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] 破断力〇%，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Ki、承载体刚度为K 3,则整体结构可简化为