核心詞：MCP 掘進機 橡 套 電纜 MCP 采煤機 電纜 
　　結構在長期服役過程中受到環(huán)境腐蝕、材料老化、荷載長期效應的影響,產生損傷累積,在極端情況下可能發(fā)生災難性事故。因而,對重大結構進行實時監(jiān)測診斷,預測結構性能變化,做出維護決定,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決定作用。而土木工程的實際應用要求傳感器具有大變形測量能力和良好的傳感性能,并且能夠適應惡劣的工作環(huán)境。
　　1、MCP掘進機屏蔽橡套軟電纜MCP采煤機電纜:價格低廉等諸多優(yōu)點進入研究視野
　　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)點進入研究視野。20世紀末,同軸電纜電時域反射技術開始用于土木工程領域: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構內部的斷裂破壞;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制,光纖傳感器的優(yōu)異概念在同軸電纜中得到應用,實現(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?并驗證了CCFPI傳感器的應變測量能力,為其應用研究奠定了理論基礎;TrontzA等用不銹鋼管和鋼絲作為外導體和內導體,氧化鋁陶瓷作為絕緣層重構同軸電纜,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理分析與應變解算方法,而想要將其用于結構健康監(jiān)測的工程實踐仍需開展大量工作。
　　2、MCP掘進機屏蔽橡套軟電纜MCP采煤機電纜:從ccfpi傳感器的工程應用角度出發(fā)
　　本文從CCFPI傳感器工程化應用的角度出發(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,實現(xiàn)優(yōu)化設計,并對CCFPI傳感器進行封裝保護,試驗驗證其用于應變監(jiān)測的可行性,為工程化應用研究提供器件基礎。采用ANSYSHFSS軟件進行仿真分析,由于電磁波的傳輸存在集膚效應,近似認為同軸電纜的內外導體均為理想導體,將內導體的材料屬性選為PEC,令絕緣層的外表面與背景直接關聯(lián)自動定義為理想導體邊界,省略外導體的建模,以此對模型進行合理簡化,加快計算速度。

模型尺寸依照SF141型號電纜的結構參數(shù)(如表1所示)設置,內導體直徑為0.92mm,絕緣層外徑為2.98mm,材質為聚四氟乙烯(材料屬性選用Teflon);模型長度為140mm。求解頻點采用LinearCount方式設置,起始頻率為45MHz,終止頻率為8GHz,頻點個數(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。本文采用控制變量法模擬不同結構參數(shù)對干涉頻譜的影響,確定合理結構參數(shù)的范圍,從而為CCFPI傳感器的優(yōu)化設計提供參考。當鉗壓間距為80mm,反射點鉗壓變形長度為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,可能是因為當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,其對反射信號的影響將不可忽略。此外,可以看出,當絕緣層外徑在1.4～2mm范圍內,信號質量較好。當鉗壓間距為80mm,反射點絕緣層外徑為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。當反射點絕緣層外徑為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,信號強度基本不受影響,只是頻譜向左偏移,與式的理論推導結果吻合。當鉗壓間距為80mm,反射點鉗壓變形長度為2mm,第1個反射點的絕緣層外徑R1為2mm,第2個反射點的絕緣層外徑R2以0.2mm步距由1.4mm變化至2.4mm,仿真結果如圖6所示。當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R2=R1=2mm時,干涉現(xiàn)象最為明顯;當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,反射點一致性對信號質量有重要影響,制作傳感器時應盡量保持兩反射點的鉗壓變形程度一致,并需要對傳感器的反射點進行封裝保護,使兩點的反射系數(shù)在測量過程中保持穩(wěn)定。
　　3、MCP掘進機屏蔽橡套軟電纜MCP采煤機電纜:法布里-珀羅腔長（即反射點之間的距離）的變化會引起干涉譜的頻移
　　當同軸電纜受到拉伸,法珀腔長度(即反射點間距)改變使干涉譜發(fā)生頻移。本文采用譜峰追跡法,追蹤波谷頻點的移動軌跡,求解電纜應變。設置反射點絕緣層外徑為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,相應的干涉頻譜如圖7所示,干涉頻譜的波谷隨著兩個反射點間距的增大向左移動,且諧振階次越大,偏移越明顯。
　　4、MCP掘進機屏蔽橡套軟電纜MCP采煤機電纜:選擇第三至第六槽記錄頻點
　　選取第3～6個波谷記錄頻點,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所示的應變頻移曲線。由圖可知,CCFPI傳感器對應變成線性頻移響應,且4條擬合直線的相關系數(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,從而實現(xiàn)精準擠壓。根據上節(jié)仿真分析的結果可知,當反射點絕緣層外徑在1.4～2mm范圍內,干涉信號質量較好。假設擠壓過程中,金屬套管厚度和外導體厚度均保持不變,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絡分析儀和50Ω負載相連,以80mm間距擠壓12mm長的金屬套管帶動電纜外導體變形,觀察時域反射信號,發(fā)現(xiàn)兩點的反射系數(shù)均在0.03左右,具有良好的一致性。為減輕反射點在試驗拉伸中可能發(fā)生的不一致變形,用30mm長的銅管灌注環(huán)氧樹脂對其進行封裝保護。
　　5、MCP掘進機屏蔽橡套軟電纜MCP采煤機電纜: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)異結構特性,不對其他區(qū)段進行處理。反射點封裝前后的實物圖如圖9所示。將CCFPI傳感器兩端的接頭分別與VNA和50Ω負載相連,直接測得頻域的S11反射參數(shù)。采用聯(lián)合時頻技術解調,首先對S11反射譜進行線性調頻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(即時域信號上的2個反射峰)構成法珀腔;最后,通過chirp-Z變換將選通后的時域信號轉換到頻域,得到CCFPI的干涉頻譜。具體變換流程如圖10所示。
　　6、MCP掘進機屏蔽橡套軟電纜MCP采煤機電纜:將ccfpi的標距設置為800mm
　　試驗過程及結果分析為了觀察CCFPI傳感器對微小應變的反應,將CCFPI的標距設為800mm,并通過光纖光柵和千分表讀數(shù)了解電纜變形情況。設置VNA掃頻范圍為45MHz～8GHz,掃頻點數(shù)為16001,試驗用拉伸裝置如圖11所示。
　　7、MCP掘進機屏蔽橡套軟電纜MCP采煤機電纜:ccfpi傳感器測得的應變值可近似計算為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,根據式,CCFPI傳感器量測的應變值可以近似由Δf/fN′計算,其中fN′為當前拉伸步法珀腔的諧振頻率,本試驗選取第4個波谷進行解調。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,試驗結果如圖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測量的應變值。由圖,可以觀察到CCFPI傳感器的應變曲線存在水平段,實測應變值以110με步距增長,說明在本文的試驗條件下CCFPI傳感器的分辨率可以達到110με,并且這一實測值,與利用仿真分析求得的波谷4的應變頻移響應靈敏度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:拉伸過程中難以保證每個拉伸步長嚴格等于0.04mm;兩個精準拉伸步產生的變形僅為100με,需要與相鄰拉伸步的變形進行累積達到110με的分辨率,才能使CCFPI傳感器產生干涉圖譜頻移的響應。另外,對比CCFPI和FBG的測量數(shù)據,可以發(fā)現(xiàn)二者吻合良好,說明CCFPI傳感器可以感知小應變,且在小應變量程范圍內的測量結果真實可靠。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)換算的應變值作為橫坐標,用CCFPI干涉圖譜頻移量換算的應變值作為縱坐標,可以得到如圖13所示的測量結果。試驗曲線具有良好的線性度,相關系數(shù)r2為0.99867,斜率為1.00492,即CCFPI傳感器的實測數(shù)據與千分表的測量結果高度吻合,表明CCFPI傳感器具有大應變測量的能力,且測量結果真實可靠。本文就鉗壓法制作工藝的不同結構參數(shù)對CCFPI傳感信號的影響進行仿真模擬,分析得出:當反射點絕緣層外徑在1.4～2mm范圍內,鉗壓變形長度不小于2mm,干涉信號質量較好;反射點間距基本只影響諧振頻率,而反射點一致性則會嚴重影響信號質量。此外,模擬電纜拉伸過程觀察到信號頻移與電纜應變呈良好的線性關系。
　　8、MCP掘進機屏蔽橡套軟電纜MCP采煤機電纜:說明ccfpi傳感器的測量結果是真實可靠的
　　依據模擬結果,優(yōu)化CCFPI傳感器的制作參數(shù),并用環(huán)氧樹脂對反射點進行封裝保護,拉伸試驗結果表明:CCFPI傳感器的分辨率可以達到110με,并且測量結果在小應變量程范圍內與FBG吻合良好,說明CCFPI傳感器的測量結果真實可靠。此外,測得CCFPI傳感器的失效應變約為140000με,并且拉伸過程中始終與千分表讀數(shù)吻合,說明CCFPI傳感器可以實現(xiàn)大應變測量。
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