專利名稱：一種填充有不連續(xù)介質的同軸應變傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有不連續(xù)介質的應變傳感器及其制作方法。涉及專利分類號GOl測量；測試、GOlG稱量、G01G3/00以應用可產(chǎn)生彈性形變的元件為特征的稱量儀器，例如彈簧秤、G01G3/12其中稱量部件當稱量時處于受壓力或張力作用的固體形式、G01G3/14測量電阻的變化。
背景技術：
傳統(tǒng)的電阻應變計測量法無法實現(xiàn)工業(yè)場合的非接觸測量，無法實現(xiàn)結構內(nèi)部應變測量，不能進行3D應變測量，不能實現(xiàn)非均勻應變的分布式測量，另外容易受到電磁干擾的影響，抗腐蝕能力弱。光纖光柵傳感器測量大應變時，由于受到結構機械強度的制約，靠本身的拉伸是無法實現(xiàn)的，只能從光纖光柵所在的傳感結構來考慮，通過一定的傳感裝置或結構，如彎梁方式和彈簧串聯(lián)方式，將結構大應變轉換為光纖光柵的小應變，才能實現(xiàn)大應變測量。因此光纖光柵大應變傳感器存在結構復雜、易碎、不易彎折的缺點，同時大彎折還會影響光信號的傳輸，這樣其在某些極端環(huán)境下的應用受到限制。2006年，美國專利US 20060086197 Al將同樣具有良好的信號傳輸能力的同軸電纜引入到傳感器設計領域，采用直接在同軸電纜絕緣層外手工螺旋纏繞金屬薄片的方式對同軸電纜的外導體層進行改進，相鄰纏繞的金屬薄片緊貼在一起，當結構出現(xiàn)應變時，相鄰的金屬薄片被拉開，導致同軸電纜的阻抗發(fā)生變化進而反應應變信息，該傳感器的靈敏度以及應變測量范圍得到了提高，但由于其采用手工螺旋纏繞的方式制作同軸電纜傳感器外導體層，存在纏繞金屬薄片接觸不良、介質干擾大、信號衰減大導致有效測試距離短、防腐處理困難以及布設工程中易損壞等問題，無法實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)及實際工程的推廣應用。2011年中國發(fā)明專利CN 102175723 A提出基于凹陷薄弱螺紋、點式薄弱螺紋的同軸電纜分布式應變傳感器，薄弱螺紋是通過對同軸電纜施加旋轉前進式牽引，同時利用鉆頭在外導體層上刻制凹槽或利用打孔機在外導體層上連續(xù)打孔加工制作，該傳感器仍然沒有擺脫工藝復雜、監(jiān)測距離短、防腐困難及布設易損等問題。2012年美國專利US 20120272741提出了電柵的概念，即在同軸電纜上制作微小的周期性局部缺陷，缺陷位置對特定頻率電磁波有強反射。周期串接的電柵在入射端口反射疊加，致使入射端口反射系數(shù)在某一頻點出現(xiàn)明顯諧振峰。拉伸致使電柵間距變化，引起諧振峰的頻移，通過測試頻移量來監(jiān)測應變量。電柵的制備方式是將同軸線表皮、外導體及絕緣層鉆周期陣列孔，此種方法同樣破壞了傳輸線封閉結構，勢必引起漏波現(xiàn)象，漏波引起的損耗不利于遠距離及大應變監(jiān)測，加工過程對同軸線的表皮、外導體和絕緣層的破壞降低了傳感器的防腐防潮能力，不利于傳感器的長期應用，并且在開孔位置局部機械強度降低。另一種電柵制備方式是對同軸線外部進行局部擠壓變形，由于產(chǎn)生擠壓形變，電柵處機械強度降低的現(xiàn)象并未得到實質改善
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對以上問題的提出，而研制的一種填充有不連續(xù)介質的同軸應變傳感器7具有位于傳感器中心，由金屬制成的圓柱狀的內(nèi)導體、位于所述內(nèi)導體外層，由金屬制成的圓管狀的外導體、包覆所述外導體外表面的護套和位于所述傳感器一端、與所述內(nèi)導體、外導體和護套的一端固定連接的負載；所述內(nèi)導體、外導體、護套和負載的軸線位于同一直線上；所述內(nèi)導體和外導體之間填充有絕緣層該絕緣層具有兩種介電常數(shù)不同的絕緣段I和絕緣段II，所述絕緣層絕緣段I和絕緣段II交替間隔連接，充滿所述內(nèi)導體和外導體之間的空間；工作時，傳感器與所述網(wǎng)絡分析儀相連接，網(wǎng)絡分析儀給出沿所述內(nèi)導體軸向方向傳播的電磁波，同時對由內(nèi)導體和外導體傳回的該電磁波的反射系數(shù)進行掃頻檢測當傳感器被拉伸或者被壓縮時，所述反射系數(shù)的極值點發(fā)生偏移，通過感知并計算該極值點的偏移量，獲得應變量。所述絕緣段I和絕緣段II的長度通過公式
權利要求
1.一種填充有不連續(xù)介質的同軸應變傳感器，具有位于傳感器中心，由金屬制成的圓柱狀的內(nèi)導體(I)、位于所述內(nèi)導體(I)外層，由金屬制成的圓管狀的外導體(3)、包覆所述外導體(3)外表面的護套(4)和位于所述傳感器一端、與所述內(nèi)導體(I)、外導體(3)和護套(4)的一端固定連接的負載(5);所述內(nèi)導體(I)、外導體(3)、護套(4)和負載(5)的軸線位于同一直線上；所述內(nèi)導體(I)和外導體(3)之間填充有絕緣層(2):該絕緣層(2)具有兩種介電常數(shù)不同的絕緣段I (2a)和絕緣段II (2b)，所述絕緣層(2)絕緣段I (2a)和絕緣段II (2b)交替間隔連接，充滿所述內(nèi)導體(I)和外導體(3)之間的空間；工作時，傳感器與所述網(wǎng)絡分析儀相連接，網(wǎng)絡分析儀給出沿所述內(nèi)導體(I)軸向方向傳播的電磁波，同時對由內(nèi)導體(I)和外導體(3)傳回的該電磁波的反射系數(shù)進行掃頻檢測當傳感器被拉伸或者被壓縮時，所述反射系數(shù)的極值點發(fā)生偏移，通過感知并計算該極值點的偏移量，獲得應變量。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種填充有不連續(xù)介質的同軸應變傳感器，其特征還在于所述絕緣段I (2a)和絕緣段II (2b)的長度通過公式確定，其中z為絕緣段I (2a)或絕緣段II (2b)的長度，Si為每段絕緣層介質的介電常數(shù)，fm為傳感器的監(jiān)測頻點，Ctl為真空中光速，Vwav為波在同軸電纜絕緣段中的傳播速度。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種填充有不連續(xù)介質的同軸應變傳感器，其特征還在于所述絕緣層(2)的材質為聚四氟乙烯或玻璃纖維。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的一種填充有不連續(xù)介質的同軸應變傳感器，其特征還在于所述內(nèi)導體(I)和外導體(3)的材質為銀、銅或金。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種填充有不連續(xù)介質的同軸應變傳感器，其特征還在于所述絕緣段I (2a)和絕緣段II (2b)的外徑和內(nèi)徑均相同。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種填充有不連續(xù)介質的同軸應變傳感器，具有同軸的內(nèi)導體、位于所述內(nèi)導體外層，外導體、護套和負載；所述內(nèi)導體和外導體之間填充有絕緣層該絕緣層具有兩種介電常數(shù)不同的絕緣段I和絕緣段II。本發(fā)明優(yōu)點在于同軸電纜力學結構沒有被改變，傳感器的各部位可承受相同受力強度，不易出現(xiàn)局部的斷裂，因此可監(jiān)測較大應變。原同軸電纜封閉性沒有受到破壞，不易被腐蝕，利于長期應用于潮濕及其他復雜環(huán)境。此傳感器可進行靈敏度設置。此發(fā)明結構簡單、成本低廉、易于加工生產(chǎn)及應用，可靠性高，可廣泛應用于海岸堤壩、大型水電站、橋梁隧道、輸油輸氣管道、大型體育場館等大型基礎設施的結構安全監(jiān)測。
文檔編號G01B7/16GK103033124SQ20121055220
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月17日 優(yōu)先權日2012年12月17日
發(fā)明者高仁璟, 史鵬飛, 劉書田, 張永存 申請人:大連理工大學