基于二维同轴布拉格结构的应变传感器的制作方法

本实用新型涉及工程结构健康监测技术领域，更具体地涉及一种基于二维同轴布拉格结构的应变传感器。

背景技术：

鉴于重大工程结构的安全事故所带来的严重经济损失、人员伤亡与恶劣社会影响，采用先进的传感技术对重大工程结构进行监测、预警和控制其运行状态对其安全保障具有重要的现实意义。实践表明，工程结构的破坏大多源于局部失效，因此局部性态信息是工程结构健康状况监测中的核心信息。在表征工程结构局部性态的诸多参量中，应变是评估结构安全最为重要的参量之一。为了监测工程结构的局部应变信息，需要在其内部植入应变传感器。理想情况下，植入的应变传感器不仅需要高的分辨率用以检测结构在正常载荷下的变化，同时它们也必须具备较大的动态范围以及适应极端条件下结构复杂变形的能力。

目前，监测结构整体的应变、加速度等参量的传感器已经比较成熟，但用于监测结构局部性态的传感器件还远远不能满足工程实际的需要。例如，以电阻应变片为代表的传统应变传感器往往尺寸过大使得埋入困难，无法实现结构内部的应变测量，同时还存在耐久性差、稳定性差、抵御灾害性事故能力差以及温度交叉敏感性等弊端，从而限制了其在结构健康监测中的应用；而现有的结构健康监测系统普遍采用的光纤光栅应变传感器，虽然能够满足工程结构正常服役状态下的监测需要，但其动态范围过小同时光纤光栅易碎从而难以抵御极端荷载或灾害、灾变事故反生时产生的大应变和剪切、扭曲等复杂变形，往往在工程结构失效前就因其发生损坏而过早失效，所以其传感性能和适应极端条件的能力依然无法满足重大结构工程健康监测的要求。

鉴于此，近年来，针对结构健康监测领域亟需的大应变传感器的研究取得了一些新的进展，其中一些采用同轴传输线作为传感信号传输媒质的应变传感器受到了国内外的普遍关注。和玻璃材料制成的光纤相比，同轴传输线的优势在于其具有更大的尺寸、更好的弹性和更高的结构强度，从而对于极限荷载和灾变事故具有较强的耐受性。

目前，基于同轴传输线的应变传感器主要采用以下两种方法测量应变：

1)通过测量应变导致的阻抗变化来提取应变信息。采用这种方法的传感器通过改变传统同轴传输线的外导体层结构使应变发生时在传输线的外导体形成阻抗不连续点，利用电时域反射(ETDR)技术监测同轴传输线的阻抗变化进而获得结构的应变信息。在实际应用中，改变同轴传输线的外导体层结构的做法有多种。例如，美国专利US 20060086197 A1利用紧密缠绕的金属薄片作为同轴传输线的外导体层，当待测结构出现应变时，该处相邻的金属薄片将会被拉开，导致电缆阻抗改变从而反映出该处的应变信息。相比于传统的光纤光栅应变传感器，该传感器的应变测量范围得到了显著的提高，但是存在相邻金属薄片接触不良、信号衰减大以及布设易损等问题。中国专利CN 102175723 A采用在传统的同轴传输线外导体刻制凹形或点式薄弱螺纹来改变其结构，虽然克服了前述结构接触不良、外导体层结构不均匀的问题，但是这种方法破坏了外导体的封闭结构，不但会引起传输信号的泄漏，而且也会降低传感器的机械强度和防腐防潮能力，因此该传感器仍然未能摆脱信号衰减大、防腐能力弱以及易损等问题。

2)通过在同轴传输线中沿轴向引入一维的阻抗不连续结构，利用不连续结构带来的反射来实现应变信息的传感。利用这种方法的传感器与光纤光栅传感器具有相似的机理，即入射波在传输线中传输时，遇到阻抗不连续结构会产生微弱的反射，在某些的频率附近，每一处阻抗不连续结构所产生的反射波将在传输线的输入端相互叠加从而产生强烈的窄带反射信号。当传输线因外力作用产生应变时，相邻的阻抗不连续结构间距的变化将使反射峰值对应的频率发生偏移，因此可通过监测频偏量来获得应变的变化。基于这一原理，美国专利US 20120272741提出的应变传感器采用在同轴传输线的保护层、外导体和介质填充层中周期性地连续钻孔来获得阻抗不连续结构。与第一种方式的应变传感器相比，该传感器由于采用了与光纤光栅相似的工作机理，具有更高的应变测量精度。然而，该传感器同样存在信号泄露以及防腐困难的问题，而且钻孔法制作过程中对同轴传输线的外导体和介质层均损伤较大，使得传感器在遭受大形变的过程中容易形成应力集中，从而未达到同轴传输线的极限形变就发生断裂，降低了应变测量的动态范围。另外，需要指出的是，由于一维阻抗不连续性结构所引发的反射对频率的选择度不佳，采用这种方式的传感器其反射系数幅频响应曲线主瓣的两边会出现幅度较大且数目丰富的旁瓣，这一现象的存在不仅会降低传感器的信噪比而且会带来传感信号的起伏从而对应变的监测造成干扰。

技术实现要素：

针对现有的基于同轴传输线的应变传感器存在的缺陷，本实用新型的目的是提供一种基于二维同轴布拉格结构的应变传感器，用以提供一种能够适应恶劣服役环境，具备高分辨率、高精度、高耐久性和较大应变测量范围的应变传感手段，从而解决工程结构健康监测领域中大应变测量的技术瓶颈。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于二维同轴布拉格结构的应变传感器，包括结构均匀的内导体、介质填充层、结构均匀的外导体、护套和不均匀结构，介质填充层套装于内导体，外导体套装于介质填充层，护套包覆于外导体，内导体的外径等于介质填充层的内径，内导体、介质填充层、外导体及护套的中心轴线位于同一直线上，不均匀结构设置于内外导体之间的，且不均匀结构具有角向和轴向的二维周期性；

应变测量时，应变传感器与网络分析仪连接，网络分析仪输入主模的入射波至应变传感器并获取主模的传输系数随频率变化的曲线，当被测结构受力拉伸后，应变传感器与被测结构协同变形以使得应变传感器内部的具有二维周期性的不均匀结构在轴向上的周期长度发生变化，从而使得阻带中心频率偏移， 网络分析仪测量阻带中心频率偏移的频移量以确定被测结构的应变量。

与现有技术相比，本实用新型的应变传感器包括设置于内外导体之间的不均匀结构，且该不均匀结构具有角向和轴向的二维周期性；应变测量时，应变传感器与网络分析仪连接，网络分析仪输入主模的入射波至应变传感器并获取主模的传输系数随频率变化的曲线，当被测结构受力拉伸后，应变传感器与被测结构协同变形以使得应变传感器内部的具有二维周期性的不均匀结构在轴向上的周期长度发生变化，从而使得阻带中心频率偏移，网络分析仪测量阻带中心频率偏移的频移量以确定被测结构的应变量。即，本实用新型的应变传感器利用了电磁波在二维同轴布拉格结构传输时的模式耦合效应实现了被测结构应变量的测量，其具有以下优点：

(1)该应变传感器是在内外导体之间设置不均匀结构，即在制作过程中无需破坏同轴传输线或波导的内外导体以及护套层结构，不仅有利于防腐，而且还能是应变传感器保持较高的机械强度从而便于布设施工；

(2)不均匀结构提供了模式耦合所需的不均匀边界条件，可以进一步提高传感器的拉伸性能；

(3)基于应变传感器的上述结构特性，不仅可以增加传感器对应变的测量范围，还可以提高其应对极端荷载以及抵抗灾害、灾变的能力；

(4)该应变传感器保持了同轴线缆的封闭结构，不会产生信号泄露的问题，能够确保获得较高质量的应变传感信号；且二维周期性不均匀结构的引入还可以从两方面提高传感器测量应变的性能：一方面，不均匀结构在受力拉伸后产生的形变将均匀分布于整段长度中，从而很容易在形变过程中保持轴向周期长度变化的均匀性，这样就可以避免由于应力集中导致应变不一致给测量结果引入的误差，进而提高应变测量的准确性；另一方面，不均匀结构所引入的二维不均匀边界可以增加模式耦合对频率的选择性从而有效地抑制传输阻带附近的旁瓣，这就使传感器可以获得更高的信噪比和测量精度。

综上所述，本实用新型的应变传感器能够适应恶劣服役环境，具备高精度、高耐久性和较大应变测量范围，可广泛应用于大跨度桥梁、隧道、高层/高耸结构、水库大坝等重要基础设施的结构健康监测过程中的应变测量。

在本实用新型的第一实施例中，不均匀结构为在介质填充层的接触内表面和/或接触外表面上刻制螺旋形的凹槽，接触内表面为介质填充层与内导体所接触的表面，接触外表面为介质填充层与外导体所接触的表面。

较佳地，当不均匀结构为在介质填充层的接触内表面和接触外表面上刻制螺旋形的凹槽时，刻制于接触内表面的凹槽与刻制于接触外表面的凹槽之间的初始相位差为180度。

在本实用新型的第二实施例中，不均匀结构为在内间隙和/或外间隙加载带状的螺旋导体，螺旋导体的厚度与内间隙或外间隙相等，内间隙为介质填充层与内导体之间的间隙，外间隙为介质填充层与外导体之间的间隙。

在本实用新型的第三实施例中，不均匀结构为在介质填充层的接触内表面和/或接触外表面上刻制螺旋形的凹槽并在凹槽内嵌入带状的螺旋导体，螺旋导体的厚度与凹槽的深度相等，接触内表面为介质填充层与内导体所接触的表面，接触外表面为介质填充层与外导体所接触的表面。

较佳地，当在接触内表面和接触外表面上刻制凹槽时，刻制于接触内表面的凹槽与刻制于接触外表面的凹槽之间的初始相位差为180度。

在本实用新型的第四实施例中，不均匀结构为在介质填充层的接触内表面和/或接触外表面上沿着螺旋线打孔，接触内表面为介质填充层与内导体所接触的表面，接触外表面为介质填充层与外导体所接触的表面。

较佳地，当在接触内表面和接触外表面上打孔时，位于接触内表面的打孔路径(内螺旋线)与位于接触外表面的打孔路径(外螺旋线)的初始相位差为180度。

在本实用新型的第五实施例中，不均匀结构为在介质填充层的接触外表面上沿着螺旋线打孔并在孔内嵌入金属柱，金属柱的直径等于孔的直径，接触外表面为介质填充层与外导体所接触的表面。

具体地，本实用新型的不均匀结构在采用凹槽的形式实现时，凹槽的宽度w与凹槽的螺距p满足以下关系：w＝p/2；其中，螺距p根据以下公式算出：

$p=\frac{c_0}{f_0\sqrt{{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_r}+\sqrt{{\left(f_0\sqrt{{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_r}\right)}^2-{\left(\frac{k_c{c}_0}{2\mathrm{\π}}\right)}^2}}$

其中，f₀为应变传感器预设的初始监测频点，且f₀对应于应变传感器未产生应变时传输阻带的中心频率，c₀为真空中的光速，ε_r为填充层采用的介质材料的相对介电常数，μ_r为该材料的相对磁导率，k_c为高阶模式的截止波数，π为圆周率。

通过以下的描述并结合附图，本实用新型将变得更加清晰，这些附图用于解释本实用新型的实施例。

附图说明

图1a是本实用新型的基于二维同轴布拉格结构的应变传感器的整体结构示意图。

图1b是表面刻制了螺旋凹槽的介质填充层的示意图。

图1c是螺旋凹槽内的带状导体。

图2是图1a所示应变传感器的横向截面示意图。

图3是图1a所示应变传感器的纵向截面示意图，其中，a₀表示传感器外导体内表面的半径，b₀表示其内导体表面的半径，w、d和p分别表示介质填充层外表面螺旋凹槽的宽度、深度和螺距，ε_r和μ_r分别表示填充层采用的介质材料的相对介电常数和相对磁导率。

图4是本实用新型的基于二维同轴布拉格结构的应变传感器的应变测量方法的示意图。

图5是本实用新型的基于二维同轴布拉格结构的应变传感器在未发生应变时的传输系数的幅频响应曲线。

图6是本实用新型的基于二维同轴布拉格结构的应变传感器在发生不同应 变时的传输系数的幅频响应曲线。

图7是本实用新型的基于二维同轴布拉格结构的应变传感器传输阻带中心频率与应变之间的关系。

具体实施方式

现在参考附图描述本实用新型的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。

为了更好地理解本实用新型，先对本实用新型应变传感器的工作原理及其与网络分析仪连接时的测量方法做如下介绍：

本实用新型的传感器其测量应变的传感机制利用了电磁波在二维同轴布拉格结构中传输时的模式耦合效应。具体而言，同轴波导主模(TEM模式)的入射波在具有二维周期性的不均匀结构的同轴传输线或波导中传输时，在不均匀结构引入的角向和轴向两个方向的非均匀边界条件的影响下，特定频率附近的入射波将会与高阶模式的反向波产生强烈地耦合，在此过程中入射波的能量将连续地转移至高阶模式从而在频谱中形成传输阻带，阻带的中心频率(即传输系数极小值对应的频率位置)取决于模式参数及二维周期性不均匀结构在轴向上的周期长度。基于上述原理，本实用新型的传感器在应变测量时，其输入端和输出端需与网络分析仪相连接，通过网络分析仪给传感器输入主模的入射波，并获取主模的传输系数随频率变化的曲线，当被测结构受力拉伸后，传感器与被测结构协同变形使其内部的二维不均匀结构在轴向上的周期长度发生变化，进而导致阻带中心频率的偏移，通过测量频移量就可以确定被测结构的应变量。

具体地，应变传感器在布设前事先测出阻带中心频率的频移与应变之间的关系，测量时通过网络分析仪获得被测结构在发生形变时的阻带中心频率的发生的偏移，通过比对已有的频移与应变关系曲线获得相应的应变量。

请参考图1至3，在本实用新型的一优选实施例中，该基于二维同轴布拉格结构的应变传感器包括结构均匀的内导体1、介质填充层2、结构均匀的外导体 4、护套5和不均匀结构，介质填充层2套装于内导体1，外导体4套装于介质填充层2，护套5包覆于外导体4，内导体1的外径等于介质填充层2的内径，内导体1、介质填充层2、外导体4及护套5的中心轴线位于同一直线上，不均匀结构设置于介质填充层2上或介质填充层2与外导体4之间，且不均匀结构具有角向和轴向的二维周期性。

具体地，如图所示，在本实施例中，介质填充层2由单一的介质材料构成，不均匀结构的具体实现方式为：在介质填充层2的接触外表面(即介质填充层2与外导体4接触的)上刻制较浅的带状螺旋凹槽，其螺旋方向沿轴向可以为顺时针或逆时针方向，凹槽内嵌入有带状的螺旋导体3，且螺旋导体3的厚度与凹槽的深度相等。

进一步地，基于前述工作原理和测量方法，当不均匀结构采用图1a至图1c所示的凹槽加螺旋导体3的方式实现时，该应变传感器的参数设计和制作主要依据以下的原则：1)为降低成本，可选择通用型号的同轴传输线或波导作为传感器原型。所选的同轴传输线或波导应具有足够的机械强度以满足传感器布设和大应变测量的需要，同时其结构参数还应确保在传感器预设的监测频率范围内能够传输高阶模式；2)介质填充层2表面的螺旋凹槽可采用常用的螺纹加工(如车削、铣削)方式制作；假定本实用新型的传感器预设的初始监测频点为f0(对应于传感器未产生应变时传输阻带的中心频率)，则螺旋凹槽的螺距p(即轴向上的周期长度)应设置为

$p=\frac{c_0}{f_0\sqrt{{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_r}+\sqrt{{\left(f_0\sqrt{{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_r}\right)}^2-{\left(\frac{k_c{c}_0}{2\mathrm{\π}}\right)}^2}}$

其中，c₀为真空中的光速，ε_r为填充层采用的介质材料的相对介电常数，μ_r为该材料的相对磁导率，k_c为高阶模式的截止波数；3)根据耦合模理论，螺旋凹槽的深度d应远小于螺旋凹槽的螺距p，而螺旋凹槽的宽度w应取为螺距p的一半(即w＝p/2)以加强主模与高阶模式之间模式耦合的强度；4)螺旋凹槽圈数的设置应综合考虑应变监测过程中对传感信号的信噪比以及不同的应变测量场合 对传感器长度的要求。在螺旋凹槽的圈数较少(N<5)的条件下，增加圈数可以有效地降低主模在传输阻带中心频率处的传输率，从而使传输阻带更为明显，以此可以显著地增加传感信号的信噪比。然而，螺旋凹槽圈数也不宜过多否则会加剧传感信号的衰减或使传感器长度超出要求。5)螺旋凹槽内嵌入的导体材料在传感器较短的条件下可选择弹性好、强度高的弹簧钢以增加传感器的机械强度，反之则应选择导电性能优良的铜或铝以降低信号衰减。

进一步的，依据前述的原理和参数设计原则，以下给出本实用新型的具体实施例的结构参数方案：首先，参考RG-14/U型号的同轴电缆参数构建应变传感器，其内导体半径为1.295mm、外导体内径为4.7mm、内外导体的材料均为铜；介质填充层的材料为聚乙烯(PE)，其相对介电常数为2.25，相对磁导率为1；其次，选取与主模临近的高阶模式TE₁₁作为耦合模式，初始的监测频点设为17.5GHz，依据前述公式螺旋凹槽的螺距应取为6.5mm，螺旋凹槽的深度设为0.8mm，凹槽圈数取为20，此时传感器在初始状态下的有效长度为13cm；螺旋凹槽内嵌入的导体材料为铜。

进一步地，请参考图5至图7，其描述了依据上述参数所设计的应变传感器在具体应用时相关曲线。具体地，图5给出了该传感器未发生应变时的传输系数(S21参数)的幅频响应(即传输系数的模随频率的变化)曲线，从图中可以看出，传输系数的极小值出现在17.5GHz，由于该点的传输系数较小(其值约为31.4dB)致使频谱中的传输阻带出现了明显的主瓣，其两边的旁瓣均不甚显著。图6给出该传感器在受力拉伸后出现不同应变时传输响应曲线，其中应变的步长设定为0.02，最大应变值取0.2。从图中可以看出，随着应变的加大，阻带中心频率不断地下移，当传感器达到最大应变时，阻带中心频率移至15.4GHz。图7给出了阻带中心频率与应变值之间的关系，由此可通过监测阻带中心的频移量换算出传感器产生的应变量。从图5至图7可以看出，以上结果验证了本实用新型传感器实现应变测量的可行性，同时也表明本实用新型所采用的技术方案可以有效地抑制对应变测量带来干扰的旁瓣，从而使传感器获得更好的应变测量性能。

综上，与现有技术相比，本实施例中的应变传感器不论是在构成方式还是在工作机理及测量方法上，均与现有的基于同轴传输线的应变传感器存在显著的不同，而正是这些差异给本实用新型的传感器在结构强度、耐腐蚀性及应变测量性能上带来了更好的效果和明显的益处，体现在：

1)本实用新型的传感器在制作过程中无需破坏同轴传输线或波导的内外导体以及护套层结构，不仅有利于防腐，而且还能够使传感器保持较高的机械强度从而便于布设施工；传感器内外导体之间的介质填充物由单一的介质材料构成，幅度较浅的螺旋凹槽均匀分布于整段填充结构中，这样既克服了现有的传感器拉伸后易断裂的问题，也避免了采用钻孔方式导致的应力集中问题，从而使传感器具有较好的形变能力；在介质填充层表面的螺旋凹槽中嵌入具有弹性的金属螺旋线不仅可以提供模式耦合所需的不均匀边界条件，而且还能够进一步提高传感器的机械强度和拉伸性能；上述特性不仅可以增加传感器对应变的测量范围，还可以提高其应对极端荷载以及抵抗灾害、灾变的能力。

2)本传感器保持了同轴电缆的封闭结构，不会产生信号泄露的问题，能够确保获得较高质量的应变传感信号；而通过在介质填充层加载带状螺纹导体来引入二维不均匀性还可以从两方面提高传感器测量应变的性能：一方面，由金属构成的带状螺旋导体具有与弹簧相似的拓扑结构，其在受力拉伸后产生的形变将均匀分布于整段长度中，从而很容易在形变过程中保持螺旋结构的一致性和轴向周期长度变化的均匀性，这样就可以避免由于应力集中导致应变不一致给测量结果引入的误差，进而提高应变测量的准确性；另一方面，螺旋导体所引入的二维不均匀边界可以增加模式耦合对频率的选择性从而有效地抑制传输阻带附近的旁瓣，这就使传感器可以获得更高的信噪比和测量精度。

综上所述，本实施例提供了一种能够适应恶劣服役环境，具备高精度、高耐久性和较大应变测量范围的应变传感器，该传感器可广泛应用于大跨度桥梁、隧道、高层/高耸结构、水库大坝等重要基础设施的结构健康监测过程中的应变测量。

此外，在本实用新型的另外实施例中，不均匀结构的实现方式还可以有以 下几种：

(1)在介质填充层的接触内表面和接触外表面上(往介质内)均刻制螺旋形的凹槽，或者仅在接触内表面上(往介质内)刻制螺旋形的凹槽，其中接触内表面为介质填充层与内导体所接触的表面，接触外表面为介质填充层与外导体所接触的表面；较佳地，当不均匀结构为在接触内表面和接触外表面上(往介质内)刻制螺旋形的凹槽时，刻制于接触内表面的凹槽与刻制于接触外表面的凹槽之间的初始相位差为180度；

(2)在内间隙和/或外间隙加载带状的螺旋导体，螺旋导体的厚度与内间隙或外间隙相等，内间隙为介质填充层与内导体之间的间隙，外间隙为介质填充层与外导体之间的间隙；

(3)在介质填充层接触内表面和/或接触外表面上(往介质内)刻制螺旋形的凹槽并在凹槽内嵌入带状的螺旋导体，螺旋导体的厚度与凹槽的深度相等；较佳地，当在接触内表面和接触外表面上刻制凹槽时，刻制于接触内表面的凹槽与刻制于接触外表面的凹槽之间的初始相位差为180度；

(4)在接触内表面和/或接触外表面上沿着螺旋线打孔；当在接触内表面和接触外表面上打孔时，位于接触内表面的打孔路径(内螺旋线)与位于接触外表面的打孔路径(外螺旋线)的初始相位差为180度。

(5)在接触外表面上沿着螺旋线打孔并在孔内嵌入金属柱，金属柱的直径等于孔的直径。

此外，需要说明的是，上述实现方式中，在采用凹槽的形式实现时，凹槽的宽度w与凹槽的螺距p满足以下关系：w＝p/2；其中，螺距p根据以下公式算出：

$p=\frac{c_0}{f_0\sqrt{{\mathrm{\&mu;}}_r{\mathrm{\&epsiv;}}_r}+\sqrt{{\left(f_0\sqrt{{\mathrm{\&mu;}}_r{\mathrm{\&epsiv;}}_r}\right)}^2-{\left(\frac{k_c{c}_0}{2\mathrm{\&pi;}}\right)}^2}}$

其中，f₀为应变传感器预设的初始监测频点，且f₀对应于应变传感器未产生应变时传输阻带的中心频率，c₀为真空中的光速，ε_r为填充层采用的介质材料的 相对介电常数，μ_r为该材料的相对磁导率，k_c为高阶模式的截止波数。

综上所述，本实用新型的应变传感器能够适应恶劣服役环境，具备高精度、高耐久性和较大应变测量范围，可广泛应用于大跨度桥梁、隧道、高层/高耸结构、水库大坝等重要基础设施的结构健康监测过程中的应变测量。

以上结合最佳实施例对本实用新型进行了描述，但本实用新型并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本实用新型的本质进行的修改、等效组合。