CN106152929A - 基于空腔反射的分布式同轴电缆应变传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空腔反射的分布式同轴电缆应变传感器，包括壳体、金属空腔体、台阶式金属盖板、同轴电缆、铜质调谐螺丝以及防水端子，所述的金属空腔体竖向设置在壳体内部的中间位置，所述的台阶式金属盖板分别设置在金属空腔体的上下两端将金属空腔体封闭，所述的铜质调谐螺丝分别旋入台阶式金属盖板中间的螺丝孔内，所述的同轴电缆分别通过防水端子设置在壳体的左右两端并分别延伸至金属空腔体内，两根所述的同轴电缆位于同一水平线上并采用焊接工艺连接，其焊接点置于金属腔体的中心位置。通过上述方式，本发明的做制作的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。

Description

基于空腔反射的分布式同轴电缆应变传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及各类同轴电缆应变传感器，尤其是一种基于空腔反射的分布式同轴电缆应变传感器及其制作方法。

背景技术

目前，传感器在人们的生活中发挥着越来越重要的作用，比如用在汽车上的加速度传感器及手机等电子产品上应用极为广泛的MEMS传感器；同样，在大型的道路工程、桥梁及长输油气管道工程中，用来监测物体形变的应力/应变传感器也得到了广泛的应用，对地质灾害进行监测以及预警，结构健康监测也逐渐被专业的工程人员重视起来。但其监测设备及其技术基本上都是局部监测，也就是说准分布式监测，如电阻应变计、振弦传感元件、光纤传感器等，这些准分布式传感器其监测范围过小、本身质地容易受到损坏，所以在被测物体被损坏前就丧失监测能力，不能满足极端环境和灾害作用下结构损伤的全程监测，也不能对整个被测物体全方位监测；因此，对于重大工程结构的安全进行监测亟需大量程、大标距、分布式监测模式的传感器。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种基于空腔反射的分布式同轴电缆应变传感器，所制成的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-珀罗腔传感器技术上的空白，其分布式监测模式也克服了目前大多数应变传感器监测过程中的一些不足，大量程、大标距及标距可变也是其亮点之处。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供了一种基于空腔反射的分布式同轴电缆应变传感器，包括壳体、金属空腔体、台阶式金属盖板、同轴电缆、铜质调谐螺丝以及防水端子，所述的金属空腔体竖向设置在壳体内部的中间位置，所述的台阶式金属盖板分别设置在金属空腔体的上下两端将金属空腔体封闭，所述的铜质调谐螺丝分别旋入台阶式金属盖板中间的螺丝孔内，所述的同轴电缆分别通过防水端子设置在壳体的左右两端并分别延伸至金属空腔体内，两根所述的同轴电缆位于同一水平线上并采用焊接工艺连接，其焊接点置于金属孔腔体的中心位置。

在本发明一个较佳实施例中，所述的同轴电缆采用半柔性50Ω同轴电缆。

在本发明一个较佳实施例中，所述的壳体的左右两端分别设置有U型槽口，所述的防水端子安装在U型槽口内并凸出于壳体的外部。

在本发明一个较佳实施例中，所述的分布式同轴电缆应变传感器还包括反射点，所述的反射点放置在设有U型槽口的壳体内。

在本发明一个较佳实施例中，所述的金属空腔体为中空的圆柱体结构。

在本发明一个较佳实施例中，所述的金属腔体的直径为12mm，所述的金属空腔体上还对称设置有直径为3.5mm的通孔。

在本发明一个较佳实施例中，所述的金属空腔体、台阶式金属盖板和铜质调谐螺丝的材料均采用黄铜材质。

在本发明一个较佳实施例中，所述的分布式同轴电缆应变传感器还包括防水端子的外部固定螺母和内部固定螺母，所述的同轴电缆和防水端子均通过外部固定螺母和内部固定螺母固定安装在壳体的左右两端。

在本发明一个较佳实施例中，所述的壳体通过环氧树脂或聚氨酯进行灌封固定。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供了一种基于空腔反射的分布式同轴电缆应变传感器的制作方法，包括以下具体步骤：

a、依据要求，将同轴电缆的长度裁剪成所需长度；

b、将黄铜管按照设计尺寸要求制作成反射点的金属空腔体；

c、黄铜棒采用CNC工艺，制作成含有内螺纹的台阶式金属盖板；

d、同轴电缆的两端裁线加工，其中同轴电缆的内导体长度为2.5mm，绝缘层为3mm；

e、将完成裁剪工序的同轴电缆分别穿过壳体进入金属空腔体上的对称通孔内；

f、将两根同轴电缆采用焊接工艺进行焊接，使同轴电缆的内导体相连，焊接完成的两根同轴电缆的焊接点置于金属空腔体的中心位置；

g、同轴电缆焊接完成后，在金属腔体的上下两端盖上台阶式金属盖板形成封闭的金属空腔体；

h、将铜质调谐螺丝上点一滴中等强度的螺纹胶，然后将其旋入台阶式金属盖板的螺孔内；

i、预固定完成后，将制作好的传感器末端SMA接头连接50Ω负载，始端SMA接头连接在矢量网络分析仪上，并按照测试要求设置矢量网络分析仪的参数；

j、通过拧螺丝工具的顺时针/逆时针旋转，微调每个空腔的铜质调谐螺丝，使传感器每个反射点的反射系数符合参数要求；

k、将调整完成的反射点，放置在壳体的U型槽口内，并旋紧防水端子的外部固定螺母和内部固定螺母；

l、完成上述工作后，放平壳体，在壳体上灌封环氧树脂或聚氨酯。

本发明的有益效果是：本发明基于空腔反射的分布式同轴电缆应变传感器及其制作方法，所制成的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-珀罗腔传感器技术上的空白，其分布式监测模式也克服了目前大多数应变传感器监测过程中的一些不足，大量程、大标距及标距可变也是其亮点之处，同时制作方法满足了大量程和恶劣环境下的使用难题，也为提高生产效率、产品加工的一致性以及传感器的稳定性提供了有力的保证。

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 是本发明基于空腔反射的分布式同轴电缆应变传感器的一较佳实施例的结构示意图；

图2是本发明基于空腔反射的分布式同轴电缆应变传感器的制作方法的一较佳实施例的流程图；

附图标记如下：1、壳体，2、金属腔体，3、台阶式金属盖板，4、同轴电缆，5、防水端子，6、铜质调谐螺丝，7、防水端子外部固定螺母，8、防水端子内部固定螺母。

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。

如图1所示，本发明实施例包括：

一种基于空腔反射的分布式同轴电缆应变传感器，包括壳体1、金属空腔体2、台阶式金属盖板3、同轴电缆4、铜质调谐螺丝6以及防水端子5，所述的金属空腔体2竖向设置在壳体1内部的中间位置，所述的台阶式金属盖板3分别设置在金属空腔体2的上下两端将金属空腔体2封闭，所述的铜质调谐螺丝6分别旋入台阶式金属盖板3的螺丝孔内，所述的同轴电缆4分别通过防水端子5设置固定在壳体1的左右两端并分别延伸至金属腔体2内，两根所述的同轴电缆4位于同一水平线上并采用焊接工艺进行连接，其焊接点置于金属腔体2的中心位置。其中，所述的壳体1通过环氧树脂或聚氨酯进行灌封固定。

本发明中同轴电缆4采用半柔性50Ω同轴电缆，与普通的同轴电缆结构一样，同样包括内导体、介质层、外导体屏蔽层和绝缘塑料保护套管（PTFE）。内导体为铜芯或镀银钢芯线。介质层也被称之为绝缘层，介于内导体与外导体屏蔽层之间，介质层除了绝缘作用外，还可以保证内导体与外导体屏蔽层中心线同轴。外导体屏蔽层为铜丝编制的网状屏蔽，采用镀锡工艺加工制作屏蔽层，外部由绝缘塑料保护套管，材质为用PVC或PTFE。

上述中，所述的壳体1的左右两端分别设置有U型槽口（图未视），所述的防水端子5安装在U型槽口内并凸出于壳体1的外部；所述的分布式同轴电缆应变传感器还包括反射点（图未视），所述的反射点放置在U型槽口内。

所述的金属空腔体2为中空的圆柱体结构。其中，所述的金属空腔体2的直径为12mm，所述的金属腔体2上还对称设置有直径为3.5mm的通孔（图未视）。

进一步，所述的铜质调谐螺丝6分别安装在金属空腔体2的上下两端并分别旋入台阶式金属盖板3将金属空腔体2竖向安装在壳体1内部的中间位置。其中，所述的金属空腔体2、台阶式金属盖板3和铜质调谐螺丝6的材料均采用黄铜材质。

所述的金属空腔体2、台阶式金属盖板3和铜质调谐螺丝6即反射点器件，金属空腔体2的上下两端设有台阶式金属盖板3，用以压在金属腔体2的两端，台阶式金属盖板3起到封闭金属空腔体2的作用。台阶式金属盖板3中间设有M6内螺纹螺丝孔，用来安装固定铜质调谐螺丝6，组装时，需点有中等强度的螺纹胶，以保证制作过程中机械的稳定性。

再进一步的，所述的分布式同轴电缆应变传感器还包括防水端子5外部固定螺母7和防水端子5内部固定螺母8，所述的同轴电缆4和防水端子5均通过防水端子5外部固定螺母7和防水端子5内部固定螺母8固定安装在壳体1的左右两端。

壳体1采用环氧树脂或聚氨酯灌封的方式，将防水端子5预装在反射点的两边，用来灌封的壳体1两边开有U型槽口，以便于防水端子5安插进去。反射率大小调整完成后的反射点及防水端子5置入壳体1内，旋紧防水端子5的外部及内部螺丝后灌封。

如图2所示，本发明实施例还包括：

一种基于空腔反射的分布式同轴电缆应变传感器的制作方法，包括以下具体步骤：

a、依据要求，将同轴电缆的长度裁剪成所需长度；

b、将黄铜管按照设计尺寸要求制作成反射点的金属空腔体；

c、黄铜棒采用CNC工艺，制作成含有内螺纹的台阶式金属盖板；

d、同轴电缆的两端裁线加工，其中同轴电缆的内导体长度为2.5mm，绝缘层为3mm；

e、将完成裁剪工序的同轴电缆分别穿过壳体进入金属空腔体上的对称通孔内；

f、将两根同轴电缆采用焊接工艺进行焊接，使同轴电缆的内导体相连，焊接完成的两根同轴电缆的焊接点置于金属空腔体的中心位置；

g、同轴电缆焊接完成后，在金属空腔体的上下两端盖上台阶式金属盖板形成封闭的金属空腔体；

h、将铜质调谐螺丝上点一滴中等强度的螺纹胶，然后将其旋入台阶式金属盖板的螺孔内；

i、预固定完成后，将制作好的传感器末端SMA接头连接50Ω负载，始端SMA接头连接在矢量网络分析仪上，并按照测试要求设置矢量网络分析仪的参数；

j、通过拧螺丝工具的顺时针/逆时针旋转，微调每个空腔的铜质调谐螺丝，使传感器每个反射点的反射系数符合参数要求；

k、将调整完成的反射点，放置在壳体的U型槽口内，并旋紧外部固定螺母和内部固定螺母；

l、完成上述工作后，放平壳体，在壳体上灌封环氧树脂或聚氨酯。

由于同轴电缆传输信号的方式决定了同轴电缆结构的特殊性，在同轴电缆阻抗不连续点的制作上，存在一定的困难，同轴电缆传感器实现真正意义上的分布式技术，因传感器制作过程中，同轴电缆根据测试量程的长度定义，所以反射点位置相对来说位置上是可以调整的。传输距离远、标距可以在0.5米到10米间任意选择。空腔工艺制作的反射点可以做为传感器拉伸固定点，同轴电缆绝缘层、内导体、外导体之间在拉伸过程中不会出现相对的滑动，不但测试精度高，同时成功解决了以往传感器只能满足局部监测的缺陷。

本发明提供一种基于空腔反射的分布式同轴电缆应变传感器，主要解决的技术问题是提供一种适用于分布式同轴电缆应变传感器的反射点制作方法，特点是空腔工艺反射点结构简单、反射率高、反射点的反射率可微调、不破坏同轴电缆信号的传输模式，用来保证微波信号在同轴电缆中的长距离监测，达到分布式同轴电缆应变传感器监测范围广的应用要求。空腔反射点工艺被视为采用空气做传输介质，通过传输过程中容性阻抗的变化来达到破坏同轴电缆的阻抗连续性的目的，同时通过空腔内体积的大小来调整阻抗大小。因为微波信号在同轴电缆中传输过程中，会出现一定程度的衰减，所以为保证分布式传感器每个反射点的反射率大小相等，从传感器始端至传感器末端，金属腔体的大小有所区分，其金属腔体的长度是可以逐步加大，也可以通过金属腔体上的铜质螺丝做微调。将传感器焊接完成后，将传感器的始端连接矢量网络分析仪，通过信号的检测，可以逐个调整每个反射点的反射率，直至达到参数要求。这样，包含多个反射点的空腔工艺分布式同轴电缆传感器就制作完成了。

本发明的分布式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，可调反射点的反射率从0.5%到6%可调，满足传感器大量程、大标距、标距可调以及长距离测试的要求；客观反映比较灵敏及工艺很容易实现，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，实现反射点与固定装置的结合一体的结构，更完美的解决了同轴电缆在工程应用中的固定问题，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，可以避免在高低温状态下对反射点的伤害，并很好的起到了防水功能，以避免金属管体反射点的氧化失效。当然，本发明可以实现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，本发明基于空腔反射的分布式同轴电缆应变传感器不但克服目前传感器存在动态范围（量程）过小，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，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 (10)

1.一种基于空腔反射的分布式同轴电缆应变传感器，其特征在于，包括壳体、金属空腔体、台阶式金属盖板、同轴电缆、铜质调谐螺丝以及防水端子，所述的金属空腔体竖向设置在壳体内部的中间位置，所述的台阶式金属盖板分别设置在金属空腔体的上下两端将金属空腔体封闭，所述的铜质调谐螺丝分别旋入台阶式金属盖板中间的螺丝孔内，所述的同轴电缆分别通过防水端子设置在壳体的左右两端并分别延伸至金属空腔体内，两根所述的同轴电缆位于同一水平线上并采用焊接工艺连接，其焊接点置于金属孔腔体的中心位置。

2.根据权利要求1所述的基于空腔反射的分布式同轴电缆应变传感器，其特征在于，所述的同轴电缆采用半柔性50Ω同轴电缆。

3.根据权利要求1所述的基于空腔反射的分布式同轴电缆应变传感器，其特征在于，所述的壳体的左右两端分别设置有U型槽口，所述的防水端子安装在U型槽口内并凸出于壳体的外部。

4.根据权利要求3所述的基于空腔反射的分布式同轴电缆应变传感器，其特征在于，所述的分布式同轴电缆应变传感器还包括反射点，所述的反射点放置在设有U型槽口的壳体内。

5.根据权利要求1所述的基于空腔反射的分布式同轴电缆应变传感器，其特征在于，所述的金属空腔体为中空的圆柱体结构。

6.根据权利要求5所述的基于空腔反射的分布式同轴电缆应变传感器，其特征在于，所述的金属腔体的直径为12mm，所述的金属空腔体上还对称设置有直径为3.5mm的通孔。

7.根据权利要求1所述的基于空腔反射的分布式同轴电缆应变传感器，其特征在于，所述的金属空腔体、台阶式金属盖板和铜质调谐螺丝的材料均采用黄铜材质。

8.根据权利要求1所述的基于空腔反射的分布式同轴电缆应变传感器，其特征在于，所述的分布式同轴电缆应变传感器还包括防水端子的外部固定螺母和内部固定螺母，所述的同轴电缆和防水端子均通过外部固定螺母和内部固定螺母固定安装在壳体的左右两端。

9.根据权利要求1所述的基于空腔反射的分布式同轴电缆应变传感器，其特征在于，所述的壳体通过环氧树脂或聚氨酯进行灌封固定。

10.根据权利要求1-9之一所述的基于空腔反射的分布式同轴电缆应变传感器的制作方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

a、依据要求，将同轴电缆的长度裁剪成所需长度；

b、将黄铜管按照设计尺寸要求制作成反射点的金属空腔体；

c、黄铜棒采用CNC工艺，制作成含有内螺纹的台阶式金属盖板；

d、同轴电缆的两端裁线加工，其中同轴电缆的内导体长度为2.5mm，绝缘层为3mm；

e、将完成裁剪工序的同轴电缆分别穿过壳体进入金属空腔体上的对称通孔内；

f、将两根同轴电缆采用焊接工艺进行焊接，使同轴电缆的内导体相连，焊接完成的两根同轴电缆的焊接点置于金属空腔体的中心位置；

g、同轴电缆焊接完成后，在金属腔体的上下两端盖上台阶式金属盖板形成封闭的金属空腔体；

h、将铜质调谐螺丝上点一滴中等强度的螺纹胶，然后将其旋入台阶式金属盖板的螺孔内；

i、预固定完成后，将制作好的传感器末端SMA接头连接50Ω负载，始端SMA接头连接在矢量网络分析仪上，并按照测试要求设置矢量网络分析仪的参数；

j、通过拧螺丝工具的顺时针/逆时针旋转，微调每个空腔的铜质调谐螺丝，使传感器每个反射点的反射系数符合参数要求；

k、将调整完成的反射点，放置在壳体的U型槽口内，并旋紧防水端子的外部固定螺母和内部固定螺母；

l、完成上述工作后，放平壳体，在壳体上灌封环氧树脂或聚氨酯。