單向力監測裝置及監測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種單向力監測裝置及監測方法，屬于傳感器領域。
【背景技術】
[0002] 工程中大量存在許多需要監測或顯示單向力的場合，例如重要場合的螺栓緊固 力，巖土工程中的錨桿或者錨索軸力。能夠及時、準確的顯示這些力對于工程設施的安全具 有十分重要的意義。傳統的單向力監測裝置分兩類，一種使用電源，如應變片式，利用錨桿 的應變來檢測錨桿的應力，但由于需要電源，安全管理復雜。另一類不需要電源，有液壓式、 壓感紙式，液壓式是由液壓壓力盒和壓力表組成，通過觀察壓力表的值來顯示載荷，但其結 構復雜，制造維護成本高，體積大，不宜大規模使用；壓感紙式是通過壓痕的長度來判斷軸 向力，但是周向分布的壓感紙顏色長度不一，很難辨別。
[0003] 因此，需要一種低成本、高可靠性、無需電源、適合大規模安裝使用的監測裝置，通 過大規模安裝該裝置，可以實現人人均能檢測工程設施安全，大大提高工程設施的安全性 能。
[0004] 中國專利CN203452813U公開了一種通過觀察高強彈簧的位移來判斷軸向力的方 案，但是由于位移太小，直接通過肉眼觀察變形量來判斷錨桿的軸向力非常困難。中國專利 201410468086.0公開了一種通過觀察條紋圖像來判斷軸向力的方案，由于條紋的寬度受 限，該方法適合近距離觀察。
【發明內容】
[0005] 本發明旨在提供一種單向力監測裝置及監測方法，由顯示裝置與均載機構組成的 單向力監測裝置，通過顯示裝置將均載機構產生的均勻壓力轉化為不同的顏色，通過觀察 顯示裝置的不同顏色來判斷受力情況。
[0006] 根據以上分析綜合考慮單向力監測裝置，采用顏色作為顯示裝置的輸出量。
[0007] 本發明提供了一種單向力監測裝置，包括上、下殼體，殼體為階梯形圓環結構，上、 下殼體扣合形成的空間內設有承載體，承載體為內部空心的圓筒結構，承載體外側設有一 圈反光層，反光層外部設有圓筒狀的變色環，變色環外側貼有偏振片，反光層與變色環之間 為一環形空腔;殼體與變色環之間設有彈性過渡件，彈性過渡件為截面是雙U形槽的環狀結 構，彈性過渡件與殼體之間留有液體腔，液體腔內灌充液體;在上、下殼體的徑向靠近外緣 處分別設有螺孔，該螺孔也是注液孔，注液孔分別位于彈性過渡件的上、下外側，螺孔內設 置密封件來密封液體;上殼體的上端連接螺母，下殼體的下端連接固定件。
[0008] 上述方案中，所述殼體與承載體之間、殼體與彈性過渡件之間采用膠粘的方式進 行連接。
[0009] 上述方案中，所述密封件為螺塞壓縮密封件或球漲堵頭。
[0010] 上述方案中，所述殼體采用鋼材料，承載體根據變形量選擇彈性材料;承載體選用 的彈性材料為尼龍、酚醛樹脂中的一種;彈性過渡件采用不銹鋼或鋁合金片材。
[0011] 上述方案中，所述液體為水或液壓油。
[0012] 上述方案中，所述反光層為圓環形薄膜，所述變色環選用環氧樹脂或聚碳酸酯材 料;變色環為內部空心的圓筒結構，圓筒的厚度不小于5_。
[0013] 本發明提供了一種采用上述的單向力監測裝置的單向力監測方法，將所述監測裝 置安裝于螺母和固定件之間，當用螺母擰緊后，錨桿或螺栓受拉力，整個裝置受到壓力，壓 力作用于上下殼體上，一部分壓力作用于承載體上，另一部分壓力依次傳導到液體和彈性 過渡件上，彈性過渡件的力均勻地傳遞到變色環上，導致變色環產生軸向壓應力;不同的應 力使變色環顯示不同的顏色，從而實現力的顏色指示。
[0014] 上述監測方法，當有不同的螺栓或錨桿力導致不同的應力，變色環則顯示不同的 顏色，從而實現力的顏色指示；以螺栓或錨桿破斷力為100%，破斷力與顏色之間的對應關 系如下：
[0015] 破斷力〇%，無色；
[0016] 破斷力0~20%，從無色漸變成淡黃色；
[0017] 破斷力20~30%，從淡黃色漸變成深黃色；
[0018]破斷力30~40%，從深黃色漸變成紫紅色；
[0019] 破斷力40~50%，從紫紅色漸變成藍色；
[0020] 破斷力50~70%，從藍色漸變成白色；
[0021]破斷力70~80%，從白色漸變成金黃色；
[0022] 破斷力80~100%，從金黃色漸變成粉紅色。
[0023]本發明的有益效果：
[0024]通過本發明的實施，實現錨桿力原位變色顯示，即傳感器顏色可根據錨桿力的大 小而發生改變，不同的錨桿力對應不同的顏色，再加上傳感器中具有增強反光效果，可以通 過頭燈或其他光源實現遠距離高效觀測，這樣，利用該傳感器能夠對整個錨固工程海量布 點監測，無需維護管理，無需專人點檢，人人均可成為安全員，對錨桿支護工程的施工質量 管理和安全生產具有十分重要的意義。
[0025]錨桿支護質量的監測，對錨桿支護工程的正常維護和礦井安全生產具有十分重要 的意義。其中，錨桿力監測用于監視監測圍巖應力，避免頂板(圍巖)塌方冒頂且提供頂板支 護參數，為巷道布置支護設計，頂板安全監測提供可靠的技術參數。同時為煤礦工程技術人 員和檢測人員提供確定錨桿的長度、抗拉強度，了解所使用錨桿、錨索的合理性、經濟性而 需要的科學依據。從而有效地防止頂板坍落事故的發生，確保煤礦安全生產。
【附圖說明】
[0026]圖1為單向力監測裝置的結構示意圖。
[0027]圖2為監測裝置的受力模型圖。
[0028]圖3為變色環的受力模型示意圖。
[0029]圖4為雙折射原理圖。
[0030]圖5為上殼體的結構示意圖。
[0031]圖中1，殼體，2,螺塞壓縮密封件，3,密封套，4,偏振片，5,反光層，6,固定件，7,彈 性過渡件，8,變色環，9,液體，10,承載體，11，螺母，12,螺栓。
【具體實施方式】
[0032] 下面通過實施例來進一步說明本發明，但不局限于以下實施例。
[0033] 如圖1~5所示，一種單向力監測裝置，包括上、下殼體，殼體1為階梯形圓環結構， 上、下殼體扣合形成的空間內設有承載體10,承載體10為內部空心的圓筒結構，承載體10外 側設有一圈反光層5,反光層5外部設有圓筒狀的變色環8,變色環8外側貼有偏振片4,反光 層5與變色環8之間為一環形空腔;殼體1與變色環8之間設有彈性過渡件7,彈性過渡件7為 截面是雙U形槽的環狀結構，彈性過渡件7與殼體1之間留有液體腔，液體腔內灌充液體;在 上、下殼體的徑向靠近外緣處分別設有螺孔，該螺孔也是注液孔，注液孔分別位于彈性過渡 件7的上、下外側，螺孔內設置螺塞壓縮密封件2來密封液體，螺塞壓縮密封件2與殼體之間 還設有密封套3;上殼體的上端連接螺母11，下殼體的下端連接固定件6。
[0034] 上述方案中，所述殼體1與承載體10之間、殼體1與彈性過渡件7之間采用膠粘的方 式進行連接。
[0035] 上述方案中，所述殼體1采用鋼材料，承載體10根據變形量選擇彈性材料;承載體 選用的彈性材料為尼龍、酚醛樹脂或鋼中的一種。
[0036] 上述方案中，所述液體9為水或液壓油;彈性過渡件7采用不銹鋼或鋁合金片材。
[0037] 上述方案中，所述反光層5為圓環形薄層板，所述變色環8選用環氧樹脂或聚碳酸 酯材料;變色環為內部空心的圓筒結構，圓筒的厚度不小于5_。
[0038] 上述方案中，螺塞壓縮密封件2可用球漲堵頭代替。
[0039]本發明提供了一種采用上述的單向力監測裝置的單向力監測方法，將所述監測裝 置安裝于螺母11和固定件6之間，套在錨桿或螺栓12外側，當用螺母擰緊后，錨桿或螺栓受 拉力，整個裝置受到壓力，壓力作用于上下殼體上，一部分壓力作用于承載體上，另一部分 壓力依次傳導到液體和彈性過渡件上，彈性過渡件的力均勻地傳遞到變色環上，導致變色 環8產生軸向壓應力。
[0040] 受力過程分析如下：
[0041] 若錨桿或螺栓12所受力為F、變色環或液體所受力為^、承載體所受力為F2,并設液 體剛度為κ2、變色環剛度為Ki、承載體剛度為K 3,則整體結構可簡化為