專利名稱：應力監(jiān)測儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種檢測儀器，特別設計一種適用于煤巷、煤柱內部采動應力變化的實時監(jiān)測巖(煤)體內部應力的應力監(jiān)測儀。
背景技術：
目前，工程中檢測應力-應變的傳感器不僅種類繁多，而且各具特色，各有其適用范圍，但是，對土木、水利、道路、礦山的開采及地下工程中巖體、巷道巖層內部的應力自動監(jiān)測和預報的儀器卻不多見，尤其是對煤礦井下煤(巖)體內部采動應力變化的實時自動監(jiān)測幾乎是空白，例如，在煤炭開采中巷道圍巖內部應力突變引起的沖擊礦壓、煤炭回采時采掘對巷道圍巖、煤柱等巖層內部應力變化引起的巷道冒頂、底臌、垮落等引發(fā)的安全事故，至今尚缺少可靠的、有效的實時自動監(jiān)測和預報的儀器。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種結構簡單、使用方便的、有效監(jiān)測巖體和受力物體內部各方向應力和應變、實時自動監(jiān)測的應力監(jiān)測儀。
本發(fā)明應力監(jiān)測儀，包括應力傳感器單元和信息采集處理單元，所述的應力傳感器單元由殼體、應力轉換機構、信息轉換機構、掃描驅動機構和限位機構組成，所述應力轉換機構是在殼體內橫置彈簧座，在所述彈簧座的圓孔內放置彈簧所述彈簧上為臺階型承壓柱，所述承壓柱的細臺部分伸出殼體外面，所述信息轉換機構有一通過支柱固定在所述殼體上的底座上的折尺型掃描臂，在所述掃描臂折尺邊內側上依次安裝紅外發(fā)光管、小光柵板和紅外接收管，所述的紅外發(fā)光管連接電源，所述的紅外接收管的輸出端連接所述的信息采集處理單元的輸入端，所述掃描驅動機構設一套在兩根導軌上的移動臺，刻有限位標記的所述長光柵尺一端固定在所述移動臺的伸出臂上，所述兩根導軌下端固定在所述底座上，兩條回位彈簧分別套在所述兩根導軌上，所述限位機構由設在所述掃描臂上的槽形光耦和設在所述移動臺上方的接觸開關分別構成下位和上位限位，固定在所述承壓柱上的壓桿壓在所述移動臺上，所述長光柵尺的另一端正好置入所述小光柵尺和紅外發(fā)射管之間的縫隙中。
本發(fā)明應力監(jiān)測儀，所述的信息采集處理單元為一單獨機殼，內裝一個單片機和壓頻轉換模塊，機殼上安裝數碼顯示器，所述單片機的輸入口至少一路連接所述的紅外接收管的輸出端，所述的單片機控制模塊的輸出分別連接數碼顯示器和壓頻轉換模塊，上述單片機、數碼顯示器和壓頻轉換模塊由一電源模塊提供各種所需電壓供電，該信息采集處理單元通過電纜分別與應力傳感器單元及通信分站相聯。
本發(fā)明應力監(jiān)測儀，所述移動臺下面中間部位固定兩片彈性滑片，其兩個下端點之間安裝一個記憶合金彈簧，固定在承壓柱上的所述壓桿的端頭設有卡臂，此卡臂卡在所述兩片彈性滑片上，所述移動臺上部設一接觸開關，所述記憶合金彈簧兩端連接電源，電源開關連接單片機的一個控制口。
本發(fā)明應力監(jiān)測儀，在所述移動臺中間部位固定記憶合金彈簧一個端點，并與單片機一控制端相聯，所述記憶彈簧的另一端固定在所述底座上，并與電源負極相聯，所述壓桿一端緊貼筒壁固定在承壓柱上，一個接觸開關安裝在所述壓桿上，并與單片機輸入端相連。
本發(fā)明應力監(jiān)測儀，在所述的一個殼體內安裝至少兩套互相成一定角度的應力傳感器單元，所述的至少兩個互相成一定角度的應力傳感器單元的紅外接收管，連接所述的單片機的不同輸入口。
本發(fā)明應力監(jiān)測儀，殼體安裝在巖(煤)體的鉆孔內，承壓柱與孔壁緊密接觸，當孔壁壓力作用于承壓柱頂部時，彈簧被承壓柱壓縮，承壓柱通過壓桿端頭的卡臂和兩片彈性滑片帶動掃描臂移動，當記憶合金彈簧通電收縮時，固定在移動臺下面的兩片彈性滑片向中間靠攏與卡臂脫離，在回位彈簧作用下長光柵尺和移動臺滑向原位，長光柵尺與小光柵板產生的干涉條紋，通過紅外發(fā)光管和光電接收管將條紋轉換成電信號，由專門研制的信息采集處理儀記錄。
本發(fā)明是一種操作方便、精度高、能長期實時監(jiān)測巖體內部應力的儀器。該儀器亦可用于遠距離自動監(jiān)測，可廣泛應用于煤礦開采、土木、水利、道路、隧道、地下工程等對圍巖體和位移及應力變化情況進行有效地、實時自動監(jiān)測不僅能消除事故隱患，而且也為工程的支護設計提高依據。


圖1是本發(fā)明應力監(jiān)測儀第一實施例的正視圖；圖2是本發(fā)明應力監(jiān)測儀第一實施例的側視圖；圖3是本發(fā)明應力監(jiān)測儀第一實施例中移動臺的示意圖；圖4是本發(fā)明應力監(jiān)測儀第一實施例中壓桿的示意圖；圖5是本發(fā)明應力監(jiān)測儀第二實施例中移動臺的示意圖；圖6是本發(fā)明應力監(jiān)測儀第二實施例的正視圖；圖7是本發(fā)明應力監(jiān)測儀第二實施例的側視圖；
圖8是本發(fā)明應力監(jiān)測儀雙傳感器的正視圖；圖9是本發(fā)明應力監(jiān)測儀雙傳感器的側視圖；圖10是本發(fā)明應力監(jiān)測儀電路框圖。
具體實施例方式
為進一步闡述本發(fā)明，下面結合實施例作詳盡說明。
本發(fā)明應力監(jiān)測儀的第一種方案(見圖1、圖2)，包括應力傳感器單元和信息采集處理單元，其中，應力傳感器單元的殼體3，包括密封前端蓋2和密封后端蓋15，殼體3由金屬或具有一定強度的非金屬彈性材料制成的，直徑為30～60mm、壁厚1～3mm，筒壁上開有直徑為10mm的圓孔，密封前端蓋2和密封后端蓋15分別用密封膠固定在殼體3的兩端，接線端子1固定在密封前端蓋2上。
應力傳感器單元是核心部分，包括應力轉換機構、信息轉換機構、掃描驅動機構和限位機構。
應力轉換機構包括彈簧座12、彈簧14和承壓柱13和壓桿11。彈簧座12是直徑與殼體3內徑相等、厚度20mm的硬塑圓盤，沿圓盤直徑鉆一個直徑為15mm的圓孔洞，內裝彈簧14及承壓柱13；承壓柱13為臺階狀圓柱，粗圓柱部分直徑與彈簧14外徑相等，細圓柱部分直徑為10mm，對應于筒壁上的圓孔部位安裝彈簧座12，承壓柱13的細圓柱部分從殼體3的筒壁圓孔伸出，高約10mm；承壓柱13置于彈簧14上，壓桿11一端固定在承壓柱13上，另一端安裝一卡臂25。當外力作用于承壓柱13頂端，彈簧14被壓縮，承壓柱13帶動壓桿11及卡臂25同步移動，傳遞外力引起的位移。
信息轉換機構包括折尺型掃描臂5、小光柵板17，掃描臂5通過支柱22固定在殼體3上，在掃描臂5的折尺邊內側，安裝紅外發(fā)光管20、紅外接收管16及槽型光耦19，紅外接收管16前面安裝尺寸為4x5mm的小光柵板17，在紅外發(fā)光管20和小光柵板17之間，預留下面設計的長光柵尺6厚度的縫隙。
掃描驅動機構包括移動臺8、導軌10、回位彈簧9、記憶合金彈簧23、底座24及刻有限位標記18的長光柵尺6(詳見圖3)，移動臺8套在兩根導軌10上，導軌下端固定在底座24上，兩條回位彈簧9分別套在兩根導軌10上，底座24固定在筒壁上。移動臺8下面中間部位固定兩片彈性滑片21，其兩個下端點之間安裝一個記憶合金彈簧23，壓桿11端頭的卡臂(見圖4)卡在兩片彈性滑片21上。長光柵尺6的一端固定在移動臺8的一個伸出臂上，長光柵尺6置于紅外發(fā)光管20和小光柵板17之間，尺寸為20×10mm，當其與小光柵17相對滑動時形成可計數的干涉條紋。
當外力作用于承壓柱7頂端，彈簧14被壓縮，承壓柱13通過壓桿11的卡臂25和兩片彈性滑片21帶動移動臺8和長光柵尺6同步移動，同時兩條回位彈簧9被壓縮。
當需要檢測應力時，單片機控制的電源給記憶合金彈簧23供電，記憶合金彈簧23通電收縮，固定在移動臺8下面的兩片彈性滑片21向中間靠攏與卡臂25脫離，在回位彈簧9作用下長光柵尺6和移動臺8滑向原位，長光柵尺6與小光柵板17產生的干涉條紋，紅外接收管16檢測該信號并送給單片機；移動臺8回到原位，觸發(fā)接觸開關7，記憶合金彈簧23供電停止，記憶合金彈簧23重新張開，卡住壓桿11上的卡臂，兩者相互固定，等待承壓柱13新的位移的產生。
信息采集處理單元由單片機、數碼顯示器、壓頻轉換模塊和電源模塊組成(見圖10)，做成單獨一體置于傳感器單元以外的地方，機殼由防爆材料制成，電源模塊把外電源變換成合適的電壓供給單片機、數碼顯示器和壓頻轉換器，并通過輸出電源線給應力傳感器的有關器件供電。單片機通過控制線控制應力傳感器的光柵掃描及應力光電轉換，并將轉換的光電信息通過信號線輸入單片機，單片機將采集和處理的信號輸送到數碼顯示器，顯示出應力值，同時又將采集和處理的信號輸送到壓頻轉換器轉換成通訊用的頻率信號，該頻率信號通過信號線傳送到井下通訊分站，再由通訊分站傳輸到地面。
圖6和圖7是本發(fā)明應力監(jiān)測儀第二實施例的示意圖，和第一實施例不同之處在于掃描驅動機構的另一種形式(見圖5)，其中移動臺8和底座24之間安裝一條記憶合金彈簧23，記憶合金彈簧23一端固定在移動臺8中間部位，并與單片機一控制端相聯，另一端固定在底座24上，并與電源負極相聯，移動臺上部有一接觸開關7，掃描壁上有一槽型光耦19，分別連接單片機的不同輸入端。
記憶合金彈簧23通電收縮時通過移動臺8帶動長光柵尺6移動，長光柵尺6上的限位標記18也由起始位置移到槽型光耦19處，槽型光耦19發(fā)生限位信號斷電，記憶合金彈簧23停止供電，套在導軌上的兩個回位彈簧9使長光柵尺6復位，光電接受管16將起始位置到槽型光耦19之間距離轉換成電信號；限位機構的壓桿11一端緊貼筒壁固定在承壓柱13上，一個接觸開關7安裝在壓桿11上，并與電源正極相連，移動臺8頂部的金屬凸塊與移動臺8上的記憶合金彈簧23端點相連，當移動臺8頂部的凸臺碰到接觸開關7時產生終止信號，完成一次掃描。
在實際使用中，還可以在一個殼體3內安裝兩個(甚至更多)互相成一定角度的應力傳感器單元(見圖8圖9)，兩個單元完全一樣，在圖8圖9中用數字后加字母A表示第二單元的部件代碼，兩個單元之間用隔板26隔開。兩個互相成一定角度的應力傳感器單元的紅外接收管16、16A連接信息采集單元中的單片機控制模塊的不同輸入口。
本發(fā)明應力監(jiān)測儀的應力傳感器單元可安裝在圍巖體、支撐巖體、煤巖體被監(jiān)測受力物體的鉆孔內，(如附圖1)，接線端子1與鉆孔外部的信號采集處理系統(tǒng)聯接。當鉆孔周圍的巖(煤)體內部應力變化時，孔壁的應力作用于應力傳感器的承壓柱13上，通過應力轉換機構、信息轉換機構、掃描驅動機構和限位機構，將應力轉換成位移，再轉換成光干涉信息，最后轉換成電信號。電信號通過電纜線傳送到信息采集處理儀的單片機控制模塊處理后，經顯示模塊在顯示器上顯示，同時信息采集處理單元的壓頻轉換模塊將孔壁應力轉換為頻率信號通過井下分站傳輸到地面監(jiān)控總站，將頻率信號轉換成應力信息，經可視化處理，顯示巷道圍巖層應力變化規(guī)律圖。本發(fā)明應力監(jiān)測儀既可監(jiān)測巖(煤)層的絕對應力值，也可監(jiān)測應力變化速率，可從地面監(jiān)控總站實施對井下巷道圍巖體應力遠距離實時自動監(jiān)測，避免因沖擊礦壓引起的安全事故。本發(fā)明應力監(jiān)測儀結構簡單、操作方便、既適用于小位移高精度測量。該儀器能夠廣泛應用于礦山開采、土木、水利、道路等施工過程中對圍巖體、支承巖體等巖體內部應力變化進行有效地自動實時監(jiān)測，及時消除生產安全隱患，也為巷道及支撐巖體設計提供依據。
權利要求
1.一種應力監(jiān)測儀，包括應力傳感器單元和信息采集處理單元，其特征在于所述的應力傳感器單元由殼體(3)、應力轉換機構、信息轉換機構、掃描驅動機構和限位機構組成，所述應力轉換機構是在殼體(3)內橫置彈簧座(12)，在所述彈簧座(12)的圓孔內放置彈簧(14)所述彈簧(14)上為臺階型承壓柱(13)，所述承壓柱(13)的細臺部分伸出殼體(3)外面，所述信息轉換機構有一通過支柱(22)固定在所述殼體(3)上的底座(24)上的折尺型掃描臂(5)，在所述掃描臂(5)折尺邊內側上依次安裝紅外發(fā)光管(20)、小光柵板(17)和紅外接收管(16)，所述的紅外發(fā)光管(20)連接電源，所述的紅外接收管(16)的輸出端連接所述的信息采集處理單元的輸入端，所述掃描驅動機構設一套在兩根導軌(10)上的移動臺(8)，刻有限位標記的所述長光柵尺(6)一端固定在所述移動臺(8)的伸出臂上，所述兩根導軌(10)下端固定在所述底座上(24)，兩條回位彈簧(9)分別套在所述兩根導軌(10)上，所述限位機構由設在所述掃描臂(5)上的槽形光耦(19)和設在所述移動臺(8)上的接觸開關(7)分別構成下位和上位限位，固定在所述承壓柱(13)上的壓桿(11)壓在所述移動臺(8)上，所述長光柵尺(6)的另一端正好置入所述小光柵尺(17)和紅外發(fā)射管(20)之間的縫隙中。
2.根據權利要求1的應力監(jiān)測儀，其特征在于所述的信息采集處理單元為一單獨機殼，內裝一個單片機和壓頻轉換模塊，機殼上安裝數碼顯示器，所述單片機的輸入口至少一路連接所述的紅外接收管(16)的輸出端，所述的單片機控制模塊的輸出分別連接數碼顯示器和壓頻轉換模塊，上述單片機、數碼顯示器和壓頻轉換模塊由一電源模塊提供各種所需電壓供電，該信息采集處理單元通過電纜分別與應力傳感器單元及通信分站相聯。
3.根據權利要求2的應力監(jiān)測儀，其特征在于所述移動臺(8)下面中間部位固定兩片彈性滑片(21)，其兩個下端點之間安裝一個記憶合金彈簧(23)，固定在承壓柱(13)上的所述壓桿(11)的端頭設有卡臂(25)，此卡臂(25)卡在所述兩片彈性滑片(21)上，所述移動臺(8)上部設一接觸開關(7)，所述記憶合金彈簧(23)兩端連接電源，電源開關連接單片機的一個控制口。
4.根據權利要求2的應力監(jiān)測儀，其特征在于，在所述移動臺(8)中間部位固定記憶合金彈簧(23)一個端點，并與單片機一控制端相聯，所述記憶彈簧(23)的另一端固定在所述底座(24)上，并與電源負極相聯，所述壓桿(11)一端緊貼筒壁固定在承壓柱(13)上，一個接觸開關(7)安裝在所述壓桿(11)上，并與單片機輸入端相連。
5.根據權利要求3或4的應力監(jiān)測儀，其特征在于在所述的殼體(3)內安裝至少兩套互相成一定角度的應力傳感器單元，所述的至少兩個互相成一定角度的應力傳感器單元的紅外接收管(16、16A)，連接所述的單片機的不同輸入口。
全文摘要
一種應力監(jiān)測儀，包括由應力轉換機構、信息轉換機構、掃描驅動機構和限位機構組成的應力傳感器單元和由單片機、數碼顯示器和壓頻轉換模塊組成的信息采集處理單元，應力轉換機構由彈簧座、彈簧和承壓柱組成，信息轉換機構由掃描臂和掃描臂上安裝的紅外發(fā)光管、紅外接收管、小光柵板和長光柵尺組成，掃描驅動機構由移動臺、導軌、回位彈簧和記憶彈簧組成，被壓柱上的壓桿壓在移動臺上，可以把承壓柱上的應力通過光柵的位移轉換成電信號，由信息處理單元采集處理，從而檢測應力的變化。是一種操作方便、精度高、實時監(jiān)測巖體內部應力、遠距離自動監(jiān)測的儀器?？蓮V泛應用于煤礦開采、土木、水利、道路、隧道、地下工程等。
文檔編號G01L1/00GK1851426SQ20061008332
公開日2006年10月25日 申請日期2006年6月2日 優(yōu)先權日2006年6月2日
發(fā)明者安里千 申請人:安里千