[0102] 破断力7kN〜9kN,从深黄色渐变成紫红色;
[0103] 破断力9kN〜llkN,从紫红色渐变成蓝色;
[0104] 破断力IlkN〜15kN,从蓝色渐变成白色;
[0105] 破断力15kN〜18kN,从白色渐变成金黄色;
[0106] 破断力18kN〜22kN,从金黄色渐变成粉红色。
[0107] 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5_。
7. —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: 破断力〇%,无色; 破断力〇〜20%,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。
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