CN110375686A - 用于金属结构裂纹和应变监测的无线柔性微带贴片天线传感器阵列 - Google Patents

Abstract

本发明了公开了一种用于金属结构裂纹和应变监测的无线柔性贴片天线传感器阵列，包括信号收发贴片天线和测量贴片天线阵列；测量贴片天线阵列包括多个呈阵列式分布的裂纹监测阵元和应变监测阵元，通过长度不同的延时传输馈线与信号收发贴片天线连接；应变监测阵元均匀分布在裂纹监测阵元的空隙中；应变监测阵元的下方基质自带接地板；信号收发贴片天线与外部设备进行数据通信。本发明克服了传统贴片天线传感器监测功能单一、监测范围小的不足，能够满足同时对金属结构裂纹和应变进行监测的要求，而且能与复杂待测表面良好共形，甚至可以用于垂直金属结构的监测，满足多种场景下的监测需求。同时，该传感器阵列具有良好的扩展性。

Description

用于金属结构裂纹和应变监测的无线柔性微带贴片天线传感 器阵列

技术领域

本发明涉及到金属结构裂纹和应变监测领域，尤其涉及一种用于金属结构裂纹和应变监测的无线柔性微带贴片天线传感器阵列设计。

背景技术

金属结构因为相较于其他工程结构而言具有质量稳定、安全可靠、强度高、质量轻和制造工业化程度高等诸优点，现如今已广泛应用于生产生活的各个领域。保证金属结构处于健康良好的状态显得尤为重要，统计表明50％-90％的金属结构损坏是因为裂纹和应变。为了保证金属结构的安全运行，延长其寿命，需要对金属结构进行健康监测，以便实时掌握结构的安全状况。

经过几十年的发展，结构健康监测技术已经形成了较为完善的理论及实际应用体系。常用的结构健康监测传感器有：箔式应变片、超声波传感器和光纤传感器等。但这些方法都有着明显的缺陷，如成本高，误差大，操作繁琐，无法长时间监测结构等。近十年，一种基于微带贴片天线的传感器可以用来监测裂纹和应变，它形状不受限制、体积小、重量轻、制造简单，成本低且无源无线可以长期检测结构的健康情况。但是，上述所提及的技术均无法实现对结构裂纹和应变同时进行监测。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于金属结构裂纹和应变监测的无线柔性贴片天线传感器阵列，该传感器阵列可对金属结构的裂纹和应变同时进行监测。

本发明所采用的技术方案是：

提供一种用于金属结构裂纹和应变监测的无线柔性贴片天线传感器阵列，其特征在于，包括信号收发贴片天线和测量贴片天线阵列；

测量贴片天线阵列包括多个呈阵列式分布的裂纹监测阵元和应变监测阵元，通过长度不同的延时传输馈线与信号收发贴片天线连接；应变监测阵元均匀分布在裂纹监测阵元的空隙中；应变监测阵元的下方基质自带接地板；为了使各阵列中延时传输馈线的走线方便和避免干扰，裂纹和应变测量阵元处于不同基质层上方；

信号收发贴片天线与外部设备进行数据通信。

接上述技术方案，裂纹监测阵元呈矩形，面积大于应变监测阵元；应变监测阵元呈现长条状。

接上述技术方案，信号收发贴片天线的尺寸与裂纹监测阵元、应变监测阵元的尺寸均不同。

接上述技术方案，延时传输馈线与信号收发贴片天线的边缘中点连接，信号收发贴片天线在工作时只激发单一工作模式。

接上述技术方案，测量贴片天线阵列中相邻贴片之间的馈线长度差最小值Δd应该满足：

Δd≥ξc

式中，ξ为信号分析装置时域分析的分辨率，c为光速。

接上述技术方案，延时传输馈线的长度L_l根据待测结构的尺寸进行选择，宽度W_l由下式确定：

式中，Z_c为微带线的特性阻抗，ε_r为相对介电常数，h为裂纹/应变监测阵元基质的厚度。

接上述技术方案，裂纹监测阵元通过实验标定的方法进行标定。

接上述技术方案，该无线柔性贴片天线传感器阵列分5层，从上至下依次为裂纹监测阵元、裂纹监测阵元的基质、应变监测阵元、应变监测阵元的基质和应变监测阵元的自带接地板(铜片)。

本发明还提供了了一种微带贴片天线传感器阵列监测装置，包括无线柔性贴片天线传感器阵列、号角天线、矢量网络分析仪和数据处理器，无线柔性贴片天线传感器阵列为上述技术方案的无线柔性贴片天线传感器阵列；号角天线与收发贴片天线通信，并与数据处理器连接，数据处理器与矢量网络分析仪连接。

接上述技术方案，号角天线通过一支架固定。

本发明的技术效果：本发明的无线柔性贴片天线传感器阵列单个阵元尺寸大，组成阵列馈线连接简单，克服了传统贴片天线传感器监测功能单一、监测范围小的不足，能够满足同时对金属结构裂纹和应变进行监测的要求，而且能与复杂待测表面良好共形，甚至可以用于垂直金属结构的监测；阵元形状也不受限制，本发明使用常见的矩形，也可以使用圆形，三角形等，满足多种场景下的监测需求。同时，该传感器阵列具有良好的扩展性，可以对传感器进行横向和纵向的扩展，实现对待测金属结构的大范围监测。

附图说明

图1是无线柔性微带贴片天线传感器阵列结构示意图；

图2是微带贴片天线传感器结构分层图；

图3是多贴片天线传感器阵列监测装置组成示意图；

图4是信号处理过程示意图；

图5是微带天线传感器应变测量原理图；

图6(a)电流沿辐射贴片宽度方向流动的TM₀₁模下分布图；

图6(b)直裂纹对传感器接地板电流沿辐射贴片长度方向流动的TM₁₀模下分布图；

图7是本发明利用多贴片天线传感器阵列进行测量的案例示意图。

具体实施方式

为了使本发明的内容与技术方案更加清楚，以下结合附图进一步详细阐述本发明的原理和具体实施方式。

如图1所示，本发明的用于金属结构裂纹和应变监测的无线柔性贴片天线传感器阵列包括测量贴片天线阵列100和信号收发贴片天线200，并由长度不同的传输馈线300进行连接。其中，测量贴片天线阵列用于金属结构裂纹和应变的监测，长度不同的传输馈线用于实现各测量贴片天线信号的区分。测量贴片天线阵列100包括多个呈阵列式分布的裂纹监测阵元101和应变监测阵元103，通过长度不同的延时传输馈线300与信号收发贴片天线200连接；应变监测阵元103均匀分布在裂纹监测阵元101的空隙中；应变监测阵元103的下方基质自带接地板。

信号收发贴片天线200用于与矢量网络分析仪进行数据信号传输实现无线测量。

如附图2所示，本发明的传感器阵列分5层，从上至下依次为裂纹监测阵元101、裂纹监测阵元的基质102、应变监测阵元103、应变监测阵元的基质104和应变监测阵元的自带接地板105(铜片)。该传感器阵列以聚酰亚胺为基质，以铜片作为微带贴片，采用印刷工艺进行加工。聚酰亚胺的基质厚度52±3μm，阵元采用铜片制作，厚度35±1μm，整个传感器厚度不超过0.2mm，柔性极好，可以共形于各种复杂曲面。

单个裂纹监测阵元尺寸大，实现大面积监测时馈线少；应变监测阵元呈现长条状，下方基质自带接地板，屏蔽裂纹的影响。

信号接收贴片尺寸与裂纹、应变监测尺寸均不同，以免在信号收发的时候发生干扰。裂纹测量阵元尺寸与应变测量阵元尺寸不同，前者尺寸大，以减少裂纹监测盲区；后者尺寸小，以提高应变的监测灵敏度。并且测量贴片天线阵列的阵元尺寸不唯一，可以根据实际测量需求按设计标准进行独立设计。

延时传输馈线300可从信号收发贴片天线200边缘的中点与其进行连接，信号接收贴片在工作时只激发单一工作模式。

测量贴片天线阵列中相邻贴片之间的馈线长度差最小值应该Δd应该满足：

Δd≥ξc

式中，ξ为信号分析装置时域分析的分辨率，c为光速。

延时传输馈线的长度L_l根据待测结构的尺寸进行选择，宽度W_l由下式确定：

式中，Z_c为微带线的特性阻抗，ε_r为相对介电常数，h为裂纹/应变监测阵元基质的厚度。

当单一贴片天线传感器仅监测裂纹时，裂纹的存在会改变贴片上电流的分布密度及路径，从而改变有效电长度，最终导致传感器谐振频率的变化，目前裂纹对谐振频率的影响还没有理论公式给出，可以采取实验标定的方法对传感器进行标定。

附图3展示了微带贴片天线传感器阵列监测装置的工作示意图，监测装置包括贴片天线传感器阵列201、两个号角天线202、矢量网络分析仪(VNA)204和数据处理器203。号角天线202可通过一支架205固定。本方案中通过两个号角天线实现贴片天线传感器阵列中信号收发贴片与VNA之间的信息交互，并通过号角天线对信号收发贴片进行激励，进一步实现对测量贴片阵列的激励。VNA获取的是贴片天线的频域信号，在单个贴片时，可以直接根据频域信号来分析，但是对于阵列来说，各个阵元的频域信号会叠加重合，无法读取正确信息。为此，采用延时线连接，根据信号传回时间的不同，丛时域读取各阵元信号。附图4展示了信号的处理过程，首先，通过VNA获取被测器件的频域信号。其次，利用VNA时域分析法将频域信号转换为时域信号。接下来，添加窗函数到所获得的时域信号中，以仅保留所需的信息。最后，对截取的时域信号进行快速傅立叶变换，得到每个阵元的频域信号和谐振频率。通过各阵元的时域信号，即可对该阵元下方的金属结构进行安全评估。

微带贴片天线具有两种基本谐振模式，分别为电流沿辐射贴片长度方向流动的TM₁₀模式和电流沿辐射贴片宽度方向流动的TM₀₁模式(如图6(a)、图6(b)所示)。根据传输线模型，得到TM₁₀模式下的谐振频率f₁₀和TM₀₁模式下的谐振频率f₀₁。谐振频率的计算公式如下：

其中，c，L，ε_re分别是真空中的光速，天线的电长度和有效介电常数。天线的有效介电常数ε_re由基质厚度h，贴片宽度W和基质的介电常数ε_r确定。

此外，因为微带贴片天线的长度和宽度尺寸有限，辐射场延伸超过辐射贴片的边缘而形成边缘效应。这样，天线的长度增加ΔL，ΔL的值一般由以下公式给出：

如果辐射贴片尺寸远大于基质厚度(即h＜＜W和h＜＜L)，那么有效介电常数可以近似为基质的介电常数(即ε_re≈ε_r)。此外，线延伸ΔL可以被忽略。此时，式(1)可以简化为：

应变识别原理：

如附图5所示，假设微带天线传感器随金属结构受载，在长度方向上产生应变ε。图中虚线表示辐射贴片受载变形后的轮廓，设承受应变后贴片长度、宽度和基质厚度分别变化为L′、W′和h′，则三者可由下式给出：

L′＝(1+ε)L (5)

W′＝(1-γε)W (6)

h′＝(1-γε)h (7)

式中γ表示泊松比(假定贴片和基质材料的泊松比相等，均为γ)。由式(6)和(7)可知，无论应变ε如何变化，比值W/h保持不变，因此根据式(2)可知微带天线的有效介电常数ε_re保持恒定值。此外，由式(3)可得，边缘效应引起的电长度增量随应变成比例变化为ΔL′，其表达式为：

ΔL′＝(1-γε)ΔL (8)

记微带天线传感器TM₁₀模的初始谐振频率为f₁₀，承受应变后谐振频率变化为f₁₀′，

记谐振频率变化量为Δf₁₀，则结合式(1)和(9)可做推导：

由于ΔL＜＜L，因此可作如下近似：

于是有：

进一步得：

由于ε通常是微应变级别，则上式可根据泰勒展开写为：

f₁₀′＝f₁₀(1-ε+ε²-ε³+ε⁴-ε⁵+……) (14)

略去高阶微量可得：

f₁₀′＝f₁₀(1-ε) (15)

由于f₁₀是与微带天线传感器设计参数相关的常数，因此上式表明当传感器随金属结构受载时，其谐振频率随应变增加而线性减小。定义每单位应变引起的谐振频率变化为微带天线传感器的应变测量灵敏度，则由式(15)可知该灵敏度与传感器的初始谐振频率f₁₀有关，即由传感器的设计参数决定。

裂纹识别原理：

当被测结构(接地板)上出现裂纹时，电流分布将会受到一定的扰动，传感器的电流分布如附图6(a)、图6(b)所示。由图可知，当被测结构上存在垂直于贴片长度方向的直裂纹时，传感器TM₁₀模的电流分布将会被扰动，电流会在裂纹尖端发生绕行，使辐射贴片的电路经增大，即式(1)中的L增大，因此f₁₀会降低。据此可以识别接地板上是否存在裂纹。

裂纹的长度，深度和宽度的变化，均会导致电流路径的增大。但是，裂纹导致的电路经的变化量目前暂无理论研究，无法从理论上推导裂纹参数(即长度、深度和宽度)与谐振频率之间的数学关系。值得提出的是，电流只会存在于贴片表面，因此在应变阵元下方的电流分布，只会存在于最底层的自带接地板上，不会因为裂纹的存在而发生变化。换言之，应变测量阵元可以屏蔽裂纹的干扰而其谐振频率只会受应变的影响。

此外，在应变和裂纹耦合作用下，微带天线传感器的谐振频率的变化，是“应变引起的谐振频率变化”和“裂纹引起的谐振频率变化”的代数叠加；换言之，耦合工况下应变和裂纹各自独立地引起谐振频率降低，而不存在复杂的非线性相互作用。

附图7是本发明的一个具体监测布置实施案例，如图所示：将测量微带贴片天线阵列布置在待测金属结构需要监测的区域，待测金属结构在存在应变的同时表面还存在裂纹，由于应变测量阵元下方基质存在接地板，即可屏蔽掉裂纹对其的影响，故谐振频率的变化均由应变引起。值得注意的是，裂纹对谐振频率的影响远大于应变对谐振频率的影响，相关文献也指出，裂纹和应变对谐振频率的影响是线性叠加的，不存在两者互耦的复杂关系。所以在用微带贴片天线监测裂纹时，可忽略应变的影响，裂纹监测阵元的谐振频率的变化可全归咎于裂纹。这样，就到达了微带贴片天线传感器阵列对裂纹和应变的同时监测。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于金属结构裂纹和应变监测的无线柔性贴片天线传感器阵列，其特征在于，包括信号收发贴片天线和测量贴片天线阵列；

测量贴片天线阵列包括多个呈阵列式分布的裂纹监测阵元和应变监测阵元，通过长度不同的延时传输馈线与信号收发贴片天线连接；应变监测阵元均匀分布在裂纹监测阵元的空隙中；应变监测阵元的下方基质自带接地板；

信号收发贴片天线与外部设备进行数据通信。

2.根据权利要求1所述的用于金属结构裂纹和应变监测的无线柔性贴片天线传感器阵列，其特征在于，裂纹监测阵元呈矩形，面积大于应变监测阵元；应变监测阵元呈现长条状。

3.根据权利要求1所述的用于金属结构裂纹和应变监测的无线柔性贴片天线传感器阵列，其特征在于，信号收发贴片天线的尺寸与裂纹监测阵元、应变监测阵元的尺寸均不同。

4.根据权利要求1所述的用于金属结构裂纹和应变监测的无线柔性贴片天线传感器阵列，其特征在于，延时传输馈线与信号收发贴片天线的边缘中点连接，信号收发贴片天线在工作时只激发单一工作模式。

5.根据权利要求1所述的用于金属结构裂纹和应变监测的无线柔性贴片天线传感器阵列，其特征在于，测量贴片天线阵列中相邻贴片之间的馈线长度差最小值Δd应该满足：

Δd≥ξc

式中，ξ为信号分析装置时域分析的分辨率，c为光速。

6.根据权利要求1所述的用于金属结构裂纹和应变监测的无线柔性贴片天线传感器阵列，其特征在于，裂纹监测阵元层的延时传输馈线的长度L_l根据待测结构的尺寸进行选择，宽度W_l由阻抗匹配公式确定：

式中，Z_c为延时传输馈线的特性阻抗，ε_r为相对介电常数，h为裂纹监测阵元的基质厚度。

7.根据权利要求1所述的用于金属结构裂纹和应变监测的无线柔性贴片天线传感器阵列，其特征在于，裂纹监测阵元通过实验标定的方法进行标定。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的用于金属结构裂纹和应变监测的无线柔性贴片天线传感器阵列，其特征在于，该无线柔性贴片天线传感器阵列分5层，从上至下依次为裂纹监测阵元、裂纹监测阵元的基质、应变监测阵元、应变监测阵元的基质和应变监测阵元的自带接地板(铜片)。

9.一种微带贴片天线传感器阵列监测装置，其特征在于，包括无线柔性贴片天线传感器阵列、号角天线、矢量网络分析仪和数据处理器，无线柔性贴片天线传感器阵列为权利要求1-7中任一项所述的无线柔性贴片天线传感器阵列；号角天线与收发贴片天线通信，并与数据处理器连接，数据处理器与矢量网络分析仪连接。

10.根据权利要求9所述的微带贴片天线传感器阵列监测装置，其特征在于，号角天线通过一支架固定。