CN111257380A - 一种基于微带天线的无源无线温度裂纹二元传感器阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微带天线的无源无线温度裂纹二元传感器阵列，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裂纹监测阵元和温度监测阵元，通过长度不同的延时传输馈线与信号收发贴片天线连接；信号收发贴片天线与外部设备进行数据通信。本发明消除环境温度对裂纹传感器监测性能的影响，大大提高了微带天线传感器的工作可靠性。

Description

一种基于微带天线的无源无线温度裂纹二元传感器阵列

技术领域

本发明涉及金属结构安全监测，尤其涉及一种基于微带天线的无源无线的温度裂纹二元传感器阵列。

背景技术

金属结构特别是钢结构被广泛应用于航空、汽车、起重机械等领域，为了保证金属结构在服役期间能安全运行并延长其使用寿命，需要对金属结构进行结构健康监测。微带贴片天线传感器由于体积小、重量轻、制造简单、成本低且可以无源无线长期监测结构的健康状况，近年来被广泛应用于金属结构的安全监测。如中国专利CN201310232310.1公开了一种基于微带天线的裂纹检测传感器及其检测方法，其特征在于，包括介质基片，介质基片的一面上设置有导体贴片，设置方法包括刻蚀、沉积或腐蚀，介质基片另一面附于被测结构上构成完整的传感器；利用本发明可以建立裂纹长度及方向与分别平行于微带天线贴片长度方向和宽度方向辐射模态的谐振频率之间的关系，可以通过谐振频率漂移得出裂纹长度及方向，本发明所用微带天线传感器具有体积小,重量轻,低剖面,能与载体共形,制造简单,成本低等优点；且应用微波检测技术，便于无线检测及信号处理。但是常规的微带贴片天线传感器只关注结构损伤而忽视温度变化引起的传感器谐振频率的偏移，这对准确掌握结构的安全状况带来了困难。

发明内容

本发明提出了一种基于微带天线的无源无线的温度裂纹二元传感器阵列，该传感器阵列可对金属结构的裂纹和温度同时进行监测，消除环境温度对裂纹传感器监测性能的影响，大大提高了微带天线传感器的工作可靠性。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于微带天线的无源无线的温度裂纹二元传感器阵列，其特征在于，包括设置于介质基层上表面的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裂纹监测阵元和温度监测阵元，通过长度不同的延时传输馈线与信号收发贴片天线连接。信号收发贴片天线与外部设备进行数据通信。通过温度监测阵元监测温度变化引起的谐振频率的偏移，来修正裂纹监测阵元的谐振频率并推算出裂纹长度。

接上述技术方案，温度监测阵元的长度为40mm，宽度为28mm，厚度为0.035mm

接上述技术方案，裂纹监测阵元的长度为100mm，宽度为60mm，厚度为0.035mm。

接上述技术方案，测量贴片天线阵列中相邻阵元之间的延时传输馈线长度差最小值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。

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为介质基层厚度。

接上述技术方案，信号收发贴片天线的长度和宽度均为20mm，厚度0.035mm。

接上述技术方案，介质基层的材料是绝缘材料，其长度为200mm，宽度为90mm，厚度为0.5mm。

接上述技术方案，所述传感器阵列还包括号角天线，所述号角天线的工作频率范围为0～6GHz。

接上述技术方案，温度监测阵元和裂纹监测阵元采用良导体铜材料，介质基层采用FR4材料，设置于介质基层下方的接地板为金属结构。

接上述技术方案，号角天线由一支架固定。

本发明还公开了一种基于微带天线的二元传感器阵列裂纹监测方法，包括如下步骤，S01.在传感器的介质基层上方设置测量贴片天线阵列，测量贴片天线阵列包括裂纹监测阵元和温度监测阵元；S02.设定裂纹监测阵元的工作谐振频率f₁₀₀，利用裂纹监测阵元测量的谐振频率，计算裂纹监测阵元的谐振频率的偏移量Δf₁；S03.设定温度监测阵元的工作谐振频率f₁₀，采用温度监测阵元测量谐振频率f′₁₀，计算温度监测阵元的谐振频率的偏移量Δf₂，根据传感器的温度监测原理

得到温度的变化值ΔT；S04.将ΔT、f₁₀₀代入上式，计算温度引起的裂纹监测阵元谐振频率的偏移量Δf₃；S05.利用温度监测阵元对裂纹监测阵元的谐振频率偏移量进行修正，修正后的裂纹监测阵元的谐振频率偏移量为Δf₄＝Δf₁-Δf₃；S05.根据传感器的裂纹监测原理，利用修正后的裂纹监测阵元的谐振频率推算出裂纹长度。

本发明产生的有益效果是：

本发明的微带贴片天线温度裂纹二元传感器阵列采用号角天线进行远程信号读取，安装维护成本低；克服了传统贴片天线传感器监测功能单一的缺点；消除了温度对裂纹监测的影响，大大提高了传感器的功能可靠性；介质基层材料不受限制，在不同场合下，可以选择不同的材料来实现相应的温度监测灵敏度。

附图说明

图1基于微带天线的温度裂纹二元传感器阵列结构示意图；

图2案例示意图；

图3裂纹监测阵元的谐振频率；

图4温度监测阵元的谐振频率。

具体实施方式

为了使本发明的内容和技术方案更加清楚，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。

如附图1所示，本发明的基于微带天线的温度裂纹二元传感器阵列包括温度监测阵元10、裂纹监测阵元11、延时传输馈线12、信号收发贴片天线13、介质基层20、金属接地板30。温度信号由号角天线40进行远程获取，实现无线测量。

信号收发贴片天线13尺寸与温度监测阵元、裂纹监测阵元尺寸均不同，以免在信号收发时产生干扰。裂纹监测阵元11尺寸与温度监测阵元10尺寸也不同，前者尺寸大，以减少裂纹监测盲区；后者尺寸小，提高温度监测灵敏度。在本发明的实施例中，温度监测阵元的长度为40mm，宽度为28mm，厚度为0.035mm；裂纹监测阵元的长度为100mm，宽度为60mm，厚度为0.035mm；信号收发贴片天线的长度和宽度均为20mm，厚度0.035mm。本发明中的尺寸只是取了代表性的尺寸，实际中，温度、裂纹监测阵元尺寸不唯一，可以根据实际测量的需求按设计标准进行独立设计。

进一步地，介质基层的材料是绝缘材料，其长度为200mm，宽度为90mm，厚度为0.5mm；温度监测阵元和裂纹监测阵元采用良导体铜材料，介质基层采用FR4材料。

延时传输馈线12从信号收发贴片天线13的中点与其进行连接，信号收发贴片在工作时只激发单一工作模式。

测量贴片天线阵列中，相邻阵元之间的延时传输馈线长度差最小值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。

延时传输馈线12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为延时传输馈线的特性阻抗，ε_r为相对介电常数，h为介质基层的厚度。

传感器裂纹监测原理，传感器的谐振频率可以通过下述公式计算，f_R表示谐振频率；ε_e为有效介电常数；ε_r为相对介电常数；c为光速；L_e为电流长度(在理想无应变情况下分别与贴片的几何长度、宽度相同，当分别取L和W时，对应于f₀₁和f₁₀)；ΔL为线延伸；

其中：

附图2展示了本发明的一个实施例子，监测装置包括号角天线40、号角天线支架41、矢量网络分析仪42和贴片天线传感器阵列43。待监测裂纹44的长度20mm，宽度1mm，深度贯穿，位于接地板30中心向两边扩展；环境温度未知；此时，裂纹的长度和谐振频率之间呈二次抛物线的关系，f＝ax²+bx+c，式(1)，其中，a、b、c为已知常数，f为谐振频率，x为裂纹的长度。通过号角天线实现信号收发贴片与矢量网络分析仪之间的信息交互；利用延时传输馈线读取各个阵元的回波损耗和谐振频率。

微带天线传感器由辐射贴片、介质基层和接地板组成，其中辐射贴片与接地板形成谐振腔而在接地板上表面产生电流，当接地板上出现表面裂纹后，裂纹尖端会对表面电流的流动产生干扰而降低传感器的谐振频率，根据偏移后的谐振频率可以推算出接地板表面裂纹长度。裂纹传感器工作时的回波损耗如附图3所示，传感器的设计谐振频率为1.18GHz(基础频率f₁₀₀)，而测量的谐振频率为1.1137GHz(测量频率)，谐振频率的偏移量Δf₁＝66.3MHz。在不考虑温度影响的情况下，根据传感器的裂纹监测原理式(1)，可以推算出裂纹长度约为24.82mm，与待测裂纹44的长度相比，误差为24.1％。

传感器基质材料的介电常数直接影响传感器的谐振频率，温度变化会影响传感器基质的介电常数，从而改变传感器的谐振频率。温度传感器的回波损耗如附图4所示，所设计的工作谐振频率为2.52GH(基础频率f₁₀)，测量的谐振频率为2.4849GH(测量频率f′₁₀)，谐振频率的偏移量Δf₂＝35.1MHz。根据传感器的温度监测原理：

式(2)，其中，α_ε为基质的介电常数温度系数(Thermal Coefficientof Dielectric Constant，TCD)；α_T为基质的热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion，CTE)，得到温度的变化值ΔT＝19.7℃。

本实施例子中，裂纹监测阵元受温度和裂纹的综合影响，即裂纹监测阵元的谐振频率偏移量是由温度和裂纹共同引起的。根据温度监测阵元的监测结果，将ΔT、f₁₀₀代入式(2)，

计算温度引起的裂纹监测阵元谐振频率的偏移量Δf₃，Δf₃＝f₁₀₀-f′₁₀₀，则裂纹引起的谐振频率偏移量Δf₄＝Δf₁-Δf₃。Δf₄即为修正后的裂纹监测阵元的谐振频率偏移量，修正后的结果在附图3显示。根据修正后的传感器谐振频率(修正频率)，通过式(1)，可以推算出裂纹长度约为19.78mm，误差为1.1％，大大提高了裂纹传感器的工作可靠性。

本发明设计的基于微带天线的温度裂纹二元传感器阵列无源无线、质量轻、适用于长期实时的结构损伤和环境温度监测。

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)

1.一种基于微带天线的无源无线温度裂纹二元传感器阵列，其特征在于，包括设置于介质基层上表面的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裂纹监测阵元和温度监测阵元，裂纹监测阵元和温度监测阵元分别通过长度不同的延时传输馈线与信号收发贴片天线连接；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所述的一种基于微带天线的无源无线温度裂纹二元传感器阵列，其特征在于，温度监测阵元的长度为40mm，宽度为28mm，厚度为0.035mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于微带天线的无源无线温度裂纹二元传感器阵列，其特征在于，裂纹监测阵元的长度为100mm，宽度为60mm，厚度为0.035mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于微带天线的无源无线温度裂纹二元传感器阵列，其特征在于，测量贴片天线阵列中相邻阵元之间的延时传输馈线长度差最小值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。

5.根据权利要求1所述的一种基于微带天线的无源无线温度裂纹二元传感器阵列，其特征在于，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为介质基层厚度。

6.根据权利要求1所述的一种基于微带天线的无源无线温度裂纹二元传感器阵列，其特征在于，信号收发贴片天线的长度和宽度均为20mm，厚度0.035mm。

7.根据权利要求1所述的一种基于微带天线的无源无线温度裂纹二元传感器阵列，其特征在于，介质基层的材料是绝缘材料，其长度为200mm，宽度为90mm，厚度为0.5mm。

8.根据权利要求1所述的一种基于微带天线的无源无线温度裂纹二元传感器阵列，其特征在于，还包括号角天线，所述号角天线的工作频率范围0～6GHz。

9.根据权利要求1所述的一种基于微带天线的无源无线温度裂纹二元传感器阵列，其特征在于，温度监测阵元和裂纹监测阵元采用良导体铜材料，介质基层采用FR4材料，设置于介质基层下方的接地板为金属结构。

10.一种基于微带天线的二元传感器阵列裂纹监测方法，其特征在于，包括如下步骤，S01.在传感器的介质基层上方设置测量贴片天线阵列，测量贴片天线阵列包括裂纹监测阵元和温度监测阵元；S02.设定裂纹监测阵元的工作谐振频率f₁₀₀，采用裂纹监测阵元测量谐振频率，计算裂纹监测阵元的谐振频率的偏移量Δf₁；S03.设定温度监测阵元的工作谐振频率f₁₀，利用温度监测阵元测量谐振频率f′₁₀，根据传感器的温度监测原理

得到温度的变化值ΔT；S04.将ΔT、f₁₀₀代入上式，计算温度引起的裂纹监测阵元谐振频率的偏移量Δf₃；S05.利用温度监测阵元对裂纹监测阵元的谐振频率偏移量进行修正，修正后的裂纹监测阵元的谐振频率偏移量为Δf₄＝Δf₁-Δf₃；S05.根据传感器的裂纹监测原理，利用修正后的裂纹监测阵元的谐振频率推算出裂纹长度。

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