核心词：
MCP 掘进机 橡 套 电缆 MCP 采煤机 电缆 结构在长期服役过程中受到环境腐蚀、材料老化、荷载长期效应的影响,产生损伤累积,在极端情况下可能发生灾难性事故。因而,对重大结构进行实时监测诊断,预测结构性能变化,做出维护决定,具有重大意义。传感器处于健康监测系统的最前端,对测量的精确度起到决定作用。而土木工程的实际应用要求传感器具有大变形测量能力和良好的传感性能,并且能够适应恶劣的工作环境。
1、MCP掘进机屏蔽橡套软电缆MCP采煤机电缆:价格低廉等诸多优点进入研究视野 同轴电缆凭借材料坚固、抵抗电磁干扰、价格低廉等诸多优点进入研究视野。20世纪末,同轴电缆电时域反射技术开始用于土木工程领域:DowdingCH等将同轴电缆用于监测岩体变形;MiauBS将同轴电缆嵌入混凝土中探测结构内部的断裂破坏;LinMW等将同轴电缆研制成混凝土裂纹传感器;KaneWF将同轴电缆用于滑坡监测。随后,基于相似的电磁场理论机制,光纤传感器的优异概念在同轴电缆中得到应用,实现了同轴电缆布拉格电栅传感器的制作及钢筋混凝土梁的应变监测。HaiXiao等率先提出并发展了同轴电缆法布里-珀罗干涉传感原理,并验证了CCFPI传感器的应变测量能力,为其应用研究奠定了理论基础;TrontzA等用不锈钢管和钢丝作为外导体和内导体,氧化铝陶瓷作为绝缘层重构同轴电缆,研制出CCFPI高温监测传感器。上述CCFPI传感器的研究主要聚焦于传感机理分析与应变解算方法,而想要将其用于结构健康监测的工程实践仍需开展大量工作。
2、MCP掘进机屏蔽橡套软电缆MCP采煤机电缆:从ccfpi传感器的工程应用角度出发 本文从CCFPI传感器工程化应用的角度出发,提出钳压法制作工艺,通过仿真模拟分析钳压法制作CCFPI传感器的性能影响因素,实现优化设计,并对CCFPI传感器进行封装保护,试验验证其用于应变监测的可行性,为工程化应用研究提供器件基础。采用ANSYSHFSS软件进行仿真分析,由于电磁波的传输存在集肤效应,近似认为同轴电缆的内外导体均为理想导体,将内导体的材料属性选为PEC,令绝缘层的外表面与背景直接关联自动定义为理想导体边界,省略外导体的建模,以此对模型进行合理简化,加快计算速度。
模型尺寸依照SF141型号电缆的结构参数(如表1所示)设置,内导体直径为0.92mm,绝缘层外径为2.98mm,材质为聚四氟乙烯(材料属性选用Teflon);模型长度为140mm。求解频点采用LinearCount方式设置,起始频率为45MHz,终止频率为8GHz,频点个数为16001。一般而言,钳压程度越大,钳压长度越长,反射信号越强。本文采用控制变量法模拟不同结构参数对干涉频谱的影响,确定合理结构参数的范围,从而为CCFPI传感器的优化设计提供参考。当钳压间距为80mm,反射点钳压变形长度为2mm,绝缘层外径以0.2mm步距由2.4mm变化至1.4mm,由图3可知,绝缘层外径越小(即钳压变形程度越大),干涉频谱的峰值越高,图谱形状愈加规整,但是当绝缘层外径由1.6mm变化到1.4mm时,波峰发生轻微展宽,可能是因为当钳压变形增大到一定程度后,阻抗变化区的几何长度难以继续近似看作单一的反射点,其对反射信号的影响将不可忽略。此外,可以看出,当绝缘层外径在1.4～2mm范围内,信号质量较好。当钳压间距为80mm,反射点绝缘层外径为2mm,钳压变形长度以2mm步距由2mm变化至10mm,由图4可知,钳压长度不小于2mm时,干涉频谱的形状均比较规整,且钳压变形区段越长,频谱峰值越高,信号越强。当反射点绝缘层外径为2mm,钳压变形长度为4mm,钳压间距分别为60,70,80mm,由图5可知,增大钳压间距,信号强度基本不受影响,只是频谱向左偏移,与式的理论推导结果吻合。当钳压间距为80mm,反射点钳压变形长度为2mm,第1个反射点的绝缘层外径R1为2mm,第2个反射点的绝缘层外径R2以0.2mm步距由1.4mm变化至2.4mm,仿真结果如图6所示。当R2由1.4mm向2mm变化时,信号峰值逐渐降低,干涉频谱的波峰和波谷也更加明显;当R2=R1=2mm时,干涉现象最为明显;当R2超过2mm后,信号峰值继续降低,干涉频谱再次趋于平缓。由此可知,反射点一致性对信号质量有重要影响,制作传感器时应尽量保持两反射点的钳压变形程度一致,并需要对传感器的反射点进行封装保护,使两点的反射系数在测量过程中保持稳定。
3、MCP掘进机屏蔽橡套软电缆MCP采煤机电缆:法布里-珀罗腔长（即反射点之间的距离）的变化会引起干涉谱的频移 当同轴电缆受到拉伸,法珀腔长度(即反射点间距)改变使干涉谱发生频移。本文采用谱峰追迹法,追踪波谷频点的移动轨迹,求解电缆应变。设置反射点绝缘层外径为2mm,钳压变形长度为2mm,钳压间距为80mm,并以1mm的步距增大至88mm,相应的干涉频谱如图7所示,干涉频谱的波谷随着两个反射点间距的增大向左移动,且谐振阶次越大,偏移越明显。
4、MCP掘进机屏蔽橡套软电缆MCP采煤机电缆:选择第三至第六槽记录频点 选取第3～6个波谷记录频点,计算相比于未拉伸状态(即0mm状态)的频移量,得到如图7所示的应变频移曲线。由图可知,CCFPI传感器对应变成线性频移响应,且4条拟合直线的相关系数r2均超过0.998,线性度良好。液压钳挤压模块示意图如图8所示,当左右两部分紧密贴合时,中部会余留已知孔径的开口,限制最大挤压程度,从而实现精准挤压。根据上节仿真分析的结果可知,当反射点绝缘层外径在1.4～2mm范围内,干涉信号质量较好。假设挤压过程中,金属套管厚度和外导体厚度均保持不变,则挤压模块的孔径在2.6～3.2mm之间为宜,因而本试验选用孔径为3mm厚度为10mm的挤压模块制作CCFPI传感器。将同轴电缆两端分别与矢量网络分析仪和50Ω负载相连,以80mm间距挤压12mm长的金属套管带动电缆外导体变形,观察时域反射信号,发现两点的反射系数均在0.03左右,具有良好的一致性。为减轻反射点在试验拉伸中可能发生的不一致变形,用30mm长的铜管灌注环氧树脂对其进行封装保护。
5、MCP掘进机屏蔽橡套软电缆MCP采煤机电缆:能够承受一定的剪切或变形 同时,考虑到同轴电缆能够承受一定剪力或变形的优异结构特性,不对其他区段进行处理。反射点封装前后的实物图如图9所示。将CCFPI传感器两端的接头分别与VNA和50Ω负载相连,直接测得频域的S11反射参数。采用联合时频技术解调,首先对S11反射谱进行线性调频Z逆变换,得到CCFPI传感器的时域信息;再借助VNA的时域门选通功能选取2个反射点(即时域信号上的2个反射峰)构成法珀腔;最后,通过chirp-Z变换将选通后的时域信号转换到频域,得到CCFPI的干涉频谱。具体变换流程如图10所示。
6、MCP掘进机屏蔽橡套软电缆MCP采煤机电缆:将ccfpi的标距设置为800mm 试验过程及结果分析为了观察CCFPI传感器对微小应变的反应,将CCFPI的标距设为800mm,并通过光纤光栅和千分表读数了解电缆变形情况。设置VNA扫频范围为45MHz～8GHz,扫频点数为16001,试验用拉伸装置如图11所示。
7、MCP掘进机屏蔽橡套软电缆MCP采煤机电缆:ccfpi传感器测得的应变值可近似计算为Δf/FN 忽略拉伸过程中同轴电缆绝缘层相对介电常数的改变,根据式,CCFPI传感器量测的应变值可以近似由Δf/fN′计算,其中fN′为当前拉伸步法珀腔的谐振频率,本试验选取第4个波谷进行解调。将FBG粘贴在封装铜管的表面,以每级0.04mm的步距拉伸电缆至千分表读数为0.8mm,试验结果如图12所示,
矿用电缆横轴表示千分表测量的位移值,纵轴表示CCFPI和FBG测量的应变值。由图,可以观察到CCFPI传感器的应变曲线存在水平段,实测应变值以110με步距增长,说明在本文的试验条件下CCFPI传感器的分辨率可以达到110με,并且这一实测值,与利用仿真分析求得的波谷4的应变频移响应灵敏度3.83kHz/με和扫频间距497.19kHz计算得出的分辨率130με相符。同时,可以观察到CCFPI传感器的应变数值增长存在非等拉伸步数增长的现象,原因有以下两点:拉伸过程中难以保证每个拉伸步长严格等于0.04mm;两个精准拉伸步产生的变形仅为100με,需要与相邻拉伸步的变形进行累积达到110με的分辨率,才能使CCFPI传感器产生干涉图谱频移的响应。另外,对比CCFPI和FBG的测量数据,可以发现二者吻合良好,说明CCFPI传感器可以感知小应变,且在小应变量程范围内的测量结果真实可靠。继续增大变形至3000με,之后以每级3000με的步距拉伸至CCFPI传感器失效(约140000με),用千分表读数换算的应变值作为横坐标,用CCFPI干涉图谱频移量换算的应变值作为纵坐标,可以得到如图13所示的测量结果。试验曲线具有良好的线性度,相关系数r2为0.99867,斜率为1.00492,即CCFPI传感器的实测数据与千分表的测量结果高度吻合,表明CCFPI传感器具有大应变测量的能力,且测量结果真实可靠。本文就钳压法制作工艺的不同结构参数对CCFPI传感信号的影响进行仿真模拟,分析得出:当反射点绝缘层外径在1.4～2mm范围内,钳压变形长度不小于2mm,干涉信号质量较好;反射点间距基本只影响谐振频率,而反射点一致性则会严重影响信号质量。此外,模拟电缆拉伸过程观察到信号频移与电缆应变呈良好的线性关系。
8、MCP掘进机屏蔽橡套软电缆MCP采煤机电缆:说明ccfpi传感器的测量结果是真实可靠的 依据模拟结果,优化CCFPI传感器的制作参数,并用环氧树脂对反射点进行封装保护,拉伸试验结果表明:CCFPI传感器的分辨率可以达到110με,并且测量结果在小应变量程范围内与FBG吻合良好,说明CCFPI传感器的测量结果真实可靠。此外,测得CCFPI传感器的失效应变约为140000με,并且拉伸过程中始终与千分表读数吻合,说明CCFPI传感器可以实现大应变测量。
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