一种基于空心同轴电缆的高温传感器的制作方法

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：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

技术实现思路

1、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。

2、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。

3、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。

4、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；

5、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：

6、

7、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；

8、谐振频率与温度的关系式为：

9、

10、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。

11、进一步地，获取谐振频率包括：

12、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；

13、和/或，

14、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。

15、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。

16、进一步地，所述弱反射元件选用耐高温介电材料。

17、进一步地，所述弱反射元件选用石英，蓝宝石。

18、进一步地，分布式高温传感器输出的信号为：

19、

20、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。

21、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：

22、通过分析矢量网络分析仪测得s11信号和相位反射系数；

23、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；

24、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；

25、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；

26、确定相邻弱反射元件之间的空间距离变化，得到温度变化；

27、相邻弱反射元件之间的空间距离与温度的关系式为：

28、

29、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。

30、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。

技术特征：

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：

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：

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：

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：

技术总结
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。

技术研发人员：朱琛
受保护的技术使用者：之江实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13