核心詞：MCP 掘進(jìn)機(jī) 橡 套 電纜 MCP 采煤機(jī) 電纜 
　　結(jié)構(gòu)在長期服役過程中受到環(huán)境腐蝕、材料老化、荷載長期效應(yīng)的影響,產(chǎn)生損傷累積,在極端情況下可能發(fā)生災(zāi)難性事故。因而,對重大結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測診斷,預(yù)測結(jié)構(gòu)性能變化,做出維護(hù)決定,具有重大意義。傳感器處于健康監(jiān)測系統(tǒng)的最前端,對測量的精確度起到?jīng)Q定作用。而土木工程的實(shí)際應(yīng)用要求傳感器具有大變形測量能力和良好的傳感性能,并且能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境。
　　1、MCP掘進(jìn)機(jī)屏蔽橡套軟電纜MCP采煤機(jī)電纜:價格低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)進(jìn)入研究視野
　　同軸電纜憑借材料堅固、抵抗電磁干擾、價格低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)進(jìn)入研究視野。20世紀(jì)末,同軸電纜電時域反射技術(shù)開始用于土木工程領(lǐng)域:DowdingCH等將同軸電纜用于監(jiān)測巖體變形;MiauBS將同軸電纜嵌入混凝土中探測結(jié)構(gòu)內(nèi)部的斷裂破壞;LinMW等將同軸電纜研制成混凝土裂紋傳感器;KaneWF將同軸電纜用于滑坡監(jiān)測。隨后,基于相似的電磁場理論機(jī)制,光纖傳感器的優(yōu)異概念在同軸電纜中得到應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了同軸電纜布拉格電柵傳感器的制作及鋼筋混凝土梁的應(yīng)變監(jiān)測。HaiXiao等率先提出并發(fā)展了同軸電纜法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲性?并驗(yàn)證了CCFPI傳感器的應(yīng)變測量能力,為其應(yīng)用研究奠定了理論基礎(chǔ);TrontzA等用不銹鋼管和鋼絲作為外導(dǎo)體和內(nèi)導(dǎo)體,氧化鋁陶瓷作為絕緣層重構(gòu)同軸電纜,研制出CCFPI高溫監(jiān)測傳感器。上述CCFPI傳感器的研究主要聚焦于傳感機(jī)理分析與應(yīng)變解算方法,而想要將其用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的工程實(shí)踐仍需開展大量工作。
　　2、MCP掘進(jìn)機(jī)屏蔽橡套軟電纜MCP采煤機(jī)電纜:從ccfpi傳感器的工程應(yīng)用角度出發(fā)
　　本文從CCFPI傳感器工程化應(yīng)用的角度出發(fā),提出鉗壓法制作工藝,通過仿真模擬分析鉗壓法制作CCFPI傳感器的性能影響因素,實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計,并對CCFPI傳感器進(jìn)行封裝保護(hù),試驗(yàn)驗(yàn)證其用于應(yīng)變監(jiān)測的可行性,為工程化應(yīng)用研究提供器件基礎(chǔ)。采用ANSYSHFSS軟件進(jìn)行仿真分析,由于電磁波的傳輸存在集膚效應(yīng),近似認(rèn)為同軸電纜的內(nèi)外導(dǎo)體均為理想導(dǎo)體,將內(nèi)導(dǎo)體的材料屬性選為PEC,令絕緣層的外表面與背景直接關(guān)聯(lián)自動定義為理想導(dǎo)體邊界,省略外導(dǎo)體的建模,以此對模型進(jìn)行合理簡化,加快計算速度。

模型尺寸依照SF141型號電纜的結(jié)構(gòu)參數(shù)(如表1所示)設(shè)置,內(nèi)導(dǎo)體直徑為0.92mm,絕緣層外徑為2.98mm,材質(zhì)為聚四氟乙烯(材料屬性選用Teflon);模型長度為140mm。求解頻點(diǎn)采用LinearCount方式設(shè)置,起始頻率為45MHz,終止頻率為8GHz,頻點(diǎn)個數(shù)為16001。一般而言,鉗壓程度越大,鉗壓長度越長,反射信號越強(qiáng)。本文采用控制變量法模擬不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對干涉頻譜的影響,確定合理結(jié)構(gòu)參數(shù)的范圍,從而為CCFPI傳感器的優(yōu)化設(shè)計提供參考。當(dāng)鉗壓間距為80mm,反射點(diǎn)鉗壓變形長度為2mm,絕緣層外徑以0.2mm步距由2.4mm變化至1.4mm,由圖3可知,絕緣層外徑越小(即鉗壓變形程度越大),干涉頻譜的峰值越高,圖譜形狀愈加規(guī)整,但是當(dāng)絕緣層外徑由1.6mm變化到1.4mm時,波峰發(fā)生輕微展寬,可能是因?yàn)楫?dāng)鉗壓變形增大到一定程度后,阻抗變化區(qū)的幾何長度難以繼續(xù)近似看作單一的反射點(diǎn),其對反射信號的影響將不可忽略。此外,可以看出,當(dāng)絕緣層外徑在1.4～2mm范圍內(nèi),信號質(zhì)量較好。當(dāng)鉗壓間距為80mm,反射點(diǎn)絕緣層外徑為2mm,鉗壓變形長度以2mm步距由2mm變化至10mm,由圖4可知,鉗壓長度不小于2mm時,干涉頻譜的形狀均比較規(guī)整,且鉗壓變形區(qū)段越長,頻譜峰值越高,信號越強(qiáng)。當(dāng)反射點(diǎn)絕緣層外徑為2mm,鉗壓變形長度為4mm,鉗壓間距分別為60,70,80mm,由圖5可知,增大鉗壓間距,信號強(qiáng)度基本不受影響,只是頻譜向左偏移,與式的理論推導(dǎo)結(jié)果吻合。當(dāng)鉗壓間距為80mm,反射點(diǎn)鉗壓變形長度為2mm,第1個反射點(diǎn)的絕緣層外徑R1為2mm,第2個反射點(diǎn)的絕緣層外徑R2以0.2mm步距由1.4mm變化至2.4mm,仿真結(jié)果如圖6所示。當(dāng)R2由1.4mm向2mm變化時,信號峰值逐漸降低,干涉頻譜的波峰和波谷也更加明顯;當(dāng)R2=R1=2mm時,干涉現(xiàn)象最為明顯;當(dāng)R2超過2mm后,信號峰值繼續(xù)降低,干涉頻譜再次趨于平緩。由此可知,反射點(diǎn)一致性對信號質(zhì)量有重要影響,制作傳感器時應(yīng)盡量保持兩反射點(diǎn)的鉗壓變形程度一致,并需要對傳感器的反射點(diǎn)進(jìn)行封裝保護(hù),使兩點(diǎn)的反射系數(shù)在測量過程中保持穩(wěn)定。
　　3、MCP掘進(jìn)機(jī)屏蔽橡套軟電纜MCP采煤機(jī)電纜:法布里-珀羅腔長（即反射點(diǎn)之間的距離）的變化會引起干涉譜的頻移
　　當(dāng)同軸電纜受到拉伸,法珀腔長度(即反射點(diǎn)間距)改變使干涉譜發(fā)生頻移。本文采用譜峰追跡法,追蹤波谷頻點(diǎn)的移動軌跡,求解電纜應(yīng)變。設(shè)置反射點(diǎn)絕緣層外徑為2mm,鉗壓變形長度為2mm,鉗壓間距為80mm,并以1mm的步距增大至88mm,相應(yīng)的干涉頻譜如圖7所示,干涉頻譜的波谷隨著兩個反射點(diǎn)間距的增大向左移動,且諧振階次越大,偏移越明顯。
　　4、MCP掘進(jìn)機(jī)屏蔽橡套軟電纜MCP采煤機(jī)電纜:選擇第三至第六槽記錄頻點(diǎn)
　　選取第3～6個波谷記錄頻點(diǎn),計算相比于未拉伸狀態(tài)(即0mm狀態(tài))的頻移量,得到如圖7所示的應(yīng)變頻移曲線。由圖可知,CCFPI傳感器對應(yīng)變成線性頻移響應(yīng),且4條擬合直線的相關(guān)系數(shù)r2均超過0.998,線性度良好。液壓鉗擠壓模塊示意圖如圖8所示,當(dāng)左右兩部分緊密貼合時,中部會余留已知孔徑的開口,限制最大擠壓程度,從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)擠壓。根據(jù)上節(jié)仿真分析的結(jié)果可知,當(dāng)反射點(diǎn)絕緣層外徑在1.4～2mm范圍內(nèi),干涉信號質(zhì)量較好。假設(shè)擠壓過程中,金屬套管厚度和外導(dǎo)體厚度均保持不變,則擠壓模塊的孔徑在2.6～3.2mm之間為宜,因而本試驗(yàn)選用孔徑為3mm厚度為10mm的擠壓模塊制作CCFPI傳感器。將同軸電纜兩端分別與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和50Ω負(fù)載相連,以80mm間距擠壓12mm長的金屬套管帶動電纜外導(dǎo)體變形,觀察時域反射信號,發(fā)現(xiàn)兩點(diǎn)的反射系數(shù)均在0.03左右,具有良好的一致性。為減輕反射點(diǎn)在試驗(yàn)拉伸中可能發(fā)生的不一致變形,用30mm長的銅管灌注環(huán)氧樹脂對其進(jìn)行封裝保護(hù)。
　　5、MCP掘進(jìn)機(jī)屏蔽橡套軟電纜MCP采煤機(jī)電纜:能夠承受一定的剪切或變形
　　同時,考慮到同軸電纜能夠承受一定剪力或變形的優(yōu)異結(jié)構(gòu)特性,不對其他區(qū)段進(jìn)行處理。反射點(diǎn)封裝前后的實(shí)物圖如圖9所示。將CCFPI傳感器兩端的接頭分別與VNA和50Ω負(fù)載相連,直接測得頻域的S11反射參數(shù)。采用聯(lián)合時頻技術(shù)解調(diào),首先對S11反射譜進(jìn)行線性調(diào)頻Z逆變換,得到CCFPI傳感器的時域信息;再借助VNA的時域門選通功能選取2個反射點(diǎn)(即時域信號上的2個反射峰)構(gòu)成法珀腔;最后,通過chirp-Z變換將選通后的時域信號轉(zhuǎn)換到頻域,得到CCFPI的干涉頻譜。具體變換流程如圖10所示。
　　6、MCP掘進(jìn)機(jī)屏蔽橡套軟電纜MCP采煤機(jī)電纜:將ccfpi的標(biāo)距設(shè)置為800mm
　　試驗(yàn)過程及結(jié)果分析為了觀察CCFPI傳感器對微小應(yīng)變的反應(yīng),將CCFPI的標(biāo)距設(shè)為800mm,并通過光纖光柵和千分表讀數(shù)了解電纜變形情況。設(shè)置VNA掃頻范圍為45MHz～8GHz,掃頻點(diǎn)數(shù)為16001,試驗(yàn)用拉伸裝置如圖11所示。
　　7、MCP掘進(jìn)機(jī)屏蔽橡套軟電纜MCP采煤機(jī)電纜:ccfpi傳感器測得的應(yīng)變值可近似計算為Δf/FN
　　忽略拉伸過程中同軸電纜絕緣層相對介電常數(shù)的改變,根據(jù)式,CCFPI傳感器量測的應(yīng)變值可以近似由Δf/fN′計算,其中fN′為當(dāng)前拉伸步法珀腔的諧振頻率,本試驗(yàn)選取第4個波谷進(jìn)行解調(diào)。將FBG粘貼在封裝銅管的表面,以每級0.04mm的步距拉伸電纜至千分表讀數(shù)為0.8mm,試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示,礦用電纜橫軸表示千分表測量的位移值,縱軸表示CCFPI和FBG測量的應(yīng)變值。由圖,可以觀察到CCFPI傳感器的應(yīng)變曲線存在水平段,實(shí)測應(yīng)變值以110με步距增長,說明在本文的試驗(yàn)條件下CCFPI傳感器的分辨率可以達(dá)到110με,并且這一實(shí)測值,與利用仿真分析求得的波谷4的應(yīng)變頻移響應(yīng)靈敏度3.83kHz/με和掃頻間距497.19kHz計算得出的分辨率130με相符。同時,可以觀察到CCFPI傳感器的應(yīng)變數(shù)值增長存在非等拉伸步數(shù)增長的現(xiàn)象,原因有以下兩點(diǎn):拉伸過程中難以保證每個拉伸步長嚴(yán)格等于0.04mm;兩個精準(zhǔn)拉伸步產(chǎn)生的變形僅為100με,需要與相鄰拉伸步的變形進(jìn)行累積達(dá)到110με的分辨率,才能使CCFPI傳感器產(chǎn)生干涉圖譜頻移的響應(yīng)。另外,對比CCFPI和FBG的測量數(shù)據(jù),可以發(fā)現(xiàn)二者吻合良好,說明CCFPI傳感器可以感知小應(yīng)變,且在小應(yīng)變量程范圍內(nèi)的測量結(jié)果真實(shí)可靠。繼續(xù)增大變形至3000με,之后以每級3000με的步距拉伸至CCFPI傳感器失效(約140000με),用千分表讀數(shù)換算的應(yīng)變值作為橫坐標(biāo),用CCFPI干涉圖譜頻移量換算的應(yīng)變值作為縱坐標(biāo),可以得到如圖13所示的測量結(jié)果。試驗(yàn)曲線具有良好的線性度,相關(guān)系數(shù)r2為0.99867,斜率為1.00492,即CCFPI傳感器的實(shí)測數(shù)據(jù)與千分表的測量結(jié)果高度吻合,表明CCFPI傳感器具有大應(yīng)變測量的能力,且測量結(jié)果真實(shí)可靠。本文就鉗壓法制作工藝的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對CCFPI傳感信號的影響進(jìn)行仿真模擬,分析得出:當(dāng)反射點(diǎn)絕緣層外徑在1.4～2mm范圍內(nèi),鉗壓變形長度不小于2mm,干涉信號質(zhì)量較好;反射點(diǎn)間距基本只影響諧振頻率,而反射點(diǎn)一致性則會嚴(yán)重影響信號質(zhì)量。此外,模擬電纜拉伸過程觀察到信號頻移與電纜應(yīng)變呈良好的線性關(guān)系。
　　8、MCP掘進(jìn)機(jī)屏蔽橡套軟電纜MCP采煤機(jī)電纜:說明ccfpi傳感器的測量結(jié)果是真實(shí)可靠的
　　依據(jù)模擬結(jié)果,優(yōu)化CCFPI傳感器的制作參數(shù),并用環(huán)氧樹脂對反射點(diǎn)進(jìn)行封裝保護(hù),拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明:CCFPI傳感器的分辨率可以達(dá)到110με,并且測量結(jié)果在小應(yīng)變量程范圍內(nèi)與FBG吻合良好,說明CCFPI傳感器的測量結(jié)果真實(shí)可靠。此外,測得CCFPI傳感器的失效應(yīng)變約為140000με,并且拉伸過程中始終與千分表讀數(shù)吻合,說明CCFPI傳感器可以實(shí)現(xiàn)大應(yīng)變測量。
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