CN101072049B - 一种金属管道数据传输耦合器及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种金属管道数据传输耦合器及其加工工艺，其为两个半环状结构组成，两者是对称的，第一部分包括：封装层、接地部件、磁材、线圈和连接器；第二部分包括：封装层、磁材；其中，所述的第一部分的磁材为半环形状，所述线圈绕设在所述的半环状磁材上，所述线圈的两端与所述的连接器电连接，连接器外壳与接地部件通过铜结构件连接，所述的封装层将接地部件、磁材、线圈封装成一个整体，所述连接器以及接地部件暴露在封装层外部；所述的第二部分的磁材为半环形状，所述的封装层将磁材封装成一个整体；工作时，将所述的两部分合在一起，形成一完整环状结构。从而能够应用于金属管道数据传输，对信号注入、提取、电隔离，同时信号插入损耗最低。

Description

一种金属管道数据传输耦合器及其加工方法

技术领域

本发明涉及的是一种耦合器及其加工方法，特别涉及的是一种用于金属管道进行数据传输的耦合器。

背景技术

随着信息技术的发展，目前市场上的数据通信系统通常以光缆、同轴电缆、以太网线、电力线等作为传输介质。但是对于一些特殊环境下的数据传输，由于需要相应传输介质的架设，在很大程度上增加了传输数据的成本，同时也很容易由于介质破坏而产生通信不畅的问题，无线数据通信技术的应用日益普遍，但是其存在严重的阻挡衰减和通信盲区。

对于现有的建筑物而言，包括燃气管道、暖气管道、自来水管道以及安防喷淋管道等金属管道已经成为建筑物本身必备的结构元件，从传统意义上由于它们通常要接地，很难用于信号传输，但是该发明主要考虑通常的数据信号在注入金属管道时伴随产生的大量插入损耗如何降低的问题，普通的耦合器由于插入损耗较大很难应用于金属管道传输数据，为此本发明创作者经过长时间的研究和试验终于获得了一种新的耦合器，用以完成数据信号注入、提取以及与传输介质的电隔离，解决了上述问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种金属管道数据传输耦合器及其加工方法，用以克服上述缺陷。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案在于，首先提供一种金属管道数据传输耦合器，其为两个半环状结构组成，两者是对称的，其特征在于，第一部分包括：封装层、接地部件、磁材、线圈和连接器；第二部分包括：封装层、磁材；其中，

所述的第一部分的磁材为半环形状，所述线圈绕设在所述的半环状磁材上，所述线圈的两端与所述的连接器电连接，连接器外壳与接地部件通过铜结构件连接，所述的封装层将接地部件、磁材、线圈封装成一个整体，所述连接器以及接地部件暴露在封装层外部；

所述的第二部分的磁材为半环形状，所述的封装层将磁材封装成一个整体；

工作时，将所述的两部分合在一起，形成一完整环状结构；

较佳的，还包括一个紧固件，所述的紧固件，将所述的封装成的整体包围起来，用以保持环形结构；所述的紧固件为不锈钢金属材料组成的；

较佳的，对于宽带，工作频率：2MHz-40MHz来说，所述的线圈为同轴电缆绕制而成的单匝线圈；

较佳的，对于宽带，还包括一个U型金属外壳，所述金属外壳将所述的环形结构内壁、外壁以及下底整体包裹，连接器接头及接地部件的端头暴露在金属外壳外部，形成一个U字型；

较佳的，对于窄带，工作频率：9kHz-500kHz来说，所述的线圈为绝缘2500V以上的线缆绕制而成的3至8匝线圈；

较佳的，所述的磁材为铁氧体磁材或非晶磁材；

较佳的，所述的连接器为BNC接头连接器；

较佳的，所述的接地部件的一端设有一接地端子，其暴露在所述封装层外；

较佳的，所述封装层的材料为环氧树脂；

其次提供一种加工金属管道数据传输耦合器的方法，用以制造上述的金属管道数据传输耦合器，将磁材设置成环状；沿其轴向环绕线圈，并将线圈与一连接器连接；切成两个对称的半圆环，其中一半用封装材料将接地部件、磁材、连接器以及线圈封装成一个整体；将所述连接器以及一接地部件的一端暴露在外部；并且所述的连接器以及接地部件位于同一半环上；另一半同样用封装材料封装成一个整体。

较佳的，还包括一个干燥环节，将封装后的产品放入高温干燥箱进行干燥。

再次提供一种加工金属管道数据传输耦合器的方法，用以制造上述的金属管道数据传输耦合器，将磁材设置成环状；沿其轴向环绕线圈，并将线圈与一连接器连接；用封装材料将接地部件、磁材、连接器以及线圈封装成一个整体；将所述连接器以及一接地部件的一端暴露在外部；将上述封装后的整体切成两个对称的半圆环；并且所述的连接器以及接地部件位于同一半环上；用封装材料将切口处封装起来。

本发明的优点在于，能够应用于金属管道数据传递，并且信号插入损耗低。

附图说明

图1为本发明金属管道数据传输耦合器的结构剖面示意图；

图2为本发明金属管道数据传输耦合器的性能测试系统结构示意图；

图3为本发明加工金属管道数据传输耦合器的方法一的流程图；

图4为本发明加工金属管道数据传输耦合器的方法二的流程图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

对于不同的情况要求，耦合器自身的物理条件和要求会有不同和差别，其输入阻抗是由与之相结合的调制解调器的输出阻抗的匹配性决定的，对于本发明所公开的耦合器的结构特征，对于宽带，工作频率：2MHz-40MHz；绝缘电阻：100MΩ；输入阻抗：50Ω；插入损耗：<4+2dB；耐压：5kV。我们进行如下的设计。

请参阅图1所示，其为本发明金属管道数据传输耦合器的结构剖面示意图，其是由两个半环形状部分组成的，两者是对称的，其区别在于，在其中的一部分相对于另一部分多了绕组线圈16、接地组件以及BNC接头连接器15，本剖视图反映的就是该部分的结构，其包括：封装层13、接地部件、磁材14、线圈16和BNC接头连接器15，其为半环形状；所述线圈为50欧姆高频线缆绕制而成的单匝线圈，其绕设在所述的半环状磁材上，所述单匝线圈的两端与所述的BNC接头连接器15电连接，BNC接头外壳与接地部件通过铜结构件连接，所述的封装层13为环氧树脂，其将上述的接地部件、磁材14、线圈16封装成一个整体，所述连接器15以及接地部件暴露在封装层13外部；所述的接地组件是由一接地金属片12其嵌在所述的封装层13内，在其外端设有一接地端子11，其暴露在所述封装层13外；

另一部分的磁材14也为半环形状，所述的封装层13的环氧树脂材料将磁材14封装成一个整体；对于宽带来说，还可以包括一个U型金属外壳17，所述金属外壳17将所述的环形结构内壁、外壁以及下底整体包裹，连接器接头15及接地部件的端头11暴露在金属外壳17外部，形成一个U字型，其不仅起到保护耦合器的作用，同时也有屏蔽一些外部的干扰的功能。

在使用时，将两个半环扣在一个金属管道上，通过一个紧固件将所述的封装成的整体包围起来，用以保持环形结构；所述的紧固件为不锈钢金属材料组成的，所述的BNC接头连接器15与一调制解调器模拟信号输出端口相连，接地端子11可以悬空也可以与所述调制解调器的接地端连接。

对于本发明而言磁材的选择非常重要，由于管道传输信号属于微弱信号，有相当范围的带宽，信号变换时要求损耗小，对磁性材料的选择有一定的要求：

根据磁路的基本定律：安培环路定律：N*I＝H*1；

I输入电流，N线圈匝数，H磁场强度，1磁路长度；

楞次定律——电磁感应定律：E＝-dΦ/dt；

E感应电势，Φ磁通量；

B＝μH，Φ＝B*A，得B＝E/(N*A*f)

A磁芯面积，f信号频率，B磁感应强度，μ磁导率

进一步的公式推导得：B＝μN*I/l，磁感应强度与信号的电流、磁材的磁导率成正比，而与信号的工作频率成反比。

E＝dΦ/dt＝N*A*(μ*N*dI/l)＝(μN2*A/l)*dI/dt，

故电感量L＝μN2*A/l，有气隙时的电感量 $L={\mathrm{\&mu;}}_0\frac{N^2\&CenterDot;A_e}{(\frac{1}{{\mathrm{\&mu;}}_r}+\frac{\mathrm{\&sigma;}}{\mathrm{le}})\&CenterDot;l_e}$

σ气隙长度，μ₀是真空的磁导率。

磁芯损耗

磁芯损耗Pt包括磁滞损耗Ph、涡流损耗Pe、剩余损耗Pc。

磁滞损耗Ph是磁滞回线围成的面积，频率越高，Ph越大，磁感应摆幅越大，包围的面积越大，损耗越大。

涡流损耗Pe线圈中流过的激励电流在磁芯本身周围感应出感应电势，因磁材的电阻率不是无限大，感应电压产生电流Ie——涡流，该项电流流过电阻引起涡流损耗。涡流损耗与频率无关，但与磁材的电阻率成正比。

剩余损耗Pc由磁化弛豫效应或磁滞后效应引起的损耗。

一般磁芯损耗总的经验公式 $P=\mathrm{\&eta;}{f}^{\&PartialD;}{B}_m^{\mathrm{\&beta;}}V;$ α、β大于1。

不同的磁材，损耗也不同，磁材的损耗用Q值表示， $Q=\arctan \frac{R}{\mathrm{\&omega;L}}.$

因此对于本发明而言的高频耦合器

选项用高μ磁导率的磁材，对微小信号敏感；

磁滞回线要窄，围面积要小，具有很小的矫顽力Hc，磁滞损耗Ph小；

磁材的电阻率要大，因而涡流损耗Pe小。

请参阅图2所示，其为本发明金属管道数据传输耦合器的性能测试系统结构示意图，其是对一个组装完成的耦合器1进行的测试，通过一100A、50Hz交流信号源2以及一2MHz-40MHz的高频信号源3作为信号发生器，通过一频谱仪(示波器)4来接收信号，进行了三项测试：

1.衰减特性测试

信号发生器发送一个2MHz-40MHz的正弦波，发送功率20dBm，经过耦合器1信号耦合，使用频谱仪4接收该信号，查看并记录信号衰减情况；

2.相移特性测试

信号发生器发送一个2MHz-40MHz的正弦波，发送功率20dBm，经过耦合器1信号耦合，使用示波器接4收该信号，同原始信号对比，查看并记录信号相移情况；

3.磁饱和特性测试

信号发生器发送一个2MHz-40MHz的正弦波，发送功率20dBm，经过耦合器信号耦合，使用频谱仪4接收该信号，查看并记录信号衰减情况；

逐渐加大穿过耦合器的交流信号源电流，查看并记录信号衰减的变化情况。通过上述测试，确定本发明是符合设计要求的。

需要强调的是对于窄带，工作频率：9kHz-500kHz；绝缘电阻：100MΩ；输入阻抗：600Ω；信号衰减：<4±2dB；耐压：5kV来说，所述的线圈为至少耐压2500V的线缆绕制而成的3至8匝线圈。

请参阅图3所示，其为本发明加工金属管道数据传输耦合器的方法一的流程图；用以制造上述的金属管道数据传输耦合器，其包括的步骤是：

步骤a1：将磁材设置成环状；

步骤b1：沿其轴向环绕线圈，并将线圈与一连接器连接；

步骤c1：切成两个对称的半圆环

步骤d1：其中一半用封装材料将接地部件、磁材、连接器以及线圈封装成一个整体；

步骤e1：将所述连接器以及一接地部件的一端暴露在外部；

步骤f1：并且所述的连接器以及接地部件位于同一半环上；

步骤g1：另一半同样用封装材料封装成一个整体。

为了达到更好的效果，最好在上述步骤g1后还包括一个干燥环节，将封装后的产品放入高温干燥箱进行干燥；

当然对于窄带，工作频率：9kHz-500kHz来说，所述的线圈为高频线缆绕制而成的3至8匝线圈。

对于宽带，还需要一个用U型金属外壳进行再次封装的步骤，所述金属外壳将所述的环形结构内壁、外壁以及下底整体包裹，连接器接头及接地部件的端头暴露在金属外壳外部，形成一个U字型。

请参阅图4所示，其为本发明加工金属管道数据传输耦合器的方法二的流程图；也是用以制造上述的金属管道数据传输耦合器，但在工艺上与上述方法存在一定差异，其包括的步骤是：

步骤a2：将磁材设置成环状；

步骤b2：沿其轴向环绕线圈，并将线圈与一连接器连接；

步骤c2：用封装材料将接地部件、磁材、连接器以及线圈封装成一个整体；

步骤d2：将所述连接器以及一接地部件的一端暴露在外部；

步骤e2：将上述封装后的整体切成两个对称的半圆环；

步骤f2：并且所述的连接器以及接地部件位于同一半环上；

步骤g2：用封装材料将切口处封装起来。

为了达到更好的效果，最好在上述步骤e2后还包括一个干燥环节，将封装后的产品放入高温干燥箱进行干燥。

当然对于窄带，工作频率：9kHz-500kHz来说，所述的线圈为高频线缆绕制而成的3至8匝线圈。

对于宽带，还需要一个用U型金属外壳进行再次封装的步骤，所述金属外壳将所述的环形结构内壁、外壁以及下底整体包裹，连接器接头及接地部件的端头暴露在金属外壳外部，形成一个U字型。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (17)

1.一种金属管道数据传输耦合器，其为两个半环状结构组成，两者是对称的，其特征在于，第一部分包括：封装层、接地部件、磁材、线圈和连接器；第二部分包括：封装层、磁材；其中，

所述的第一部分的磁材为半环形状，所述线圈绕设在所述的半环状磁材上，所述线圈的两端与所述的连接器电连接，连接器外壳与接地部件通过铜结构件连接，所述的封装层将接地部件、磁材、线圈封装成一个整体，所述连接器以及接地部件暴露在封装层外部；

所述的第二部分的磁材为半环形状，所述的封装层将磁材封装成一个整体；

工作时，将所述的两部分合在一起，形成一完整环状结构。

2.根据权利要求1所述的金属管道数据传输耦合器，其特征在于，还包括一个紧固件，所述的紧固件，将所述的封装成的整体包围起来，用以保持环形结构；所述的紧固件为不锈钢金属材料组成的。

3.根据权利要求1所述的金属管道数据传输耦合器，其特征在于，对于宽带，工作频率：2MHz-40MHz来说，所述的线圈为同轴电缆绕制而成的单匝线圈。

4.根据权利要求1所述的金属管道数据传输耦合器，其特征在于，对于宽带，还包括一个U型金属外壳，所述金属外壳将所述的环状结构内壁、外壁以及下底整体包裹，连接器接头及接地部件的端头暴露在金属外壳外部，形成一个U字型。

5.根据权利要求1所述的金属管道数据传输耦合器，其特征在于，对于窄带，工作频率：9kHz-500kHz来说，所述的线圈为至少绝缘强度2500V的线缆绕制而成的3至8匝线圈。

6.根据权利要求1所述的金属管道数据传输耦合器，其特征在于，所述的磁材为铁氧体磁材或非晶磁材。

7.根据权利要求1所述的金属管道数据传输耦合器，其特征在于，所述的连接器为BNC接头连接器。

8.根据权利要求1所述的金属管道数据传输耦合器，其特征在于，所述的接地部件的一端设有一接地端子，其暴露在所述封装层外。

9.根据权利要求1所述的金属管道数据传输耦合器，其特征在于，所述封装层的材料为环氧树脂。

10.一种加工金属管道数据传输耦合器的方法，用以制造权利要求1-9任一项所述的金属管道数据传输耦合器，其特征在于，其包括的步骤为：

将磁材设置成环状；

沿其轴向环绕线圈，并将线圈与一连接器连接；

切成两个对称的半圆环；

其中一半用封装材料将接地部件、磁材、连接器以及线圈封装成一个整体；

将所述连接器以及一接地部件的一端暴露在外部；

并且所述的连接器以及接地部件位于同一半环上；

另一半同样用封装材料封装成一个整体。

11.根据权利要求10所述的加工金属管道数据传输耦合器的方法，其特征在于，还包括一个干燥环节，将封装后的产品放入高温干燥箱进行干燥。

12.根据权利要求10所述的加工金属管道数据传输耦合器的方法，其特征在于，所述的磁材为铁氧体磁材或非晶磁材。

13.根据权利要求10所述的加工金属管道数据传输耦合器的方法，其特征在于，所述封装层的材料为环氧树脂。

14.一种加工金属管道数据传输耦合器的方法，用以制造权利要求1-9任一项所述的金属管道数据传输耦合器，其特征在于，其包括的步骤为：

将磁材设置成环状；

沿其轴向环绕线圈，并将线圈与一连接器连接；

用封装材料将接地部件、磁材、连接器以及线圈封装成一个整体；

将所述连接器以及一接地部件的一端暴露在外部；

将上述封装后的整体切成两个对称的半圆环；

并且所述的连接器以及接地部件位于同一半环上；

用封装材料将切口处封装起来。

15.根据权利要求14所述的加工金属管道数据传输耦合器的方法，其特征在于，还包括一个干燥环节，将封装后的产品放入高温干燥箱进行干燥。

16.根据权利要求14所述的加工金属管道数据传输耦合器的方法，其特征在于，所述的磁材为铁氧体磁材或非晶磁材。

17.根据权利要求14所述的加工金属管道数据传输耦合器的方法，其特征在于，所述封装层的材料为环氧树脂。

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