多轴电阻应变计以及内置该多轴电阻应变计的智能锚栓论文和设计-刘平原

全文摘要

多轴电阻应变计以及内置该多轴电阻应变计的智能锚栓，所述的电阻应变计包括：导线、基底和设置在基底内部的电桥电路，所述电桥电路包括：四个电阻敏感栅，第一电阻敏感栅和第二电阻敏感栅串联形成支路一，第三电阻敏感栅和第四电阻敏感栅串联形成支路二，支路一与支路二之间并联，两支路设置中间点，两中间点之间的电压差U1，当锚栓轴向不承受压力时，上述4个电阻阻值相等；当轴向力增大时，第一电阻敏感栅和第三电阻敏感栅的阻值变大，电压差U1则变大，电压差U1将信号发送给相关电路，以计算出电压值、轴向形变量与轴向力值。在锚栓螺母安装方向开具一个盲孔，多轴电阻应变计嵌入到盲孔中监测轴向应力。

主设计要求

1.一种多轴电阻应变计，所述多轴电阻应变计用于检测紧固件轴向预紧力，其特征在于：所述的多轴电阻应变计(6)包括：导线(1)、基底(2)和设置在基底(2)内部的电桥电路，所述的电桥电路包括：第一电阻敏感栅(R1)，第二电阻敏感栅(R2)、第三电阻敏感栅(R3)和第四电阻敏感栅(R4)，所述的第一电阻敏感栅(R1)和第二电阻敏感栅(R2)串联形成支路一，所述的第三电阻敏感栅(R3)和第四电阻敏感栅(R4)串联形成支路二，支路一与支路二之间并联，所述支路一的第一电阻敏感栅(R1)和第二电阻敏感栅(R2)之间设置第一中间点(A)，所述支路二的第三电阻敏感栅(R3)和第四电阻敏感栅(R4)之间设置第二中间点(B)，测取第一中间点(A)和第二中间点(B)的电压差U1作为所述轴向预紧力变化的监测信号。

设计方案

2.根据权利要求1所述的多轴电阻应变计，其特征在于：所述电压差U1的计算公式为：当给电桥电路施加电压U0时，U1＝U0[R3\/(R3+R4)-R2\/(R1+R2)]或U1＝U0[R2(R1+R2)-R3\/(R3+R4)]，且所述第一电阻敏感栅(R1)，第二电阻敏感栅(R2)、第三电阻敏感栅(R3)和第四电阻敏感栅(R4)被设计为当所述电阻应变计不受轴向力时R3＝R4＝R2＝R1。

3.根据权利要求2所述的多轴电阻应变计，其特征在于：第一电阻敏感栅(R1)和第三电阻敏感栅(R3)被设计为电阻值是随形变而产生变化的电阻敏感栅，材料为康铜或者卡玛，当轴向拉力增大时，轴向长度增加，第一电阻敏感栅(R1)和第三电阻敏感栅(R3)阻值增大。

4.根据权利要求2所述的多轴电阻应变计，其特征在于：第二电阻敏感栅(R2)和第四电阻敏感栅(R4)被设计为电阻值不随形变而变化的电阻敏感栅，为正温度系数补偿电阻敏感栅，材料为镍。

5.根据权利要求1-4任一项所述的多轴电阻应变计，其特征在于：所述基底(2)的材料为酚醛或聚酰亚胺胶。

6.一种内置上述权利要求1-5任一项所述的多轴电阻应变计的智能锚栓，所述锚栓包括螺柱(7)和螺母(4)，其特征在于，所述螺柱(7)在所述螺母(4)的安装方向开具一个盲孔(3)，所述多轴电阻应变计(6)嵌入到所述盲孔(3)中以用于监测所述锚栓的轴向应力是否在正常的范围内。

7.根据权利要求6所述的智能锚栓，其特征在于：智能锚栓还包括控制单元，所述电压差U1传输给控制单元，所述控制单元根据该电压差U1计算出轴向形变量及相应的轴向力值并判断紧固件是否正常；所述控制单元包括信号处理单元、微处理器，信号传输单元，预警单元；所述预警单元包括现场提示单元和远程终端预警单元，所述信号传输单元设有用于向现场提示单元传输信号的有线通讯电路和用于向远程终端预警单元传输信号的无线通信电路(14)。

8.根据权利要求7所述的智能锚栓，其特征在于：所述信号处理单元包括放大电路(10)、模数转换电路(11)；所述多轴电阻应变计(6)将电压差U1发送给所述放大电路(10)，所述放大电路(10)将压差放大后发送给模数转换电路(11)，所述模数转换电路(11)将数字信号发送给微处理器(12)，所述微处理器(12)根据所述数字信号判断所述锚栓的轴向预紧力是否在正常的范围内，并将判断结果分别发送给指示电路(13)和无线通信电路(14)；所述微处理器(12)对所述数字信号进行滤波，剔除干扰信号，筛选出有效数字信号，根据数字信号与应力的对应关系，计算出传感器实际承受的压力；然后把传感器实际承受的压力与锚栓预紧力阈值做对比，判断智能锚栓工作状态是否正常。

9.根据权利要求8所述的智能锚栓，其特征在于：当微处理器(12)判断所述电阻应变计实际承受的压力大于所述锚栓预紧力阈值最大值，所述微处理器(12)向所述预警单元发出过载提示；当微处理器判断所述电阻应变计实际承受的压力低于所述锚栓预紧力阈值最小值时认为预紧力减少，所述微处理器向所述预警单元发出松动提示。

10.根据权利要求6所述的智能锚栓，其特征在于：所述智能锚栓还包括锥母(9)和垫片(5)，所述垫片(5)套设在螺柱(7)，位于所述螺母(4)和锥母(9)之间。

设计说明书

技术领域

本发明涉及建筑工程锚固组件领域，具体涉及多轴电阻应变计以及内置多轴电阻应变计监测轴向应力的锚栓。

背景技术

锚栓是一种把钢结构件与混凝土紧密固定的部件，锚栓一端深入到混凝土内部融为一体，另外一端通过垫片、螺母与钢结构件紧密连接。它常被用于公路桥梁、大坝、广告牌、幕墙、工业厂房等场所的设备安装与固定。在实际应用中由于安装的不规范、环境发生变化、以及自然老化等综合原因，使得超出预应力值范围，从而无法实现锚栓的有效承载，缩短了设备的寿命，严重的情况下造成被锚固件的脱落而产生事故。因此在使用中实时监测锚栓的受力工作状态是有必要的。现有技术有电阻应变计在螺栓\/锚栓中的改进，请见以下对比文件：

专利申请号为CN201520131780.3的专利公布了“一种智能螺栓”，螺栓采用通孔结构，光纤穿过通孔，光纤贯穿螺栓因此不适应于一端埋入混凝土的锚栓结构。同时光纤传感器需要配套体积较大的光栅调制解调器才能工作，光纤光栅调制解调器由于产生激光并调制信号，因此体积大功耗高，不适合现场安装,并指示其工作状态。同时，此专利应用结构为螺栓，结构与受力原理不同于锚栓。

专利申请号为201610933180.8的中国专利文献中公开了“一种用于混凝土应力测试的电阻应变计”，包括两层弹性体，两层弹性体中间夹有应变计；应变计包括应变计基底，应变计基底上具有应变计敏感栅，应变计敏感栅与应变计焊盘相连，应变计敏感栅两侧是应变计边栅；其中一个弹性体上包括用于固定应变计敏感栅的弹性体贴片区域，以及用于固定应变计焊盘的应变计焊盘安装区域，应变计焊盘安装区域一侧设置有连接应变计焊盘安装区域与弹性体外部的导线放置区域。该对比文件是在两层弹性体中间夹有应变计，通过设置应变计敏感栅的方式进行混凝土应力测试。该对比文件中采用单轴电阻应变计，即在应变计基底上仅有1个电阻，当弹性体发生形变时仅为1个电阻发生变化，并且，对比文件中把温度补偿与形变测量依靠一个电阻来完成，由一个电阻同时处理形变测量与温度补偿两个功能有难度。

专利申请号为02255332.0的中国专利文献中公开了一种“直读式测力锚杆”，属于矿山及岩土工程中用的测力装置，它主要由螺纹钢、电阻应变计、防护胶等组成。本实用新型采用了电阻应变计作为传感元件，该装置既是支护装置又是感受外力变化的弹性体。固结在螺纹钢上的电阻应变计组成全桥电路，因而提高了测量的灵敏度，通过二次仪表可直接读取锚杆所受力值。该对比文件中通过安装4个电阻应变计用于测量，由于电阻应变计测量微形变，为了保证安装的有效性，安装工作细微而谨慎，安装工作消耗大量时间，安装4个电阻应变计的时间原则上是安装1个电阻应变计的4倍，此外，安装的次数越多，那么安装所产生的故障几率也就相应增高，因此，该对比文件中的4个电阻应变计安装复杂。

为此，本实用新型的发明人经过不断的实验研究，在现有技术的基础上，进行优化改进，提出一种多轴电阻应变计以及内置多轴电阻应变计监测轴向应力的锚栓，来解决现有技术中存在的问题。

发明内容

为克服上述现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种结构简单的多轴电阻应变计。

本实用新型的第二目的在于提供一种结构简单、使用方便的内置多轴电阻应变计监测轴向应力的智能锚栓。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种用于检测紧固件轴向预紧力的多轴电阻应变计，所述的多轴电阻应变计6包括：导线1、基底2和设置在基底2内部的电桥电路，所述的电桥电路包括：第一电阻敏感栅R1，第二电阻敏感栅R2、第三电阻敏感栅R3和第四电阻敏感栅R4，所述的第一电阻敏感栅R1和第二电阻敏感栅R2串联形成支路一，所述的第三电阻敏感栅R3和第四电阻敏感栅R4串联形成支路二，支路一与支路二之间并联，所述支路一的第一电阻敏感栅R1和第二电阻敏感栅R2之间设置第一中间点A，所述支路二的第三电阻敏感栅R3和第四电阻敏感栅R4之间设置第二中间点B，测取第一中间点A和第二中间点B的电压差U1作为所述轴向预紧力变化的监测信号。

所述电压差U1的计算公式为：当给电桥电路施加电压U0时， U1＝U0[R3\/(R3+R4)-R2\/(R1+R2)]或U1＝U0[R2(R1+R2)-R3\/(R3+R4)]，且所述第一电阻敏感栅R1，第二电阻敏感栅R2、第三电阻敏感栅R3和第四电阻敏感栅 R4被设计为当所述多轴电阻应变计不受轴向力时R3＝R4＝R2＝R1。

所述的多轴电阻应变计，第一电阻敏感栅R1和第三电阻敏感栅R3被设计为电阻值是随形变而产生变化的电阻敏感栅，材料为康铜或者卡玛，当轴向拉力增大时，轴向长度增加，第一电阻敏感栅R1和第三电阻敏感栅R3阻值增大。

所述的多轴电阻应变计，第二电阻敏感栅R2和第四电阻敏感栅R4被设计为电阻值不随形变而变化的电阻敏感栅，为正温度系数补偿电阻，材料为镍。

所述的多轴电阻应变计，所述基底2的材料为酚醛或者聚酰亚胺胶。

一种内置前述多轴电阻应变计的智能锚栓，所述锚栓包括螺柱7和螺母4，所述螺柱7在所述螺母4的安装方向开具一个盲孔3，所述多轴电阻应变计6 嵌入到所述盲孔3中以用于监测所述锚栓的轴向应力是否在正常的范围内。

所述的智能锚栓，智能锚栓还包括控制单元，所述电压差U1传输给控制单元，所述控制单元根据该电压差U1计算出轴向形变量及相应的轴向力值并判断紧固件是否正常；所述控制单元包括信号处理单元、微处理器，信号传输单元，预警单元；所述预警单元包括现场提示单元和远程终端预警单元，所述信号传输单元设有用于向现场提示单元传输信号的有线通讯电路和用于向远程终端预警单元传输信号的无线通信电路14。

所述的智能锚栓，所述信号处理单元包括放大电路10、模数转换电路11；所述电阻应变计6将电压差U1发送给所述放大电路10，所述放大电路10将压差放大后发送给模数转换电路11，所述模数转换电路11将数字信号发送给微处理器12，所述微处理器12根据所述数字信号判断所述锚栓的轴向预紧力是否在正常的范围内，并将判断结果分别发送给指示电路13和无线通信电路14；所述微处理器12对所述数字信号进行滤波，剔除干扰信号，筛选出有效数字信号，根据数字信号与应力的对应关系，计算出传感器实际承受的压力；然后把传感器实际承受的压力与锚栓预紧力阈值做对比，判断智能锚栓工作状态是否正常。

所述的智能锚栓，当微处理器12判断所述电阻应变计实际承受的压力大于所述锚栓预紧力阈值最大值，所述微处理器12向所述预警单元发出过载提示；当微处理器判断所述电阻应变计实际承受的压力低于所述锚栓预紧力阈值最小值时认为预紧力减少，所述微处理器向所述预警单元发出松动提示。

所述的智能锚栓，所述智能锚栓还包括锥母9和垫片5，所述垫片5套设在螺柱7，位于所述螺母4和锥母9之间。

使用本实用新型的有益效果在于：

第一，本实用新型中多轴电阻应变计基底上有4个电阻敏感栅组成电路，第一电阻敏感栅R1和第三电阻敏感栅R3随形变而产生阻值变化，当同样的形变，本实用新型中电路输出的电压幅度是1个电阻组成电路输出电压的2倍，因此本方案灵敏度增高，尤其在测量微形变时功能显著；

第二，本实用新型电路中第二电阻敏感栅R2和第四电阻敏感栅R4作为独立温度补充电阻采用镍铜材料，在温度补偿参数上设置更加灵活，更加独立，避免由一个电阻处理形变测量与温度补偿相兼顾的难点。

第三，本实用新型采用1个多轴电阻应变计集成4个电阻敏感栅于一体的方式，节省时间，降低安装所产生的故障几率。

第四，本实用新型采用4只电阻敏感栅材料，2只用于温度补偿，消除了测量受温度补偿的影响，2只用于测量形变具有强实施性。

第五，本实用新型多轴电阻应变计结构简单、电路原理简单、操作方便，便于使用于监测轴向应力的锚栓中；本实用新型的内置多轴电阻应变计监测轴向应力的锚栓，因能够实时的监测锚栓的预紧力并能够发出提示信息，工程人员能够方便快捷高效的发现异常锚栓，及时进行检查排除隐患避免发生危险，本申请的技术方案极大的提高锚栓的安全性能和可靠性，同时极大的节约了检修成本。

附图说明

图1为本实用新型内置轴电阻应变计监测轴向应力的锚栓；

图2为本实用新型电阻应变计的结构示意图；

图3为本实用新型电阻应变计的电路原理图；

图4为本实用新型锚栓实现监测的电气框架示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种内置电阻应变计监测轴向应力的锚栓，所述的锚栓包括锥母9、螺柱7和螺母4，还包括垫片5，所述垫片5套设在所述螺柱7上，位于所述锥母9和所述螺母4之间，所述螺柱7在所述螺母4的安装方向开具一个盲孔3，所述电阻应变计6嵌入到所述盲孔3中以用于监测所述锚栓的轴向应力是否在正常的范围内。

所述电压差U1传输给控制单元，所述控制单元根据该电压差U1计算出轴向形变量及相应的轴向力值并判断紧固件是否正常；所述控制单元包括信号处理单元、微处理器，信号传输单元，预警单元；所述预警单元包括现场提示单元和远程终端预警单元，所述信号传输单元设有用于向现场提示单元传输信号的有线通讯电路和用于向远程终端预警单元传输信号的无线通信电路14；所述信号处理单元包括放大电路10、模数转换电路11；所述电阻应变计6将电压差U1发送给所述放大电路10，所述放大电路10将压差放大后发送给模数转换电路11，所述模数转换电路11将数字信号发送给微处理器12，所述微处理器 12根据所述数字信号判断所述锚栓的轴向预紧力是否在正常的范围内，并将判断结果分别发送给指示电路13和无线通信电路14；所述微处理器12对所述数字信号进行滤波，剔除干扰信号，筛选出有效数字信号，根据数字信号与应力的对应关系，计算出传感器实际承受的压力；然后把传感器实际承受的压力与锚栓预紧力阈值做对比，判断智能锚栓工作状态是否正常；当微处理器12判断所述电阻应变计实际承受的压力大于所述锚栓预紧力阈值最大值，所述微处理器12向所述预警单元发出过载提示；当微处理器判断所述电阻应变计实际承受的压力低于所述锚栓预紧力阈值最小值时认为预紧力减少，所述微处理器向所述预警单元发出松动提示。

如图2、图3所示，所述轴电阻应变计6包括：导线1基底2和设置在基底2内部的电桥电路，所述的电桥电路包括：第一电阻敏感栅R1，第二电阻敏感栅R2、第三电阻敏感栅R3和第四电阻敏感栅R4，所述的第一电阻敏感栅R1 和第二电阻敏感栅R2串联形成支路一，所述的第三电阻敏感栅R3和第四电阻敏感栅R4串联形成支路二，支路一与支路二之间并联，所述支路一的第一电阻敏感栅R1和第二电阻敏感栅R2之间设置第一中间点A，所述支路二的第三电阻敏感栅R3和第四电阻敏感栅R4之间设置第二中间点B，第一中间点A和第二中间点B的电压差U1，当锚栓轴向不承受压力时，上述4个电阻敏感栅阻值相等，电压差U1为0V；当轴向力增大时，第一电阻敏感栅R1和第三电阻敏感栅R3的阻值变大，电压差U1则变大，电压差U1将信号发送给相关电路，以计算出电压值、轴向形变量与轴向力值；当轴向力值过小说明预紧力失效，当轴向力值过大则说明锚栓负荷过大寿命缩短甚至失效。

此间说明的是，所述的基地2的材料为酚醛或者聚酰亚胺胶；第一电阻敏感栅R1和第三电阻敏感栅R3是随形变而产生变化的电阻，材料为康铜或者卡玛，当轴向拉力增大时，轴向长度增加，第一电阻敏感栅R1和第三电阻敏感栅R3阻值增大；第二电阻敏感栅R2和第四电阻敏感栅R4的电阻值不随形变而变化，为正温度系数补偿电阻，材料为镍。

当给电桥电路施加电压U0时，第二中间点B和第一中间点A的电压差U1：电压差U1＝U0[R3\/(R3+R4)-R2\/(R1+R2)]；或者，第一中间点A和第二中间点B 的电压差U1：电压差U1＝U0[R2(R1+R2)-R3\/(R3+R4)]。

如图4所示，所述的相关电路为放大电路10、模数转换电路11、微处理器12、指示电路13以及无线通信电路14，所述电阻应变计6通过导线1将电压差U1发送给放大电路10，所述的放大电路10将压差放大后发送给模数转换电路11，所述模数转换电路11将数字信号发送给微处理器12，所述微处理器 12将信号分别发送给指示电路13和无线通信电路14，所述电源电路16为电阻应变计6以及上述电路提供电压U0；电阻应变计6通过导线1将电压差U1发送给放大电路10，信号经放大电路10放大之后被模数转换电路11转换为数字信号，数字信号被送往微控制器12，微控制器12根据上述数字信号控制状态指示电路13和通信电路14工作。

电阻应变计6组成电桥电路，电源电路15给电桥提供激励电源，电桥输出低于5mV微弱的电压信号，经放大电路10放大为至少50mV以上模拟电压信号。模拟信号经过模数转换电路11把模拟信号转换为数字信号。

此间说明的是，微处理器12芯片的型号为STM8L151，上述电路可以采用本领域技术人员公知的现有技术，这些电路也不是本实用新型申请的关键所在，所以，本申请中就不再一一进行详细描述。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述所述技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术对以上实施例所做的任何改动修改、等同变化及修饰，均属于本技术方案的保护范围。

设计图

多轴电阻应变计以及内置该多轴电阻应变计的智能锚栓论文和设计

多轴电阻应变计以及内置该多轴电阻应变计的智能锚栓论文和设计-刘平原

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