CN111398316B - 金属裂纹检测系统及裂纹检测传感器 - Google Patents

金属裂纹检测系统及裂纹检测传感器 Download PDF

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Abstract

本发明实施例涉及一种金属裂纹检测系统及裂纹检测传感器，包括待测金属、收发源和裂纹检测传感器，待测金属上设置有待测裂纹；收发源用于向裂纹检测传感器发射信号并得到从裂纹检测传感器反射的反射参数，还根据反射参数确定裂纹检测传感器的谐振频率；裂纹检测传感器位于待测裂纹上方设置在待测金属上。该金属裂纹检测系统采用环形介质谐振器制作的裂纹检测传感器检测不同裂纹深度的待测金属，得到的裂纹检测传感器的谐振频率也不同，由此检测裂纹检测传感器的谐振频率渐而得到待测金属的裂纹深度，提高了检测金属裂纹深度的准确度。解决了现有采用天线传感器检测金属裂纹受裂纹相对于标签天线的位置影响，导致检测金属裂纹的准确度低的问题。

Description

金属裂纹检测系统及裂纹检测传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种金属裂纹检测系统及裂纹检测传感器。
背景技术
在基础设施领域，如天然气石油管道、铁轨、桥梁以及大型水利工程等，金属是基础设备的主要组成材料。基础设施由于长期暴露于室外环境、受极端天气影响及频繁的应力作用，金属表面经常出现裂纹影响金属的运行生命周期，也会使得金属内部结构发生变化而被损坏，可能引发严重的事故和造成巨大的经济损失。因此，基础设施的结构需要不断检测以发现潜在的问题，结构健康监测是保证基础设施安全可靠运行的关键。
传统对于金属结构的检测技术由于必须持续供电、复杂布线、设备笨重、智能化程度低、检测速度慢及受环境影响大等原因，不适合对基础设施的长期乃至永久监测。随着物联网的发展，利用无线传感网络实现的结构健康监测被广泛用于大规模基础设施的维护，能够在大规模基础设施中实现无时无刻的监测。
基于后向散射通信的天线传感器是无线传感网络中极具创新性的节点。这种无线无源的传感器通过自然界获取功率，具有通信距离远，检测效率高，制造和维护成本低等优点。但是，在检测金属表面裂纹中，大多数标签天线把谐振频率作为传感指标。然而，标签天线的谐振频率除了与裂纹特征相关，还与裂纹相对于标签天线的位置相关。当检测金属表面裂纹特征时，受裂纹相对于标签天线的位置影响导致检测准确度不高。
因此，针对上述情况，如何提高检测金属裂纹的准确度成为本领域技术人员亟待解决的重要技术问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种金属裂纹检测系统及裂纹检测传感器，用于解决现有采用天线传感器检测金属裂纹受裂纹相对于标签天线的位置影响，导致检测金属裂纹的准确度低的技术问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
一种裂纹检测传感器，包括介质谐振器，所述介质谐振器上设置有开槽，所述介质谐振器为环形介质谐振器。
优选地，所述环形介质谐振器的厚度等于所述介质谐振器的半径减于所述开槽的半径。其中，所述环形介质谐振器的半径与所述环形介质谐振器的高度之比为0.4～6，所述开槽的半径与所述环形介质谐振器的半径之比为0.5～0.7。
优选地，所述环形介质谐振器的激励模式为远场激励。
优选地，所述环形介质谐振器的材质为陶瓷。其中，所述陶瓷的相对介电常数为88～95。较优地，所述陶瓷的相对介电常数为90。
优选地，所述环形介质谐振器的工作模式为HE11δ模式。其中，所述环形介质谐振器的损耗角正切的取值为0.001～0.005。较优地，所述环形介质谐振器的损耗角正切的取值为0.002。
本发明还提供一种金属裂纹检测系统，包括待测金属、收发源和如上述所述的裂纹检测传感器；
所述待测金属上设置有待测裂纹；
所述收发源，用于向所述裂纹检测传感器发射信号并得到从所述裂纹检测传感器反射的反射参数，还根据所述反射参数确定所述裂纹检测传感器的谐振频率；
所述裂纹检测传感器位于所述待测裂纹上方设置在所述待测金属上。
优选地，所述裂纹检测传感器的极化方向与所述待测裂纹的走向方向正交。
优选地，所述待测裂纹的长度大于所述裂纹检测传感器的长度。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：本发明实施例提供的金属裂纹检测系统采用环形介质谐振器制作的裂纹检测传感器检测不同裂纹深度的待测金属，得到的裂纹检测传感器的谐振频率也不同，由此采用检测裂纹检测传感器的谐振频率渐而得到待测金属的裂纹深度，因此，提高了检测金属裂纹深度的准确度。解决了现有采用天线传感器检测金属裂纹受裂纹相对于标签天线的位置影响，导致检测金属裂纹的准确度低的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例所述的金属裂纹检测系统的结构示意图。
图2为本发明实施例所述的金属裂纹检测系统的侧视结构示意图。
图3为本发明实施例所述的裂纹检测传感器内部的电场分布图。
图4为本发明实施例所述的裂纹检测传感器内部的磁场分布图。
图5为本发明实施例所述的金属裂纹检测系统中测试金属裂纹深度1mm的反射参数随环形介质谐振器中心与裂纹位置偏离量的变化曲线图。
图6为本发明实施例所述的金属裂纹检测系统中测试金属裂纹深度2mm的反射参数随环形介质谐振器中心与裂纹位置偏离量的变化曲线图。
图7为本发明实施例所述的金属裂纹检测系统中测试金属裂纹深度3mm的反射参数随环形介质谐振器中心与裂纹位置偏离量的变化曲线图。
图8为本发明实施例所述的金属裂纹检测系统中测试金属裂纹深度4mm的反射参数随环形介质谐振器中心与裂纹位置偏离量的变化曲线图。
图9为本发明实施例所述的金属裂纹检测系统中环形介质谐振器的谐振频率与裂纹深度的折线图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请实施例提供了一种金属裂纹检测系统及裂纹检测传感器，用于解决现有采用天线传感器检测金属裂纹受裂纹相对于标签天线的位置影响，导致检测金属裂纹的准确度低的技术问题。
图1为本发明实施例所述的金属裂纹检测系统的结构示意图，图2为本发明实施例所述的金属裂纹检测系统的侧视结构示意图。
如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种金属裂纹检测系统，包括待测金属10、收发源和裂纹检测传感器20。所述待测金属10上设置有待测裂纹11；所述收发源，用于向所述裂纹检测传感器20发射信号并得到从所述裂纹检测传感器20反射的反射参数，还根据所述反射参数确定所述裂纹检测传感器20的谐振频率；所述裂纹检测传感器20位于所述待测裂纹11上方设置在所述待测金属10上。其中，所述裂纹检测传感器20包括介质谐振器，所述介质谐振器上设置有开槽21，所述介质谐振器为环形介质谐振器。
需要说明的是，所述收发源可以为如中国知识产权局在2019年5月31日公告号为CN109828020A公开了一种金属裂纹检测系统及方法的发明专利中所描述的所述天线、所述网络分析仪和所述计算机终端依次通信连接组成的；其中，所述天线用于向所述谐振器发射信号，所述网络分析仪用于测量所述天线接收到的反射信号的S11参数，所述计算机终端用于根据所述S11参数确定所述谐振器的谐振频率。所述裂纹检测传感器20设置在所述待测金属10上，便于安装。
在本发明的一个实施例中，所述环形介质谐振器的激励模式为远场激励，所述裂纹检测传感器20的极化方向与所述待测裂纹11的走向方向任意角度相交。在本实施例中，所述裂纹检测传感器20的极化方向与所述待测裂纹11的走向方向正交。
需要说明的是，所述环形介质谐振器的材质优先选用为陶瓷，所述陶瓷的相对介电常数为88～95。较优地，所述陶瓷的相对介电常数为90。
在本发明的一个实施例中，所述待测裂纹11的长度大于所述裂纹检测传感器20的长度。
需要说明的是，所述待测裂纹11的长度大于所述裂纹检测传感器20的长度，确保在检测过程中，避免其他因素影响到检测的结果，从而提高检测金属裂纹的准确度。
本发明实施例提供的金属裂纹检测系统采用所述环形介质谐振器进行检测所述待测金属10的裂纹时，通过实验验证，当检测的所述待测金属10的裂纹深度间隔大于1mm的裂纹，不同所述待测金属10的裂纹深度，得到所述裂纹检测传感器20的谐振频率不会重叠。在对所述待测金属10进行裂纹检测，可以通过检测到所述裂纹检测传感器20的谐振频率，渐而根据谐振频率得到所述待测金属10的裂纹深度。
需要说明的是，当所述待测裂纹11的长度大于所述裂纹检测传感器20的长度时，通过该金属裂纹检测系统对所述待测金属10进行裂纹检测，当所述待测裂纹11相对环形介质谐振器移动，环形介质谐振器的谐振频率在所述待测裂纹11移动后与移动前的谐振频率相同，因此环形介质谐振器的谐振频率对所述待测金属10的裂纹位置不敏感，只与所述待测金属10的裂纹相关，因此采用该环形介质谐振器的谐振频率作为检测金属裂纹的传感指标，即是利用环形介质谐振器的谐振频率表征金属样本表面裂纹的深度，具有无源无线、检测准确度高的优点。
本发明提供的一种金属裂纹检测系统采用检测得到环形介质谐振器制作的裂纹检测传感器的谐振频率，从裂纹检测传感器的谐振频率得到待测金属的裂纹深度，提高检测金属裂纹深度的准确度。解决了现有采用天线传感器检测金属裂纹受裂纹相对于标签天线的位置影响，导致检测金属裂纹的准确度低的技术问题。
在本发明的一个实施例中，所述环形介质谐振器的损耗角正切的取值为0.001～0.005。较优地，所述环形介质谐振器的损耗角正切的取值为0.002。
在本发明的一个实施例中，所述环形介质谐振器的厚度等于所述介质谐振器的半径减于所述开槽21的半径。其中，所述环形介质谐振器的半径与所述环形介质谐振器的高度之比为0.4～6，所述开槽21的半径与所述环形介质谐振器的半径之比为0.5～0.7。
图3为本发明实施例所述的裂纹检测传感器内部的电场分布图，图4为本发明实施例所述的裂纹检测传感器内部的磁场分布图。
如图3和图4所示，所述环形介质谐振器的工作模式为HE11δ模式。
本发明提供的一种金属裂纹检测系统进行检测金属裂纹得到裂纹检测传感器的谐振频率，如下图5至图9所示。具体地，如图2所示，环形介质谐振器的高度为h＝8mm，所述开槽21的半径为r1＝10mm，所述介质谐振器的半径r2＝16mm。环形介质谐振器为高介电常数低损耗角正切的陶瓷材料，该陶瓷材料相对介电常数为90。所述待测金属10的尺寸设置为200mm×200mm×10mm，在金属样本表面设置有所述待测裂纹11，其中，d为所述待测裂纹11的裂纹深度，l为环形介质谐振器从中心相对所述待测裂纹11的裂纹中心的偏移量，w为所述待测裂纹11的裂纹宽度，将裂纹宽度w设置为1mm。当所述待测裂纹11的长度大于所述裂纹检测传感器20的长度时，所述待测裂纹11相对环形介质谐振器移动时，环形介质谐振器反射参数随环形介质谐振器中心与裂纹位置偏离量l的变化曲线，如图5至图8所示，当待测裂纹11的裂纹深度d分别为1mm，2mm，3mm，4mm，可见在一定裂纹深度下，环形介质谐振器的谐振频率限定在某个范围内。当所述待测裂纹11的裂纹深度d为1mm时，通过本发明提供的一种金属裂纹检测系统检测，得到所述裂纹检测传感器20的谐振频率为1.715GHz；当所述待测裂纹11的裂纹深度d为2mm时，通过本发明提供的一种金属裂纹检测系统检测，得到所述裂纹检测传感器20的谐振频率范围为1.705～1.710GHz；当所述待测裂纹11的裂纹深度d为为3mm时，通过本发明提供的一种金属裂纹检测系统检测，得到所述裂纹检测传感器20的谐振频率范围为1.690～1.700GHz；当所述待测裂纹11的裂纹深度d为4mm时，通过本发明提供的一种金属裂纹检测系统检测，得到所述裂纹检测传感器20的谐振频率范围为1.680～1.685GHz。由此可知，可见在不同裂纹深度下，环形介质谐振器的谐振频率范围是不重叠，由此得到如图9所示的折线图，图9为当所述待测裂纹11的长度大于所述裂纹检测传感器20的长度时，所述待测裂纹11相对环形介质谐振器移动时，所述待测裂纹11的裂纹深度与环形介质谐振器的谐振频率的折线图，可见，谐振频率范围较小，一旦所述裂纹检测传感器20的谐振频率确定，查询其所属的谐振频率范围，即可获取待测金属的裂纹深度。由此可以得到通过环形介质谐振器制作的裂纹检测传感器检测待测金属的裂纹深度，通过检测裂纹检测传感器的谐振频率渐而得到待测金属的裂纹深度，提高检测准确度。
需要说明的是，对于HE11δ模式，需要满足0.4≤a/h≤6这个公式。其中，a表示圆柱形介质谐振器的半径，h表示圆柱形介质谐振器的高度。也就是说，只要满足上述公式前提，圆柱形介质谐振器都能工作在HE11δ模式。在本发明的实施例中，在HE11δ模式下的圆柱形介质谐振器的基础上开槽，通过调整开槽半径可得到在一定区域内对裂纹位置不敏感的天线传感器。在HE11δ模式下对金属裂纹进行检测，如下三个案例：
案例1：r2＝14，r1＝9，h＝10，结果为：lmax＝4，当d＝1时，f为1.6040～1.6080；当d＝2时，f为1.5980～1.6010；当d＝3时，f为1.5900～1.5930；当d＝4时，f为1.5820～1.5860。
案例2：r2＝13，r1＝7，h＝8，结果为：lmax＝6，当d＝1时，f为1.7270～1.7440；当d＝2时，f为1.7120～1.7190；当d＝3时，f为1.6960～1.7080；当d＝4时，f为1.6820～1.6940。
案例3：r2＝18，r1＝11，h＝9，结果为：lmax＝6，当d＝1时，f为1.5040～1.5080；当d＝2时，f为1.4970～1.5030；当d＝3时，f为1.4910～1.4950；当d＝4时，f为1.4840～1.4880。
其中，r2为介质谐振器半径，r1为开槽半径，h为介质谐振器的高度，l为环形介质谐振器的中心与裂纹位置的偏离量，lmax为对裂纹位置不敏感的最大偏移量，d为裂纹深度，单位均为mm。f为谐振频率范围，单位为GHz。
需要说明的是，r2/h的取值范围为0.4～6，r1/r2的取值范围为0.5～0.7。
由上述三个案例可以得知，在不同裂纹深度下环形介质谐振器的谐振频率均是不重叠。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种裂纹检测传感器，包括介质谐振器，其特征在于，所述介质谐振器上设置有开槽，所述介质谐振器为环形介质谐振器；所述环形介质谐振器的厚度等于所述介质谐振器的半径减于所述开槽的半径；
其中，所述环形介质谐振器的半径与所述环形介质谐振器的高度之比为1.4～6，所述开槽的半径与所述环形介质谐振器的半径之比为0.5～0.7。
2.根据权利要求1所述的裂纹检测传感器，其特征在于，所述环形介质谐振器的激励模式为远场激励。
3.根据权利要求1所述的裂纹检测传感器，其特征在于，所述环形介质谐振器的材质为陶瓷。
4.根据权利要求3所述的裂纹检测传感器，其特征在于，所述陶瓷的相对介电常数为88～95。
5.根据权利要求1所述的裂纹检测传感器，其特征在于，所述环形介质谐振器的损耗角正切的取值为0.001～0.005。
6.一种金属裂纹检测系统，其特征在于，包括待测金属、收发源和如权利要求1-5任意一项所述的裂纹检测传感器；
所述待测金属上设置有待测裂纹；
所述收发源，用于向所述裂纹检测传感器发射信号并得到从所述裂纹检测传感器反射的反射参数，还根据所述反射参数确定所述裂纹检测传感器的谐振频率；
所述裂纹检测传感器位于所述待测裂纹上方设置在所述待测金属上。
7.根据权利要求6所述的金属裂纹检测系统，其特征在于，所述裂纹检测传感器的极化方向与所述待测裂纹的走向方向正交。
8.根据权利要求6所述的金属裂纹检测系统，其特征在于，所述待测裂纹的长度大于所述裂纹检测传感器的长度。
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