[0001] 本发明涉及应力测量设备，具体涉及一种地应力监测传感器。

[0002] 地应力是存在于地壳中的应力，即由于岩石形变而引起的介质内部单位面积上的作用力。在矿石开采过程中，特别是煤矿开采过程中，矿石或岩石受到破坏可能导致地应力平衡破坏，引发岩层崩塌、矿井倒塌等严重事故，因此需要设置地应力监测设备以监测地应力的变化。但是，相关技术中的地应力监测设备均需外接电源或内置电池，以对地应力监测设备内的压力感应部件供电，使压力感应部件保持运行，导致地应力监测设备的结构复杂，且在安装过程中受到外接电源和电池更换的制约，限制地应力监测设备的安装位置和排布方式。

[0031] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0032] 下面参考图1‑图7描述根据本发明实施例的地应力监测传感器。

[0033] 如图1‑图7所示，本发明实施例的地应力监测传感器包括外壳组件1、内壳组件2、滑动件4和摩擦纳米发电机5。

[0034] 外壳组件1可受力变形。内壳组件2设在外壳组件1的内腔中，并与外壳组件1相连，内壳组件2与外壳组件1之间形成用于容纳压力介质的介质腔室3，内壳组件2设有连通孔21，连通孔21与介质腔室3连通。滑动件4设在内壳组件2的内腔中，并将内壳组件2的内腔分隔为第一子腔22和第二子腔23，第一子腔22与连通孔21连通，滑动件4可在第一子腔22内压力介质的驱动下相对于内壳组件2移动。摩擦纳米发电机5包括第一摩擦件51和第二摩擦件
52，第一摩擦件51设在滑动件4上，第二摩擦件52设在内壳组件2的内壁上，第二摩擦件52可在滑动件4移动的过程中与第一摩擦件51接触。

[0035] 具体的，如图1‑图6所示，外壳组件1和内壳组件2均沿竖直方向延伸，内壳组件2设在外壳组件1的内腔中，且内壳组件2与外壳组件1相连，内壳组件2的内腔中设有滑动件4，滑动件4将内壳组件2的内腔分隔为第一子腔22和第二子腔23，内壳组件2设有第一子腔22的一端设有连通孔21，内壳组件2和外壳组件1之间形成的介质腔室3通过连通孔21与第一子腔22连通，在地应力监测传感器使用时，介质腔室3、连通孔21和第一子腔22均设有压力介质，优选为液态介质，外壳组件1可受力变形，在外壳组件1受到地应力的挤压产生变形时，介质腔室3的体积减小，介质腔室3内的部分压力介质通过连通孔21进入第一子腔22，并推动滑动件4沿竖直方向移动，以使第一子腔22体积增大以容纳进入第一子腔22的压力介质，第二子腔23随滑动件4的移动减小，由于内壳组件2与外壳组件1相连，因此压力介质不会推动内壳组件2相连，而是进入第一子腔22。

[0036] 摩擦纳米发电机5包括第一摩擦件51和第二摩擦件52，第一摩擦件51设在滑动件4上，并随滑动件4同步移动，第二摩擦件52设在内壳组件2的内壁上，在滑动件4移动的过程中，第一摩擦件51能够与第二摩擦件52接触，并与第二摩擦件52摩擦，从而产生电信号，以通过电信号对地应力进行监测。

[0037] 本发明实施例的地应力监测传感器在外壳组件和内壳组件之间的介质腔室设置压力介质，并通过连通孔使压力介质能够进入内壳组件的内腔并驱动滑动件移动，以触发摩擦纳米发电机。当外壳组件在地应力作用下产生变形时，压力介质在变形的压力作用下推动滑动件移动，以使滑动件上的第一摩擦件与内壳组件内壁上的第二摩擦件接触摩擦，并产生电信号，从而通过电信号对地应力进行检测和监测，且无需连接电源和电池。

[0038] 在一些实施例中，滑动件4包括分隔部41和安装部42，分隔部41的外周面与内壳组件2的内周面密封连接，以将内壳组件2的内腔分隔为第一子腔22和第二子腔23。安装部42设在分隔部41形成第二子腔23的一端，安装部42的外周面与内壳组件2的内周面间隔设置，安装部42的外周面设有第一摩擦件51。

[0039] 如图2‑图6所示，滑动件4包括分隔部41和安装部42，分隔部41的外周面与内壳组件2的内周面密封连接，可以是分隔部41的外周面与内壳组件2的内周面抵接相连，也可以在分隔部41的外周面设置密封圈，密封圈与内壳组件2的内周面抵接相连，从而将内壳组件2的内腔分隔为第一子腔22和第二子腔23，并避免第一子腔23内的压力介质进入第二子腔
23导致泄压，优选的，第一子腔22位于第二子腔23上方，连通孔21设在内壳组件2的上端，并与第一子腔22连通，连通孔21可以设在内壳组件2的上端面，也可以设在内壳组件2的周向壁面的上端。

[0040] 安装部42设在分隔部41的下端，并始终位于第二子腔23内，安装部42的外周面与内壳组件2的内周面沿内壳组件2的径向间隔设置，安装部42的外周面设有第一摩擦件51，以便于第一摩擦件51在随滑动件4竖直移动的过程中接触第二摩擦件52并摩擦产生电信号。

[0041] 可以理解的是，第一摩擦件不限于设在安装部的外周面，在另一些实施例中，第一摩擦件为设在分隔部下端的圆柱体，第一摩擦件在竖直移动的过程中，第一摩擦件的外周面可与第二摩擦件接触。

[0042] 在一些实施例中，第一摩擦件51为环绕在安装部42的外周面的环形，第二摩擦件52为环绕在内壳组件2的内周面的环形。

[0043] 如图2和图3所示，第一摩擦件51和第二摩擦件52均为绕竖直方向的环形，第一摩擦件51设在安装部42的外周面，第二摩擦件52设在内壳组件2的内周面，以便于第一摩擦件51和第二摩擦件52接触，并能够确保第一摩擦件51和第二摩擦件52在接触时产生充分的电信号。优选的，第一摩擦件51为PTFE材质，第二摩擦件52为铜材质，第一摩擦件51与安装部
42的外周面粘接相连，第二摩擦件52与内壳组件2的内周面粘接相连。

[0044] 可以理解的是，第一摩擦件和第二摩擦件不限于为环形，在另一些实施例中，第一摩擦件和第二摩擦件均为半圆柱体，在第一摩擦件竖直移动的过程中，第一摩擦件的侧平面与第二摩擦件的侧平面接触并摩擦产生电信号，此时，滑动件与内壳组件之间需要设置导引件，以导引滑动件沿竖直方向移动，并限制滑动件绕竖直方向转动，避免由于滑动件转动导致第一摩擦件和第二摩擦件干涉。

[0045] 在一些实施例中，第二摩擦件52在滑动件4移动的过程中始终位于第二子腔23内。

[0046] 如图2‑图3所述，在滑动件4竖直移动的过程中，第二摩擦件52始终位于第二子腔23内，换言之，分隔部41始终位于第二摩擦件52的上方，以避免液态的压力介质接触第二摩擦件52，影响第一摩擦件51和第二摩擦件52摩擦产生电信号，同时也避免第二摩擦件52与分隔部41干涉。

[0047] 在一些实施例中，滑动件4还包括延长部43，延长部43连接在分隔部41和安装部42之间。

[0048] 如图2‑图3所示，滑动件4还包括延长部43，延长部43沿竖直方向延伸，并连接在分隔部41和安装部42之间，以增加分隔部41和安装部42之间的距离，从而限定分隔部41在竖直移动过程中位于下方的极限位置，以确保分隔部41始终位于第二摩擦件52的上方，优选的，延长部43的直径小于分隔部41和安装部42的直径。

[0049] 优选的，在滑动件4由上至下的移动过程中，当安装部42的底部与外壳组件1的底部或内壳组件2的底部相抵时，滑动件4无法继续向下移动，并到达向下移动的极限位置，由于延长部43增加分隔部41和安装部42之间的距离，因此能够确保此时分隔部41位于第二摩擦件52的上方，使第二摩擦件52始终位于第二子腔23内。

[0050] 在一些实施例中，第二摩擦件52为至少两个，至少两个第二摩擦件52沿滑动件4的移动方向间隔排布。

[0051] 如图2‑图6所示，第二摩擦件52优选为三个，三个第二摩擦件52沿竖直方向间隔排布。

[0052] 在地应力监测传感器使用的过程中，地应力越大，外壳组件1的变形越大，滑动件4向下移动的距离越大，滑动件4带动第一摩擦件51每接触一个第二摩擦件52，就会产生对应的一次电信号，因此在监测地应力的过程中，能够通过电信号的次数获取地应力的大小，从而判断是否具有危险或是否需要进行处置。

[0053] 在一些实施例中，沿滑动件4的移动方向，至少两个第二摩擦件52与第一摩擦件51的接触面积增加。

[0054] 如图2‑图6所示，沿由上至下的方向，三个环形第二摩擦件52的轴向尺寸增加，以使三个第二摩擦件52与第一摩擦件51的接触面积增加，第一摩擦件51与第二摩擦件52的接触面积越大，产生的电信号越大，因此在监测地应力的过程中，能够通过获取电信号的大小获取地应力的大小，以避免地应力使滑动件4移动过快时存在获取电信号的次数具有误差的情况。

[0055] 可以理解的是，三个第二摩擦件不限于轴向尺寸增加，在另一些实施例中，第二摩擦件为沿内壳组件的周向延伸的条形，三个第二摩擦件的轴向尺寸相同，沿由上至下的方向三个第二摩擦件的周向尺寸增加。

[0056] 在一些实施例中，本发明实施例的地应力监测传感器还包括弹性件6，弹性件6连接在滑动件4与内壳组件2，或者连接在滑动件4与外壳组件1之间，以驱动滑动件4相对于内壳组件2反向移动。

[0057] 如图2‑图3所示，弹性件6沿竖直方向设置在第二子腔23内，并抵接在安装部42与内壳组件2底部之间，或者抵接在安装部42与外壳组件1底部之间，以驱动滑动件4由下至上移动，弹性件6优选为弹簧，设在第二子腔23内能够避免接触液态的压力介质，从而避免弹性件6生锈受损。

[0058] 当地应力监测传感器在监测过程中发现地应力时，滑动件4被压力介质驱动向下移动，弹性件6在滑动件4的压力作用下被压缩，当地应力监测传感器或内壳组件2用于下一次监测时，压力介质对滑动件4的压力被消除，此时滑动件4在弹性件6的弹力驱动下由下至上移动并复位，以便于地应力监测传感器或内壳组件2的重复利用，无需人工调节滑动件4复位。

[0059] 地应力监测传感器的重复利用可以将外壳组件1采用弹性件，例如弹性金属或橡胶，当地应力监测传感器从岩层内取出时，外壳组件1自动复位，在压强和/或弹性件6的驱动下，由介质腔室3进入第一子腔22的压力介质返回介质腔室3，滑动件4在弹性件6的驱动下复位。

[0060] 内壳组件2的重复利用可以将内壳组件2由已变形的外壳组件1内取出，此时滑动件4在弹性件6的驱动下复位，然后将内壳组件2安装在下一未变形的外壳组件1内进行重复利用。

[0061] 需要说明的是，由于弹性件6设在第二子腔23内，因此滑动件4位于向下的极限位置时，安装部42的底部与外壳组件1的底部或内壳组件2的底部不再相抵，而是存在被压缩的弹性件6，因此弹性件6也起到确保分隔部41始终位于第二摩擦件52的上方的作用。

[0062] 可以理解的是，弹性件不限于设在第二子腔内，在另一些实施例中，弹性件设在第一子腔，弹性件连接在分隔部与内壳组件顶部之间。

[0063] 在一些实施例中，外壳组件1包括外壳本体11和基座12，外壳本体11设有连通的开口和内腔，外壳本体11设有开口的一端与基座12可拆卸地连接，外壳本体11可受力变形。内壳组件2包括内壳本体24，内壳本体24设有连通的开口和内腔，内壳本体24设有开口的一端与基座12可拆卸地连接，内壳本体24的另一端设有连通孔21，内壳本体24位于外壳本体11的内腔中，并与外壳本体11之间形成介质腔室3，内壳本体24的内腔中设有滑动件4和摩擦纳米发电机5。

[0064] 如图2和图3所示，外壳组件1包括外壳本体11和基座12，基座12水平设置，并具有沿水平方向相对设置的耳朵，外壳本体11沿竖直方向延伸，并设有内腔，外壳本体11的内腔在外壳本体11的底部形成开口，外壳本体11的底部与基座12可拆卸地连接，以通过基座12开启和封闭外壳本体11的内腔，外壳本体11至少沿竖直方向延伸的侧壁可受力变形，换言之，外壳本体11可以仅侧壁可受力变形，外壳本体11也可以顶壁和侧壁均可受力变形。

[0065] 进一步的，外壳组件1还包括第一螺钉和第一密封圈13，外壳本体11的底部的外周面设有第一凸出部，第一凸出部优选为绕外壳本体11的轴向的环形，第一凸出部与基座12的顶面相抵，并通过至少两个沿周向间隔排布的第一螺钉相连，外壳本体11的下端面设有密封槽，外壳本体11的密封槽环绕在外壳本体11的开口的外周，外壳本体11的密封槽内设有第一密封圈13，第一密封圈13与基座12的顶面相抵，以将外壳本体11与基座12密封连接，避免压力介质泄漏。

[0066] 内壳组件2包括内壳本体24，内壳本体24沿竖直方向延伸，并设有内腔，内壳本体24的内腔在内壳本体24的底部形成开口，滑动件4、摩擦纳米发电机5和弹性件6通过内壳本体24底部的开口设在内壳本体24的内腔中，其中第二摩擦件52设在内壳本体24的内周面上，分隔部41的外周面与内壳本体24的内周面密封连接，以将内壳本体24的内腔分隔为第一子腔22和第二子腔23，内壳本体24的底部与基座12可拆卸地连接，以通过基座12开启和封闭内壳本体24的内腔，以便于滑动件4、摩擦纳米发电机5和弹性件6的拆卸和更换，弹性件6的底部设在基座12上。内壳本体24的顶部设有连通孔21，以使第一子腔22连通内壳本体
24与外壳组件1之间的介质腔室3。

[0067] 进一步的，内壳组件2还包括第二螺钉和第二密封圈25，内壳本体24的地步的外周面设有第二凸出部，第二凸出部优选为环绕内壳本体24的轴向的环形，第二凸出部与基座12的顶面相抵，并通过至少两个沿周向间隔排布的第二螺钉相连，内壳本体24的下端面设有密封槽，内壳本体24的密封槽环绕在内壳本体24的开口的外周，内壳本体24的密封槽内设有第二密封圈25，第二密封圈25与基座12的顶面相抵，以将内壳本体24与基座12密封连接，密封介质腔室3内的压力介质进入第二子腔23。

[0068] 在一些实施例中，本发明实施例的地应力监测传感器还包括线缆防水接头7和线缆8，线缆防水接头7设在基座12上，并与内壳本体24的开口相对设置，第二摩擦件52连接线缆8，线缆8由线缆防水接头7延伸至外壳组件1外。

[0069] 如图2和图3所示，基座12的中部设有线缆防水接头7，优选的，基座12与线缆防水接头7螺纹连接。线缆防水接头7沿竖直方向贯穿基座12，且线缆防水接头7与内壳本体24的开口相对设置，每个第二摩擦件52均设有对应的线缆8，全部线缆8通过线缆防水接头7穿出至外壳组件1外，以连接外部的检测设备或主机，从而将每个第二摩擦件52的电信号输送至检测设备或主机，并对每个第二摩擦件52的电信号进行实时监测和记录。

[0070] 优选的，全部第二摩擦件52连接的线缆8在线缆防水接头7的上方首先缠绕为一根总线缆，然后穿过线缆防水接头7。

[0071] 优选的，基座12的下端面设有第三密封槽，第三密封槽环绕用于嵌设线缆防水接头7的通孔，第三密封槽内设有第三密封圈9，第三密封圈9与线缆防水接头7相抵，以密封连接线缆防水接头7和基座12，避免外部环境污染外壳组件1和内壳组件2的内腔。

[0072] 如图7所示，本发明实施例的地应力监测传感器在使用时，首先需要在岩层的壁面设置钻孔，然后将地应力监测传感器沿上下方向插设在钻孔内，此时外壳本体11的全部或除第一凸出部以外的部分位于钻孔内，且外壳本体11的侧壁与钻孔的孔壁面相抵，耳朵通过螺钉固定在岩层的壁面上，当岩层的地应力产生变化时会沿水平方向作用在外壳本体11上，从而驱动滑动件4移动，以使摩擦纳米发电机5产生电信号，实现对岩层地应力的感知和检测，且无需外接电源和设置电池。

[0073] 优选的，岩层为矿石层，更优选为煤层。

[0074] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0075] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

[0076] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0077] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

[0078] 在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等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发明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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

[0079] 尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。