[发明专利]一种基于同轴电缆的分布式裂纹传感器

说明书

技术领域

本发明属于工程结构安全监测技术领域，涉及到结构行为的损伤监测传感器，特别涉及到一种基于同轴电缆的恶劣服役环境用分布式裂纹(或大应变)监测传感器。

背景技术

裂纹是表征结构损伤和安全性态的最直接指标，采取有效手段对其进行长期可靠监测和预警在结构安全领域具有重要的现实意义。目前工程应用中采用的裂纹测试手段主要包括：位移传感器(LVDT)、应变测试转换、目测法等，以及传统的无损检测技术，包括剪切闪斑、白光闪斑、激光CCD等非接触测试和渗透测试法。上述方法具有无法实现结构裂纹的实时分布式监测、成本较高、操作困难等致命缺点，尤其是不适于恶劣服役环境，无法满足实际工程需要。针对裂纹监测过程中存在的上述问题，近年来国外相关学者采用同轴电缆作为传感器基于电时域反射(ETDR，Electrical Time Domain Reflectometry)技术初步实现了结构裂纹及大应变的实时分布式监测。ETDR的测试原理是：脉冲发生器将电脉冲送入传输线(如同轴电缆等)作为激励信号，由传输线理论可知，电脉冲沿传输线传输遇到阻抗不连续时，会在阻抗变化处产生反射现象，通过对反射信号进行取样分析，便可得出阻抗不连续点的阻抗值和位置。美国克拉克亚特兰大大学的Mark W.Lin等人基于该原理将商用的同轴电缆作为传感器直接布设到工程结构中，同轴电缆在裂纹作用下发生机械形变导致阻抗发生变化进而反映裂纹位置和扩展程度，初步实现了工程结构裂纹的检测，但存在反射信号微弱、灵敏度低等缺点，无法满足大尺度工程结构微小裂纹的测试需求。为了提高同轴电缆传感器的裂纹测试灵敏度，美国密苏里大学Genda Chen等人采用直接在同轴电缆绝缘层外手工螺旋缠绕金属薄片的方式对同轴电缆的外导体层进行改进，相邻缠绕的金属薄片紧贴在一起，当待测结构出现应变(或裂纹)时，该处相邻的金属薄片将会被拉开，导致同轴电缆的阻抗发生变化进而反映裂纹信息(2008，Genda Chen，美国专利，编号7421910B2)。该传感器的灵敏度相比于Mark W.Lin等人的提高了10到50倍。但由于其采用手工螺旋缠绕的方式制作同轴电缆传感器外导体层，存在缠绕金属薄片接触不良、介质干扰大、信号衰减大导致有效测试距离短、防腐处理困难以及布设过程中易损坏等问题，无法实现产业化生产及实际工程的推广应用。目前，未见其成果在实际工程上应用。

以上研究表明，通过改变同轴电缆外导体层结构可以有效提高传感器探测灵敏度和增大裂纹监测尺度，进而有望实现结构裂纹的分布式监测。而如何对外导体层结构进行改进，成为分布式同轴电缆裂纹传感器能否满足实际工程测试需要的关键问题。鉴于此，申请人回避他人的关键缺点，提出在同轴电缆金属外导体层上制作薄弱环节，如直接刻制凹形薄弱螺纹、点式薄弱螺纹等，很好地解决了目前国际发明专利的缺点，有望实现分布式同轴电缆裂纹传感器的工程化应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐久性好、裂纹(或大应变)监测尺度大、具有结构损伤记忆功能、传输距离大、布设方便、成本低廉的基于同轴电缆的分布式裂纹传感器，解决了结构裂纹实时分布式监测的技术瓶颈。

本发明的技术方案如下：

一种基于同轴电缆的分布式裂纹传感器，从内到外依次为内层的金属导体芯、中间的绝缘层、带薄弱环节的金属外导体层(如凹陷薄弱螺纹、点式薄弱螺纹等)及表面防腐材料。

本发明还有这样一些特征技术：

1)所述的凹陷薄弱螺纹是通过对同轴电缆施加旋转前进式牵引，同时利用钻头在同轴电缆外导体层上刻制凹槽加工而成；

2)所述的点式薄弱螺纹是通过对同轴电缆施加旋转前进式牵引，同时利用打孔机在同轴电缆外导体层上连续打孔加工而成；

3)所述的凹陷薄弱螺纹的刻制深度和螺纹间距以及点式薄弱螺纹的打孔间距根据工程结构对测试灵敏度和空间分辨率的要求选取不同的数值。

测试工作是这样实现的：将上述传感器布设到结构中，通过电时域反射计获取同轴电缆受裂纹调制产生的衰减信号。具体来说，由电时域反射计发出一个电脉冲传入传感器，当待测结构出现裂纹时，外导体层上的薄弱螺纹与裂纹协同形变被拉开使阻抗发生变化，导致一部分脉冲信号被反射，通过电时域反射计对反射信号的分析可确定裂纹发生位置及扩展程度。