一种户外在线监测张力传感器的制作方法

1.本发明涉及力学传感器技术领域，具体为一种户外在线监测张力传感器。


背景技术：

2.在铁路、电力、桥梁、公路、矿山等领域，经常需要在户外长距离的铺设钢缆、绳索、电缆，用于结构承力、结构加固或者传输信号等，这些绳索的张力大小是施工最为关键的参数，绳索张力的剧烈变化往往会对系统造成不良的影响，因此，对于绳索张力的测量显得尤为关键。目前市面上销售的张力测量仪器大多属于手持式设备，仅能满足定期检测张力的需要。在户外工作的绳索，由于受到天气和自然灾害的影响，容易发生损坏故障，影响铁路、电力、桥梁、公路的正常运营。
3.对于在线张力监测的一个典型应用场景为高铁接触网承力索。高铁接触网的承力索安装张力通常为15kn，该张力值通过承力索两端的配重实现。高铁接触网的承力索是高铁线路的重要组成部分，其正常工作才能保证高铁的正常运营。尤其在极端天气和自然灾害条件下，高铁接触网容易受到大风、泥石流、地震等影响而损坏，如果发现不及时，将会对高铁旅客的生命安全造成严重隐患，目前铁路总公司在高铁运营的天窗时间(凌晨2点～5点)，用大量的人工进行沿路巡检，发现问题及时上报，该种方式耗时耗力，并且并不能够提供接触网承力索运营的实时数据，反馈较慢。除此之外，高铁接触网承力索使用年限较长后，由于金属特有的疲劳和迟滞特性，其张力值会发生变化，目前铁路总公司缺乏科学的接触网承力索运营监测数据，因此无法准确的判断接触网应该是10年更换还是20年更换，因此急需一种能够在线监测、户外取电、低功耗、无线发送数据、具有防护特性、较为轻便的户外在线监测张力传感器，可谓高铁的正常运营，维修维护提供及时、科学的支持。
4.目前，最为常见的张力传感器为旁压式张力传感器，其结构如图1所示，该传感器将原本较直的绳索顶出了一个角度θ，通过测量与绳索垂直方向的压力，通过力的分解进行解算，从而得到绳索的张力值，该类型张力传感器不适合户外在线监测应用，主要理由如下：
5.1)、该传感器的防护特性较差，长时间的在户外使用时，对于外部的碰撞、撞击、淋雨等环境适应性较差；
6.2)、该传感器的体积较大，若给其配一个外壳用于防护，则传感器整体的体积较大，重量较重，不适合户外应用；
7.3)、该传感器工作时需要进行供电，仅仅配备电池，在没有任何防水设计的情况下，无法在户外长时间工作；
8.4)、该传感器若测量张力较大的绳索，必须将尺寸做的足够长，才能够顶出一个适合测量的角度θ，若进行在线监测，还要为其配备一个外壳，其体积和重量较大。


技术实现要素：

9.(一)解决的技术问题
10.针对现有技术的不足，本发明提供了一种户外在线监测张力传感器，具备通过太阳能电池供电，具有防水、防碰撞、低功耗等特性，安装在绳索、线缆上可实现长期在线监测功能，为铁路、电力、桥梁、公路的运营和健康在线监测提供数据支撑的优点，解决了现有的旁压式张力传感器工作时，需要依赖外部电源，并且其防护特性较差，工作方式为手持式，针对户外需要长期实时监测张力的场合，无法应用的问题。
11.(二)技术方案
12.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种户外在线监测张力传感器，包括由上壳体和下壳体组成的空心筒体结构，所述上壳体与所述下壳体相互卡接，所述上壳体的顶部固定连接有太阳能电池板，所述下壳体的内部中间位置处设有用于监测绳索压力状态的压力传感器，且被测绳索依次穿过所述空心筒体的绳索过孔、所述压力传感器的接触孔和所述空心筒体的绳索出孔，所述压力传感器上设有信号处理电路板，所述下壳体的内侧壁开设有排水孔。
13.优选的，所述上壳体的外表面设有定位标记。
14.优选的，所述压力传感器包括压力传感器安装座、压力传感器底座和压力传感器压块，所述压力传感器安装座安装于所述下壳体的内侧壁，所述压力传感器安装座的顶部固定连接有压力传感器底座，所述压力传感器底座的顶部卡接有压力传感器压块，所述压力传感器底座与所述压力传感器压块的连接面开设有穿线孔。
15.优选的，所述信号处理电路板的外侧覆盖有防水保护胶。
16.优选的，所述上壳体和所述下壳体组成的筒体上安装有弹性夹持环，所述弹性夹持环包括环体，所述环体的内侧壁固定连接有弹簧，所述弹簧的一端固定连接有弧形橡胶板。
17.优选的，所述弧形橡胶板共设有四个，四个所述弧形橡胶板参照所述环体的圆心位置处中心对称分布。
18.优选的，所述弹性夹持环的外侧壁固定连接有微型风力发电机，所述微型风力发电机包括支撑杆，所述支撑杆的顶端安装有发电机，所述下壳体的内部固定连接有蓄电池，所述发电机的输出端通过导线与内部的所述蓄电池电连接。
19.优选的，所述弹性夹持环上设有两组对称的所述微型风力发电机。
20.(三)有益效果
21.与现有技术相比，本发明提供了一种户外在线监测张力传感器，具备以下有益效果：
22.1)、该户外在线监测张力传感器，可用于桥梁、高铁、电力、石化等行业的绳索在线监测；；
23.2)、该户外在线监测张力传感器，依靠太阳能电池供电，可长期在户外进行工作；
24.3)、该户外在线监测张力传感器，具有良好的防护特性，并且电路板充灌防水胶，内部有排水孔，可长期耐受淋雨环境；
25.4)、该户外在线监测张力传感器，具有无线模块，可将测试得到的数据，通过无线通信协议发送至终端进行在线实时监测；
26.5)、该户外在线监测张力传感器，巧妙的利用了壳体两端的固定点，形成了壳体两端固定点和压力传感器测量点的三点式旁压测量原理，结构小巧、安装方便；
27.6)、该户外在线监测张力传感器，可推广至任何需要在线监测张力的场合进行应用。
附图说明
28.图1为旁压式张力传感器；
29.图2为本发明的外观图；
30.图3为本发明的剖面图；
31.图4为本发明中压力传感器；
32.图5为本发明中压力传感器。
33.图中：1、上壳体；2、下壳体；3、太阳能电池板；4、定位标记；5、压力传感器安装座；6、压力传感器底座；7、压力传感器压块；8、穿线孔；9、信号处理电路板；10、排水孔；11、弹性夹持环；111、环体；112、弹簧；113、弧形橡胶板；12、微型风力发电机；121、支撑杆；122、发电机；13、蓄电池。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.实施例一
36.一种户外在线监测张力传感器，包括由上壳体1和下壳体2组成的空心筒体结构，上壳体1的外表面设有定位标记4，上壳体1与下壳体2相互卡接，上壳体1的顶部固定连接有太阳能电池板3，下壳体2的内部中间位置处设有用于监测绳索压力状态的压力传感器，且被测绳索依次穿过空心筒体的绳索过孔、压力传感器的接触孔和空心筒体的绳索出孔，压力传感器包括压力传感器安装座5、压力传感器底座6和压力传感器压块7，压力传感器安装座5安装于下壳体2的内侧壁，压力传感器安装座5的顶部固定连接有压力传感器底座6，压力传感器底座6的顶部卡接有压力传感器压块7，压力传感器底座6与压力传感器压块7的连接面开设有穿线孔8，压力传感器上设有信号处理电路板9，信号处理电路板9的外侧覆盖有防水保护胶，下壳体2的内侧壁开设有排水孔10。
37.参阅图2-5，上壳体1上固定有太阳能电池板3，用于给传感器提供电源，上壳体1上安装有定位标记4，用于安装时找准角度；
38.下壳体2的中间位置安装有压力传感器，压力传感器由两部分组成，即压力传感器压块7和压力传感器底座6，压块和底座中间形成圆形压力传感器绳索的穿线孔8，用于通过被测绳索，整个压力传感器通过螺丝固定在下壳体2的压力传感器安装座5上；
39.压力传感器绳索过孔中心点比被测绳索过孔中心点高出一些距离，张力传感器安装时，在压力传感器压块7的作用下，会将被测绳索顶出一个角度θ(一般为3
°
左右，过小测量误差较大，过大需要非常大的安装力，并且容易损坏绳索)，若压力传感器感受到的压力为n，则此时被测绳索的理论张力为n/sinθ，在实际工况中由于安装摩擦力及加工公差的影响，实际张力值与理论值有一定差距，因此需要在拉力机上，模拟真实工况，对张力传感器
进行测试标定；
40.信号处理电路板9包含两部分功能，第一部分功能是压力传感器的信号调理，太阳能电池的输出电压到达信号处理板的稳压芯片，稳压芯片的输出给压力传感器进行供电，并且信号处理电路板9上的单片机对压力传感器的输出信号进行采集和量化，并根据测试标定数据进行补偿处理，将其转换为数字信号输出给无线通信模块，无线通信协议可以是zigbee或nb-iot物联网；
41.为了长期在户外进行在线监测，传感器制作好后，在下壳体2灌防水保护胶，灌胶以完全覆盖信号处理电路板9为原则，并且要漏出下壳体的排水孔10位置，保证在长期使用的过程中电路板防水、抗振，且能够及时有效的将积水排出壳体；
42.上下壳体通过两端的紧固螺钉固定，为了增加固定强度，在螺钉上涂抹螺钉胶；
43.该在线监测张力传感器工作时，由太阳能电池板3给信号处理电路板9及无线通信模块进行供电，信号处理电路板9负责给压力传感器供电，并实时采集压力传感器的输出数据，信号处理电路板内部的单片机对测量数据进行计算补偿后，通过数字的方式发送给无线通信模块，无线通信模块将张力值发送到终端进行实时监测。
44.实施例二
45.在实施例一的基础上增加了固紧和提供另一种发电方式的功能。
46.上壳体1和下壳体2组成的筒体上安装有弹性夹持环11，弹性夹持环11包括环体111，环体111的内侧壁固定连接有弹簧112，弹簧112的一端固定连接有弧形橡胶板113，弧形橡胶板113共设有四个，四个弧形橡胶板113参照环体111的圆心位置处中心对称分布；
47.弹性夹持环11的外侧壁固定连接有微型风力发电机12，弹性夹持环11上设有两组对称的微型风力发电机12，微型风力发电机12包括支撑杆121，支撑杆121的顶端安装有发电机122，下壳体2的内部固定连接有蓄电池13，发电机122的输出端通过导线与内部的蓄电池13电连接。
48.参阅图2-5，在安装完成后，可通过弹性夹持环11代替螺丝固紧，使其方便安装和拆卸在使用时，只需要插入弹性夹持环11就可进行固定，同时，弹性夹持环11的外侧设有微型风力发电机12，微型风力发电机12可为蓄电池13供电，使其在没有光照的情况下，依然可以使用。
49.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明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，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。