基于二維同軸布拉格結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳感器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于二維同軸布拉格結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳感器，包括結(jié)構(gòu)均勻的內(nèi)導(dǎo)體、介質(zhì)填充層、結(jié)構(gòu)均勻的外導(dǎo)體、護(hù)套和不均勻結(jié)構(gòu)，不均勻結(jié)構(gòu)具有角向和軸向的二維周期性；應(yīng)變測(cè)量時(shí)，與網(wǎng)絡(luò)分析儀連接，網(wǎng)絡(luò)分析儀輸入主模的入射波并獲取主模的傳輸系數(shù)隨頻率變化的曲線，當(dāng)被測(cè)結(jié)構(gòu)受力拉伸后，應(yīng)變傳感器與被測(cè)結(jié)構(gòu)協(xié)同變形以使得不均勻結(jié)構(gòu)在軸向上的周期長(zhǎng)度發(fā)生變化，使得阻帶中心頻率偏移，測(cè)量阻帶中心頻率偏移的頻移量以確定被測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變量。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該應(yīng)變傳感器能夠適應(yīng)惡劣服役環(huán)境，具備高精度、高耐久性和較大應(yīng)變測(cè)量范圍，可廣泛應(yīng)用于大跨度橋梁、隧道、高層/高聳結(jié)構(gòu)、水庫(kù)大壩等重要基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)過(guò)程中的應(yīng)變測(cè)量。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
基于二維同軸布拉格結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地涉及一種基于二維同軸布拉格 結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 鑒于重大工程結(jié)構(gòu)的安全事故所帶來(lái)的嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡與惡劣社會(huì)影 響，采用先進(jìn)的傳感技術(shù)對(duì)重大工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、預(yù)警和控制其運(yùn)行狀態(tài)對(duì)其安全保障 具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。實(shí)踐表明，工程結(jié)構(gòu)的破壞大多源于局部失效，因此局部性態(tài)信息是 工程結(jié)構(gòu)健康狀況監(jiān)測(cè)中的核心信息。在表征工程結(jié)構(gòu)局部性態(tài)的諸多參量中，應(yīng)變是評(píng) 估結(jié)構(gòu)安全最為重要的參量之一。為了監(jiān)測(cè)工程結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)變信息，需要在其內(nèi)部植入 應(yīng)變傳感器。理想情況下，植入的應(yīng)變傳感器不僅需要高的分辨率用以檢測(cè)結(jié)構(gòu)在正常載 荷下的變化，同時(shí)它們也必須具備較大的動(dòng)態(tài)范圍以及適應(yīng)極端條件下結(jié)構(gòu)復(fù)雜變形的能 力。
[0003] 目前，監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)變、加速度等參量的傳感器已經(jīng)比較成熟，但用于監(jiān)測(cè)結(jié) 構(gòu)局部性態(tài)的傳感器件還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足工程實(shí)際的需要。例如，以電阻應(yīng)變片為代表的傳 統(tǒng)應(yīng)變傳感器往往尺寸過(guò)大使得埋入困難，無(wú)法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變測(cè)量，同時(shí)還存在耐 久性差、穩(wěn)定性差、抵御災(zāi)害性事故能力差以及溫度交叉敏感性等弊端，從而限制了其在結(jié) 構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用；而現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)普遍采用的光纖光柵應(yīng)變傳感器，雖然 能夠滿(mǎn)足工程結(jié)構(gòu)正常服役狀態(tài)下的監(jiān)測(cè)需要，但其動(dòng)態(tài)范圍過(guò)小同時(shí)光纖光柵易碎從而 難以抵御極端荷載或?yàn)?zāi)害、災(zāi)變事故反生時(shí)產(chǎn)生的大應(yīng)變和剪切、扭曲等復(fù)雜變形，往往在 工程結(jié)構(gòu)失效前就因其發(fā)生損壞而過(guò)早失效，所以其傳感性能和適應(yīng)極端條件的能力依然 無(wú)法滿(mǎn)足重大結(jié)構(gòu)工程健康監(jiān)測(cè)的要求。
[0004] 鑒于此，近年來(lái)，針對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域亟需的大應(yīng)變傳感器的研究取得了一些 新的進(jìn)展，其中一些采用同軸傳輸線作為傳感信號(hào)傳輸媒質(zhì)的應(yīng)變傳感器受到了國(guó)內(nèi)外的 普遍關(guān)注。和玻璃材料制成的光纖相比，同軸傳輸線的優(yōu)勢(shì)在于其具有更大的尺寸、更好的 彈性和更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而對(duì)于極限荷載和災(zāi)變事故具有較強(qiáng)的耐受性。
[0005] 目前，基于同軸傳輸線的應(yīng)變傳感器主要采用以下兩種方法測(cè)量應(yīng)變：
[0006] 1)通過(guò)測(cè)量應(yīng)變導(dǎo)致的阻抗變化來(lái)提取應(yīng)變信息。采用這種方法的傳感器通過(guò)改 變傳統(tǒng)同軸傳輸線的外導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)使應(yīng)變發(fā)生時(shí)在傳輸線的外導(dǎo)體形成阻抗不連續(xù)點(diǎn)，利 用電時(shí)域反射(ETDR)技術(shù)監(jiān)測(cè)同軸傳輸線的阻抗變化進(jìn)而獲得結(jié)構(gòu)的應(yīng)變信息。在實(shí)際應(yīng) 用中，改變同軸傳輸線的外導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)的做法有多種。例如，美國(guó)專(zhuān)利US 20060086197 Al 利用緊密纏繞的金屬薄片作為同軸傳輸線的外導(dǎo)體層，當(dāng)待測(cè)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)變時(shí)，該處相鄰 的金屬薄片將會(huì)被拉開(kāi)，導(dǎo)致電纜阻抗改變從而反映出該處的應(yīng)變信息。相比于傳統(tǒng)的光 纖光柵應(yīng)變傳感器，該傳感器的應(yīng)變測(cè)量范圍得到了顯著的提高，但是存在相鄰金屬薄片 接觸不良、信號(hào)衰減大以及布設(shè)易損等問(wèn)題。中國(guó)專(zhuān)利CN 102175723 A采用在傳統(tǒng)的同軸 傳輸線外導(dǎo)體刻制凹形或點(diǎn)式薄弱螺紋來(lái)改變其結(jié)構(gòu)，雖然克服了前述結(jié)構(gòu)接觸不良、外 導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)不均勻的問(wèn)題，但是這種方法破壞了外導(dǎo)體的封閉結(jié)構(gòu)，不但會(huì)引起傳輸信號(hào) 的泄漏，而且也會(huì)降低傳感器的機(jī)械強(qiáng)度和防腐防潮能力，因此該傳感器仍然未能擺脫信 號(hào)衰減大、防腐能力弱以及易損等問(wèn)題。
[0007] 2)通過(guò)在同軸傳輸線中沿軸向引入一維的阻抗不連續(xù)結(jié)構(gòu)，利用不連續(xù)結(jié)構(gòu)帶來(lái) 的反射來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)變信息的傳感。利用這種方法的傳感器與光纖光柵傳感器具有相似的機(jī) 理，即入射波在傳輸線中傳輸時(shí)，遇到阻抗不連續(xù)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生微弱的反射，在某些的頻率附 近，每一處阻抗不連續(xù)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的反射波將在傳輸線的輸入端相互疊加從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的 窄帶反射信號(hào)。當(dāng)傳輸線因外力作用產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，相鄰的阻抗不連續(xù)結(jié)構(gòu)間距的變化將使 反射峰值對(duì)應(yīng)的頻率發(fā)生偏移，因此可通過(guò)監(jiān)測(cè)頻偏量來(lái)獲得應(yīng)變的變化?；谶@一原理， 美國(guó)專(zhuān)利US 20120272741提出的應(yīng)變傳感器采用在同軸傳輸線的保護(hù)層、外導(dǎo)體和介質(zhì)填 充層中周期性地連續(xù)鉆孔來(lái)獲得阻抗不連續(xù)結(jié)構(gòu)。與第一種方式的應(yīng)變傳感器相比，該傳 感器由于采用了與光纖光柵相似的工作機(jī)理，具有更高的應(yīng)變測(cè)量精度。然而，該傳感器同 樣存在信號(hào)泄露以及防腐困難的問(wèn)題，而且鉆孔法制作過(guò)程中對(duì)同軸傳輸線的外導(dǎo)體和介 質(zhì)層均損傷較大，使得傳感器在遭受大形變的過(guò)程中容易形成應(yīng)力集中，從而未達(dá)到同軸 傳輸線的極限形變就發(fā)生斷裂，降低了應(yīng)變測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍。另外，需要指出的是，由于一 維阻抗不連續(xù)性結(jié)構(gòu)所引發(fā)的反射對(duì)頻率的選擇度不佳，采用這種方式的傳感器其反射系 數(shù)幅頻響應(yīng)曲線主瓣的兩邊會(huì)出現(xiàn)幅度較大且數(shù)目豐富的旁瓣，這一現(xiàn)象的存在不僅會(huì)降 低傳感器的信噪比而且會(huì)帶來(lái)傳感信號(hào)的起伏從而對(duì)應(yīng)變的監(jiān)測(cè)造成干擾。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對(duì)現(xiàn)有的基于同軸傳輸線的應(yīng)變傳感器存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種 基于二維同軸布拉格結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳感器，用以提供一種能夠適應(yīng)惡劣服役環(huán)境，具備高分 辨率、高精度、高耐久性和較大應(yīng)變測(cè)量范圍的應(yīng)變傳感手段，從而解決工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè) 領(lǐng)域中大應(yīng)變測(cè)量的技術(shù)瓶頸。
[0009] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于二維同軸布拉格結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳感器，包 括結(jié)構(gòu)均勻的內(nèi)導(dǎo)體、介質(zhì)填充層、結(jié)構(gòu)均勻的外導(dǎo)體、護(hù)套和不均勻結(jié)構(gòu)，介質(zhì)填充層套 裝于內(nèi)導(dǎo)體，外導(dǎo)體套裝于介質(zhì)填充層，護(hù)套包覆于外導(dǎo)體，內(nèi)導(dǎo)體的外徑等于介質(zhì)填充層 的內(nèi)徑，內(nèi)導(dǎo)體、介質(zhì)填充層、外導(dǎo)體及護(hù)套的中心軸線位于同一直線上，不均勻結(jié)構(gòu)設(shè)置 于內(nèi)外導(dǎo)體之間的，且不均勻結(jié)構(gòu)具有角向和軸向的二維周期性；
[0010] 應(yīng)變測(cè)量時(shí)，應(yīng)變傳感器與網(wǎng)絡(luò)分析儀連接，網(wǎng)絡(luò)分析儀輸入主模的入射波至應(yīng) 變傳感器并獲取主模的傳輸系數(shù)隨頻率變化的曲線，當(dāng)被測(cè)結(jié)構(gòu)受力拉伸后，應(yīng)變傳感器 與被測(cè)結(jié)構(gòu)協(xié)同變形以使得應(yīng)變傳感器內(nèi)部的具有二維周期性的不均勻結(jié)構(gòu)在軸向上的 周期長(zhǎng)度發(fā)生變化，從而使得阻帶中心頻率偏移，網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量阻帶中心頻率偏移的頻 移量以確定被測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變量。
[0011] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的應(yīng)變傳感器包括設(shè)置于內(nèi)外導(dǎo)體之間的不均勻結(jié)構(gòu)， 且該不均勻結(jié)構(gòu)具有角向和軸向的二維周期性;應(yīng)變測(cè)量時(shí)，應(yīng)變傳感器與網(wǎng)絡(luò)分析儀連 接，網(wǎng)絡(luò)分析儀輸入主模的入射波至應(yīng)變傳感器并獲取主模的傳輸系數(shù)隨頻率變化的曲 線，當(dāng)被測(cè)結(jié)構(gòu)受力拉伸后，應(yīng)變傳感器與被測(cè)結(jié)構(gòu)協(xié)同變形以使得應(yīng)變傳感器內(nèi)部的具 有二維周期性的不均勻結(jié)構(gòu)在軸向上的周期長(zhǎng)度發(fā)生變化，從而使得阻帶中心頻率偏移， 網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量阻帶中心頻率偏移的頻移量以確定被測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變量。即，本發(fā)明的應(yīng)變 傳感器利用了電磁波在二維同軸布拉格結(jié)構(gòu)傳輸時(shí)的模式耦合效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了被測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)變 量的測(cè)量，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0012] (1)該應(yīng)變傳感器是在內(nèi)外導(dǎo)體之間設(shè)置不均勻結(jié)構(gòu)，即在制作過(guò)程中無(wú)需破壞 同軸傳輸線或波導(dǎo)的內(nèi)外導(dǎo)體以及護(hù)套層結(jié)構(gòu)，不僅有利于防腐，而且還能是應(yīng)變傳感器 保持較高的機(jī)械強(qiáng)度從而便于布設(shè)施工；
[0013] (2)不均勻結(jié)構(gòu)提供了模式耦合所需的不均勻邊界條件，可以進(jìn)一步提高傳感器 的拉伸性能；
[0014] (3)基于應(yīng)變傳感器的上述結(jié)構(gòu)特性，不僅可以增加傳感器對(duì)應(yīng)變的測(cè)量范圍，還 可以提尚其應(yīng)對(duì)極端荷載以及抵抗災(zāi)害、災(zāi)變的能力；
[0015] (4)該應(yīng)變傳感器保持了同軸線纜的封閉結(jié)構(gòu)，不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)泄露的問(wèn)題，能夠確 保獲得較高質(zhì)量的應(yīng)變傳感信號(hào);且二維周期性不均勻結(jié)構(gòu)的引入還可以從兩方面提高傳 感器測(cè)量應(yīng)變的性能:一方面，不均勻結(jié)構(gòu)在受力拉伸后產(chǎn)生的形變將均勻分布于整段長(zhǎng) 度中，從而很容易在形變過(guò)程中保持軸向周期長(zhǎng)度變化的均勻性，這樣就可以避免由于應(yīng) 力集中導(dǎo)致應(yīng)變不一致給測(cè)量結(jié)果引入的誤差，進(jìn)而提高應(yīng)變測(cè)量的準(zhǔn)確性;另一方面，不 均勻結(jié)構(gòu)所引入的二維不均勻邊界可以增加模式耦合對(duì)頻率的選擇性從而有效地抑制傳 輸阻帶附近的旁瓣，這就使傳感器可以獲得更高的信噪比和測(cè)量精度。
[0016] 綜上所述，本發(fā)明的應(yīng)變傳感器能夠適應(yīng)惡劣服役環(huán)境，具備高精度、高耐久性和 較大應(yīng)變測(cè)量范圍，可廣泛應(yīng)用于大跨度橋梁、隧道、高層/高聳結(jié)構(gòu)、水庫(kù)大壩等重要基礎(chǔ) 設(shè)施的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)過(guò)程中的應(yīng)變測(cè)量。
[0017] 在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，不均勻結(jié)構(gòu)為在介質(zhì)填充層的接觸內(nèi)表面和/或接觸 外表面上刻制螺旋形的凹槽，接觸內(nèi)表面為填充介質(zhì)層與內(nèi)導(dǎo)體所接觸的表面，接觸外表 面為填充介質(zhì)層與外導(dǎo)體所接觸的表面。
[0018] 較佳地，當(dāng)不均勻結(jié)構(gòu)為在介質(zhì)填充層的接觸內(nèi)表面和接觸外表面上刻制螺旋形 的凹槽時(shí)，刻制于接觸內(nèi)表面的凹槽與刻制于接觸外表面的凹槽之間的初始相位差為180 度。
[0019] 在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，不均勻結(jié)構(gòu)為在內(nèi)間隙和/或外間隙加載帶狀的螺旋 導(dǎo)體，螺旋導(dǎo)體的厚度與內(nèi)間隙或外間隙相等，內(nèi)間隙為填充介質(zhì)層于內(nèi)導(dǎo)體之間的間隙， 外間隙為填充介質(zhì)層于外導(dǎo)體之間的間隙。
[0020] 在本發(fā)明的第三實(shí)施例中，不均勻結(jié)構(gòu)為在介質(zhì)填充層的接觸內(nèi)表面和/或接觸 外表面上刻制螺旋形的凹槽并在凹槽內(nèi)嵌入帶狀的螺旋導(dǎo)體，螺旋導(dǎo)體的厚度與凹槽的深 度相等，接觸內(nèi)表面為填充介質(zhì)層與內(nèi)導(dǎo)體所接觸的表面，接觸外表面為填充介質(zhì)層與外 導(dǎo)體所接觸的表面。
[0021 ]較佳地，當(dāng)在接觸內(nèi)表面和接觸外表面上刻制凹槽時(shí)，刻制于接觸內(nèi)表面的凹槽 與刻制于接觸外表面的凹槽之間的初始相位差為180度。
[0022]在本發(fā)明的第四實(shí)施例中，不均勻結(jié)構(gòu)為在介質(zhì)填充層的接觸內(nèi)表面和/或接觸 外表面上沿著螺旋線打孔，接觸內(nèi)表面為填充介質(zhì)層與內(nèi)導(dǎo)體所接觸的表面，接觸外表面 為填充介質(zhì)層與外導(dǎo)體所接觸的表面。
[0023]較佳地，當(dāng)在接觸內(nèi)表面和接觸外表面上打孔時(shí)，位于接觸內(nèi)表面的打孔路徑（內(nèi) 螺旋線)與位于接觸外表面的打孔路徑(外螺旋線）的初始相位差為180度。
[0024] 在本發(fā)明的第五實(shí)施例中，不均勻結(jié)構(gòu)為在介質(zhì)填充層的接觸外表面上沿著螺旋 線打孔并在孔內(nèi)嵌入金屬柱，金屬柱的直徑等于孔的直徑，接觸外表面為填充介質(zhì)層與外 導(dǎo)體所接觸的表面。
[0025] 具體地，本發(fā)明的不均勻結(jié)構(gòu)在采用凹槽的形式實(shí)現(xiàn)時(shí)，凹槽的寬度w與凹槽的螺 距P滿(mǎn)足以下關(guān)系:w = p/2;其中，螺距p根據(jù)以下公式算出：
[0026]
[0027] 其中，fQ為應(yīng)變傳感器預(yù)設(shè)的初始監(jiān)測(cè)頻點(diǎn)，且fQ對(duì)應(yīng)于應(yīng)變傳感器未產(chǎn)生應(yīng)變時(shí) 傳輸阻帶的中心頻率，CQ為真空中的光速，^為填充層采用的介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)，Pr 為該材料的相對(duì)磁導(dǎo)率，k。為高階模式的截止波數(shù)，31為圓周率。
[0028] 通過(guò)以下的描述并結(jié)合附圖，本發(fā)明將變得更加清晰，這些附圖用于解釋本發(fā)明 的實(shí)施例。
【附圖說(shuō)明】
[0029] 圖Ia是本發(fā)明的基于二維同軸布拉格結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳感器的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖Ib是表面刻制了螺旋凹槽的介質(zhì)填充層的示意圖。
[0031] 圖Ic是螺旋凹槽內(nèi)的帶狀導(dǎo)體。
[0032] 圖2是圖Ia所示應(yīng)變傳感器的橫向截面示意圖。
[0033] 圖3是圖Ia所示應(yīng)變傳感器的縱向截面示意圖，其中，ao表示傳感器外導(dǎo)體內(nèi)表面 的半徑，bo表示其內(nèi)導(dǎo)體表面的半徑，w、d和p分別表示介質(zhì)填充層外表面螺旋凹槽的寬度、 深度和螺距，^和分別表示填充層采用的介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率。
[0034] 圖4是本發(fā)明的基于二維同軸布拉格結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳感器的應(yīng)變測(cè)量方法的示意 圖。
[0035] 圖5是本發(fā)明的基于二維同軸布拉格結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳感器在未發(fā)生應(yīng)變時(shí)的傳輸系 數(shù)的幅頻響應(yīng)曲線。
[0036] 圖6是本發(fā)明的基于二維同軸布拉格結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳感器在發(fā)生不同應(yīng)變時(shí)的傳 輸系數(shù)的幅頻響應(yīng)曲線。
[0037] 圖7是本發(fā)明的基于二維同軸布拉格結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳感器傳輸阻帶中心頻率與應(yīng)變 之間的關(guān)系。
【具體實(shí)施方式】
[0038]現(xiàn)在參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，附圖中類(lèi)似的元件標(biāo)號(hào)代表類(lèi)似的元件。 [0039]為了更好地理解本發(fā)明，先對(duì)本發(fā)明應(yīng)變傳感器的工作原理及其與網(wǎng)絡(luò)分析儀連 接時(shí)的測(cè)量方法做如下介紹：
[0040]本發(fā)明的傳感器其測(cè)量應(yīng)變的傳感機(jī)制利用了電磁波在二維同軸布拉格結(jié)構(gòu)中 傳輸時(shí)的模式耦合效應(yīng)。具體而言，同軸波導(dǎo)主模(TEM模式)的入射波在具有二維周期性的 不均勻結(jié)構(gòu)的同軸傳輸線或波導(dǎo)中傳輸時(shí)，在不均勻結(jié)構(gòu)引入的角向和軸向兩個(gè)方向的非 均勻邊界條件的影響下，特定頻率附近的入射波將會(huì)與高階模式的反向波產(chǎn)生強(qiáng)烈地耦 合，在此過(guò)程中入射波的能量將連續(xù)地轉(zhuǎn)移至高階模式從而在頻譜中形成傳輸阻帶，阻帶 的中心頻率（即傳輸系數(shù)極小值對(duì)應(yīng)的頻率位置)取決于模式參數(shù)及二維周期性不均勻結(jié) 構(gòu)在軸向上的周期長(zhǎng)度?；谏鲜鲈?，本發(fā)明的傳感器在應(yīng)變測(cè)量時(shí)，其輸入端和輸出端 需與網(wǎng)絡(luò)分析儀相連接，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀給傳感器輸入主模的入射波，并獲取主模的傳輸 系數(shù)隨頻率變化的曲線，當(dāng)被測(cè)結(jié)構(gòu)受力拉伸后，傳感器與被測(cè)結(jié)構(gòu)協(xié)同變形使其內(nèi)部的 二維不均勻結(jié)構(gòu)在軸向上的周期長(zhǎng)度發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致阻帶中心頻率的偏移，通過(guò)測(cè)量 頻移量就可以確定被測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變量。
[0041] 具體地，應(yīng)變傳感器在布設(shè)前事先測(cè)出阻帶中心頻率的頻移與應(yīng)變之間的關(guān)系， 測(cè)量時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀獲得被測(cè)結(jié)構(gòu)在發(fā)生形變時(shí)的阻帶中心頻率的發(fā)生的偏移，通過(guò)比 對(duì)已有的頻移與應(yīng)變關(guān)系曲線獲得相應(yīng)的應(yīng)變量。
[0042] 請(qǐng)參考圖1至3，在本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例中，該基于二維同軸布拉格結(jié)構(gòu)的應(yīng)變 傳感器包括結(jié)構(gòu)均勻的內(nèi)導(dǎo)體1、介質(zhì)填充層2、結(jié)構(gòu)均勻的外導(dǎo)體4、護(hù)套5和不均勻結(jié)構(gòu)， 介質(zhì)填充層2套裝于內(nèi)導(dǎo)體1，外導(dǎo)體4套裝于介質(zhì)填充層2,護(hù)套5包覆于外導(dǎo)體4,內(nèi)導(dǎo)體1 的外徑等于介質(zhì)填充層2的內(nèi)徑，內(nèi)導(dǎo)體1、介質(zhì)填充層2、外導(dǎo)體4及護(hù)套5的中心軸線位于 同一直線上，不均勻結(jié)構(gòu)設(shè)置于介質(zhì)填充層2上或介質(zhì)填充層2與外導(dǎo)體4之間，且不均勻結(jié) 構(gòu)具有角向和軸向的二維周期性。
[0043] 具體地，如圖所示，在本實(shí)施例中，介質(zhì)填充層2由單一的介質(zhì)材料構(gòu)成，不均勻結(jié) 構(gòu)的具體實(shí)現(xiàn)方式為:在介質(zhì)填充層2的接觸外表面（即介質(zhì)填充層2與外導(dǎo)體4接觸的）上 刻制較淺的帶狀螺旋凹槽，其螺旋方向沿軸向可以為順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较?，凹槽?nèi)嵌入有 帶狀的螺旋導(dǎo)體3,且螺旋導(dǎo)體3的厚度與凹槽的深度相等。
[0044] 進(jìn)一步地，基于前述工作原理和測(cè)量方法，當(dāng)不均勻結(jié)構(gòu)采用圖Ia至圖Ic所示的 凹槽加螺旋導(dǎo)體3的方式實(shí)現(xiàn)時(shí)，該應(yīng)變傳感器的參數(shù)設(shè)計(jì)和制作主要依據(jù)以下的原則：1) 為降低成本，可選擇通用型號(hào)的同軸傳輸線或波導(dǎo)作為傳感器原型。所選的同軸傳輸線或 波導(dǎo)應(yīng)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度以滿(mǎn)足傳感器布設(shè)和大應(yīng)變測(cè)量的需要，同時(shí)其結(jié)構(gòu)參數(shù)還應(yīng) 確保在傳感器預(yù)設(shè)的監(jiān)測(cè)頻率范圍內(nèi)能夠傳輸高階模式;2)介質(zhì)填充層2表面的螺旋凹槽 可采用常用的螺紋加工（如車(chē)削、銑削）方式制作;假定本發(fā)明的傳感器預(yù)設(shè)的初始監(jiān)測(cè)頻 點(diǎn)為f〇(對(duì)應(yīng)于傳感器未產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)傳輸阻帶的中心頻率），則螺旋凹槽的螺距P(即軸向上 的周期長(zhǎng)度）應(yīng)設(shè)罾為
[0045]
[0046] 其中，Co為真空中的光速，er為填充層采用的介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)，yr為該材 料的相對(duì)磁導(dǎo)率，k。為高階模式的截止波數(shù);3)根據(jù)耦合模理論，螺旋凹槽的深度d應(yīng)遠(yuǎn)小 于螺旋凹槽的螺距P，而螺旋凹槽的寬度w應(yīng)取為螺距p的一半（即w = p/2)以加強(qiáng)主模與高 階模式之間模式耦合的強(qiáng)度;4)螺旋凹槽圈數(shù)的設(shè)置應(yīng)綜合考慮應(yīng)變監(jiān)測(cè)過(guò)程中對(duì)傳感信 號(hào)的信噪比以及不同的應(yīng)變測(cè)量場(chǎng)合對(duì)傳感器長(zhǎng)度的要求。在螺旋凹槽的圈數(shù)較少(N〈5) 的條件下，增加圈數(shù)可以有效地降低主模在傳輸阻帶中心頻率處的傳輸率，從而使傳輸阻 帶更為明顯，以此可以顯著地增加傳感信號(hào)的信噪比。然而，螺旋凹槽圈數(shù)也不宜過(guò)多否則 會(huì)加劇傳感信號(hào)的衰減或使傳感器長(zhǎng)度超出要求。5)螺旋凹槽內(nèi)嵌入的導(dǎo)體材料在傳感器 較短的條件下可選擇彈性好、強(qiáng)度高的彈簧鋼以增加傳感器的機(jī)械強(qiáng)度，反之則應(yīng)選擇導(dǎo) 電性能優(yōu)良的銅或鋁以降低信號(hào)衰減。
[0047] 進(jìn)一步的，依據(jù)前述的原理和參數(shù)設(shè)計(jì)原則，以下給出本發(fā)明的具體實(shí)施例的結(jié) 構(gòu)參數(shù)方案：首先，參考RG-14/U型號(hào)的同軸電纜參數(shù)構(gòu)建應(yīng)變傳感器，其內(nèi)導(dǎo)體半徑為 1.295mm、外導(dǎo)體內(nèi)徑為4.7mm、內(nèi)外導(dǎo)體的材料均為銅;介質(zhì)填充層的材料為聚乙稀(PE)， 其相對(duì)介電常數(shù)為2.25,相對(duì)磁導(dǎo)率為1;其次，選取與主模臨近的高階模式TE 11作為耦合模 式，初始的監(jiān)測(cè)頻點(diǎn)設(shè)為17.5GHz，依據(jù)前述公式螺旋凹槽的螺距應(yīng)取為6.5mm，螺旋凹槽的 深度設(shè)為〇. 8mm，凹槽圈數(shù)取為20，此時(shí)傳感器在初始狀態(tài)下的有效長(zhǎng)度為13cm;螺旋凹槽 內(nèi)嵌入的導(dǎo)體材料為銅。
[0048] 進(jìn)一步地，請(qǐng)參考圖5至圖7,其描述了依據(jù)上述參數(shù)所設(shè)計(jì)的應(yīng)變傳感器在具體 應(yīng)用時(shí)相關(guān)曲線。具體地，圖5給出了該傳感器未發(fā)生應(yīng)變時(shí)的傳輸系數(shù)(S21參數(shù)）的幅頻 響應(yīng)（即傳輸系數(shù)的模隨頻率的變化）曲線，從圖中可以看出，傳輸系數(shù)的極小值出現(xiàn)在 17.5GHz，由于該點(diǎn)的傳輸系數(shù)較?。ㄆ渲导s為31.4dB)致使頻譜中的傳輸阻帶出現(xiàn)了明顯 的主瓣，其兩邊的旁瓣均不甚顯著。圖6給出該傳感器在受力拉伸后出現(xiàn)不同應(yīng)變時(shí)傳輸響 應(yīng)曲線，其中應(yīng)變的步長(zhǎng)設(shè)定為0.02,最大應(yīng)變值取0.2。從圖中可以看出，隨著應(yīng)變的加 大，阻帶中心頻率不斷地下移，當(dāng)傳感器達(dá)到最大應(yīng)變時(shí)，阻帶中心頻率移至15.4GHz。圖7 給出了阻帶中心頻率與應(yīng)變值之間的關(guān)系，由此可通過(guò)監(jiān)測(cè)阻帶中心的頻移量換算出傳感 器產(chǎn)生的應(yīng)變量。從圖5至圖7可以看出，以上結(jié)果驗(yàn)證了本發(fā)明傳感器實(shí)現(xiàn)應(yīng)變測(cè)量的可 行性，同時(shí)也表明本發(fā)明所采用的技術(shù)方案可以有效地抑制對(duì)應(yīng)變測(cè)量帶來(lái)干擾的旁瓣， 從而使傳感器獲得更好的應(yīng)變測(cè)量性能。
[0049] 綜上，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)施例中的應(yīng)變傳感器不論是在構(gòu)成方式還是在工作 機(jī)理及測(cè)量方法上，均與現(xiàn)有的基于同軸傳輸線的應(yīng)變傳感器存在顯著的不同，而正是這 些差異給本發(fā)明的傳感器在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐腐蝕性及應(yīng)變測(cè)量性能上帶來(lái)了更好的效果和明 顯的益處，體現(xiàn)在：
[0050] 1)本發(fā)明的傳感器在制作過(guò)程中無(wú)需破壞同軸傳輸線或波導(dǎo)的內(nèi)外導(dǎo)體以及護(hù) 套層結(jié)構(gòu)，不僅有利于防腐，而且還能夠使傳感器保持較高的機(jī)械強(qiáng)度從而便于布設(shè)施工； 傳感器內(nèi)外導(dǎo)體之間的介質(zhì)填充物由單一的介質(zhì)材料構(gòu)成，幅度較淺的螺旋凹槽均勻分布 于整段填充結(jié)構(gòu)中，這樣既克服了現(xiàn)有的傳感器拉伸后易斷裂的問(wèn)題，也避免了采用鉆孔 方式導(dǎo)致的應(yīng)力集中問(wèn)題，從而使傳感器具有較好的形變能力;在介質(zhì)填充層表面的螺旋 凹槽中嵌入具有彈性的金屬螺旋線不僅可以提供模式耦合所需的不均勻邊界條件，而且還 能夠進(jìn)一步提高傳感器的機(jī)械強(qiáng)度和拉伸性能;上述特性不僅可以增加傳感器對(duì)應(yīng)變的測(cè) 量范圍，還可以提高其應(yīng)對(duì)極端荷載以及抵抗災(zāi)害、災(zāi)變的能力。
[0051] 2)本傳感器保持了同軸電纜的封閉結(jié)構(gòu)，不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)泄露的問(wèn)題，能夠確保獲 得較高質(zhì)量的應(yīng)變傳感信號(hào);而通過(guò)在介質(zhì)填充層加載帶狀螺紋導(dǎo)體來(lái)引入二維不均勻性 還可以從兩方面提高傳感器測(cè)量應(yīng)變的性能：一方面，由金屬構(gòu)成的帶狀螺旋導(dǎo)體具有與 彈簧相似的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其在受力拉伸后產(chǎn)生的形變將均勻分布于整段長(zhǎng)度中，從而很容易 在形變過(guò)程中保持螺旋結(jié)構(gòu)的一致性和軸向周期長(zhǎng)度變化的均勻性，這樣就可以避免由于 應(yīng)力集中導(dǎo)致應(yīng)變不一致給測(cè)量結(jié)果引入的誤差，進(jìn)而提高應(yīng)變測(cè)量的準(zhǔn)確性;另一方面， 螺旋導(dǎo)體所引入的二維不均勻邊界可以增加模式耦合對(duì)頻率的選擇性從而有效地抑制傳 輸阻帶附近的旁瓣，這就使傳感器可以獲得更高的信噪比和測(cè)量精度。
[0052]綜上所述，本實(shí)施例提供了 一種能夠適應(yīng)惡劣服役環(huán)境，具備尚精度、尚耐久性和 較大應(yīng)變測(cè)量范圍的應(yīng)變傳感器，該傳感器可廣泛應(yīng)用于大跨度橋梁、隧道、高層/高聳結(jié) 構(gòu)、水庫(kù)大壩等重要基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)過(guò)程中的應(yīng)變測(cè)量。
[0053] 此外，在本發(fā)明的另外實(shí)施例中，不均勻結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式還可以有以下幾種：
[0054] (1)在介質(zhì)填充層的接觸內(nèi)表面和接觸外表面上（往介質(zhì)內(nèi)）均刻制螺旋形的凹 槽，或者僅在接觸內(nèi)表面上(往介質(zhì)內(nèi)）刻制螺旋形的凹槽，其中接觸內(nèi)表面為填充介質(zhì)層 與內(nèi)導(dǎo)體所接觸的表面，接觸外表面為填充介質(zhì)層與外導(dǎo)體所接觸的表面;較佳地，當(dāng)不均 勻結(jié)構(gòu)為在接觸內(nèi)表面和接觸外表面上(往介質(zhì)內(nèi)）刻制螺旋形的凹槽時(shí)，刻制于接觸內(nèi)表 面的凹槽與刻制于接觸外表面的凹槽之間的初始相位差為180度；
[0055] (2)在內(nèi)間隙和/或外間隙加載帶狀的螺旋導(dǎo)體，螺旋導(dǎo)體的厚度與內(nèi)間隙或外間 隙相等，內(nèi)間隙為填充介質(zhì)層于內(nèi)導(dǎo)體之間的間隙，外間隙為填充介質(zhì)層于外導(dǎo)體之間的 間隙；
[0056] (3)在介質(zhì)填充層接觸內(nèi)表面和/或接觸外表面上(往介質(zhì)內(nèi)）刻制螺旋形的凹槽 并在凹槽內(nèi)嵌入帶狀的螺旋導(dǎo)體，螺旋導(dǎo)體的厚度與凹槽的深度相等;較佳地，當(dāng)在接觸內(nèi) 表面和接觸外表面上刻制凹槽時(shí)，刻制于接觸內(nèi)表面的凹槽與刻制于接觸外表面的凹槽之 間的初始相位差為180度；
[0057] (4)在接觸內(nèi)表面和/或接觸外表面上沿著螺旋線打孔;當(dāng)在接觸內(nèi)表面和接觸外 表面上打孔時(shí)，位于接觸內(nèi)表面的打孔路徑（內(nèi)螺旋線）與位于接觸外表面的打孔路徑(外 螺旋線）的初始相位差為180度。
[0058] (5)在接觸外表面上沿著螺旋線打孔并在孔內(nèi)嵌入金屬柱，金屬柱的直徑等于孔 的直徑。
[0059]此外，需要說(shuō)明的是，上述實(shí)現(xiàn)方式中，在采用凹槽的形式實(shí)現(xiàn)時(shí)，凹槽的寬度w與 凹槽的螺距P滿(mǎn)足以下關(guān)系:w = p/2;其中，螺距p根據(jù)以下公式算出：
[0060]
[0061 ]其中，fQ為應(yīng)變傳感器預(yù)設(shè)的初始監(jiān)測(cè)頻點(diǎn)，且fQ對(duì)應(yīng)于應(yīng)變傳感器未產(chǎn)生應(yīng)變時(shí) 傳輸阻帶的中心頻率，CQ為真空中的光速，^為填充層采用的介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)，Pr 為該材料的相對(duì)磁導(dǎo)率，k。為高階模式的截止波數(shù)。
[0062] 綜上所述，本發(fā)明的應(yīng)變傳感器能夠適應(yīng)惡劣服役環(huán)境，具備高精度、高耐久性和 較大應(yīng)變測(cè)量范圍，可廣泛應(yīng)用于大跨度橋梁、隧道、高層/高聳結(jié)構(gòu)、水庫(kù)大壩等重要基礎(chǔ) 設(shè)施的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)過(guò)程中的應(yīng)變測(cè)量。
[0063] 以上結(jié)合最佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本發(fā)明并不局限于以上揭示的實(shí)施 例，而應(yīng)當(dāng)涵蓋各種根據(jù)本發(fā)明的本質(zhì)進(jìn)行的修改、等效組合。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于二維同軸布拉格結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳感器，包括結(jié)構(gòu)均勻的內(nèi)導(dǎo)體、介質(zhì)填充層、 結(jié)構(gòu)均勻的外導(dǎo)體和護(hù)套，所述介質(zhì)填充層套裝于所述內(nèi)導(dǎo)體，所述外導(dǎo)體套裝于所述介 質(zhì)填充層，所述護(hù)套包覆于所述外導(dǎo)體，所述內(nèi)導(dǎo)體的外徑等于所述介質(zhì)填充層的內(nèi)徑，所 述內(nèi)導(dǎo)體、介質(zhì)填充層、外導(dǎo)體及護(hù)套的中屯、軸線位于同一直線上，其特征在于:還包括設(shè) 置于內(nèi)外導(dǎo)體之間的不均勻結(jié)構(gòu)，所述不均勻結(jié)構(gòu)具有角向和軸向的二維周期性； 應(yīng)變測(cè)量時(shí)，所述應(yīng)變傳感器與網(wǎng)絡(luò)分析儀連接，所述網(wǎng)絡(luò)分析儀輸入主模的入射波 至所述應(yīng)變傳感器并獲取所述主模的傳輸系數(shù)隨頻率變化的曲線，當(dāng)被測(cè)結(jié)構(gòu)受力拉伸 后，所述應(yīng)變傳感器與所述被測(cè)結(jié)構(gòu)協(xié)同變形W使得所述應(yīng)變傳感器內(nèi)部的具有二維周期 性的所述不均勻結(jié)構(gòu)在所述軸向上的周期長(zhǎng)度發(fā)生變化，從而使得阻帶中屯、頻率偏移，所 述網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量阻帶中屯、頻率偏移的頻移量W確定所述被測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變量。2. 如權(quán)利要求1所述的應(yīng)變傳感器，其特征在于:所述不均勻結(jié)構(gòu)為在所述介質(zhì)填充層 的接觸內(nèi)表面和/或接觸外表面上刻制螺旋形的凹槽，所述接觸內(nèi)表面為所述填充介質(zhì)層 與所述內(nèi)導(dǎo)體所接觸的表面，所述接觸外表面為所述填充介質(zhì)層與所述外導(dǎo)體所接觸的表 面。3. 如權(quán)利要求2所述的應(yīng)變傳感器，其特征在于：當(dāng)所述不均勻結(jié)構(gòu)為在所述介質(zhì)填充 層的接觸內(nèi)表面和接觸外表面上刻制螺旋形的凹槽時(shí)，刻制于所述接觸內(nèi)表面的凹槽與刻 制于所述接觸外表面的凹槽之間的初始相位差為180度。4. 如權(quán)利要求1所述的應(yīng)變傳感器，其特征在于:所述不均勻結(jié)構(gòu)為在內(nèi)間隙和/或外 間隙加載帶狀的螺旋導(dǎo)體，所述螺旋導(dǎo)體的厚度與所述內(nèi)間隙或外間隙相等，所述內(nèi)間隙 為所述填充介質(zhì)層于所述內(nèi)導(dǎo)體之間的間隙，所述外間隙為所述填充介質(zhì)層于所述外導(dǎo)體 之間的間隙。5. 如權(quán)利要求1所述的應(yīng)變傳感器，其特征在于:所述不均勻結(jié)構(gòu)為在所述介質(zhì)填充層 的接觸內(nèi)表面和/或接觸外表面上刻制螺旋形的凹槽并在所述凹槽內(nèi)嵌入帶狀的螺旋導(dǎo) 體，所述螺旋導(dǎo)體的厚度與所述凹槽的深度相等，所述接觸內(nèi)表面為所述填充介質(zhì)層與所 述內(nèi)導(dǎo)體所接觸的表面，所述接觸外表面為所述填充介質(zhì)層與所述外導(dǎo)體所接觸的表面。6. 如權(quán)利要求5所述的應(yīng)變傳感器，其特征在于：當(dāng)在所述接觸內(nèi)表面和所述接觸外表 面上刻制所述凹槽時(shí)，刻制于所述接觸內(nèi)表面的凹槽與刻制于所述接觸外表面的凹槽之間 的初始相位差為180度。7. 如權(quán)利要求1所述的應(yīng)變傳感器，其特征在于:所述不均勻結(jié)構(gòu)為在所述介質(zhì)填充層 的接觸內(nèi)表面和/或接觸外表面上沿著螺旋線打孔，所述接觸內(nèi)表面為所述填充介質(zhì)層與 所述內(nèi)導(dǎo)體所接觸的表面，所述接觸外表面為所述填充介質(zhì)層與所述外導(dǎo)體所接觸的表 面。8. 如權(quán)利要求7所述的應(yīng)變傳感器，其特征在于：當(dāng)在所述接觸內(nèi)表面和所述接觸外表 面上打孔時(shí)，位于所述接觸內(nèi)表面的打孔路徑與位于所述接觸外表面的打孔路徑的初始相 位差為180度。9. 如權(quán)利要求1所述的應(yīng)變傳感器，其特征在于:所述不均勻結(jié)構(gòu)為在所述介質(zhì)填充層 的接觸外表面上沿著螺旋線打孔并在所述孔內(nèi)嵌入金屬柱，所述金屬柱的直徑等于所述孔 的直徑，所述接觸外表面為所述填充介質(zhì)層與所述外導(dǎo)體所接觸的表面。10. 如權(quán)利要求2、3、5和6任一項(xiàng)所述的應(yīng)變傳感器，其特征在于:所述凹槽的寬度W與 所述凹槽的螺距P滿(mǎn)足W下關(guān)系:w = p/2;其中，所述螺距p根據(jù)w下公式算出：其中，時(shí)為所述應(yīng)變傳感器預(yù)設(shè)的初始監(jiān)測(cè)頻點(diǎn)，且時(shí)對(duì)應(yīng)于所述應(yīng)變傳感器未產(chǎn)生應(yīng) 變時(shí)傳輸阻帶的中屯、頻率，C0為真空中的光速，Er為填充層采用的介質(zhì)材料的相對(duì)介電常 數(shù)，μτ為該材料的相對(duì)磁導(dǎo)率，k。為高階模式的截止波數(shù)，31為圓周率。
【文檔編號(hào)】G01B11/16GK105937884SQ201610389770
【公開(kāi)日】2016年9月14日
【申請(qǐng)日】2016年6月1日
【發(fā)明人】賴(lài)穎昕, 危喜臨, 王善進(jìn), 楊雷
【申請(qǐng)人】東莞理工學(xué)院