一种智能锚栓和带有该智能锚栓的钢板支撑结构论文和设计-刘平原

全文摘要

本实用新型公开一种智能锚栓，所述锚栓包括锚栓座、螺杆和螺母，还包括垫片，所述垫片套设在所述螺杆上，位于所述锚栓座和所述螺母之间，所述智能锚栓上设有轴向预紧力预警机构，该预紧力预警机构包括信号采集单元，控制单元和提示单元，其中信号采集单元包括设置在所述垫片上的应力传感器，所述应力传感器用于采集垫片的形变并将信号传输给控制单元；所述控制单元根据应力传感器的信息判断分析所述锚栓的轴向预紧力是否在正常的范围内，并将判断结果发送给所述提示单元。本实用新型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。

主设计要求

1.一种智能锚栓，包括锚栓座、螺杆和螺母、垫片以及连接在垫片上的支架，其中所述垫片套设在所述螺杆上，位于所述锚栓座和所述螺母之间，其特征在于：所述智能锚栓上设有轴向预紧力预警机构，该预紧力预警机构包括信号采集单元，控制单元和提示单元，其中信号采集单元包括设置在所述垫片上的应力传感器，所述应力传感器用于采集垫片的形变并将信号传输给控制单元；所述控制单元根据应力传感器的信息判断分析所述锚栓的轴向预紧力是否在正常的范围内，并将判断结果发送给提示单元，所述提示单元包括现场提示单元和远程提示单元，所述现场提示单元设置在所述支架上并与所述控制单元有线通讯连接，所述远程提示单元设置在远程监控终端与所述控制单元无线通讯连接。

设计方案

2.如权利要求1所述的智能锚栓，其特征在于：所述应力传感器设置在所述垫片中，包括在所述垫片的轴向上设置的第一形变采集装置和在所述垫片的径向上设置的第二形变采集装置，所述第一形变采集装置采集所述垫片在轴向发生的形变；所述第二形变采集装置采集所述垫片在径向发生的形变。

3.如权利要求2所述的智能锚栓，其特征在于：所述第一形变采集装置和所述第二形变采集装置均为电阻应变计，所述垫片上设置有的多个电阻应变计组成电桥电路。

4.根据权利要求3所述的智能锚栓，其特征在于：从所述垫片引出与所述第一形变采集装置和第二形变采集装置连接的信号电缆，所述信号电缆通过所述支架连接到所述支架上的所述控制单元。

5.根据权利要求4所述的智能锚栓，其特征在于：所述支架形成有一容纳腔或固定有一壳体，用于置放所述控制单元和所述现场提示单元。

6.根据权利要求5所述的智能锚栓，其特征在于：所述现场提示单元为发声装置和\/或者发光装置。

7.根据权利要求1所述的智能锚栓，其特征在于：还包括电源，所述控制单元包括放大电路、模数转换电路和微控制器，所述应力传感器包括多个电阻应变计组成的电桥电路，所述电源给该电桥电路提供激励电源，电桥输出电压信号，经所述放大电路放大为模拟电压信号，所述模拟电压信号经过所述模数转换电路，把模拟信号转换为数字信号并送至所述微控制器，所述微控制器根据数字信号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。

8.根据权利要求7所述的智能锚栓，其特征在于：当微控制器判断所述传感器实际承受的压力大于所述锚栓预紧力阈值最大值，所述微控制器向所述提示单元发出过载提示；当微控制器判断所述传感器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，所述微控制器向所述提示单元发出松动提示。

9.根据权利要求7所述的智能锚栓，其特征在于：所述提示单元所发出的过载\/松动提示包括指示灯发出的警示信号，以及远程监控终端主机警示信号。

10.一种带有智能锚栓的钢板支撑结构，其采用至少一个权利要求1-9任一项所述的智能锚栓将其固定在支撑对象上。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及建筑工程锚固组件领域，尤其是涉及一种智能锚栓和一种带有该智能锚栓的钢板支撑结构。

背景技术

锚栓是一种把结构件与基底紧密固定的部件，锚栓一端深入到基底内部融为一体，另外一端通过垫片、螺母与结件构紧密连接。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，以达到确保安装牢固的目的。

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原因，使得锚栓预紧力超出承载范围或者出现松动，从而无法实现锚栓的有效承载，严重的情况下造成锚固件的脱落而产生事故。为了避免此类事故的发生，通常需要投入大量人力对锚栓目视监测来排查出现松动等异常状态的锚栓，此种排查不仅需要投入大量人力耗费较长时间，而且目视检查并不能可靠的发现存在安全隐患的锚栓。更为不利的是部分场合监测窗口时间有限但需要监测的锚栓量巨大，由此靠人力监测基本无法实现。例如在轨道交通中锚栓的监测难题就表现的异常突出。

因此亟待开发一种智能锚栓，以便能可靠的检测锚栓预紧力，在锚栓预紧力出现异常时能及时发出预警信息，提示排查安全隐患避免出现危险。

实用新型内容

本实用新型实施方式的目的在于提供一种智能锚栓，其不但能够精确的监测螺栓的轴向预紧力，还能实时方便的获得具体的预警信息。

一种智能锚栓，包括锚栓座、螺杆和螺母、垫片以及连接在垫片上的支架，其中所述垫片套设在所述螺杆上，位于所述锚栓座和所述螺母之间，所述智能锚栓上设有轴向预紧力预警机构，该预紧力预警机构包括信号采集单元，控制单元和提示单元，其中信号采集单元包括设置在所述垫片上的应力传感器，所述应力传感器用于采集垫片的形变并将信号传输给控制单元；所述控制单元根据应力传感器的信息判断分析所述锚栓的轴向预紧力是否在正常的范围内，并将判断结果发送给所述提示单元，所述提示单元包括现场提示单元现场提示单元和远程提示单元，所述现场提示单元设置在所述支架上并与所述控制单元有线通讯连接，所述远程提示单元设置在远程监控终端与所述控制单元无线通讯连接。

上述方案优选的，上述应力传感器设置在所述垫片中，包括在所述垫片的轴向上设置的第一形变采集装置和在所述垫片的径向上设置的第二形变采集装置，所述第一形变采集装置采集所述垫片在轴向发生的形变；所述第二形变采集装置采集所述垫片在径向发生的形变。

上述方案优选的，所述第一形变采集装置和所述第二形变采集装置均为电阻应变计，所述环形垫片上设置有的多个电阻应变计组成电桥电路。

上述方案优选的，从所述垫片引出与所述第一形变采集装置和第二形变采集装置连接的信号电缆，所述信号电缆通过所述支架连接到所述支架上的所述微控制器。

上述方案优选的，所述支架形成有一容纳腔或固定有一壳体，用于置放所述微控制器和所述现场提示单元。

上述方案优选的，所述现场提示单元为发声装置和\/或者发光装置。

上述方案优选的，所述微控制器包括电源电路，模数转换电路信号处理单元、微控制器，所述信号处理单元包括放大电路、模数转换电路，所述应力传感器的多个电阻应变计组成电桥电路，所述电源电路给该电桥电路提供激励电源，电桥输出电压信号，经所述放大电路放大为模拟电压信号，所述模拟电压信号经过所述模数转换电路，把模拟信号转换为数字信号并送至微控制器，所述微控制器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。

上述方案优选的，当微控制器判断所述传感器实际承受的压力大于所述锚栓预紧力阈值最大值，所述微控制器向所述提示单元发出过载提示；当微控制器判断所述传感器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，所述微控制器向所述提示单元发出松动提示。

上述方案优选的，所述提示单元所发出的过载\/松动提示包括现场提示单元的指示灯发出警示信号，以及远程监控终端主机警示信号。

上述方案优选的，智能锚栓还包括设置在所述螺杆上的扩底刀片，所述扩底刀片在所述智能锚栓锚定在基底中时滑动至所述锚栓座外周。

本实用新型还提供一种钢板支撑结构，其采用至少上述任一方案所述的智能锚栓将其固定在支撑对象上。

根据本实用新型的智能锚栓，在垫片上设置应力传感器，该应力传感器采用形变采集装置，当锚栓的预紧力出现异常情况时，形变采集装置采集的形变值会发生变化，并将形变信号发送给控制单元，控制单元判断是否异常后将预警信息发送给指示单元发出提示信息，如此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为本实用新型智能锚栓的整体结构图

图2为本实用新型智能锚栓的垫片结构图

图3为本实用新型智能锚栓锚定在基底中固定被固定件的示意图

图4为本实用新型智能锚栓实现监测的电气框架结构示意图

图5为本实用新型智能锚栓实现监测的电气框架细化结构示意图

图6为本实用新型智能锚栓电阻应变计的等效电路图

图7为本实用新型智能锚栓受力与电阻应变计输出电信号的对应关系图

具体实施方式

本实用新型保护一种智能锚栓和一种带有该智能锚栓的钢板结构。

以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

借助图1和图2对本实用新型的技术方案进行示意性说明，该锚栓包括锚栓座10、螺杆11和螺母13，还包括垫片12，所述垫片12套设在所述螺杆上，位于所述锚栓座10和螺母13之间。本实施例中锚栓的锚栓座10可以根据工程需要，根据锚定的基底硬度等因素设定的不同形状，如本实施例图1所示锚栓座11选择锥形，也可以设置成其他形状，优选的，锚栓座11的外径大于螺杆11外径，以更好地起到锚定作用。

为了实现智能锚栓的智能监测，如图4-图5所示智能锚栓上设有轴向预紧力预警机构，该预紧力预警机构包括信号采集单元100，控制单元200和提示单元300。

优选的，信号采集单元100在所垫片12上设有应力传感器，用于采集垫片12的形变并将信号传输给控制单元200。控制单元200根据应力传感器的信息判断分析锚栓的轴向预紧力是否在正常的范围内，并将判断结果发送给提示单元300，优选的提示单元300包括现场提示单元302和远程提示单元(图中未示出)，现场提示单元302设置在所述支架20上并与所述控制单元200有线通讯连接进行现场提示，远程提示单元与控制单元通过无线通讯电路307连接进行远程提示，甚至可以连接技术负责人的手机上。

优选的，应力传感器设置在垫片12中，为了更可靠性的监测锚栓是否出现松动等异常情况，应力传感器优选包括在所述垫片12的轴向上设置的第一形变采集装置121和在垫片12的径向上设置的第二形变采集装置122，其中第一形变采集装置121采集垫片12在轴向发生的形变；第二形变采集装置122采集垫片在径向发生的形变，第一方向与所述第二方向垂直这样能够更好的实现监测的准确。为了进一步提高测量的灵敏度和精度，第一形变采集装置121和第二形变采集装置122可以优选电阻应变计(在下文中电阻应变计也以121和122标定)，且安装在垫片12中，因为垫片12易于产生形变，例如在当垫片12与钢板4之间的压力变大时，垫片12厚度值会变小也即轴向发生形变，水平方向直径会增大也即径向发生形变，对应的两个电阻应变计发生形变产生第一形变信号和第二形变信号。进一步优选的，第一形变采集装置121和第二形变采集装置122的多个电阻应变计组成电桥电路以将第一形变信号和第二形变信号方便转化为电压信号。

如图2所示关于垫片12的安放结构，优选该垫片12在第一方向上也即轴向设置有第一容纳腔，用于容纳电阻应变计121；在第二方向也即垫片12的径向设置有第二容纳腔，用于容纳电阻应变计122。

为了方便的安装控制单元200，在垫片12的外周设置有用于固定控制单元200的固定架20。该固定架20优选设计为半封闭形，例如设置成如图1所示的U形结构，其中U形的开口固定在垫片12上，固定方式可以是焊接或者螺栓固定等，如图2示例，垫片12上设置有螺栓孔，U形固定支架20通过螺栓固定在垫片12上，在U形结构的封闭部分，也即U形底部位置用于固定提示装置30。其中也可以将固定支架20与垫片12一体成型。

为实现信号的传输和提示单元300的现场提示，用一信号电缆301一端穿过垫片12与第一形变采集装置121和第二形变采集装置122通讯连接，另一端从垫片12引出通过垫片12上的支架20连接到设置在支架20上的控制单元200。进一步优选的，支架20形成有一容纳腔或固定有一壳体，用于置放控制单元200和现场提示单元302的提示电路306，以保护控制单元200和现场提示单元302的提示电路306。

下面从电气部分描述智能锚栓的监测框架，如图4和图5所示，本实用新型的智能锚栓包括一预紧力预警机构，其所形成的监测系统包括信号采集单元100，控制单元200，提示单元300，控制单元200包括电源308、放大电路303、模数转换电路304和微控制器305，应力传感器包括多个电阻应变计121组成的电桥电路，电源308给该电桥电路提供激励电源，电桥电路输出低于5mV微弱的电压信号，经放大电路303放大为模拟电压信号，模拟电压信号经过模数转换电路304，把模拟信号转换为数字信号并送至微控制器305，微控制器305对数字信号进行滤波，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。

如下借助附图6和附图7详细说明电阻应变计的工作过程。

电阻应变计121是一种电阻敏感元件，它由基底、敏感栅、覆盖层和电极组成。基底位于下层，中间层为敏感栅，上层为覆盖层，电极位于器件一端。基底材料为酚醛，敏感栅为合金。当电阻应变计121贴到被测物体时，被测物体面随受力变化而产生形变，电阻应变计121基底连同敏感栅发生形变，最终表现为电阻值发生变化。

由电阻应变形变推算受力值需要进行标定。标定原理与过程如图6所示，把电阻应变计RX与固定值电阻R1串联，给串联电路施加电压值U0，则两电阻中间电压值为U1，U1＝U0＊[R1\/(RX+R1)]。电压U1为微弱模拟信号，经放大后电压为N＊U1，再经模数转换电路变为数字电压值M。

使用标准力产生工具给垫片12施加已知压力F，经上述过程，信号处理电路微控制器305计算出结果为数字电压值M。由于电阻值与受力值是线性变化，因此一般测量两个数值就可以建立受力F与数字电压值M关系，如图7所示，第一个是最大力值F1对应的数字电压值M1，再测量一个最小值F2对应的数字电压值M2。由两点即可描出一条受力F与数字电压值M之间的关系直线。当受力直线建立之后，受力F与数字电压值M关系建立完毕，信号处理电路就可根据数字电压值M计算出绝对受力值F。

需要指出的是当力增大或者缩小时，轴向与径向测量值变化为相反。垫片12承受压力增大时轴向电阻应变计121长度缩短，其电阻值RX变小，由公式U1＝U0＊[R1\/(RX+R1)]知U1值增大，最终表现为M增大。垫片12承受压力时径向面向中心塌陷而表现为扩张，径向电阻应变计受拉伸，其电阻值RX变大，由公式U1＝U0*[R1\/(RX+R1)]知U1值变小，最终表现为M减小。当锚栓受力变化较大时，通过检测轴向与径向变化均可推断出受力变化。

当微控制器305判断所述传感器实际承受的压力大于所述锚栓预紧力阈值最大值，微控制器305向提示单元300发出过载提示；当微控制器305判断所述传感器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，所述微控制器向所述提示单元300发出松动提示。

为了有效的提示工程人员实时了解锚栓的状态，本实施例中的提示装置30包括现场提示单元302以及远程终端提示单元，由此可以实现锚栓轴向预紧力的远近监控，极大的保证了安全及控制处理的便捷性。现场提示单元302优选的为发声装置和\/或发光装置(下文中也用302标定发声装置和发光装置)，这样当现场提示单元302接收到过载或者松动预警信号时可以发出不同的声音和\/或者不同的光。典型的发声装置可以选用蜂鸣器302，微控制器305可以根据过载还是松动控制蜂鸣器302发出不同的声音，发光装置可以是发出不同的颜色的发光器件302，当接收到不同提示信号时发出不同的颜色光，如过载提示时发出红光，松动提示时发出蓝光。而远程终端提示单元的远程终端主机，可以是电脑，手机，IPAD，智能手环等终端设备，控制人员可以根据提示在终端主机上进行控制操作，避免检修人员进行现场检修，极为便利。

具体的，参照附图3所示的一例实际应用。如图3所示，本实施例的智能锚栓通常以锚定方式将需要固定在混凝土基底5上的钢板4实施固定，锚栓座11深入到混凝土基底5中，具体是可以在混凝土浇筑时预先埋入，在混凝土凝固后锚栓的锚栓座10和部分螺杆11就固定在混凝土基底5中，锚栓的另一部分螺杆穿过被固定钢板4的孔洞和垫片12被螺母13紧固，此时垫片12被螺母13紧固紧贴在钢板4上产生预紧力，通常情况通过数个锚栓固定一个钢板4或通过数个锚栓对钢板4的一个固定点进行固定。如果其中一个锚栓发生松动或者过紧时，垫片12会发生形变，应力传感器121就可以采集到垫片12的形变并将该形变发送给控制单元200，控制单元200再将判断结果发送给现场提示单元302和远程终端提示单元，发出提示信息。具体的判断及提示方式参见上面的描述，不再赘述。

进一步说明的是，对于采用智能锚栓固定的钢板4，如果需要多个智能锚栓，不必要将全部的锚栓都采用智能锚栓。可以是一个，两个，或3个。当然不为成本考虑，4个也是可以的。

如此，根据本实用新型的智能锚栓，不仅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并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。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同限定以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

设计图

一种智能锚栓和带有该智能锚栓的钢板支撑结构论文和设计

一种智能锚栓和带有该智能锚栓的钢板支撑结构论文和设计-刘平原

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