一种梯度变截面同轴布拉格栅应变传感器及其使用方法技术

本发明专利技术提供一种梯度变截面同轴布拉格栅应变传感器及其使用方法。传感器包括：若干个结构相同的单周期传感结构，各所述单周期传感结构一体化连接；任意所述单周期传感结构由内向外依次包括同轴设置的内导体、横截面半径梯度渐变的绝缘层、金属外导体以及外层护套；所述梯度渐变绝缘层的梯度模型由三次样条插值曲线构建。与传统的同轴电栅传感器相比，梯度渐变绝缘层整体结构连续，结构简单，成本低廉，应变范围大，应变过程中受力均匀，结构感知灵敏，响应速度快。响应速度快。响应速度快。

【技术实现步骤摘要】
一种梯度变截面同轴布拉格栅应变传感器及其使用方法


[0001]本专利技术涉及结构健康监测领域
，具体而言，尤其涉及一种梯度变截面同轴布拉格栅应变传感器及其使用方法。

技术介绍

[0002]船舶、海工平台、桥隧工程等大型基础设施在全寿命周期内，自然、人为等因素导致自身结构或机能受到不同程度的损伤。如果损伤监测不及时，将严重威胁到经济生命财产安全，因此，对大型设施进行实时的结构健康监测(SHM)是十分必要的。作为SHM的重要组成部分，无损实时应变传感器对监测响应速度、微应变分辨性、稳定性等均具有决定性作用，针对实时应变传感器的研究一直以来是SHM领域的一个热点，并随着相关理论的不断深入和制备工艺的不断推陈出新而逐步发展。其中最具代表性并在工程中常用的应变传感器是阻抗型应变片和布拉格光纤光栅应变传感器。由于单应变片监测范围有限，对大范围应变而言所需传感器埋设量巨大，因此其对大型设施的健康监测显得有些力不从心。而布拉格光纤光栅应变传感器由于其易碎、应变范围小等特性而应用受到一定限制。
[0003]目前应用于结构健康监测中的应变传感器动态应变监测范围小，受力拉伸过程中应力集中、结构存在滑移，精准度误差大，漏波严重，频率衰减大，绝缘介质层发生塑性形变，传感器受损不可重复使用，加大传感器维护成本。

技术实现思路

[0004]根据上述提出的应变传感器动态应变监测范围小，受力拉伸过程中应力集中、结构存在滑移，精准度误差大等技术问题，而提供一种梯度变截面同轴布拉格栅(coaxial cable Bragg grating,CCBG)应变传感器及其使用方法。本专利技术主要采用三次样条插值函数定义CCBG绝缘层外部构型，通过调整插值点的特征参数以获取合理传输特性及极值监测频点。
[0005]本专利技术采用的技术手段如下：
[0006]一种梯度变截面同轴布拉格栅应变传感器，包括：若干个结构相同的单周期传感结构，各所述单周期传感结构一体化连接；任意所述单周期传感结构由内向外依次包括同轴设置的内导体、横截面半径梯度渐变的绝缘层、金属外导体以及外层护套；
[0007]所述横截面半径梯度渐变的绝缘层模型由三次样条插值曲线构建：
[0008][0009]其中，S
i
(x)表示三次样条插值函数，s
″
(x
i
)表示S
i
(x)的二阶导数，表示x
i
对应的三次样条曲线函数值，x
i
，x
i+1
单周期子区间两端点坐标，x表示函数中的设定参量标记符，x
i
<x<x
i+1
。
[0010]进一步地，所述传感器端部连接有匹配负载。
[0011]进一步地，所述单周期传感结构的长度根据以下方式确定：
[0012][0013]其中，l0表示单周期传感结构的长度，v
wav
表示波在同轴线中的传播速度，ω0表示初始设定监测频点，c
o
表示光速，ε
i
表示同轴线绝缘层介电常数。
[0014]进一步地，所述梯度渐变绝缘层采用低弹性模量介质制备，通过3D打印技术加工制作。
[0015]本专利技术还提供了一种上述梯度变截面同轴布拉格栅应变传感器的使用方法，其特征在于，包括：
[0016]将所述梯度变截面同轴布拉格栅应变传感器与待监测结构相结合，结合方式包括贴合于待测结构表面或者埋藏在待测结构内；
[0017]将所述梯度变截面同轴布拉格栅应变传感器与网络分析仪相连；
[0018]用网络分析仪读取传感器S参数；
[0019]在初始设定极值频点处同轴应变传感器产生最大的反射系数，该初始设定极值频点由三次样条曲线的插值型值点来确定；
[0020]使所述梯度变截面同轴布拉格栅应变传感器沿轴向受力拉伸形变，初始设定极值频点随之发生频移，基于初始设定极值频点频移量与结构应变量的对应关系，获取结构应变量结果。
[0021]进一步地，传感器中包括的单周期传感结构数量根据网络分析仪对反射及透射系数幅值的分辨程度确定。
[0022]较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0023]1、本专利技术提出一种可重复使用高延伸率梯度变截面同轴布拉格栅应变传感器。采用三次样条插值函数定义CCBG绝缘层外部构型，通过调整插值点的特征参数以获取合理传输特性及极值监测频点，构建具有梯度变截面的周期性阻抗不连续CCBG应变传感器设计及分析模型。引入低弹性模量材料作为绝缘层并通过3D打印技术对梯度变截面绝缘层进行制备，验证了设计梯度结构的可制备性及结构的合理性。
[0024]2、与传统的同轴线相比，梯度渐变绝缘层整体结构连续，结构制备简单，成本低廉，应变范围大，应变过程中受力均匀，结构感知灵敏，响应速度快。抗干扰能力强受外界影响因素小，耐腐蚀，可靠性高可循环使用，可实现大范围动态应变监测。
[0025]基于上述理由本专利技术可在结构健康监测领域广泛推广。
附图说明
[0026]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发
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。
[0027]图1为本专利技术梯度变截面同轴布拉格栅应变传感器结构示意图。
[0028]图2为本专利技术单周期传感结构长度示意图。
[0029]图3为本专利技术梯度变截面同轴布拉格栅应变传感器外截面形式。
[0030]图4为本专利技术梯度变截面同轴布拉格栅应变传感器梯度变截面同轴布拉格栅主视图。
[0031]图5为实施例中获得的S参数曲线，其中，S21为透射系数曲线，S11为反射系数曲线。
[0032]图6为实施例中频移相对于应变的描点图。
[0033]图中：1、内导体；2、横截面半径梯度渐变的绝缘层；3、金属外导体。
具体实施方式
[0034]需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。
[0035]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本专利技术及其应用或使用的任何限制。基于本专利技术中的实施例，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他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0036]需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种梯度变截面同轴布拉格栅应变传感器，其特征在于，包括：若干个结构相同的单周期传感结构，各所述单周期传感结构一体化连接；任意所述单周期传感结构由内向外依次包括同轴设置的内导体、横截面半径梯度渐变的绝缘层、金属外导体以及外层护套；所述横截面半径梯度渐变的绝缘层模型由三次样条插值曲线构建：其中，S
i
(x)表示三次样条插值函数，s
″
(x
i
)表示S
i
(x)的二阶导数，f
i
＝f
(xi)
表示x
i
对应的三次样条曲线函数值，x
i
，x
i+1
表示单周期子区间两端点坐标，x表示函数中的设定参量标记符，x
i
<x<x
i+1
。2.根据权利要求1所述的梯度变截面同轴布拉格栅应变传感器，其特征在于，所述传感器端部连接有匹配负载。3.根据权利要求1所述的梯度变截面同轴布拉格栅应变传感器，其特征在于，所述单周期传感结构的长度根据以下方式确定：其中，l0表示单周期传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：史鹏飞，唐有福，赵宏革，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：