CN111238700A - 一种基于圆极化液态金属天线的三向应力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于圆极化液态金属天线的三向应力传感器，包括盒体、壳体和圆极化天线结构体，盒体的六个面对称地开设有孔口，每个孔口所在面的内侧固定有壳体，圆极化天线结构体安装在壳体内腔中，圆极化天线结构体上顶面紧贴上盖，上盖滑动地封盖在壳体上口，上盖伸出盒体孔口外；圆极化天线结构体为可压缩的有机聚合物体，有机聚合物体内部开有环形微通道，环形微通道内填充满用作天线的液态金属，液态金属天线两端口对应连接两根馈线，馈线从有机聚合物体侧壁引出。本发明能实时远程监测岩土体内部三向应力变化，具有接收信号准确，稳定性强和体积小等优点。

Description

一种基于圆极化液态金属天线的三向应力传感器

技术领域

本发明属于土木工程压力测试技术领域，具体涉及一种能够远程监测岩土体内部三向应力变化的传感器。

背景技术

在全球人口日益增长，人类在城市的生存空间越来越局促的21世纪，地下洞室不但拥有可靠的接纳存储空间等基本使用功能，还能为人们提供了大量的生活娱乐空间。此外它还具有安全隐蔽、环保节土、低碳节能等突出的优势，故而随着时代的进步及社会的发展，地下洞室工程越来越多地得到人们的重视，被广泛运用于市政设施、水利水电、资源存储、矿产开发和国防建设等多个领域。然而在开挖的过程中，地下洞室围岩的原岩应力由于开挖而受到了扰动，从而引起了围岩应力的重分布，并在洞室周边出现应力集中现象。此时如果没能妥善处理内部应力分布不均匀或者局部过大的情况，就可能发生坍塌事故而导致人员伤亡。

事故的发生往往有一定的预兆，其中内部应力急剧变化超过限值就是一种明确的信号。目前针对围岩应力测量的手段有钢弦压力盒(测量衬砌应力)，钻孔应力计法(测量隧道围岩应力)等，但这些装置都不能实现远程无线监控，而且仅能监测某一时间点的应力情况，无法实现实时监控，精度较低，人力物力消耗大。

中国专利文献CN105675174A于2016年6月15日公开了一种基于液态金属天线单向应力传感器，该发明包括盒体和盒体内部两个可压缩的有机聚合物圆柱体，有机聚合物圆柱体长度为盒体内两个相对面之间的距离，盒体内部充满填充材料，每个有机聚合物设有微孔道，微孔道内充满液态金属，液态金属由从盒体封装物中引出的馈线连接，该专利能实时进行远程无线监测，但是仍然存在以下问题：

1、上述液态金属天线单向应力传感器只能监测一个方向的应力，无法监测三向应力，而三向应力才是岩土体内部真实的应力分布状态；

2、天线的多径效应(信号经不同路径传播后，各分量场到达接收端时间不同，按各自相位相互叠加而造成干扰，使得原来的信号失真，或者产生错误。比如电磁波沿不同的两条路径传播，而两条路径的长度正好相差半个波长，那么两路信号到达终点时正好相互抵消了)对于信号的传播非常不利，其接收信号的强度将由直射波和反射波叠加合成，不但极大影响了信号的强弱，还会导致所检测到的是错误的信号。

中国专利文献CN105547532A于2016年5月4日公开了一种基于压电元件的液态金属天线三向应力传感器，该传感器为正方形六面体，三个受力面各有一个凹槽，在凹槽中叠放有多个串联的圆形薄片式压电元件，所有压电元件夹在两个弹性膜片之间，最下层的压电元件底面和最上层的压电元件顶面分别与弹性膜片接触并引出输出引线，输出引线连接到盒体内的液态金属天线装置两端；该液态金属天线装置为一根高强玻璃管，高强玻璃管两端各有一个储液器，底端的储存器存储有液态金属，顶端的储液器存储有电解液，液态金属与电解液在高强玻璃管中部接合。该专利的缺点是：由于三向应力传感器将压力通过压电元件产生机械变形后产生电荷，电荷电压通过输出引线施加在液态金属天线装置两端，引起液态金属长度也随之变化，转化为液态金属天线的频率f变化信号，经无线传送至接收端；不能直接把压力转化为液态金属长度的变化，使压力转化过程变得复杂，检测的可靠性和准确性较差。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于圆极化液态金属天线的三向应力传感器，它能克服液态金属天线的天线多径效应，提高天线信号稳定性，且能监测岩土体内部三向应力

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括盒体、壳体和圆极化天线结构体，盒体的六个面对称地开设有孔口，每个孔口所在面的内侧固定有壳体，圆极化天线结构体固定在壳体内腔中，壳体内腔留有圆极化天线结构体变形所需的空间，圆极化天线结构体上顶面紧贴上盖，上盖滑动地冒出壳体的顶口，上盖伸出盒体孔口外；圆极化天线结构体为可压缩的有机聚合物体，有机聚合物体内部开有环形微通道，环形微通道内填充满用作天线的液态金属，液态金属天线两端口对应连接两根馈线，馈线从有机聚合物体侧壁引出。

由于本发明使用圆极化天线结构体，极化方式为圆极化，圆极化的波在传播过程中具有反射旋向相反的特性，有减小反射信号影响和抗多径反射的作用。实际工程中，依据“圆极化天线在舰地图像传输中的应用”，李现亭，无线电工程2004年第34卷第6期41页的记载，极化天线的抑制作用通过下述公式计算：

其中，P为接收信号归一化电平；V₁为接收天线极化轴比；V₂为发射天线极化轴比；α为接收天线和发射天线两个极化长轴之间的夹角。“+”和“-”分别对应接收天线和发射天线极化旋向相同和相反，相通同时取“+”，相反时取“-”。取通常工程中采用的接收天线轴比1.5dB，发射天线2.23dB，一般角度可取为45°，可以计算得P＝10.74dB。这表明，如果天线采用左旋极化，理论上接收天线对右旋信号具有10.74dB的抑制。

除了具有极化隔离的特性、克服天线多径效应以外，本发明能实时远程监测岩土体内部三向应力变化，具有接收信号准确，稳定性强和体积小等优点。

本发明的技术效果是：

由于采用圆极化天线结构体，有效减小了多径反射的影响，提高了接收信号的稳定性和可靠性；盒体上六个对称的平面安装有圆极化天线结构体，实现了岩土体某一位置三向应力的测量，能远程实时监测应力变化，节约了大量的人力、物力。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明一个实施例的外形结构图；

图2为盒体内部的结构图；

图3为圆极化天线结构体在壳体内的安装结构图；

图4为图3中圆极化天线结构体的剖视图。

图中：1、盒体；11、金属薄板，2、上盖；3、壳体；4、圆极化天线结构体；5、有机聚合物体；6、液态金属天线；7、固定螺栓；8、馈线。

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、图2、图3和图4所示，本实施例包括盒体1、壳体3和圆极化天线结构体4，盒体1的六个面对称地开设有孔口，每个孔口所在面的内侧固定有壳体3，该孔口所在面可以是弧形面，也可以是平面；圆极化天线结构体4安装在壳体3内腔中，壳体内腔留有圆极化天线结构体4变形所需的空间，圆极化天线结构体4上顶面紧贴上盖2，上盖2滑动地冒出壳体3的顶口，就如按钮触点与按钮壳体的配合一样，上盖2伸出盒体1孔口外作为承力部件；圆极化天线结构体4为可压缩的有机聚合物体5，有机聚合物体5内部开有环形微通道，环形微通道内填充满用作天线的液态金属，液态金属天线6两端口对应连接两根馈线8，馈线8从有机聚合物体5侧壁引出。

本发明的工作原理是：环形微通道内注满液态金属，外部电路通过接入的馈线给液态金属馈电，环形微通道内的液态金属构成液态金属天线，辐射出电磁波。当上盖受到外部压力时，压力作用于有机聚合物体产生变形，环形微通道内的液态金属也跟着压缩变形。此时，外部接收装置就可以接收到液态金属天线的频率变化，通过频率变化与受力的关系，推算出远程监测的压力变化。

在图1中，盒体1为球形，球形的盒体有按三轴线对称磨平的平面口，刚性金属薄板11封盖平面口，金属薄板11上设有上盖2伸出的孔口。盒体1也可以是正六面体，六个侧面开有上盖2伸出的、三轴线对称的孔口。

盒体1和壳体3采用强度较高、耐腐蚀、但不屏蔽信号的材料，例如PBT塑料。上盖2采用刚度较大的铝合金，压力施加在上盖引起有机聚合物体5变形。为了传感器实际使用的量程足够大，封装液态金属天线6的有机聚合物体5采用强度较高的有机玻璃材料PMMA，液态金属天线的材料为镓铟合金EGaIn或者镓铟锡合金。制作圆极化天线结构体4的方法是：在机聚合物体5切割出上、下或左、右两块基片，在切割面上加工环形微通道，两块基片键合，键合过程中应保证环形微通道不会压缩塌陷；利用打孔器在预设通孔处进行打孔，随后利用注射器将液态金属注入，利用胶水进行封口处理，将制作好的圆极化天线结构体进行测试，并记录其初始的工作频率。

在图2中，壳体3上顶面采用固定螺栓7装在盒体1上，圆极化天线结构体4底部采用固定螺栓7固定在壳体3底面上，保证圆极化天线结构体4不产生滑移。

在图4中，液态金属天线6与受力面平行布置，本领域技术人员容易想到，液态金属天线6还可以与受力面垂直或成预设角度布置。

使用本发明监测岩土体内部三向应力的过程是：

步骤1、在每个监测点上布置本发明的传感器，并对盒体内部各个液态金属天线进行编号(例如X1，Y1，Z1)，分别测定其原始工作频率(频率测定电路和上述中国专利文献CN105675174A相同)，并记录数据。

步骤2、传感器在岩土体内部受到压力时，其上盖2会将压力传递给圆极化天线结构体4，圆极化天线结构体在力的作用下产生变形，变形量在弹性范围内和压力成正比：F＝KΔL，其中K为圆极化天线结构体的弹性模量，ΔL为圆极化天线结构体的形变量，由此根据广义胡克定律可以推算出液态金属天线6的周长形变量(记为Δλ)。

依据书籍《电波与天线》，谢处方，人民邮电出版社，出版日期1962-04，P217页的记载：“把长度为一个波长的导线弯成圆环，并在末端馈电，就构成环形天线。因此，圆环天线的谐振频率就是圆环的周长(一个波长)所对应的谐振频率。”环形天线的周长和其谐振频率的乘积为光速。

步骤3、液态金属环形天线6在开口处馈电，辐射出电磁波，根据其变化后的工作频率计算出变形后的电磁波的波长(λ2，即是天线周长)，变形后波长与原始波长的差值(λ1)即为步骤2中所述的周长形变量(Δλ)。

扫频信号源通过谐振线圈发送扫频信号，当谐振线圈上检测到最大电信号时，对应着天线变形后的工作频率值。(由于环形天线产生的波的极化方向是圆极化的，具有发生反射时极化方向反向的特征，所以可以有效抑制天线的多径效应，保证信号传输的稳定性和准确性。)

通过数据采集模块实时记录收集各个天线的工作频率，并实时将数据传输至IP终端。

步骤4、结合步骤3和步骤2，反算出该上盖2所收到的外界压力大小F，而所受应力大小为σ＝F/A，其中A为壳上盖2的面积。

根据文献“基于液态金属的频率可重构天线研究与设计”，夏林艳，重庆邮电大学硕士学位论文，第34页公式(3.5)记载了液态金属天线的频率与天线长度的关系。环形液态金属天线的谐振频率与液态金属天线的周长具有如下关系：

其中ε_eff为有机聚合物材料的介电常数，c为光速，λ为液态金属天线的周长；广义虎克定律确定了不同方向应变之间的内在联系。由此，根据f-Δλ-ΔL-F的关系反算得到岩土体的应力状态，建立并更新应力变化的数据库，对数据进行分析，从而实现应力变化的实时监测。

重复以上步骤，就可以获得各个监测点的应力值。

Claims (6)

1.一种基于圆极化液态金属天线的三向应力传感器，包括盒体（1）和壳体（3），盒体（1）的六个面对称地开设有孔口，每个孔口所在面的内侧固定有壳体（3），其特征是：还包括圆极化天线结构体（4），圆极化天线结构体（4）固定在壳体（3）内腔中，壳体内腔留有圆极化天线结构体（4）变形所需的空间，圆极化天线结构体（4）上顶面紧贴上盖（2），上盖（2）滑动地冒出壳体（3）的顶口，上盖（2）伸出盒体（1）孔口外；圆极化天线结构体（4）为可压缩的有机聚合物体（5），有机聚合物体（5）内部开有环形微通道，环形微通道内填充满用作天线的液态金属，液态金属天线（6）两端口对应连接两根馈线（8），馈线（8）从有机聚合物体（5）侧壁引出。

2.根据权利要求1所述的基于圆极化液态金属天线的三向应力传感器，其特征是：所述盒体（1）为球形，球形的盒体有按三轴线对称磨平的平面口，刚性金属薄板（11）封盖平面口，金属薄板（11）上设有上盖（2）伸出的孔口。

3.根据权利要求1所述的基于圆极化液态金属天线的三向应力传感器，其特征是：所述盒体（1）为正六面体，六个侧面开有上盖（2）伸出的孔口。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于圆极化液态金属天线的三向应力传感器，其特征是：所述的机聚合物体（5）采用有机玻璃原料PMMA，所述的液态金属天线（6）的材料为镓铟合金或者镓铟锡合金。

5.根据权利要求4所述的基于圆极化液态金属天线的三向应力传感器，其特征是：所述壳体（3）上顶面采用固定螺栓（7）装在盒体（1）上，圆极化天线结构体（4）底部采用固定螺栓（7）固定在壳体（3）底面上。

6.根据权利要求4所述的基于圆极化液态金属天线的三向应力传感器，其特征是：所述液态金属天线（6）与受力面平行、垂直或成预设角度布置。

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