CN116295908A - 一种基于空心同轴电缆的高温传感器 - Google Patents
一种基于空心同轴电缆的高温传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于空心同轴电缆的高温传感器，包括点式高温传感器和分布式高温传感器；点式高温传感器包括内导体和外导体，内导体和外导体间为绝缘层，在绝缘层间设置有第一强反射元件和第二全反射元件形成微波法布里‑珀罗谐振腔，温度的变化引起谐振腔腔长的变化，从而导致谐振频率的变化，通过监测谐振频率实现温度测量。分布式高温传感器包括内导体和外导体，内导体和外导体间为绝缘层，在绝缘层间设置有若干个弱反射元件；基于微波频域反射原理，温度的变化引起相邻的两个弱反射元件之间的有效距离发生改变，使得所反射的微波信号之间的有效行程发生改变，通过测量任意两个弱反射元件反射微波信号之间的行程变化，实现温度测量。
Description
技术领域
本发明属于传感器领域，具体涉及一种基于空心同轴电缆的高温传感器。
背景技术
高温传感技术在航空航天和能源行业等有着广泛的应用价值。传统的测量方法包括热电偶、薄膜热电偶、辐射测温法等。一方面，其中的电学测量方法，对电磁干扰比较敏感，且都只能实现单点的探测。另一方面，辐射测温法是一种非接触的测温方法，其对局部温度探测的可靠性较低。近年来，光纤测温方法得到了快速发展。相比于传统的电学传感器，光纤传感器具有抗电磁干扰、质量轻、体积微小、可级联等天然优势。
然而，传统的普通光纤一般仅适用于300℃以下温度，在超高温环境下（>1000℃）具有先天的局限性。通过在光纤表面涂覆金属涂层或使用合适的封装，可以提高其温度适应性，如镀金涂层光纤可在700℃的高温下工作，但在高于700℃时的长期稳定性依然难以保证。为提高光纤传感器的高温环境适用性，近些年基于单晶蓝宝石光纤的传感器得到了持续的发展。蓝宝石光纤的熔点高达2050℃并在可见光至近红外波段具有良好的光学传输特性，相对普通二氧化硅光纤具有更高熔点和激光损伤阈值、更强的耐腐蚀性、机械性能和更宽的光谱透射范围，是实现高温环境下传感器开发的最佳装置选择之一。然而，由于其材料特性及制备工艺的限制，单晶蓝宝石光纤是一种高度多模光纤，能同时支持成千上万个模式的传输，而这个特性恰恰限制了基于蓝宝石光纤的传感器的开发。
目前较为成熟的技术是通过蓝宝石光纤构建非本征法布里-珀罗腔结构，或者利用飞秒激光微加工技术在蓝宝石光纤中写入布拉格光栅（Fiber Bragg grating, FBG），从而实现超高温度的探测。其中，美国弗吉尼亚理工大学的Anbo Wang教授课题组和深圳大学的Yiping Wang教授课题组在该领域取得了代表性研究成果。遗憾地是，基于蓝宝石光纤的传感器开发始于20世纪90年代，在过去近30年中，蓝宝石光纤传感器发展缓慢，到目前为止，其传感性能远远落后于基于石英光纤的传感器。一方面，蓝宝石光纤的制备较为复杂，对设备要求较高，目前国际上只有美国的一家公司（Micromaterials Inc.）出售商用的蓝宝石光纤。蓝宝石光纤价格昂贵，是石英光纤的上万倍，并且其硬度较高，很难用传统的微加工手段来开发基于蓝宝石光纤的传感器。另一方面，受材料的影响，蓝宝石光纤是高度多模光纤，由于多模干涉的影响，很难从蓝宝石光纤传感器中得到较为稳定的信号，从而实现高性能传感。此外，蓝宝石光纤传感器通常需要稳定的宽带光源、高精度的光谱仪和复杂的解调算法，因此其系统设备较为昂贵且复杂。这些因素严重限制了蓝宝石光纤传感器的发展。
因此，需要一种全新的传感装置和探测机理，突破传统石英光纤、蓝宝石光纤传感器的限制，来满足在高温恶劣环境下探测的重大需求。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种基于空心同轴电缆的高温传感器。
根据本发明实施例的第一方面，提供了一种基于空心同轴电缆的点式高温传感器，包括内导体和外导体，所述内导体和外导体间为绝缘层，在绝缘层间设置有第一强反射元件和第二全反射元件；其中，第一强反射元件与内导体、外导体间留有间隙，第二全反射元件为圆环形，分别连接内导体和外导体；第一强反射元件和第二全反射元件间形成微波法布里-珀罗谐振腔，温度的变化导致内导体和外导体热胀冷缩引起微波法布里-珀罗谐振腔腔长的变化，从而导致谐振频率的变化；通过监测谐振频率，实现温度测量。
进一步地，第一强反射元件和第二全反射元件选用耐高温导电材料。
进一步地，第一强反射元件和第二全反射元件选用石墨、钨钢；
进一步地，基于空心同轴电缆的点式高温传感器中微波法布里-珀罗谐振腔的谐振频率
为：
式中，v表示电磁波在绝缘层中的传播速度，m表示谐振的阶数，
和/>
分别为第一强反射元件和第二全反射元件的相位反射系数，d为第一强反射元件和第二全反射元件之间的距离；
谐振频率与温度的关系式为：
式中，
为内导体和外导体的热膨胀系数；/>
为谐振频率的变化量，ΔT为温度的变化量。
进一步地，获取谐振频率
包括：
所述点式高温传感器与矢量网络分析仪连接，通过测量矢量网络分析仪的S11系数，确定S11幅值系数最小值点，即为点式高温传感器的谐振频率；
和/或，
所述点式传感器与定向耦合器连接，再分别与信号源和探测器连接，实现信号源和探测器之间的同步测量，确定点式传感器的反射信号，从而得到点式高温传感器的谐振频率。
根据本发明实施例的第二方面，提供了一种基于空心同轴电缆的分布式高温传感器，包括内导体和外导体，所述内导体和外导体间为绝缘层，在绝缘层间设置有若干个弱反射元件；基于微波频域反射原理，温度的变化导致内导体和外导体热胀冷缩引起相邻的两个弱反射元件之间的有效距离发生改变，使得相邻的两个弱反射元件所反射的微波信号之间的有效行程发生改变，通过测量任意两个弱反射元件反射微波信号之间的行程变化，实现分布式、无断点的温度测量。
进一步地，所述弱反射元件选用耐高温介电材料。
进一步地，所述弱反射元件选用石英，蓝宝石。
进一步地，分布式高温传感器输出的信号为：
式中，Vr[i]为第i个弱反射元件产生的电压反射信号；zi为第i个弱反射元件沿着空心同轴电缆的空间位置；
为探测电磁信号的传播常数；N为所有级联的弱反射元件的总个数。
进一步地，通过矢量网络分析仪解调分布式高温传感器；具体包括：
通过分析矢量网络分析仪测得S11信号和相位反射系数；
对S11信号做傅里叶逆变换，得到分布式高温传感器的时域响应曲线；
根据分布式高温传感器的时域响应曲线，获取分布式高温传感器的的空间位置响应曲线；
通过空间位置响应曲线上特征峰的变化，获取各个弱反射元件沿着空心同轴电缆的空间分布情况；
确定相邻弱反射元件之间的空间距离变化，得到温度变化；
相邻弱反射元件之间的空间距离与温度的关系式为：
式中，
为相邻两个弱反射元件之间的空间距离变化量，/>
为第i+1个弱反射元件和第i个弱反射元件之间的的空间距离差，/>
为温度变化量，/>
为内导体和外导体的热膨胀系数。
本发明的有益效果为：本发明提出了一种基于空心同轴电缆的高温传感器，包括内导体和外导体，内导体和外导体间为绝缘层，并给出了基于微波谐振腔的点式高温传感器和基于微波频域反射原理的分布式高温传感器两种具体实施方式，突破传统石英光纤、蓝宝石光纤传感器的限制，加工复杂程度，耐高温能力强，测量精度高。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种空气绝缘的空心同轴电缆耐高温装置结构示意图；
图2是图1的A-A剖面图；
图3是本发明提供的一种基于微波谐振腔的点式高温传感器结构示意图；
图4是本发明提供的一种基于矢量网络分析仪的点式高温传感器解调系统示意图；
图5是本发明提供的一种基于离散射频元件的点式高温传感器解调系统示意图；
图6是本发明提供的一种基于微波谐振腔的点式高温传感器的典型响应曲线；
图7是本发明提供的一种基于微波频域反射原理的分布式高温传感器结构示意图；
图8是本发明提供的一种基于矢量网络分析仪的分布式高温传感器解调系统示意图；
图9是本发明提供的一种分布式高温传感器的信号解调方法；
图10是本发明提供的一种分布式高温传感器的典型空间位置响应曲线；
图中，1-内导体；2-外导体；3-绝缘层；4-转换部；5-支撑部；6-第一强反射元件；7-第二全反射元件；8-矢量网络分析仪；9-通信同轴电缆；10-信号源；11-探测器；12-定向耦合器；13-弱反射元件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1和图2所示，本发明提供的一种基于空气绝缘的空心同轴电缆装置，包含内导体1，外导体2，绝缘层3，转换部4和支撑部5。所述内导体1和外导体2间为绝缘层3，在绝缘层3的两端分别设置有支撑部5，以保证内导体1和外导体2间的同轴度。
其中，内导体1和外导体2由耐高温导电材料，如石墨、钨钢等制成，其形状为圆柱形。绝缘层3选用空气层，其作用是保证内导体1与外导体2之间绝缘而不发生短路的情况。在长期高温环境下，该绝缘层3可以由惰性气体层取代从而来进一步提高该高温装置的长期稳定性。
其中，内导体1、外导体2、绝缘层3的直径决定该空心同轴电缆的阻抗特性，表达式如下：
其中，D2和D1分别为外导体2的内径（即绝缘层3的直径）和内导体1的直径；
为绝缘层3的相对介电常数。
考虑到本实例提供的空心同轴电缆为定制电缆，因此，还需要在空心同轴电缆的任意一端设置一个转接部4来与商用电缆相匹配，使得该空心同轴电缆能够接入商用同轴电缆，从而能够读取该装置中的信号来实现传感的功能。
进一步地，所述的内导体1和外导体3均由耐高温导电材料（例如石墨、钨钢等）制成。
进一步地，同时，为保证内导体1和外导体2的同轴性，需要引入至少两个支撑部5，该支撑部也需要适用于高温环境中，可以由耐高温介电材料如蓝宝石、石英等材料制成。支撑部5可以为圆环形及其他各种形状。同时，该支撑部5也可以作为构成传感单元的微波强反射点和弱反射点。
需要指出的是，由于支撑元件5与绝缘层3的介电常数不匹配，入射的电磁波会在支撑部5处产生一定的反射，在后续传感信号解调处理过程中需要考虑。同时，也可以将这些支撑元件利用起来，来实现分布式探测，如实施例1和实施例2所示。
实施例1
如图3所示，本实施例1提供的一种基于微波谐振腔的点式高温传感器，内导体1和外导体2，所述内导体1和外导体2间为绝缘层3，在绝缘层3间设置有第一强反射元件6和第二全反射元件7；其中，第一强反射元件6与内导体1、外导体2间留有间隙，第二全反射元件7为圆环形，分别连接内导体1和外导体2；第一强反射元件6和第二全反射元件7间形成微波法布里-珀罗谐振腔，温度的变化导致内导体1和外导体2热胀冷缩引起微波法布里-珀罗谐振腔腔长的变化，从而导致谐振频率的变化；通过监测谐振频率，实现温度测量。
其中，第一强反射元件6由耐高温材料（石墨、钨钢等）制成可以为任意形状，但不能与内导体1和外导体2之前形成闭合，需要留有一定面积的空隙，使得部分电磁波能够通过该反射元件；第二全反射元件7由耐高温导电材料制成，与内导体1与外导体2之间形成闭合，无缝连接内导体1和外导体2，从而对入射的电磁波形成全反射，提高该传感器的稳定性。
需要注意的是，所述第一强反射元件6和第二全反射元件7不仅对微波信号具有强反射作用，同时作为支撑部来保证内导体1和外导体2之间的同轴性，简化了空心同轴电缆的设计。
入射的电磁波在第一强反射元件6处被大量反射，剩余的部分电磁信号透过第一强反射元件6，到达第二全反射元件7并产生全反射。这些被反射的电磁信号再次到达第一强反射元件6，小部分信号透过，而大部分信号被继续反射，如此循环，从而产生谐振。这种基于微波谐振腔的点式高温传感器的特征谐振信号可由以下公式计算得到：
其幅值分量可以表达为：
其中，Γ1和Γ2分别为第一强反射元件6和第二全反射元件7的幅值反射系数；
和/>
分别为第一强反射元件6和第二全反射元件7的相位反射系数；d为第一强反射元件6和第二全反射元件7之间的距离（即该微波谐振腔的物理腔长）；v表示电磁波在绝缘层3中的传播速度。
带入相位匹配条件：
可以得到该谐振腔的谐振频率
：
其中，m表示谐振的阶数。当温度发生变化时，由于热胀冷缩效应，第一强反射元件6和第二全反射元件7之间的距离d发生变化，从而引起该微波谐振腔的谐振频率的变化，其近似对应关系为：
其中，
为内导体1和外导体2材料的热膨胀系数；/>
和ΔT分别为谐振频率和温度的变化量。因此，通过监测该微波谐振腔谐振频率的变化量，可以得到相应的温度变化情况。
如图4和图5所示的两种可用于该点式温度传感器的解调系统装置示意图。其中，图4包括了矢量网络分析仪8、点式传感器；所述矢量网络分析仪8和点式传感器选用通信同轴电缆9连接。通过测量矢量网络分析仪8的S11系数，可以确定S11幅值系数最小值点，对应即为该微波谐振腔传感器的谐振频率。
而图5包括了信号源10、探测器11、定向耦合器12和点式传感器，所述点式传感器通过通信同轴电缆9与定向耦合器12，再通过通信同轴电缆9分别与信号源10和探测器11连接。通过实现信号源和探测器之间的同步测量，可以确定传感器的反射信号，从而得出谐振频率。
图6示出了该点式传感器在不同温度下的传感信号的变化示意图。当温度升高时，内导体1和外导体2会发生热膨胀，引起第一强反射元件6和第二全反射元件7之间的距离d变大，从而导致传感器的谐振频率减小，因此反射信号整体向低频率方向移动。同时，对于同一温度变化，高阶谐振频率的变化量要大于低阶谐振频率的变化量。但是，高频下的电子元件（如图4和图5所示的解调系统）通常比低频的电子元件成本更高。
实施例2
图7示出了一种基于微波频域反射原理的分布式高温传感器结构示意图，内导体1和外导体2，所述内导体1和外导体2间为绝缘层3，在绝缘层3间设置有若干个级联的弱反射元件13；基于微波频域反射原理，温度的变化导致内导体1和外导体2热胀冷缩引起相邻的两个弱反射元件之间的有效距离发生改变，使得相邻的两个弱反射元件所反射的微波信号之间的有效行程发生改变，通过测量任意两个弱反射元件反射微波信号之间的行程变化，实现分布式、无断点的温度测量。
所述弱反射元件13选用耐高温介电材料（石英，蓝宝石），其形状可以为任意形状，但需要对内导体1形成支撑作用，确保内导体1与外导体2之间的同轴性，因此这些弱反射元件13也作为支撑部。
入射的电磁信号在到达第一个弱反射元件13时，由于其介电常数与绝缘层3的不匹配，一部分电磁信号会被反射回去，其反射率取决于弱反射元件13的阻抗特性
，表达式如下：
其中，Z0和Z1分别为空心同轴电缆的特征阻抗和弱反射元件13的阻抗特性。而剩下的大部分电磁波通过第一个弱反射元件，继续在电缆中传播，并到达第二个弱反射元件。同样地，有一部分电磁波会在第二个弱反射元件处被反射并通过第一个弱反射元件，到达信号探测器，而大部分电磁波会透过并继续传播，达到后续的多个弱反射元件。
需要注意的是，由于采用的是弱反射元件，电磁波在相邻弱反射元件之间的多次反射可以忽略不计。因此，输出的信号可以被认为是多个弱反射信号的简单叠加，并可以由以下公式表达：
其中，Vr[i]指在由第i个弱反射元件产生的电压反射信号；zi是指第i个弱反射元件沿着空心同轴电缆的空间位置；
是指探测电磁信号的传播常数；N代表所有级联的弱反射元件的总个数。
采用如图8所示的解调系统，分布式高温传感器通过通信同轴电缆9与矢量网络分析仪8连接，所述矢量网络分析仪8可以产生探测的电磁波信号并检测反射的信号，即S11参数，表达式如下：
其中，V0指起始输入的电压信号。需要指出的是，这里需要利用矢量网络分析仪8同时获取该传感器的幅值和相位反射系数。
对获得的复数S11信号进行解调，如图9所示，即可以得到分布式高温传感器的空间位置响应曲线，从而实现分布式温度传感。具体过程阐述如下：
首先，对获取的S11信号做傅里叶逆变换，得到分布式高温传感器的时域响应曲线，即：
其中，ω为探测信号的角频率。
继而可以得到分布式高温传感器的空间位置响应曲线，即：
式中，v表示电磁波在绝缘层3中的传播速度，
为绝缘层的相对介电常数
也就是说，各个弱反射元件沿着同轴电缆的空间位置分布情况可以被确定。图10给出了一个典型的空间位置响应曲线。该曲线中的峰值代表了各个弱反射元件的有效反射率，而峰值的位置表示了各个弱反射元件沿着空心同轴电缆的空间分布情况。
然后确定相邻弱反射元件之间的空间距离差，如第i+1个弱反射元件和第i个弱反射元件之间的的距离可以表达为：
式中，zi+1为第i+1个弱反射元件在同轴电缆的空间位置，zi第i个弱反射元件在同轴电缆的空间位置。
当温度变化时，由于内导体1和外导体2的热胀冷缩，会导致各个弱反射元件之间的有效距离产生变化，即：
因此，通过监测相邻两个弱反射元件之间的距离的变化，可以得出两个弱反射元件处的温度变化情况。而通过分布式高温传感器的空间位置响应曲线，可以对任意两个弱反射元件实现空间定位。因此，该分布式高温传感器可以实现空间连续、无断点式的超高温度测量。
需要指出的是，该分布式传感器的空间分辨率取决于相邻两个弱反射元件之间的距离。采用图7所示的解调系统，能分辨的最小距离为：
其中，
为探测信号的频率带宽。因此，探测信号频率带宽越大，能分辨的相邻两个弱反射元件之间的距离越小，即该传感器的空间分辨率越高。但是，频率带宽越大，相应的解调系统的成本越高。同时，更重要的是，还需要考虑所采用的空心同轴电缆的基模截止频率，即
空心同轴电缆的尺寸越大，其截止频率越低，因此会限制基于该同轴电缆装置的分布式传感器的空间分辨率。因此，面向不用的应用场景，本发明提出的空气绝缘空心同轴电缆需要根据本申请所提出的解调方法采用不用的设计方案；同时，对于解调系统，也需要权衡成本、性能等多个方面进行合理的选取。
本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种基于空心同轴电缆的点式高温传感器，其特征在于，包括内导体（1）和外导体（2），所述内导体（1）和外导体（2）间为绝缘层（3），在绝缘层（3）间设置有第一强反射元件（6）和第二全反射元件（7）；其中，第一强反射元件（6）与内导体（1）、外导体（2）间留有间隙，第二全反射元件（7）为圆环形，分别连接内导体（1）和外导体（2）；第一强反射元件（6）和第二全反射元件（7）间形成微波法布里-珀罗谐振腔，温度的变化导致内导体（1）和外导体（2）热胀冷缩引起微波法布里-珀罗谐振腔腔长的变化，从而导致谐振频率的变化；通过监测谐振频率，实现温度测量。
2.根据权利要求1所述的基于空心同轴电缆的点式高温传感器，其特征在于，第一强反射元件（6）和第二全反射元件（7）选用耐高温导电材料。
3.根据权利要求2所述的基于空心同轴电缆的点式高温传感器，其特征在于，第一强反射元件（6）和第二全反射元件（7）选用石墨、钨钢。
4.根据权利要求1所述的基于空心同轴电缆的点式高温传感器，其特征在于，基于空心同轴电缆的点式高温传感器中微波法布里-珀罗谐振腔的谐振频率
为：
式中，v表示电磁波在绝缘层中的传播速度，m表示谐振的阶数，
和/>
分别为第一强反射元件和第二全反射元件的相位反射系数，d为第一强反射元件和第二全反射元件之间的距离；
谐振频率与温度的关系式为：
式中，
为内导体和外导体的热膨胀系数；/>
为谐振频率的变化量，/>
为温度的变化量。
5.根据权利要求1或4所述的基于空心同轴电缆的点式高温传感器，其特征在于，获取谐振频率
包括：
所述点式高温传感器与矢量网络分析仪（8）连接，通过测量矢量网络分析仪（8）的S11系数，确定S11幅值系数最小值点，即为点式高温传感器的谐振频率；
和/或，
所述点式传感器与定向耦合器（12）连接，再分别与信号源（10）和探测器（11）连接，实现信号源（10）和探测器（11）之间的同步测量，确定点式传感器的反射信号，从而得到点式高温传感器的谐振频率。
6.一种基于空心同轴电缆的分布式高温传感器，其特征在于，包括内导体（1）和外导体（2），所述内导体（1）和外导体（2）间为绝缘层（3），在绝缘层（3）间设置有若干个级联的弱反射元件（13）；基于微波频域反射原理，温度的变化导致内导体（1）和外导体（2）热胀冷缩引起相邻的两个弱反射元件之间的有效距离发生改变，使得相邻的两个弱反射元件所反射的微波信号之间的有效行程发生改变，通过测量任意两个弱反射元件反射微波信号之间的行程变化，实现分布式、无断点的温度测量。
7.根据权利要求6所述的基于空心同轴电缆的分布式高温传感器，其特征在于，所述弱反射元件（13）选用耐高温介电材料。
8.根据权利要求7所述的基于空心同轴电缆的分布式高温传感器，其特征在于，所述弱反射元件（13）选用石英，蓝宝石。
9.根据权利要求6所述的基于空心同轴电缆的分布式高温传感器，其特征在于，分布式高温传感器输出的信号为：
式中，
为第i个弱反射元件产生的电压反射信号；zi为第i个弱反射元件沿着空心同轴电缆的空间位置；/>
为探测电磁信号的传播常数；N为所有级联的弱反射元件的总个数。
10.根据权利要求6所述的基于空心同轴电缆的分布式高温传感器，其特征在于，通过矢量网络分析仪解调分布式高温传感器；具体包括：
通过分析矢量网络分析仪测得S11信号和相位反射系数；
对S11信号做傅里叶逆变换，得到分布式高温传感器的时域响应曲线；
根据分布式高温传感器的时域响应曲线，获取分布式高温传感器的的空间位置响应曲线；
通过空间位置响应曲线上特征峰的变化，获取各个弱反射元件沿着空心同轴电缆的空间分布情况；
确定相邻弱反射元件之间的空间距离变化，得到温度变化；
相邻弱反射元件之间的空间距离与温度的关系式为：
式中，
为相邻两个弱反射元件之间的空间距离变化量，/>
为第i+1个弱反射元件和第i个弱反射元件之间的的空间距离差，/>
为温度变化量，/>
为内导体和外导体的热膨胀系数。
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