CN113514325A - 埋入式应力应变传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于应力检测技术领域，尤其涉及埋入式应力应变传感器，包括电源模块、外壳以及设置在外壳内的检测部；检测部用于进行应力检测；外壳的前端固设有挖掘部；外壳的末端固设有电伸缩杆，电伸缩杆的顶端与外壳固定，电伸缩杆的底端固设有固定架；挖掘部、超声波发射器、超声波电机及电伸缩杆分别与电源模块电连接。本申请可以较为便捷的进行应力检测。

Description

埋入式应力应变传感器
技术领域
本发明属于应力检测技术领域，尤其涉及埋入式应力应变传感器。
背景技术
为了保证隧道的安全，需要对隧道上的土质进行应力应变分析，而应力应变分析是一个较复杂的问题，要对应力进行精准的分析，首先需要应力应变传感器能够传回精准的检测数据。
现有的应力应变传感器，就是普通的传感器，一般在需要检测应力的时候，才会将传感器安装到特定的位置，这样的传感器只能被人为设置地一个一个安装，对于一些特殊的建筑结构，一是很难开口将传感器布置到对应的位置上，二是因为涉及到应力的精准检测，仅仅是一个检测对象上就会存在多个检测位置，此时就需要将多个传感器设置在对应的位置上进行检测(例如，对某个顶面为水平面的区域的应力检测，即使是同一个检测点位，通常就需要在不同的深度位置处分别安装传感器，操作十分麻烦)。这样设置不仅是耗费的传感器数量多、成本高，而且布置传感器操作也十分麻烦。
因此，需要一种埋入式应力应变传感器，能够较为便捷的进行应力检测。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种埋入式应力应变传感器，能够较为便捷的进行应力检测。
为了解决上述技术问题，本申请提供如下技术方案：
埋入式应力应变传感器，包括电源模块、外壳以及设置在外壳内的检测部；检测部用于进行应力检测；外壳的前端固设有挖掘部；外壳的末端固设有电伸缩杆，电伸缩杆的顶端与外壳固定，电伸缩杆的底端固设有固定架；挖掘部、超声波发射器、超声波电机及电伸缩杆分别与电源模块电连接。
基础方案原理及有益效果如下：
使用本申请时，通过固定架将装置安装在检测区域(如顶面为水平面的区域)的具体位置即可。
在检测时，根据需要检测的深度不同，可以通过电伸缩杆与挖掘部的配合，使检测部进入到第一个需要检测的位置后，由检测部进行应力检测；采集完后，再通过电伸缩杆与挖掘部的配合使检测部到达第二个需要检测的位置后进行检测；依次类推，直到检测完成所有的检测位置。对于某些土质特殊的区域，为了避免后续挖掘时对之前检测区域的影响，也可以先进入最深的检测位置进行检测后，再使电伸缩杆收缩进行其余检测位置的检测。之后，再将检测数据进行上传和分析。
对于需要长期高频率检测的区域，可能会出现在两次检测之间，有杂质堵住通道的情况，此时，本申请也可以通过电伸缩杆及挖掘部的配合，轻松的完成检测工作。
本发明在进行应力检测时，在每组深度不同的检测点只需要安装一个检测装置即可，与现有技术用人工挖掘通道后再人工测量通道深度，并在不同深度分别安装检测装置相比，可以极大的减少传感器的数量以及人工安装成本。
综上，本申请可以较为便捷的进行应力检测。
进一步，检测部包括超声波发射器和超声波接收器，超声波发射器用于向外发射超声波，超声波接收器用于接收反射回来的超声波信号。
通过超声波发射器和超声波接收器，能够精准检测该位置应力应变情况。
进一步，电源模块包括电池及能量转换机构，能量转换机构用于将其他能量转化成电能，还用于对电池充电。
有些区域需要长期高频的检测，此时就需要将装置固定在某个区域，并通过上位机使其进行定期检测。但是这样一来，就需要工作人员经常性的对其进行电池更换。通过能量转换机构，能够利用安装位置的地理优势环境，将其他能量通过能量转换机构转化成电池的电能，进而为检测装置持续供电，不用专门安排人去频繁的更换电源，同时也可以避免出现因为电能不足导致检测中断的情况。
进一步，能量转换机构包括温差发电机构和太阳能转换机构；温差发电机构的两种热电转换材料中的其中一种埋在土中，另一种暴露在空气中；还包括供电控制单元，供电控制单元用于根据温差发电机构及太阳能转换机构的工作状态，进行供电方式调整；当温差发电机构及太阳能转换机构均正常工作时，供电控制单元控制太阳能转换机构进行充电并使用温差发电机构进行供电，否则，供电控制单元控制电池供电。
在光照充足的白天，太阳的光照会使太阳能转换机构正常工作，并通过热辐射的方式使空气及土升温，由于土的比热容远大于空气，在土升温到和空气一样的温度的过程中，温差发电机构会产生电能。换个说法，在太阳照射的某个时段内，温差发电机构及太阳能转换机构会同时正常工作，此时，供电控制单元控制太阳能转换机构进行充电，并使用温差发电机构进行供电。由于不能多种充电源同时对电池进行充电，这样的供电方式，可以保证快速为电池进行充电的同时，保持供电的稳定。同理，当太阳落下没有光照时，空气及土会降温，在土温度降低和温度一致的过程中，温差发电机构同样会产生电能，可以对电池进行充电，从而进一步增强电池的续航能力。
只有在没有太阳光照射并且温度发电机构不工作时，才会让电池单向供电，可以极大的增加电池的续航能力。对于常年日照充足的地区而言，更是可以极大的减少人工干预电量供应的时间成本和人力成本。
进一步，还包括处理单元，用于接收检测数据并进行应力应变分析；处理单元还用于当温差发电机构正常工作时，基于当前时间及预设的算法，对接收到的检测数据进行温度补偿处理后，再进行应力分析。
当温差发电机构正常工作时，说明土内外各处的温度差异较大，而检测部的检测位置较为分散，因此，需要根据预存的算法对接收到的检测数据进行温度补偿，以使整体的检测数据更为符合真实的情况后，再进行应力分析。这样能够保障应力分析的准确性，使系统的可靠性更好。处理单元可以集成在下位机(如小型PLC)，也可以安装在上位机或服务器，本领域技术人员可结合具体的需求具体设置。
这样的设置，可以充分的利用温差发电机构，一个机构实现多种效果。
进一步，电池有多组，能量转换机构对电池进行充电时，按照电池的剩余电量从低到高依次进行充电。
进一步，电伸缩杆为多节式电伸缩杆。
与两节式电伸缩杆相比，在伸展长度相同的情况下，由于收缩后长度更短，可以有效的扩大检测范围。
附图说明
图1为本发明实施例一的逻辑框图；
图2为本发明实施例一中的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的附图标记包括：外壳1、挖掘部2、电伸缩杆3、固定架4。
实施例一
需要说明的是，为便于理解，本实施例的使用场景为需要长期高频进行应力应变检测的使用场景，即，需要将传感器安装在检测区域进行长期持续检测的区域。
如图1、图2所示，埋入式应力应变传感器，包括电源模块、外壳1以及设置在外壳1内的检测部。
检测部用于进行应力检测；具体的，检测部包括超声波发射器和超声波接收器，超声波发射器用于向外发射超声波，超声波接收器用于接收反射回来的超声波信号。
外壳1的前端固定有挖掘部2。挖掘部2可根据外壳1的尺寸选择对应尺寸的螺旋挖土机。
外壳1的末端固定有电伸缩杆3，电伸缩杆3的顶端与外壳1固定，电伸缩杆3的底端固定有固定架4。本实施例中，电伸缩杆3位多节式电伸缩杆3，与两节式电伸缩杆3相比，在伸展长度相同的情况下，由于收缩后长度更短，可以有效的扩大检测范围。固定架4由多根横杆和多根竖杆固定而成。
挖掘部2、超声波发射器、超声波电机及电伸缩杆3分别与电源模块电连接。电源模块包括电池及能量转换机构，能量转换机构用于将其他能量转化成电能，还用于对电池充电。
其中，能量转换机构包括温差发电机构和太阳能转换机构；本实施例中，电池及太阳能转换机构通过安装座安装在固定架4上。温差发电机构的两种热电转换材料中的其中一种埋在土中，另一种暴露在空气中；还包括供电控制单元，供电控制单元用于根据温差发电机构及太阳能转换机构的工作状态，进行供电方式调整；当温差发电机构及太阳能转换机构均正常工作时，供电控制单元控制太阳能转换机构进行充电并使用温差发电机构进行供电，否则，供电控制单元控制电池供电。
电池有多组，能量转换机构对电池进行充电时，按照电池的剩余电量从低到高依次进行充电。
具体实施过程如下：
通过固定架4将装置安装在检测区域(如顶面为水平面的区域)的具体位置后，在检测时，根据需要检测的深度不同，可以通过电伸缩杆3与挖掘部2的配合，使检测部进入到第一个需要检测的位置后，由检测部进行应力检测；采集完后，再通过电伸缩杆3与挖掘部2的配合使检测部到达第二个需要检测的位置后进行检测；依次类推，直到检测完成所有的检测位置。对于某些土质特殊的区域，为了避免后续挖掘时对之前检测区域的影响，也可以先进入最深的检测位置进行检测后，再使电伸缩杆3收缩进行其余检测位置的检测。之后，再将检测数据进行上传和分析。
对于需要长期高频率检测的区域，可能会出现在两次检测之间，有杂质堵住通道的情况，此时，本申请也可以通过电伸缩杆3及挖掘部2的配合，轻松的完成检测工作。
本发明在进行应力检测时，在每组深度不同的检测点只需要安装一个检测装置即可，与现有技术用人工挖掘通道后再人工测量通道深度，并在不同深度分别安装检测装置相比，可以极大的减少传感器的数量以及人工安装成本。
另一方面，在光照充足的白天，太阳的光照会使太阳能转换机构正常工作，并通过热辐射的方式使空气及土升温，由于土的比热容远大于空气，在土升温到和空气一样的温度的过程中，温差发电机构会产生电能。换个说法，在太阳照射的某个时段内，温差发电机构及太阳能转换机构会同时正常工作，此时，供电控制单元控制太阳能转换机构进行充电，并使用温差发电机构进行供电。由于不能多种充电源同时对电池进行充电，这样的供电方式，可以保证快速为电池进行充电的同时，保持供电的稳定。同理，当太阳落下没有光照时，空气及土会降温，在土温度降低和温度一致的过程中，温差发电机构同样会产生电能，可以对电池进行充电，从而进一步增强电池的续航能力。
只有在没有太阳光照射并且温度发电机构不工作时，才会让电池单向供电，可以极大的增加电池的续航能力。对于常年日照充足的地区而言，更是可以极大的减少人工干预电量供应的时间成本和人力成本。
实施例二
与实施例一的区别在于，本实施例中还包括处理单元，处理单元集成在上位机。上位机与下位机通信，下位机与埋入式应力传感器电连接。管理人员可在上位机的预设检测程序，上位机可自动通过下位机控制本申请中的各机构工作。同时，下位机可将检测部的检测数据发送给上位机。
处理单元用于接收检测数据并进行应力应变分析。当温差发电机构正常工作时，处理单元基于前时间及预设的算法，对接收到的检测数据进行温度补偿处理后，再进行应力分析。
当温差发电机构正常工作时，说明土内外各处的温度差异较大，而检测部的检测位置较为分散，因此，需要根据预存的算法对接收到的检测数据进行温度补偿，以使整体的检测数据更为符合真实的情况后，再进行应力分析。这样能够保障应力分析的准确性，使系统的可靠性更好。
实施例三
在那些探测位置较浅的区域，挖掘的过程中产生的土渣会自己飞出孔洞外，即使剩余一些土渣，也不会对后续的挖掘造成影响。但是在一些探测位置较深的区域，可能存在土渣堆积较多的情况，此时，若不能及时将土渣排出，就会影响到挖掘部2的后续挖掘工作。
因此，与实施例一不同的是，本实施例中还包括微控制器和吸土装置，吸土装置包括吸土管道、负压器和装土盒，负压器与吸土管分别与装土盒连通，装土盒固定在固定架4上；吸土管道为弹性伸缩管，吸土管道自由端开有吸土口，吸土管的自由端与外壳1固定；装土盒的各盒面上均开有出土口，各盒面的外侧壁上均滑动连接有与出土口配合的电子门，装土盒的各盒面内侧均固设有压力传感器；微控制模块分别与电伸缩杆3、负压器、电子门、压力传感器及挖掘部2电连接；当电伸缩杆3的行程超过预设行程，且挖掘部2处于工作状态时，微控制模块控制负压机工作；微控制器还用于控制负压机工作时，根据压力传感器的反馈数据，按照预设的频率控制反馈数据最大的压力传感器所在盒面的电子门开启。
具体实施过程如下：
本装置中，吸土装置包括吸土管道、负压器和装土盒，负压器与吸土管分别与装土盒连通，其结构类似于小型的吸尘器。
当电伸缩杆3的行程超过预设行程时，说明检测位置较深，需要对挖掘部2挖掘的土渣进行清除，因此，若挖掘部2处于工作状态时，微控制模块控制负压机工作，负压机工作后产生负压，通过自由端的吸土口将土渣吸入并送到装土盒内，可以避免土渣堆积过多影响挖掘段的挖掘工作。
同时，由于可能向下挖掘，也可能水平挖掘，不同的情况，需要打开装土盒不同部位的出土口。本实施例中，微控制器根据压力传感器的反馈数据，按照预设的频率控制反馈数据最大的压力传感器对应的电子门开启。反馈压力最大的压力传感器，基本可以认定为其对应的电子门所在盒面对装土盒内的土渣起着支撑的作用(大多数情况下，可以认为土渣掉在该盒面上方)，将该盒面的电子门打开后，可以顺利将装土盒内的土渣排出。这样，可以定期将装土盒内的土渣进行清理，防止出现装土盒无法盛装后续吸上来的土渣的情况。
以上的仅是本发明的实施例，该发明不限于此实施案例涉及的领域，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (7)

1.埋入式应力应变传感器，其特征在于：包括电源模块、外壳以及设置在外壳内的检测部；检测部用于进行应力检测；外壳的前端固设有挖掘部；外壳的末端固设有电伸缩杆，电伸缩杆的顶端与外壳固定，电伸缩杆的底端固设有固定架；挖掘部、超声波发射器、超声波电机及电伸缩杆分别与电源模块电连接。
2.根据权利要求1所述的埋入式应力应变传感器，其特征在于：进一步，检测部包括超声波发射器和超声波接收器，超声波发射器用于向外发射超声波，超声波接收器用于接收反射回来的超声波信号。
3.根据权利要求1所述的埋入式应力应变传感器，其特征在于：电源模块包括电池及能量转换机构，能量转换机构用于将其他能量转化成电能，还用于对电池充电。
4.根据权利要求3所述的埋入式应力应变传感器，其特征在于：能量转换机构包括温差发电机构和太阳能转换机构；温差发电机构的两种热电转换材料中的其中一种埋在土中，另一种暴露在空气中；还包括供电控制单元，供电控制单元用于根据温差发电机构及太阳能转换机构的工作状态，进行供电方式调整；当温差发电机构及太阳能转换机构均正常工作时，供电控制单元控制太阳能转换机构进行充电并使用温差发电机构进行供电，否则，供电控制单元控制电池供电。
5.根据权利要求4所述的埋入式应力应变传感器，其特征在于：还包括处理单元，用于接收检测数据并进行应力应变分析；处理单元还用于当温差发电机构正常工作时，基于当前时间及预设的算法，对接收到的检测数据进行温度补偿处理后，再进行应力分析。
6.根据权利要求5所述的埋入式应力应变传感器，其特征在于：电池有多组，能量转换机构对电池进行充电时，按照电池的剩余电量从低到高依次进行充电。
7.根据权利要求1所述的埋入式应力应变传感器，其特征在于：电伸缩杆为多节式电伸缩杆。
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