CN102109319B - 螺旋平行传输线式的变形线分布测量传感器及测量方法 - Google Patents

螺旋平行传输线式的变形线分布测量传感器及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种螺旋平行传输线式的变形线分布测量传感器及测量方法。在圆截面弹性橡塑线的圆柱面上密绕单根或多根线圈的铜线内层线圈，再在铜线内层线圈外再裹一层中间弹性橡塑层，在中间弹性橡塑层上再绕上与内层线圈相同绕向、相同线间距的单根或多根线圈的铜线外层线圈，在铜线外层线圈上再裹一层外弹性橡塑层，内外层铜线线圈形成了螺旋平行传输线的传感器。在螺旋平行传输线无变形状态时，其内外层线圈构成的平行线的特性阻抗是一个固定的状态，当其某一位置变形时，其变形处的特性阻抗发生变化，在螺旋平行传输线的一端口加脉冲信号或加正弦信号均可测出变形量的大小。

Description

螺旋平行传输线式的变形线分布测量传感器及测量方法
技术领域
本发明涉及一种变形的线分布测量，尤其是涉及一种螺旋平行传输线式的对物体变形实行线分布测量的传感器及测量方法。
背景技术
现有能对体变形进行线分布测量的仅有BOTDR(Brillouin Optical TimeDomain Reflectometry布里渊散射光时域反射技术)和中国发明专利《崩滑体向外凸移变化分布式测量电缆与测量方法》(ZL200610052819.8)中提出的方法。但前者有价格昂贵和变形量小的问题，后者具有单根测量电缆无法识别变形位置的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可对物体发生较大变形时进行分布测量的螺旋平行传输线式的测量传感器和相应的测量方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一、螺旋平行传输线式的测量传感器：
在一根实心的圆截面弹性橡塑线的外圆柱面上密绕单根或多根线圈的铜线内层线圈，再在铜线内层线圈外再裹一层与实心的圆截面弹性橡塑线相同材料的中间弹性橡塑层，在中间弹性橡塑层上再绕与铜线内层线圈相同绕向、相同线间距的单根或多根线圈的铜线外层线圈，在铜线外层线圈上再裹一层与实心的圆截面弹性橡塑线相同材料的外弹性橡塑层，铜线内层线圈与铜线外层线圈形成了螺旋平行传输线，构成了螺旋平行传输线式的物体变形的线分布测量传感器。
二、对物体变形实行线分布测量的测量方法：
技术方案1：
在螺旋平行传输线式的测量传感器处于无变形状态时，其内层线圈与外层线圈构成的平行线的特性阻抗是一个固定的状态，当螺旋平行传输线的某一位置因某一原因变形时，其变形处的特性阻抗发生变化，根据这一特点在螺旋平行传输线的一端口加脉冲信号，测出螺旋平行传输线变形前、后两次对脉冲信号的反射信号，对两次的反射信号进行分析可得出螺旋平行传输线式传感器的变形位置和变形大小。此方法称为比较TDR方法。
技术方案2：
在螺旋平行传输线式的测量传感器处于无变形状态时，其内层线圈与外层线圈构成的平行线的特性阻抗是一个固定的状态，当螺旋平行传输线的某一位置因某一原因变形时，其变形处的特性阻抗发生变化，根据这一特点在螺旋平行传输线的一端口加正弦信号，则反射的信号会因螺旋平行传输线的不均匀性产生畸变，根据对螺旋平行传输线变形前后的反射畸变信号的频谱分析，可得出变形量的大小。此方法称为比较FDR方法。
本发明具有的有益效果是：
本发明可对地质灾害隐患处土体的表面或深部变形、海塘堤坝或江河堤坝的变形或裂缝、铁路或公路边坡的变形或裂缝、路基或道路的塌陷或变形、矿区的塌陷或变形等实行不间断、连续的线分布监测，实现解决这些场合BOTDR光纤传感器无法实现的大拉伸变形的测量；与BOTDR光纤传感器一起应用可实现对水库大坝、桥梁、大型建筑物等重要设施从微小变形到大变形的全程测量，从而实现安全监测，或用于此类设施破坏过程的科学研究。
附图说明
图1是单根铜线绕制的螺旋平行传输线式传感器的绕制结构示意图。
图2是多根铜线绕制的螺旋平行传输线式传感器的绕制结构示意图。
图3是单根铜线绕制的螺旋平行传输线式传感器的剖视，以及使用时在一侧端口加脉冲或正弦信号和另一侧端口接匹配负载ZL的示意。
图4是螺旋平行传输线式传感器某部位受到拉伸使原先密绕线圈变疏的现象。
图5是进行螺旋平行传输线式测量传感器变形实验，在加脉冲激励波后的TDR反射波形图。
图6是实现“比较TDR”和“比较FDR”测量的装置电路框图。
图中：1、弹性橡塑线，1′、中间弹性橡塑层，1″、外弹性橡塑层，2、单根铜线内层线圈，3、单根铜线外层线圈，4、三根铜线内层线圈，5、三根铜线外层线圈。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，在一根实心的圆截面弹性橡塑线1的外圆柱面上密绕单根铜线内层线圈2，再在单根铜线内层线圈2外再裹一层与实心的圆截面弹性橡塑线1相同材料的中间弹性橡塑层1′，在中间弹性橡塑层1′上再绕上与单根铜线内层线圈2相同绕向、相同线间距的单根铜线外层线圈3，在单根铜线外层线圈3上再裹一层与实心的圆截面弹性橡塑线1相同材料的外弹性橡塑层1″，单根铜线内层线圈2与单根铜线外层线圈3形成了螺旋平行传输线，构成了螺旋平行传输线式的物体变形的线分布测量传感器。
如图2所示，在一根实心的圆截面弹性橡塑线1的外圆柱面上密绕三根铜线内层线圈4，再在三根铜线内层线圈4外再裹一层与实心的圆截面弹性橡塑线1相同材料的中间弹性橡塑层1′，在中间弹性橡塑层1′上再绕上与三根铜线内层线圈4相同绕向、相同线间距的三根铜线外层线圈5，在三根铜线外层线圈上再裹一层与实心的圆截面弹性橡塑线1相同材料的外弹性橡塑层1″，三根铜线内层线圈与三根铜线外层线圈形成了螺旋平行传输线，构成了螺旋平行传输线式的物体变形的线分布测量传感器。
如图3所示，是单根铜线绕制的螺旋平行传输线式传感器为例，螺旋平行传输线式传感器(也称测量电缆)使用时在一侧端口加脉冲或正弦信号和在另一侧端口接匹配负载ZL的示意。这样的测量电缆构成了一种特殊的螺旋式准均匀平行传输线。
如图4所示，测量电缆受到拉伸或扭曲时发生局部变形，测量电缆将使变形部分的分布电感、分布电容的参数发生变化，并以特性阻抗ZC的变化反映出来。如果是平行的均匀传输线，其特性阻抗处处相同。
因电缆(螺旋平行传输线式传感器)的某一位置的特性阻抗是由电缆该部位的分布电感和分布电容确定的，设某位置的特性阻抗为Z11则它与该处的分布电感L11和分布电容C11的关系：它通过分布电感L11和分布电容C11变化表明电缆变形的程度。根据电磁学的传输线理论，电缆某一位置的反射信号UR与入射信号UI之比为反射系数ΓX＝UR/UI，ΓX是与电缆该截面处的阻抗、
特性阻抗有关；均匀传输线的反射系数式中ZX是均匀传输线任何一截面处的阻抗、ZC为特性阻抗、Z2是均匀传输线终端的负载阻抗、γ是传播常数、X是均匀传输线任何一截面处到终端的距离，当Z2＝ZC(即ZX＝ZC)时ΓX为0；可见，若将以均匀平行传输线制作的电缆(螺旋平行传输线式传感器)的终端的负载阻抗Z2等于ZC时，当电缆的X处的特性阻抗ZC发生变化时ZX≠ZC、ΓX≠0，则有反射现象发生。运用这种物理效应，测量时在电缆(螺旋平行传输线式传感器)的一端口输入脉冲，在另一端口接匹配负载阻抗ZL＝ZC(如图3所示)，通过观察或测出反射波形的幅值和相位差，可通过标定得出电缆发生变形的大小与幅值的关系和相位差与变形位置的关系，这种测量方法称为TDR(Time Domain Reflectometry)测量方法。另外还可在电缆(螺旋平行传输线式传感器)的一端口输入某一确定频率的正弦波，在另一端口接负载阻抗Z2＝ZC，当电缆有部位发生变形时，将有反射波产生，反射波与入射波叠加后将得到畸变的正弦波，观察和分析畸变波形的频谱特性可分析出电缆变形的状况，这种测量方法称为FDR(Frequency Domain Reflectometry)测量方法。TDR和FDR的共同使用可提高测量准确度。
由于本发明的测量电缆(螺旋平行传输线式传感器)不是理想的均匀传输线，是准均匀传输线，在实际使用时本发明提出前后两次测量结果的对比分析法进行测量。如图5所示是TDR实验的曲线，图中c曲线(虚线曲线)是变形实验前的电缆(螺旋平行传输线式传感器)的脉冲反射波形，由于电缆(螺旋平行传输线式传感器)绕制的非均匀性，在尚未外加作用使电缆变形时，c反射曲线就有隆起的部分(表明反射较强)，表明此处的特性阻抗与电缆大部分位置的特性阻抗有较大的差别。鉴于此，本发明提出前测量结果与后测量结果比对测量，即观测前后反射曲线的变化量和变化处，如图4所示中的b反射曲线(实线曲线)是在外加作用使电缆变形后测到的反射曲线，可以看到b、c处的b、c曲线两者错开的较多，其他部位是重合的，这是实验时分别在离入射脉冲信号的电缆端部9.5m和10.5m处进行实施拉伸作用，使得这两个位置的特性阻抗发生了变化，出现了电缆拉伸后的反射曲线与电缆未拉伸时反射曲线的错开，并且错开的方向也不一致，但是，经实验表明，两处曲线错开的大小与拉伸的大小是一致的，经标定是可以用作拉伸测量的。同理，FDR测量是也实行前后测量变化量分析测量的方法。如图5所示中凸起最高的a峰是脉冲电路发出的激励脉冲信号。
如图6所示是本发明与测量电缆(螺旋平行传输线式传感器)相匹配的测量装置的电路框图。其中MCU(Micro Control Unit单片微机)选用ARM系列的芯片，在MCU系统中含有DSP(Digital Signals Processor)用于高速信号分析处理(即用于完成“比较TDR”或“比较FDR”的分析处理)。脉冲发生电路和正弦信号发生电路将信号施加到螺旋平行传输线式传感器端线上，由MCU系统控制电子开关实现。MCU根据施加不同的信号，进行相应的“比较TDR”或“比较FDR”的分析。图中二极管实现发出信号与反射信号的隔离。信号放大电路是一个高频放大电路。MCU系统的分析结果可在显示器显示，也可发送到上位计算机(如图5所示的虚线箭头表示可根据需要选择)，在上位计算机的显示屏上显示如图5所示这样的反射波形测量曲线；在野外现场监测时用信号远程发射电路，将监测结果利用无线蜂窝移动通讯公网，通过GSM或CDMA或GPRS的形式发送到远方。

Claims (3)

1.一种螺旋平行传输线式的变形线分布测量传感器，在一根实心的圆截面弹性橡塑线(1)的外圆柱面上密绕单根或多根线圈的铜线内层线圈，再在铜线内层线圈外再裹一层与实心的圆截面弹性橡塑线(1)相同材料的中间弹性橡塑层(1′)，在中间弹性橡塑层(1′)上再绕与铜线内层线圈相同绕向、相同线间距的单根或多根线圈的铜线外层线圈，在铜线外层线圈上再裹一层与实心的圆截面弹性橡塑线(1)相同材料的外弹性橡塑层(1″)，铜线内层线圈与铜线外层线圈形成了螺旋平行传输线，构成了螺旋平行传输线式的物体变形的线分布测量传感器；其特征在于，与传感器相匹配的测量电路装置：包括脉冲发生电路、正弦发生电路、信号放大电路和高速A/D电路、含DSP的MCU系统、显示器和键盘；其中MCU选用ARM系列的芯片，在MCU系统中含有DSP用于高速信号分析处理，即用于完成“比较TDR”或“比较FDR”的分析处理，脉冲发生电路和正弦信号发生电路将信号施加到螺旋平行传输线式传感器端线上，由MCU系统控制电子开关实现；MCU根据施加不同的信号，进行相应的“比较TDR”或“比较FDR”的分析，二极管实现发出信号与反射信号的隔离，信号放大电路是一个高频放大电路；MCU系统的分析结果在显示器显示，或发送到上位计算机，在上位计算机的显示屏上显示反射波形测量曲线，在野外现场监测时用信号远程发射电路，将监测结果利用无线蜂窝移动通讯公网，通过GSM或CDMA或GPRS的形式发送到远方。
2.根据权利要求1所述传感器的一种对物体变形实行线分布测量的测量方法，其特征在于：在螺旋平行传输线式的测量传感器处于无变形状态时，其内层线圈与外层线圈构成的平行线的特性阻抗是一个固定的状态，当螺旋平行传输线的某一位置因某一原因变形时，其变形处的特性阻抗发生变化，根据这一特点在螺旋平行传输线的一端口加脉冲信号，测出螺旋平行传输线变形前、后两次对脉冲信号的反射信号，对两次的反射信号进行分析可得出螺旋平行传输线式传感器的变形位置和变形大小。
3.根据权利要求1所述传感器的一种对物体变形实行线分布测量的测量方法，其特征在于：在螺旋平行传输线式的测量传感器处于无变形状态时，其内层线圈与外层线圈构成的平行线的特性阻抗是一个固定的状态，当螺旋平行传输线的某一位置因某一原因变形时，其变形处的特性阻抗发生变化，根据这一特点在螺旋平行传输线的一端口加正弦信号，则反射的信号会因螺旋平行传输线的不均匀性产生畸变，根据对螺旋平行传输线变形前后的反射畸变信号的频谱分析，可得出变形量的大小。
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