CN103499274B - 一种同轴电缆传感器及其制作方法和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同轴电缆传感器，包括：传感单元和调制解调仪，所述传感单元包括同轴电缆、金属针和封装套管。所述同轴电缆包括内导体、外导体屏蔽层和绝缘塑料保护套管，所述外导体屏蔽层位于所述内导体和所述绝缘塑料保护套管之间。所述绝缘塑料保护套管的中段设置有至少两个开口，所述封装套管套设在所述绝缘塑料保护套管的中段上，所述金属针与所述内导体和外导体屏蔽层相连接。所述同轴电缆的至少一端与所述调制解调仪相连。通过上述方式，本发明同轴电缆传感器抗干扰能力强、屏蔽性能好、传输数据稳定、灵敏度高、分辨力强、适用性好、稳定性好、填补了利用同轴电缆实现法布里‑珀罗腔传感器的空白。

Description

一种同轴电缆传感器及其制作方法和使用方法

技术领域

本发明涉及测试形变的应力传感器领域，特别是涉及一种同轴电缆传感器及其制作方法和使用方法。

背景技术

目前，用来测试形变的应变传感器种类繁多，但是基本上都是局部传感器， 如电阻应变计、振弦传感元件、光纤传感器等，这些局部传感器在被测物体结构失效前就因其动态范围过小或者抵抗灾害、灾变事故的能力太差，不能满足极端荷载和灾害作用下结构损伤的全过程监测，因此，对于重大工程结构的安全进行监测亟需工程化大应变传感器。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种抗干扰能力强、屏蔽性能好、传输数据稳定、灵敏度高、分辨力强、适用性好、稳定性好的同轴电缆传感器及其制作方法和使用方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种同轴电缆传感器，包括：传感单元和调制解调仪，所述传感单元包括同轴电缆、金属针和封装套管，所述同轴电缆包括内导体、外导体屏蔽层和绝缘塑料保护套管，所述外导体屏蔽层位于所述内导体和所述绝缘塑料保护套管之间，所述绝缘塑料保护套管的中段设置有至少两个开口，所述封装套管套设在所述绝缘塑料保护套管的中段上，所述金属针与所述内导体和外导体屏蔽层相连接，并有一部分延伸出所述开口至所述封装套管，所述同轴电缆的至少一端与所述调制解调仪相连。

在本发明一个较佳实施例中，所述同轴电缆还包括绝缘介质，所述绝缘介质为聚乙烯或聚氯乙烯，所述绝缘介质固定连接在所述内导体和所述外导体屏蔽层之间。

在本发明一个较佳实施例中，所述内导体的中心轴线与所述外导体屏蔽层的中心轴线相重合。

在本发明一个较佳实施例中，所述内导体为铜芯，所述外导体屏蔽层为铜丝编制的网状屏蔽层或环形皱纹铜管，所述绝缘塑料保护套管为聚氯乙烯或陶瓷。

在本发明一个较佳实施例中，所述同轴电缆的还包括至少两个固定安装点，所述固定安装点固定安装在所述开口的两端。

在本发明一个较佳实施例中，所述封装套管为有机玻璃套管、铜管或铝管中的一种，所述封装套管中灌封有环氧树脂胶或有机玻璃。

在本发明一个较佳实施例中，所述金属针为U型金属针。

在本发明一个较佳实施例中，所述同轴电缆传感器还包括特性匹配负载，所述同轴电缆的一端与所述调制解调仪相连，另一端与所述特性匹配负载相连。

在本发明一个较佳实施例中，所述同轴电缆的两端皆与所述调制解调仪相连，所述同轴电缆形成一个回路。

本发明还提供一种同轴电缆传感器的制作方法，所述同轴电缆传感器为权利要求书1至7中任一所述的同轴电缆传感器，所述同轴电缆传感器为权利要求书1至7中任一所述的同轴电缆传感器，包括以下步骤：

（1）在所述同轴电缆的中段上设置至少两个反射点，在所述绝缘塑料保护套管的中段设置有至少两个开口，

（2）通过夹具，在上述开口处安装上金属针，所述金属针与所述内导体和所述外导体屏蔽层相连接，并有一部分延伸出所述开口至所述封装套管，所述开口与所述金属针一起构成反射点，

（3）将步骤（2）中的开口加工处封装固定，完成反射点的制作，

（4）将绝缘塑料保护套管的中段和金属针一起固定在封装套管中，

（5）使用环氧树脂对步骤（4）中的封装套管进行封装，

（6）在反射点的两端设置至少两个固定安装点，通过有机玻璃外用低压注塑的方式，注塑至少两个固定安装点，完成传感单元的制作，

（7）所述同轴电缆的至少一端与所述调制解调仪相连，完成同轴电缆传感器的制作。

本发明还提供一种同轴电缆传感器的使用方法，所述同轴电缆传感器为权利要求书8所述的同轴电缆传感器，包括以下步骤：

（1）将所述同轴电缆传感器固定安装在被检测物体表面或内部，

（2）被检测物体形变引起所述同轴电缆的形变，即同轴电缆上反射点间距的变化，从而引起反射信号的频率变化，

（3）所述调制解调仪检测反射信号并且对被测物体的应变情况进行分析。

本发明还提供一种同轴电缆传感器的使用方法，所述同轴电缆传感器为权利要求书9所述的同轴电缆传感器，包括以下步骤：

（1）将所述同轴电缆传感器固定安装在被检测物体表面或内部，

（2）被检测物体形变引起所述同轴电缆的形变，即同轴电缆上反射点间距的变化，从而引起透射信号的频率变化，

（3）所述调制解调仪检测透射信号并且对被测物体的应变情况进行分析。

本发明的有益效果是：本发明同轴电缆传感器抗干扰能力强、屏蔽性能好、传输数据稳定、灵敏度高、分辨力强、适用性好、稳定性好、填补了利用同轴电缆实现法布里-珀罗腔传感器的空白。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明的同轴电缆传感器实施例1的结构示意图；

图2是本发明的同轴电缆传感器实施例2的结构示意图；

附图中各部件的标记如下：1、调制解调仪；2、同轴电缆；21、内导体；22、绝缘介质；23、外导体屏蔽层；24、绝缘塑料保护套管；25、反射点；26、封装套管；3、特性匹配负载；4、固定安装点。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

请参阅图1，本发明实施例包括：

一种同轴电缆传感器，包括传感单元和调制解调仪1。所述传感单元包括同轴电缆2、金属针和封装套管26。所述同轴电缆2包括内导体21、外导体屏蔽层23和绝缘塑料保护套管24。所述外导体屏蔽层23位于所述内导体21和所述绝缘塑料保护套管24之间，所述绝缘塑料保护套管24的中段设置有两个开口，所述封装套管26套设在所述绝缘塑料保护套管24的中段上，所述金属针与所述内导体21和所述外导体屏蔽层23相连接，并有一部分延伸出所述开口至所述封装套管26，所述开口和所述金属针一起构成所述同轴电缆2的反射点25，所述同轴电缆2以及反射点25一起构成了同轴电缆传感器的传感单元。

另外，本实施例1中的同轴电缆传感器采用的是反射的工作模式，所述同轴电缆传感器还包括特性匹配负载3，所述同轴电缆2的一端与所述调制解调仪1相连，另一端与所述特性匹配负载3相连。

另外，所述同轴电缆2还包括绝缘介质22，所述绝缘介质22为聚乙烯或聚氯乙烯，所述绝缘介质22固定连接在所述内导体21和所述外导体屏蔽层23之间，

换言之，所述同轴电缆2的中心处设有内导体21，所述内导体21的外表面上固设有绝缘介质22，所述绝缘介质22的外表面上固设有外导体屏蔽层23，所述外导体屏蔽层23的外表面上固设有绝缘塑料保护套管24，所述绝缘塑料保护套管24的中段上设有两个开口，所述每个开口上皆装设有一个金属针，所述开口和金属针构成所述同轴电缆2的反射点25，即开口与金属针一一对应的形成反射点25，本实施例中反射点25为两个，所述绝缘塑料保护套管24的中段的外表面上还装设有封装套管26。

本实施例1中，调制解调仪1用于反射信号的输入及对反射信号的数据处理，数据处理的核心由内置在核心板上的读写控制芯片来完成。通过读写控制芯片来控制射频源反射某特定频率的高频（RF）信号，根据检测距离远近的不同，有信号幅值大小的调节功能，调制解调仪1收到检测同轴电缆2的回传信号后，经过读写控制芯片软件的数据处理，在终端上显示出整个被测物体的应变信息，从而来帮助判断被检测物的形变信息。

另外，所述内导体21的中心轴线与所述外导体屏蔽层23的中心轴线相重合。

另外，所述内导体21为铜芯，所述绝缘介质22为聚乙烯或聚氯乙烯，所述外导体屏蔽层23为铜丝编制的网状屏蔽层或环形皱纹铜管，所述绝缘塑料保护套管24为聚氯乙烯或陶瓷，内导体21为铜芯，绝缘介质22是聚乙烯，外导体屏蔽层23即屏蔽层是铜网，保护层即绝缘塑料保护套管是PVC，这些材质的结构组合不同于光纤的材质，其在拉伸的延展性上表现出优异的特性，所以在形变过程中，同轴电缆传感器的动态测试范围明显好于光纤类传感器。本技术的制作结构，在拉伸应变的过程中，并未对内导体21的铜芯拉伸，聚乙烯材料本身具有一定的弹性，所以它的拉伸测试过程是可逆的，通过监测设备，可以看到被测对象形变后弹回的整个变化过程以及二次应变时的异样变化。

另外，所述同轴电缆2还包括两个固定安装点4，所述固定安装点4位于所述两个反射点25的两端。测量时，固定安装点4固定安装在被测量物体上，并且与被测量物体之间相接触，

另外，所述封装套管26为有机玻璃套管、铜管或铝管中的一种，所述封装套管26中灌封有环氧树脂胶或有机玻璃。

另外，所述金属针为U型金属针。

同时，本发明实施例还提供一种同轴电缆传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在所述同轴电缆2的中段上设置两个反射点25，即先在所述绝缘塑料保护套管24的中段设置有两个开口，

（2）通过夹具，在上述开口处安装上金属针，所述金属针与所述外导体屏蔽层23连接，并有一部分延伸出所述开口至所述封装套管26，所述开口与所述金属针一起构成反射点25，作为反射点25，设置开口时，即在除掉绝缘塑料保护套管24的外皮时，不要损伤到同轴电缆2的外导体屏蔽层23，露出同轴电缆2的铜网屏蔽层，通过夹具，在上述开口处安装上金属针，即将剥层处放到夹具中，合上另外一个已经预装U型金属针的夹具，将U型的金属针固定在同轴电缆2上，金属针要求硬度大，直径小，U型工艺主要是要求与内导体21的接触良好，

（3）将步骤（2）中的开口加工处封装固定，完成反射点25的制作，

（4）将绝缘塑料保护套管24的中段和金属针一起固定在封装套管26中，在封装过程中，一定要保证同轴电缆2被拉直，

（5）使用环氧树脂对步骤（4）中的封装套管26进行封装，所述同轴电缆2以及反射点25和封装套管26一起构成了同轴电缆传感器的传感单元，

（6）在反射点25的两端设置两个固定安装点4，通过有机玻璃外用低压注塑的方式，注塑两个固定安装点4，完成传感单元的制作，

（7）所述同轴电缆2的一端与所述调制解调仪1相连，另一端与所述特性匹配负载3相连，完成本实施例1中同轴电缆传感器的制作。

本实施例1所述的同轴电缆传感器的使用模式为反射模式，其使用方法包括以下步骤:

（1）将所述同轴电缆传感器固定安装在被检测物体表面或内部，

（2）被检测物体形变引起所述同轴电缆2的形变，即同轴电缆2上反射点25间距的变化，从而引起反射信号的频率变化，

（3）所述调制解调仪1检测反射信号并且对被测物体的应变情况进行分析。

测试中，当产品在外力作用下发生应变时比如拉力或者侧面压力时，同轴电缆2的两固定安装点4之间的长度就会发生变化，长度的变化会使频率发生变化，根据长度和反射频率点成反比的关系，反射点25就会做相应的变化，反映到测试检测设备上就能够看到测试数据的变化，从而达到对测试对象的测试目的。同轴电缆2通过灌封的方式使产品棒形化，不仅满足监测要求，避免了同轴电缆2极易弯曲的缺陷，有利于同轴电缆传感器的安装。

实施例2

请参阅图2，本发明实施例2所述的同轴电缆传感器与实施例1所述的同轴电缆传感器的不同之处在于：（1）所述同轴电缆传感器不包括特性匹配负载3，所述同轴电缆2的两端皆与所述调制解调仪1相连，所述同轴电缆2形成一个回路，（2）不同于实施例1中的反射模式，实施例2中的同轴电缆传感器的工作模式采用的是透射模式。

再如图2所示，同轴电缆2的两端皆与所述调制解调仪1相连，所述同轴电缆2形成一个回路，同轴电缆2的中段包括两个反射点25，同样的，所述同轴电缆2、反射点25和封装套管26一起构成了同轴电缆传感器的传感单元。

实施例2所述同轴电缆传感器的制作方法，包括以下步骤：

（1）在所述同轴电缆2的中段上设置两个反射点25，即在所述绝缘塑料保护套管24的中段设置有两个开口，

（2）通过夹具，在上述开口处安装上金属针，所述金属针与所述外导体屏蔽层23连接，并有一部分延伸出所述开口至所述封装套管26，所述开口与所述金属针一起构成反射点25，作为反射点25，设置开口时，即在除掉绝缘塑料保护套管24的外皮时，不要损伤到同轴电缆2的外导体屏蔽层23，露出同轴电缆2的铜网屏蔽层，通过夹具，在上述开口处安装上金属针，即将剥层处放到夹具中，合上另外一个已经预装U型金属针的夹具，将U型的金属针固定在同轴电缆2上，金属针要求硬度大，直径小，U型工艺主要是要求与内导体21的接触良好，

（3）将步骤（2）中的开口加工处封装固定，完成反射点25的制作，

（4）将绝缘塑料保护套管24的中段和金属针一起固定在封装套管26中，在封装过程中，一定要保证同轴电缆2被拉直，

（5）使用环氧树脂对步骤（4）中的封装套管26进行封装，

（6）在反射点25的两端设置两个固定安装点4，通过有机玻璃外用低压注塑的方式，注塑两个固定安装点4，完成传感单元的制作，

（7）将所述同轴电缆2的两端皆与所述调制解调仪1相连，同轴电缆2形成一个回路，完成同轴电缆传感器的制作。

实施例2所述的同轴电缆传感器的使用模式为透射模式，其使用方法包括以下步骤:

（1）将所述同轴电缆传感器固定安装在被检测物体表面或内部，

（2）被检测物体形变引起所述同轴电缆的形变，即同轴电缆上反射点25间距的变化，从而引起透射信号的频率变化，

（3）所述调制解调仪检测透射信号并且对被测物体的应变情况进行分析。

本发明同轴电缆传感器涉及到同轴电缆法布里-珀罗腔式传感器技术的应用，采用信号在同轴电缆中的反射及透射特性，特别适用于大形变的检测，推而广之，可用于应力、形变、振动、温度的检测和监测。同轴电缆是一种非对称传输线，电流的去向和回向导体轴是相互重合的。在信号通过同轴电缆2时，所建立的电磁场是封闭的，在内导体21的横切面周围没有电磁场，因此，内部信号对外界基本没有影响。同轴电缆2内部电场建立在内导体21和外导体屏蔽层23之间，方向呈放射状。而磁场则是以内导体21的中心为圆心，呈多个同心圆发散，这些磁场的方向和强弱随信号的方向和大小变化，同轴电缆2属于双导体传输线，因此线上的电压和电流有确切的定义，它既可以用长线理论分析也可以用交变电磁场理论进行分析，信号在同轴电缆2中，电容及电感是分布式参数，一般在外导体屏蔽层23等效电感，在内导体21和外导体屏蔽层23之间等效电容，利用同轴电缆这一传输特性，通过反射点25改变其内部在传输过程中的阻抗变化，达到入射高频信号的反射目的，法布里-珀罗腔原理是利用光在光纤中单模和多模光纤的变化，两种光纤的折射率不同，在两个边界处形成了两处反射面，从而形成了法布里-珀罗腔，反射点25破坏了同轴电缆2的阻抗的连续性，加工两个因阻抗的不连续性而形成的反射点25，为同轴电缆传感器的独有技术，是用金属卡针或其他导电材料在不破坏绝缘层的情况下，固定在同轴电缆上，金属卡针或其他导电材料要与内导体21的接触良好。

本发明同轴电缆传感器其抗干扰能力强、屏蔽性能好、传输数据稳定，适用于高温和低温环境，其灵敏度、分辨力参数也优于其他类型传感器，在配以矢网的测试中，传感器0.4με的变化都可以被测到其频率的飘移，也就是说传感器对被测对象的客观反映比较灵敏的，本发明同轴电缆传感器技术的测试量程更是达到了15%左右的变化，并且根据不同的测试距离，可以选择不同的标距，在工程生产中也容易实现，并且反射点的制作可以实现周期性的多点分布，其稳定性可以达到20标准差以内，表现出很好的稳定性。而本技术的封装工艺，更完美的解决了同轴电缆不能承受缠结、压力和严重弯曲的缺点，同时，环氧树脂的性能也能承受温度-40℃-+85℃范围内的热冲击实验，可以避免在低温状态下对同轴电缆保护层PVC的伤害，当然，本发明所述的同轴电缆传感器不仅限于单个传感器检测，还会涉及到多个传感器的串联或并联，即传感检测网络，其检测原理相同，在此不再累述。

区别于现有技术，本发明同轴电缆传感器不但克服局部传感器动态范围（量程）过小，可以测量10%--20%的动态形变量，应变能力差等问题，也便于安装固定，传感器制作的工艺可以满足恶劣环境下使用，不仅填补了利用同轴电缆实现法布里-珀罗腔传感器这一个空白，通过工艺加工也满足了大量程和恶劣环境下的使用难题，抗干扰能力强、屏蔽性能好、传输数据稳定、灵敏度高、分辨力强、适用性好、稳定性好。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种同轴电缆传感器，其特征在于，包括：传感单元和调制解调仪，所述传感单元包括同轴电缆、金属针和封装套管，所述同轴电缆包括内导体、外导体屏蔽层和绝缘塑料保护套管，所述外导体屏蔽层位于所述内导体和所述绝缘塑料保护套管之间，所述绝缘塑料保护套管的中段设置有至少两个开口，所述封装套管套设在所述绝缘塑料保护套管的中段上，所述金属针与所述内导体和外导体屏蔽层相连接，并有一部分延伸出所述开口至所述封装套管，所述同轴电缆的至少一端与所述调制解调仪相连。

2.根据权利要求1所述的同轴电缆传感器，其特征在于，所述同轴电缆还包括绝缘介质，所述绝缘介质为聚乙烯或聚氯乙烯，所述绝缘介质固定连接在所述内导体和所述外导体屏蔽层之间。

3.根据权利要求1所述的同轴电缆传感器，其特征在于，所述内导体的中心轴线与所述外导体屏蔽层的中心轴线相重合。

4.根据权利要求1所述的同轴电缆传感器，其特征在于，所述内导体为铜芯，所述外导体屏蔽层为铜丝编制的网状屏蔽层或环形皱纹铜管，所述绝缘塑料保护套管为聚氯乙烯或陶瓷。

5.根据权利要求1所述的同轴电缆传感器，其特征在于，所述同轴电缆还包括至少两个固定安装点，所述固定安装点固定安装在所述开口的两端。

6.根据权利要求1所述的同轴电缆传感器，其特征在于，所述封装套管为有机玻璃套管、铜管和铝管中的一种，所述封装套管中灌封有环氧树脂胶或有机玻璃。

7.根据权利要求1所述的同轴电缆传感器，其特征在于，所述金属针为U型金属针。

8.根据权利要求1至7任一所述的同轴电缆传感器，其特征在于，所述同轴电缆传感器还包括特性匹配负载，所述同轴电缆的一端与所述调制解调仪相连，另一端与所述特性匹配负载相连。

9.根据权利要求1至7任一所述的同轴电缆传感器，其特征在于，所述同轴电缆的两端皆与所述调制解调仪相连，所述同轴电缆形成一个回路。

10.一种同轴电缆传感器的制作方法，其特征在于，所述同轴电缆传感器为权利要求1至7中任一所述的同轴电缆传感器，包括以下步骤：

（1）在所述同轴电缆的中段上设置至少两个反射点，在所述绝缘塑料保护套管的中段设置有至少两个开口，

（2）通过夹具，在上述开口处安装上金属针，所述金属针与所述内导体和所述外导体屏蔽层相连接，并有一部分延伸出所述开口至所述封装套管，所述开口与所述金属针一起构成反射点，

（3）将步骤（2）中的开口加工处封装固定，完成反射点的制作，

（4）将绝缘塑料保护套管的中段和金属针一起固定在封装套管中，

（5）使用环氧树脂对步骤（4）中的封装套管进行封装，

（6）在反射点的两端设置至少两个固定安装点，通过有机玻璃外用低压注塑的方式，注塑至少两个固定安装点，完成传感单元的制作，

（7）所述同轴电缆的至少一端与所述调制解调仪相连，完成同轴电缆传感器的制作。

11.一种同轴电缆传感器的使用方法，其特征在于，所述同轴电缆传感器为权利要求8所述的同轴电缆传感器，包括以下步骤：

（1）将所述同轴电缆传感器固定安装在被检测物体表面或内部，

（2）被检测物体形变引起所述同轴电缆的形变，即同轴电缆上反射点间距的变化，从而引起反射信号的频率变化，

（3）所述调制解调仪检测反射信号并且对被测物体的应变情况进行分析。

12.一种同轴电缆传感器的使用方法，其特征在于，所述同轴电缆传感器为权利要求9所述的同轴电缆传感器，包括以下步骤：

（1）将所述同轴电缆传感器固定安装在被检测物体表面或内部，

（2）被检测物体形变引起所述同轴电缆的形变，即同轴电缆上反射点间距的变化，从而引起透射信号的频率变化，

（3）所述调制解调仪检测透射信号并且对被测物体的应变情况进行分析。