CN108349709A - 电子环状吊索检查、负载监测和报警系统 - Google Patents

Abstract

一种电子超载检查和报警系统，用于具有位于多个芯部股线和外罩内的股线的环状吊索。所述系统包括可安装到所述环状吊索上的无线传感器系统。所述无线传感器系统包括与无线发射器电连接的至少一个应变仪。所述应变仪测量所述股线上的应变。所述系统还包括无线基站和承载元件。所述无线基站包括被配置为与多个部署的无线传感器系统无线通信的无线接收器。所述承载元件固定到所述股线上。所述应变仪固定到所述承载元件上。

Description

电子环状吊索检查、负载监测和报警系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年7月12日提交的，发明名称为“电子环状吊索检查、负载监测和报警系统”，申请号为15/208,271的美国专利申请的优先权，其要求于2015年10月14日提交的，发明名称为“电子环状吊索检查、负载监测和报警系统”，申请号为62/241,401的美国临时专利申请，以及于2016年1月13日提交的，发明名称为“电子环状吊索检查、负载监测和报警系统”，申请号为62/278,109的美国临时专利申请的权益，其全部内容通过引用整体并入本文。

发明背景

本发明的优选实施例总体上涉及一种当环状吊索(roundsl ing)负载超过其额定容量、负载限制或可能接近故障时用于报警的系统和方法。本发明的优选实施例还涉及一种用于实时监测施加到环状吊索的负载的系统和方法。

工业吊索通常由金属或合成材料构成。钢丝绳吊索通常由多根扭绞在一起的金属股线制成，并由大金属套筒或套环固定。合成吊索通常包括由合成纤维股线制成的起重芯部和保护芯部的外罩。芯部的股线通常以与芯部内的其他股线大致平行的方向插入，但是也可能在它们插入到外罩中时被扭曲，如在司灵马克斯(Slingmax)的申请号为7,926,859的美国专利中所描述的，该专利通过引用整体并入本文。与钢丝绳吊索相比，合成吊索具有重量、强度和其他优点。合成吊索的一种流行设计是环状吊索，其中起重芯部形成连续的环，并且吊索具有圆形或椭圆形的外观。

现代工业吊索可能会因吊索断裂或损坏而经历故障和损失，例如，由于吊索在当前或以前使用期间的疲劳、过度拉伸或超载。当承受超过其额定容量的超载条件时，如果负载将承载芯部材料的纤维拉伸超过其额定强度，环状吊索可能会永久损坏和/或变形。当合成纤维吊索超出其抗拉强度或承重能力超载时，认为它被损坏并可能永远无法恢复到其正常的强度和承载能力。在现场使用期间，这种超载条件的检测可能很难目测或以其他方式检查或确定。

吊索通常具有指定的负载能力(额定容量)，该额定容量是不应该加载特定吊索的负载。该额定容量还为用户提供关于吊索的额定或安全起重能力的指导。然而，这种容量有时会或者偶然地被意外的冲击负载超越，或者被在装配和使用吊索期间使用不安全的捷径的用户超越。另外，使用吊索时，可能对其纤维造成磨损、割伤或其他环境恶化，这也会削弱吊索的工作负载限制、实际容量和拉伸强度，并可能对额定容量产生负面影响。可能削弱吊索的工作负载限制、容量和拉伸强度的环境因素包括维护不当、紫外线辐射暴露、弯曲、扭结、打结、磨损、疲劳、水滞留、温度和其他相关的环境因素。单独或累积地，这样的情况可能导致吊索在使用期间的意外故障。因此，每次使用吊索起重时，都需要测量和记录施加到吊索上的负载。

本领域没有已知的方法可用于在工业或现场使用环境中连续、直接测量钢丝绳吊索或合成吊索上的负载。目前的方法依赖于仅检测超载状况或负载的间接测量，例如使用附接点处的负载单元或相关的测量技术。根据索具配置，这些间接测量可能会对起重作业中使用的每个独立吊索的直接负载提供误导信息。

通常，吊索材料的超载、疲劳或损坏作为目测检查的结果并不明显，特别是考虑到特定吊索的大尺寸或长度，或者因为承载芯部被隐藏在外罩内部。如果环状吊索疲劳或结构改变，吊索可能不再能够根据其最大额定负载能力或负载限制来起重负载。这些疲劳或结构弱化的情况可能会对使用受损吊索的操作人员和装配人员构成威胁。

市售的环状吊索可能包括故障前指示器。在申请号为7,661,737的美国专利中描述了这种故障前报警指示器的例子，其内容通过引用整体并入本文。这种故障前指示器设计用于当吊索超载超过其额定容量但低于其断裂强度时产生明显的超载信号。这些故障前报警指示器不能确定在加载过程中吊索上施加的准确负载，只提供吊索加载超出其额定容量的指示。另外，根据索具配置和吊索位置或吊索上的故障前指示器，操作人员或装配人员可能难以在起重操作过程中在目测识别故障前指示器的激活。如果无法立即识别超载情况，可能会导致不安全的起重操作继续进行，直到装配人员在起重操作完成后检查环状吊索。

在索具和吊索检查的技术领域中，需要一致且可靠的吊索故障前指示。另外，需要确定结构完好的吊索，即使在最初预测的寿命之后，也有有用的使用寿命。还需要通过监测施加到吊索的负载和吊索在运行期间的环境暴露来确定吊索的结构健康监测，以确定在使用寿命期间系统健康状况，或更准确地预测吊索的使用寿命。最后，需要测量在起重操作过程中实时施加到吊索上的负载，并记录和存储单个吊索在它们的生命周期内的负载信息，以便为吊索提供准确且可预测的使用寿命预测。吊索接近其断裂点时预先报警，为吊索的操作人员提供了采取纠正措施的机会。另外，通过监测和/或预测吊索的结构健康状况，对吊索的结构能力进行预先报警，可以延长吊索的使用寿命，从而减少吊索昂贵且不必要的更换的必要性。此外，了解特定吊索生命周期内的负载、环境因素和超载历史记录，使得装配人员能够为每项装配任务确定并选择最安全和最合适的设备。

附图说明

当结合附图阅读时，将更好地理解前述发明内容以及下面对本发明的详细描述。为了说明优选的发明，在附图中示出了目前优选的实施例。然而，应该理解的是，本发明不限于所示的精确布置和手段。在附图中：

图1是根据本发明的优选实施例的与电子超载检查和报警系统一起使用的示例性环状吊索的顶部透视图；

图2是图1的示例性环状吊索沿着剖面线2-2的横截面视图；

图3是根据本发明的优选实施例的电子超载检查和报警系统的示意图；

图4是图3的电子超载检查和报警系统的正视图，该系统安装在环状吊索上，为了清晰起见，环状吊索的一些部分是透明的；

图5是图1的电子超载检查和报警系统的第一优选承载板的俯视平面图，其中承载板被附接到环状吊索的股线上并且包括安装到其上的应变仪；

图5A是图1的优选电子超载检查和报警系统的第二优选承载板的顶部透视图；

图5B是图5A的承载板的侧视图；

图5C是图5A的承载板的俯视平面图；

图5D是图5A的承载板的正视图；

图6是图1的优选电子超载检查和报警系统的第三优选承载板的顶部透视图；

图6A是图6的承载板的俯视平面图；

图6B是图6的承载板的侧视图；

图6C是图6的承载板沿着图6A的线6C-6C的横截面视图；

图7A是图1的优选电子超载检查和报警系统的第四优选承载板的顶部透视图；

图7B是根据本发明的一个优选实施例的部分封装在壳体中的图7A的承载板的顶部透视图；

图7C是部分封装在图7B的壳体中的图7A的承载板的顶部透视图，其中顶部壳体部分被示为部分透明的；

图8A是图1的优选电子超载检查和报警系统的第五优选承载板的俯视平面图；

图8B是图8A的承载板的顶部透视图；和

图9是根据本发明的优选实施例的故障指示器系统的侧视图。

具体实施方式

下面的描述中使用了某些术语，只是为了方便，而不是限制。词语“下”、“底”、“上”和“顶”表示参考图中的方向。根据本公开，词语“向内”、“向外”、“向上”和“向下”分别指的是朝向和远离优选系统的环状吊索和相关组件的几何中心，及其指定部件的方向。除非在本文中具体阐述，否则术语“一”、“一个”和“该”不限于一个元件，而是应该被解读为意思是“至少一个”。术语包括上述词语、其衍生词和类似重要词。

还应该理解的是，当涉及本发明的组件的尺寸或特性时，本文使用的术语“约”、“大约”、“通常地”、“大体上”和相似的术语表明所描述的尺寸/特性不是严格的边界或参数，并且不排除从功能上相同或相似的微小变化，如本领域普通技术人员将理解的那样。至少包括数字参数的这些参考文献将包括使用本领域所接受的数学和工业原理(例如，舍入(rounding)、测量或其他系统误差、制造容差等)的变化，将不会改变最低有效位。

详细参考附图，其中相同的附图标记始终表示相同的元件，在图1-4中示出了根据本发明的优选实施例的用于环状吊索50的电子超载检查和报警系统，通常标示为10。

环状吊索50优选地包括承载芯部52和围绕并保护承载芯部52的外罩56。芯部52可以由多根股线54(图2)构成，股线54可以由任何合适的材料制成，包括金属或合成聚合物或复合材料。芯部52可以包括一种或多种天然或合成材料，例如聚酯、聚乙烯、尼龙、K-(包含纤维的专有混合物的Inc.)、高模量聚乙烯(“HMPE”)、液晶聚合物(“LCP”)、芳族聚酰胺、对位芳族聚酰胺或其他合适的合成材料。芯部52的材料可以与吊索50被设计为起重的最大重量，以及优选使用吊索50的环境有关。另外，外罩56优选地限制了在使用期间对芯部52和正被起重的物体的表面以及与外罩56接触的相关设备的损坏。

芯部52优选地位于保护外罩56内。芯部52通常承载待起重的负载的大体全部重量。外罩56通常防止例如磨损和负载上的尖锐边缘对芯部52的物理损伤，并且防止芯部52暴露于恶劣的环境条件下，例如热量、湿度、紫外线、腐蚀性化学物质、气体材料，或可能损坏或削弱芯部52材料的其他环境条件。

在优选实施例中，芯部52包括位于外罩56内的第一芯部53a和第二芯部53b。第一和第二芯部53a、53b优选地并排位于外罩56内并且提供双负载路径以在环状吊索50上承载负载。环状吊索50不限于包括两个芯部53a、53b，并且可以用单个芯部或多于两个芯部构造而不显著影响环状吊索50的功能。第一和第二芯部53a、53b优选地位于由外罩56限定的并排腔室55a、55b内，外罩56通过紧固机构57连接在它们之间。在优选实施例中，紧固机构57包括连接外罩56的相对侧以限定腔室55a、55b的缝。环状吊索50不限于包括紧固机构57，或包括缝的紧固机构，并且可以不包括紧固机构57，或紧固机构57可以由替代机构构成，例如粘合剂粘合、一体成形、夹紧或便于在外罩56内形成第一和第二腔室55a、55b的其他机构。

电子超载检查和报警系统10优选地包括安装在环状吊索50内或上的无线传感器系统12，能够与部署在现场的多个环状吊索50通信的无线基站14，以及操作人员终端16(在图3中示意性示出)，该操作人员终端16可由操作人员使用，以监测和可视化部署在现场的多个环状吊索50上的负载，并且优选地显示负载信息和超载指示。传感器系统12和基站14之间的通信优选地为部署在现场的多个环状吊索50中的每一个提供实时、连续的负载信息。基站14还可以被配置为与互联网服务器进行无线或有线连接。然后可以将从传感器系统12收集的信息镜像到远程设备，例如另一计算机、电话、平板电脑或另一能够存储、操纵或显示数据以供用户查看的设备。

在优选实施例中，并且如图3示意性所示，传感器系统12包括应变仪18，用于测量部署在现场的多个环状吊索50中的每一个环状吊索50的应变(伸长率)。例如，应变仪18可以是用于测量轴向和横向负载的双轴应变仪。如本领域中通常已知的那样，应变仪18可以被配置为处理温度补偿。应变仪18也可以包括多个应变仪18，这些应变仪18测量各种方向和方位的应变，例如四臂应变电桥(a four gauge bridge)或惠斯通电桥(WheatstoneBridge)配置。应变仪18可以包括多个应变仪18，这些应变仪18沿环状吊索50的芯部线的纵向轴线安装，以测量芯部线上的应变或负载。应变仪18还可以包括多个测量仪，用于测量芯部53a、53b和外罩56上的应变和应力。应变仪18优选为电池供电，并且优选地由提供最少一年电池寿命的电池电源19供电，但不限于此。应变仪18可以被配置为具有几乎任何电池寿命的持续时间，例如电池寿命的大约两到三年。

电池19可以包括，例如1000毫安时(1000mAh)的主(不可充电)锂电池19(例如，松下CR 2477)。此外，电池19可以被配置为在环状吊索50的部署期间进行充电。例如，电池19可以包括能量收集电池19，该能量收集电池19在受到振动时进行充电，例如当环状吊索50正在使用或被装配时。或者，电池19可以包括太阳能充电电池19，该太阳能充电电池19连接到安装在环状吊索50的外表面上的太阳能充电条19a(图1)。当太阳能充电条19a在部署期间暴露于太阳能时，条19a优选地向电池19提供电力充电能量以限制环状吊索50返回到制造商以更换电池19，并因此在环状吊索50返回到制造商或修理之前，可能延长环状吊索50的运行寿命。或者，电池19可以包括压电功率电池，该压电功率电池在负载下产生功率或电力，并且还在发电时间之外存储产生的电力。当环状吊索50被加载时，这种压电功率电池型电池19可以配置环状吊索50以发电，并存储电能为应变仪18、发射器20和优选环状吊索50的任何附加组件供电。应变仪18优选地电连接到无线发射器20。例如，但不限于，无线发射器20可以是洛德微应变(Lord MicroStrain)的SG-Link-OEM-LXRS无线2通道模拟输入传感器节点。可选地，发射器20可以具有外部鞭状天线(未示出)。

在优选实施例中，电池19是可从环状吊索50拆卸和更换的，使得电池19可以以预定的时间间隔拆卸和更换。电池19可以由操作人员或用户拆卸和更换，或可以返回到制造商进行拆卸、更换，并优选地进行环状吊索50的维护和检查。例如，制造商可以在返回环状吊索50以更换电池19时重新校准应变仪18，可以对环状吊索50进行目测检查，可以测试和校准环境监测芯片30，下面将对其进行更详细的描述，可以限定或重新限定环状吊索的装载建议、额定容量、负载容量或能力，并且可以另外检查并维护环状吊索50以返回给操作人员。

为了精确地测量应变(或伸长率)，应变仪18优选结合到刚性的、平坦的(或平缓弯曲的)表面上。在优选的发明之前，难以直接在环状吊索50上测量应变，因为很难几乎不可能将应变仪18可靠地粘附在环状吊索50的纤维或股线上或钢丝绳的扭绞钢丝绳上。如下面详细描述的，本发明解决了现有技术的这个缺点。

优选实施例的传感器系统12还包括环境监测芯片30，其优选地由电池19供电，并且与发射器20通信。环境监测芯片30优选地被配置为监测对于环状吊索50的变化或者环状吊索50的几何性质的变化，包括其中部署了环状吊索50的环境边界条件的变化，这可能对环状吊索的性能产生不利影响。环境监测芯片30可以感测在使用期间环状吊索50及其运行环境的各种特征，例如温度、湿度、pH、阳光、紫外线辐射、化学物质存在和暴露、振动、电导率、水分以及环状吊索50的相关特征，及其可能会影响环状吊索的性能、额定负载或使用寿命的环境。环境监测芯片30还可以感测在环状吊索50附近或周围有害化学物质或气体的存在，例如可燃化学物质或气体、辐射、氯气、一氧化碳、氧气水平降低、高水平的空气污染物、有机蒸气、石棉、金属、杀虫剂、直接危及生命或健康的化学或气体条件、致癌物、毒素、刺激物、腐蚀物、致敏物、肝毒素、肾毒素、神经毒素以及作用于造血系统或损害肺部、皮肤、眼睛、或粘膜的药物，和其他相关或类似的危险化学物质或气体。除了监测可能对环状吊索50造成负面影响的环境条件之外，环境监测芯片30还可以用作对使用环状吊索50的人员、操作人员或技术人员可能不安全的条件的报警。这些条件可能包括有毒、易燃或易爆化学物质和低氧水平。

优选地，环境监测芯片30周期性地感测这些特征并且将该特征发送到发射器20，发射器20随后将该信息发送到无线基站14。利用包括由应变仪18检测到的加载特征的多个感测特征来考虑在使用期间环状吊索50暴露于负载和环境的总体，以统计分析感测到的特征并且优选地确定环状吊索50的当前状态。优选地，统计分析能够根据由于使用环状吊索50和使用环状吊索50的环境导致的老化和退化，来预测特定环状吊索50执行其预期功能的能力。例如，可以考虑可供操作人员使用的多个环状吊索50的加载和环境的历史，不仅基于它们在从工厂以新的条件装运时所开发的评级，而且还基于它们自己独特的加载和环境历史。这样的分析和历史考虑可以允许在有利的环境条件下具有轻负载历史的环状吊索50具有延长的寿命，并且限制了在达到其实际使用寿命之前处置和替换这种环状吊索50的需要。同样地，基于其独特的加载和环境历史，可以在标准使用寿命之前将暴露于极端负载和不利环境条件的环状吊索50从使用中移除，这可以提高包括这样的环状吊索50的索具或升降机的安全性。使用环境监测芯片30进行采样的频率可以被标准化，使得芯片30在预定时间段之后收集特定特征，或者使用环境监测芯片30进行采样的频率可以是可变的，例如当环状吊索50被加载时芯片30更频繁地采样特定特征，以及当环状吊索50被卸载时芯片30不太频繁地采样特定特征。此外，环境监测芯片30可以在任意时间段内收集和存储来自其传感器的数据，并且其可以将所有存储的数据或者仅仅一部分存储的数据发送到基站14。

优选实施例的环境监测芯片30可以包括由各种传感器、处理单元和数据存储单元组成的片上系统(“SoC”)集成电路。优选的SoC芯片30可以安装到环状吊索50而不占用环状吊索50中的显著空间，并且优选地被配置为测量环状吊索50的各种特征和相关的工作环境以将数据发送到基站14以用于环境和负载监测目的。

参照图5至图5D，在优选实施例中，承载元件或板26与起重芯部52的承载股线54串联(成一直线)安装。在这些优选实施例中，承载板26插入在芯部52的承载股线54的两个端部之间(在图5中示意性示出)。图5示出了具有大体为块状的承载板26的第一优选实施例，图5A-5D示出了具有圆柱形或丸形的承载板26的第二优选实施例，尽管第一和第二优选实施例都用指示相似特征的相同附图标记标识。优选地，承载板26通过将股线54的第一端部54a插入承载板26中的第一孔62a，并且制作第一结64a以将第一端部54a固定到第一孔62a和承载元件26，并且随后将股线54的第二端部54b插入承载板26中的第二孔62b，并且制作第二结64b以将第二端部54b固定到第二孔62b和承载元件26。股线54的第一端部54a和第二端部54b不一定通过结64a、64b固定到承载元件26的第一和第二孔62a、62b，并且可以以其他方式固定到承载元件26，使得承载元件26受到与在使用期间由股线54承载的负载几乎相同的负载。例如，股线54的第一和第二端部54a、54b可以以承受环状吊索50的典型操作条件的方式被夹紧、紧固、粘合或以其他方式固定到承载板26，并且具有承载通常由环状吊索50和单根股线54遇到的负载的能力。另外，承载元件26不限于具有用于固定到股线54的第一端部54a的第一孔62a和第二端部54b的第二孔62b，并且可以被配置为替代的固定机构，例如夹具或紧固件或者可以被另外设计和配置为接收第一和第二端部54a、54b的固定。

通过与单根股线54的负载路径串联(成一直线)，承载板26优选地承载与单根股线54和承载芯部52中的其他股线54大体相同的负载。在优选实施例中，承载板26具有平坦(或平缓弯曲)的表面或容纳部66，其中应变仪18优选牢固地结合到承载板或元件26。承载板26可以由几乎任何刚性物质构成，该刚性物质能够呈现承载元件26的一般尺寸和形状，能够承受承载元件26的正常操作条件，并且适合于应变仪18的应变特性，例如但不限于铝、钢、不锈钢、316不锈钢、复合材料或许多其他大体上刚性的材料。优选地，电导线60将应变信号从应变仪18输送到发射器20进行信号处理，并随后发送到基站14。承载元件26可以包括用于安装应变仪18的单个容纳部66，或者可以包括位于承载板26上的各个位置处的多个容纳部66，并且优选地包括用于安装应变仪18的大致平坦或平面表面。例如，第一优选承载元件26可以包括承载板26的相对侧上的两个容纳部66。

在第二优选实施例中，承载板26具有大体为圆柱形的形状，在其表面上形成容纳部66以便附接应变仪18，使得应变仪18被定向成大体上沿着承载板26的纵向轴线25测量应变。承载板26不限于具有大体为圆柱形的配置，并且可以形成为多种横截面形状，包括圆形、矩形、方形、椭圆形、三角形、管状、中空圆柱体和其他形状，这些其他形状能够承受环状吊索50的普通操作条件，附接到股线54的第一和第二端部54a、54b，承载从股线54施加的负载，并且在环状吊索50的正常操作条件期间有效地安装应变仪18。应变仪18可以被结合到承载板26上的容纳区域或表面66，或者可以被安装在承载元件26上的替代位置处。取决于承载板26的形状和曲率，容纳区域66可以是平坦的或平缓弯曲的，但不限于此，并且可以具有能够承受承载元件26的正常操作条件，以及执行承载元件26的典型功能的几乎任何尺寸和形状。此外，取决于承载板26的形状和曲率，可能不需要明显的容纳区域66。例如，在大体为平坦的、矩形的、四方形的或平行六面体的承载板26上，应变仪18可以被结合到承载板26的任何区域或表面，该承载板26能够接收应变仪18而不需要明显的容纳部66。

在第二优选实施例中，承载元件或板26具有长度L和直径D，其中大体为半球形的端部沿着纵向轴线25定位。优选地，长度L和直径D的大小对应于承载元件26连接到的单根股线54的一般尺寸，但不限于此。在优选实施例中，承载元件26可以具有大约二至三英寸(2-3″)的长度和大约二分之一至一英寸(1/2-1″)的直径，但不限于此。优选实施例的容纳区域66具有大约四分之一至四分之三英寸(1/4-3/4″)的容纳部长度x和大约四分之一至二分之一英寸(1/4-1/2″)的容纳部宽度y，但不限于此，并且如上所述，容纳区域66可以具有能够接受应变仪18的几乎任何尺寸和形状，或者当应变仪18直接安装到承载元件26的侧面时，容纳区域66可以从承载元件26中排除。第一优选实施例的第一和第二孔62a、62b具有大约八分之三英寸(3/8″)的大体一致的孔径d(未标示)，但不限于此，并且如上所述，可以具有几乎任何尺寸、形状或构造以接受股线54的端部54a、54b，或者可以从承载板26中排除。或者，在第二优选实施例中，孔62a、62b具有大体长方形的形状，其具有大约四分之一至三分之一英寸(1/4-1/3″)的大长度H1和大约为八分之一至八分之三英寸(1/8-3/8″)的小长度H2。第二优选实施例的孔62a、62b不限于大体为长方形的形状，并且可以具有大体恒定的直径，可以从承载板26中去除，或者可以呈现能够接受股线54的端部54a、54b并且能够承受承载元件26的正常操作条件的可选尺寸和形状。

参照图6-6C，在第三优选实施例中，承载元件126具有与第一和第二优选承载元件26相似的功能和特征，也可以与起重芯部52的承载股线串联(成一直线)安装。本文描述的第三优选实施例的承载元件126，其中相同的附图标记指示相似的特征以及区分第三优选承载元件126与第一和第二优选承载元件26的前缀“1”。起重芯部52优选在第一和第二孔162a、162b处连接到承载元件126，使得承载元件126在使用期间承载与单根股线54大体相同的负载。优选地，第一和第二孔162a、162b对齐并位于承载元件126的纵向轴线125上。优选地，股线54的两个端部54a、54b以操作配置固定到第一和第二孔162a、162b。优选地，容纳部166形成在承载元件126中并且尺寸和配置设置成接收测量承载元件126上的负载和应变的应变仪18。优选地，容纳部166也沿着纵向轴线定位和对齐，使得应变仪18在优选实施例中沿纵向轴线125对齐。在第三优选实施例中，容纳部166包括插入到承载元件126的中心表面的口袋，但不限于此，并且可以与承载元件126的表面大体齐平，并且可以位于承载元件126上的不同位置。另外，在该优选实施例中，承载元件126包括位于相对的顶侧和底侧上的容纳部166，其通常为平坦的或平面的以用于安装应变仪18。优选地，顶部容纳部166包括附加的凹口和用于接收应变仪18的口袋，并且底部容纳部166大体上是平坦的。优选地，应变仪18安装到顶部和底部容纳部166上，以补偿环境温度和承载元件126的弯曲。承载元件126优选地由相对坚固和坚硬的金属材料构成，例如钢、不锈钢、316不锈钢、铝、7075铝，或其他相对坚固和坚硬的材料，能够呈现承载元件126的一般尺寸和形状，并且能够承受承载元件126的正常操作条件，例如复合材料。

在第三优选实施例中，承载元件126具有大体为狗骨形或哑铃形的形状，具有相对较宽的第一和第二端部126a、126b以及相对较窄的中心部分126c。承载元件126具有总载体长度Z，中心部分长度z，在平面图中测量的作为第一和第二端部126a、126b的直径的大宽度W，中心部分126c的小宽度w，在第一和第二端部126a、126b处测量的大厚度T以及在靠近容纳部166的中心部分126c中测量的小厚度t。在第三优选实施例中，总载体长度Z约为四至五英寸(4-5″)，优选为四又四分之三英寸(4³/₄″)，中心部分长度z约为二至三英寸(2-3″)，优选为二又四分之一英寸(2¹/₄″)，大宽度W约为一至一又二分之一英寸(1-1¹/₂″)，优选为一又四分之一英寸(1¹/₄″)，小宽度W约为二分之一至四分之三英寸(1/2-3/4″)，优选为十分之六英寸(0.6″)，大厚度T约为四分之一至二分之一英寸(3/4-1/2″)，并且小厚度t约为十分之一至四分之一英寸(1/10-1/4″)，优选为六分之一英寸(1/6″)。第三优选承载元件126的这些尺寸不是限制性的，并且承载元件126可以以允许与芯部股线54接合的几乎任何方式确定尺寸和配置，使得承载元件126在使用期间承载芯部股线54的负载，能够被安装到芯部股线54并且承受承载元件126的正常操作条件，如本文所述。承载元件126当在其不同的表面(例如第一和第二孔162a、162b的侧壁，第一和第二端部126a、126b的外表面)之间转换时，以及当在第一和第二端部126a、126b和中心部分126c之间转换时，优选地具有弯曲或弧形表面。如果这些元件摩擦、滑动或抵靠承载元件126定位，这些弧形和弯曲表面优选地被设计和配置为限制对芯部股线54以及芯部52和外罩56的其他部分的损伤。在第三优选实施例中，第一和第二孔162a、162b具有形成大体双曲面形状以促进与芯部股线54接合的内曲面，但不限于此，并且可以具有能够接受芯部股线54或与芯部股线54接合的几乎任何尺寸或形状，优选为弧形或弯曲表面。另外，类似于第二优选实施例的第一和第二孔62a、62b，第一和第二孔162a、162b可以具有椭圆形。

参照图7A，第四优选承载元件126’具有与第三优选承载元件126相似的结构，并且相似的附图标记用于标识第四优选承载元件126’的相似特征，其具有使用的主要符号(’)以区分第四优选实施例与第三优选实施例。与第三优选实施例的更圆的边缘相比，第四优选承载元件126’的第一和第二端部126a’、126b’具有略方的边缘或角部，并且包括容纳部166’，该容纳部166’通常是中心部分126c’中的凹口，用于接收应变仪18。第四优选承载元件126’包括在顶表面和底表面上的用于接收和安装应变仪18的容纳部166’，但不限于此，并且基于用户和设计者的偏好，可以在承载元件126’上的选定位置处包括单个容纳部166’或另外的容纳部166’。优选地，容纳部166’在第一和第二孔162a’、162b’之间对齐，以测量在操作配置中的承载元件126'和股线54上的负载。第四优选承载元件126'另外大体上以与第三优选承载元件126相同的方式构造。

优选地，第四优选承载元件126'包括密封环140，密封环140位于或包覆成型到中心部分126c'上靠近第一和第二端部126a'、126b'的中心部分126c'的相对两端附近。优选地，密封环140由类似橡胶的材料构成，其允许中心部分126c'与可以接合到承载元件126'的壳体75密封。壳体75为电子超载检查和报警系统10的应变仪18和其他电子设备提供保护。电子超载检查和报警系统10不限于包括用于相对于承载元件26、126、126'密封壳体75的密封环140，并且壳体75和承载元件26、126、126'可以另外设计和配置为在操作期间保护和密封电子超载检查和报警系统10的电子元器件，例如通过在组件和承载元件26、126、126'上包覆成型聚合物材料或膜或以其他方式覆盖和保护电子元器件。

参照图8A和8B，第五优选承载元件126”具有与第三和第四优选承载元件126、126”相似的结构，并且相似的附图标记用于标识第五优选承载元件126”的相似特征，其具有使用的双引号符号(”)以区分区分第五优选实施例与第三和第四优选实施例。第五优选承载元件126”包括在承载元件126”的中央前侧壁和后侧壁上的用于安装应变仪18的容纳部166”。优选地，承载元件126”的中心部分还在第一和第二端部126a”、126b”之间具有大致矩形或其他平行六面体的横截面，第一和第二端部126a”、126b”在前后侧壁上向内倾斜以限定容纳部166”在承载元件126”的中心部分。优选地，应变仪18安装在两个容纳部166”中，用于测量负载并补偿承载元件126”的温度和潜在弯曲。应变仪18还可以安装到承载元件126”的中心部分的顶表面和底表面以提供进一步的补偿和数据。第五优选实施例的承载元件126”不限于在前后侧壁上具有大致矩形或平行六面体的中心横截面或容纳部166”。如本文所述，承载元件126”的中心部分可以具有几乎任何的横截面形状，并且容纳部166”可以位于承载元件126”上的几乎任何位置处，以允许安装应变仪和收集吊索加载数据。

参照图5-8B，在优选实施例中，承载元件26、126、126'、126”至少部分地由壳体75包围，特别是在应变仪18上。在图7B和图7C中示出了包围第四优选实施例的承载元件126'的壳体75，并且可以设计和配置为接合和包围任何优选的承载元件26、126、126'、126”。优选地，壳体75包括顶部壳体部分75a和底部壳体部分75b。优选地，顶部和底部壳体部分75a、75b由聚合物材料，例如丙烯腈丁二烯苯乙烯(“ABS”)构成，但不限于此，并且可以由几乎任何聚合物、金属、木质或其他结构材料构成，能够呈现壳体75的一般尺寸和形状，执行壳体75的优选功能，并且承受壳体75的正常操作条件。优选地，顶部和底部壳体部分75a、75b在承载元件26、126、126'的中心部分126c、126c'上卡合在一起，并且与密封环140接合以防止外部液体和空气流入壳体75中。优选地，顶部和底部壳体部分75a、75b被力卡合、焊接或结合在一起，使得使用者难以将顶部壳体部分75a与底部壳体部分75b从工作配置分离。优选地，在现场使用期间，壳体75不被打开或分离，而仅在返回到制造商进行检查和维护时才被打开。壳体75不限于难以被用户打开，并且可以被配置为由用户打开和关闭以进行检查、维护或其他操作。

优选的壳体75包括电池76和封装在其中的电路板78。优选地，电池76为电路板78提供电力，电路板78可以至少包括无线发射器20、存储器或内存(未示出)和控制器(未示出)。壳体75为无线发射器和控制器提供保护和结构支持。壳体75不限于在其中包括无线发射器20、电池76和电路板78，但是将这些电子元器件包含在壳体75中为这些元器件件提供环境保护和结构支持是优选的。

参照图1-8，优选地，无线基站14包括无线接收器22，用于无线接收来自无线发射器20的数据。例如，优选的接收器22可以是洛德微应变(Lord MicroStrain)的WSDA-BASE-104USB网关节点，但不限于此，并且可以包括几乎任何接收器22，其能够无线接收来自无线发射器20的数据，承受接收器22的正常操作条件，并且另外执行接收器22的优选功能，如本文所述。优选地，无线发射器20和接收器22表现出至少约150英尺(150′)的通信范围，并且优选地，具有大约五百英尺(500′)的通信范围，但不限于此，并且可以具有更短的或更长的通信范围。例如，使用蜂窝通信协议，无线发射器20和接收器22可以在几乎任何范围内通信，甚至跨越大陆或围绕地球。另外，优选的系统不限于通过将应变仪18直接硬连线到基站14而包括无线发射器20和接收器22的配置。然而，无线信号传输对于该系统是优选的，特别是当基站14正在监测多个环状吊索50上的负载时。

优选地，接收器22电连接至操作人员终端16中的计算设备24，例如计算机、平板电脑、智能电话等，其能够计算和操纵所接收的数据，可视化并监测吊索负载，并且显示负载指示器。在一个实施例中，计算设备24是具有数据采集和设备编程软件(例如，LabView等)和离线数据分析软件(例如，Microsoft Excel等)的Windows笔记本电脑或PC。优选地，计算设备24能够统计分析来自应变仪18和环境监测芯片30的采集数据，以基于环状吊索50的各种感测特征及其工作环境来确定环状吊索50的预测当前状态或健康状况。优选地，计算设备24还具有至少一个连接端口，例如USB或其他串行或并行端口，用于与接收器22连接，但不限于此。

至少在优选实施例中，计算设备24优选地根据从一个或多个环状吊索50的无线传感器系统12接收的应变数据以及相应承载板材料的弹性模量来计算环状吊索50上的应力(应力＝应变*弹性模量)。接收器22可以被配置为与现场部署的多个发射器20同时通信(为了说明的目的，在图3中示出了三个传感器系统12)，例如三个环状吊索50，并且因此可以同时从基站14监测多个环状吊索50。可选地，接收器22可以被配置为与单个环状吊索50、两个环状吊索50或多于三个环状吊索50相关联的单个发射器20通信。可以通过将所测量的应力与承载元件26的表面积相乘来估计由负载施加在环状吊索50上的力。然后可以使用物理计算将力转换为负载的权重估计值，这是本领域普通技术人员通常已知的。

为了说明每个吊索中构造的差异，可以采用校准系统来补偿施加到承载元件26的张力的差异。环状吊索50可以放置在拉力测试仪上，与校准的测压元件一致，并置于一系列已知负载下。这些负载可以被输入到与无线发射器20无线通信的计算机中。通过将来自应变仪18的信号与已知负载相匹配，可以生成校准曲线，以便精确读取使用中的负载。为了简化处理，计算设备24可以包括校准模式。该模式可以提示操作人员通过校准过程，并用最终校准信息自动加载发射器。另外，当环状吊索50返回维修或按照预定的时间表返回时，可以以相同的方式重新校准环状吊索，并且可以重新加载最终的校准信息以补偿原始校准中的任何变化。

应变仪18优选具有紧凑的尺寸，以普遍适用于几乎任何尺寸的环状吊索50。如图4所示，应变仪18可以安装在承载板或承载元件26上并且附接在芯部52的股线54的两个端部54a、54b之间。第一优选实施例的承载板26在以下描述中被用作示例，并且第二、第三和第四优选实施例的承载板26、126、126'也可以与环状吊索50以与如下所述相似或相同方式一起使用。承载板26优选地置于保护外罩56的内部，从而保护测量仪18免受环境危害，例如水、油或电磁(“EM”)辐射。在一个优选实施例中，无线发射器20也安装在连接到吊索外罩56的保护口袋中，例如以短尾的形式。尾部可以是不同颜色的材料，以指示内部敏感电子元器件的存在。环状吊索50内的电连接优选至少由保护外罩56保护，并且可以进一步由附加的外罩、材料或放置来保护，例如在芯部股线54内的中心。承载板26、应变仪18、无线发射器20和相关组件不限于安装在外罩56内，但是优选地安装在其中以连接到股线54并且在现场使用期间为这些组件提供保护。例如，在第四优选实施例中，电路板78、电池76和应变仪18安装在壳体75内以向电子超载检查和报警系统10的电子元器件提供结构和环境保护。

在优选实施例中，电子超载检查和报警系统10是电池供电的，并且优选使用节电措施以延长电池寿命。可选地，电子超载检查和报警系统10可以使用包括生活用电或发电机的其他方式来供电，因此限制了对节电措施的偏好。在优选实施例中，在加载环状吊索50之前，发射器20和接收器22通电。在通电时，发射器20和接收器22优选地保持在低功率睡眠模式中以用于电池保存。在睡眠模式下，发射器20和接收器22周期性地醒来并等待来自基站14的唤醒信号。当接收到唤醒信号时，发射器20和接收器22优选地进入具有基于事件的采样的低占空比模式。在这个优选的低占空比模式中，接收器20开始以低频率(例如1Hz)对发射器20进行采样，但是如果发生某个预定事件，则仅向计算设备24发送数据。在吊索应用的情况下，潜在的事件是测量应变仪18上的非零负载，其优选地从发射器20传输到接收器22。

当环状吊索50被加载并且将唤醒信号从发射器20发送到接收器22时，应变仪18优选地测量承载板26、126、126'、126”的伸长率。所测量的数据和任何超载指示器完整性数据优选地以预设间隔从发射器20无线发送到接收器22。接收器22将数据中继到计算设备24以用于附加的数据处理、可视化、报警和/或存储。触发信号(例如，大于关联的最大安全应力值的应力值或大于两倍额定负载的负载)优选地通过操作人员终端16引起报警，例如声音报警、书面消息、到运营商的电话的文本消息或短消息服务(“SMS”)通信、视觉报警、到设备的锁定操作的信号等。这些消息或报警可以向用户或检查人员报警一个或多个吊索50的潜在危险状况，使得用户或检查人员可以采取行动来解决状况。应该理解的是，接收器22可以从部署在多个环状吊索50中的多个发射器20接收数据。由计算设备24计算并显示在计算设备24上的数据指示相应的环状吊索50和与环状吊索50相关联的相关应力和/或应变。

除了唤醒信号之外，基站14优选地以规则的间隔对每个发射器20进行寻呼，以便确认传感器系统12可用并且可操作。优选地，发射器20和接收器22还在预定的不活动时间周期例如1至5小时(1-5小时)之后返回到低功率睡眠模式。

在操作中，电路板78可以包括存储或内存能力，其能够存储来自传感器(例如应变仪18)的预定量的负载或其他收集的数据。例如，优选的电子超载检查和报警系统10可以被配置为在操作期间在电路板78处存储峰值负载状况。电路板78还可以被配置为记录并保存来自与吊索50相关联的传感器的其他感测数据，例如最大和/或最小温度、最大加速度、最大化学浓度以及类似或相关的感测数据。电路板78还可以被配置为本地保存施加到吊索50的加载循环的数量或者由电路板78接收的几乎任何其他感测数据。电路板78可以被配置为始终且永久地保持或保存吊索50的该收集的数据，直到制造商重置为止。在电路板78处本地保存该收集的数据可以允许吊索50的制造商检查保修索赔，如果从电路板78发送的数据的访问受到吊索50的用户的限制。

除了单独使用之外，电子超载检查和报警系统10还可以用于与其他故障前报警指示器一起运行，例如但不限于2015年7月16日发布的，标题为“带有射频识别故障前报警指示器的环状吊索”，申请号为：9,293,028的美国专利中教导的故障前报警指示器，其全部内容通过引用合并于此。

参照图1、2和9，绝缘导线100，例如十二号铜线，可以被连接在故障指示器系统40上的两个眼环27、29之间，并且与专用股线28并联。优选地，专用股线28位于芯部52内或芯部52上。优选地，专用股线28不同于构成芯部52的股线54。优选地，专用股线28放置在靠近芯部52的位置，例如，专用股线28可以围绕一个或多个芯部股线54扭绞，或者专用股线28可以靠近芯部52放置，如图2所示。在一些方面中，专用股线28被固定到外罩56的内部。当使用环状吊索50一段时间后，外罩56可以在特定位置形成磨损点，例如，在环状吊索10从起重机吊钩悬挂的位置。因此，可期望相对于承载芯部52旋转外罩56。通过将专用股线28固定到外罩56内部，外罩56(有意或无意地)的运动通常不会影响故障前指示器组件40的操作。当第一眼环27和第二眼环29经由环82连接在一起时，专用股线28加上环82形成环状(endlessloop)。分离的专用股线28的形状通常匹配由芯部股线54形成的环状平行环的形状(例如，通常为圆形或椭圆形)。环82可以包括任何合适的形状。

优选地，导线100用作连续性测试仪。当超载情况发生时，专用股线28断裂，优选地，在稍小于股线54的额定负载的负载下，并且眼环27、29被推开，导致作为连续性测试仪的导线100的断裂。导线100优选地与发射器20通信。当由于超载事件导致导线100的连续性被切断时，发射器20产生报警信号并将该信号发送到接收器22。这样产生的超载信号可以使用多种方法(包括有线传输、无线传输、光信号、音频报警等)发送。基站14随后可以向操作人员和装配人员提供报警或以其他方式限制升降机的操作以防止环状吊索50的断裂。

环状吊索50还可以包括指示线80。外罩56可以包括指示线80可以穿过的开口，和线80的一段长度和因此位于外罩56内部的一个终端，以及线80的一段长度和因此位于外罩56外部的另一个终端。该开口可以位于外罩56中的任何合适的位置。优选地，线80具有明亮的颜色，包括黄色、橙色、红色或其组合，或其他合适的可见或对比颜色，以便使用者可以监测线80的可见端部分。例如，如果环状吊索50被过度拉伸或超载，则随着线80被拉入外罩56中，线80的可见部分可能变得更短，并且随着线80的可见部分的缩短通知用户环状吊索50过度拉伸或超载。在这个意义上，指示线80可以用作故障指示器系统40的冗余，如上所述。指示线80也可以包括故障指示器系统40的组件。

本领域技术人员应该理解，可以对上述实施例进行改变而不背离其广泛的发明构思。因此，应该理解的是，本公开不限于所公开的特定实施例，而是旨在涵盖在本公开的精神和范围内的修改。

Claims (20)

1.一种用于环状吊索的电子超载检查和报警系统，其特征在于，所述环状吊索具有位于多个芯部股线和外罩内的股线，所述系统包括：

无线传感器系统，所述无线传感器系统可安装到所述环状吊索上，所述无线传感器系统包括与无线发射器电连接的至少一个应变仪，所述应变仪测量所述股线上的应变；

无线基站，所述无线基站包括至少一个无线接收器，所述无线接收器被配置为与多个部署的无线传感器系统无线通信；以及

承载元件，所述承载元件固定到所述股线上，所述应变仪固定到所述承载元件上。

2.根据权利要求1所述的电子超载检查和报警系统，其特征在于，还包括：

操作人员终端，所述操作人员终端包括至少一个计算设备，所述计算设备用于计算和显示所述环状吊索上的应力。

3.根据权利要求1所述的电子超载检查和报警系统，其特征在于，还包括：

电池，所述电池配置为给所述应变仪供电，所述电池连接到所述环状吊索。

4.根据权利要求3所述的电子超载检查和报警系统，其特征在于，所述电池被配置为在受到振动时进行充电。

5.根据权利要求3所述的电子超载检查和报警系统，其特征在于，所述电池被配置为通过太阳能进行充电。

6.根据权利要求3所述的电子超载检查和报警系统，其特征在于，所述电池是压电电池。

7.根据权利要求1所述的电子超载检查和报警系统，其特征在于，还包括连接到所述无线发射器的环境监测芯片，所述环境监测芯片被配置为监测温度、湿度、pH、环境可见光、环境紫外光、振动、电导率、危险化学物质和危险气体中的至少一个。

8.根据权利要求1所述的电子超载检查和报警系统，其特征在于，所述计算设备被配置为用于计算所述环状吊索的预测健康状况。

9.根据权利要求8所述的电子超载检查和报警系统，其特征在于，所述计算设备被配置为通过至少接收测量结果和记录与每个循环相关的测量结果以及所述环状吊索的峰值加载来预测所述环状吊索的健康状况。

10.根据权利要求1所述的电子超载检查和报警系统，其特征在于，还包括：

指示线，所述指示线在一端处连接到所述股线，并且在另一端处从所述外罩中伸出，所述指示线被配置为当所述环状吊索经受超载时缩回到所述外罩中。

11.根据权利要求1所述的电子超载检查和报警系统，其特征在于，所述无线传感器系统和所述应变仪被配置为以默认的低功率睡眠状态存在，所述无线基站被配置为发送唤醒信号，所述无线传感器系统和所述应变仪在接收到所述唤醒信号时转换到全功率状态。

12.根据权利要求1所述的电子超载检查和报警系统，其特征在于，所述承载元件包括在第一发送的第一孔和在第二端部的第二孔，所述股线在所述第一孔处连接到所述承载元件。

13.根据权利要求1所述的电子超载检查和报警系统，其特征在于，所述承载元件包括容纳部，在所述容纳部中所述应变仪固定到所述承载元件上，所述承载元件具有大体圆柱形状，且具有圆形的第一端部和第二端部。

14.根据权利要求1所述的电子超载检查和报警系统，其特征在于，所述承载元件具有第一端部、第二端部和纵向轴线，所述纵向轴线延伸穿过所述第一端部和第二端部，所述应变仪被定向成至少沿着所述纵向轴线测量应变。

15.一种用于环状吊索的电子超载报警系统，其特征在于，所述环状吊索具有芯部股线和外罩，所述系统包括：

无线传感器系统，所述无线传感器系统可安装到所述环状吊索上；

无线基站，所述无线基站包括至少一个无线接收器，所述无线接收器配置为与所述无线传感器系统无线通信；

专用股线，所述专用股线安装在所述芯部股线附近，所述专用股线具有小于所述芯部股线的额定负载的负载限制；以及

导线，所述导线连接到所述专用股线，并且与所述无线传感器通信，所述导线被配置为当所述专用股线断裂时所述导线断开，由此驱动来自所述无线传感器的信号到所述无线基站，所述无线基站被配置为在接收到来自所述无线传感器的信号时向操作人员发出可听报警和可视报警中的一个。

16.根据权利要求15所述的电子超载报警系统，其特征在于，所述专用股线包括在第一端部的第一眼环和在第二端部的第二眼环。

17.根据权利要求16所述的电子超载报警系统，其特征在于，所述专用股线包括由所述第一眼环和所述第二眼环连接的环，所述环具有小于所述芯部股线的额定负载的负载限制。

18.根据权利要求15所述的电子超载报警系统，其特征在于，所述导线包括十二号铜线。

19.根据权利要求15所述的电子超载报警系统，其特征在于，还包括：

指示线，所述指示线连接到所述专用股线，所述指示线包括位于所述外罩内的第一终端和位于所述外罩外的第二终端。

20.根据权利要求15所述的电子超载报警系统，其特征在于，所述专用股线具有专用股线额定负载，并且所述芯部股线具有芯部股线额定负载，所述芯部股线额定负载大于所述专用股线额定负载。