CN112254760A - 一种基于多层微带天线的应变裂纹解耦测量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于多层微带天线的应变裂纹解耦测量传感器，将多层结构与微带天线传感器结合，包括多层测量贴片天线、信号收发贴片天线；多层测量贴片天线包括裂纹测量贴片和应变测量贴片，通过尺寸不同的馈电线结构与信号收发贴片天线连接；信号收发贴片天线通过号角天线、二路功分器、滤波器与外部设备进行数据通信。本发明将应变测试与裂纹测试布置在同一个区域，可以通过应变测量值对裂纹测试进行微小补偿，相对于现有技术将应变测量和裂纹测量分区布置且忽略结构应变对裂纹测量的影响的方式，本发明能够得到更为精确的裂纹监测解耦值。

Description

一种基于多层微带天线的应变裂纹解耦测量传感器

技术领域

本发明涉及金属结构安全监测技术领域，具体为一种基于多层微带天线的应变裂纹解耦测量传感器。

背景技术

金属结构尤其是钢结构广泛应用于各工程领域中，随着高端智能装备的快速发展，用于装备裂纹与应变监测的设计需求日益增长，为了保证金属装备安全运行并延长其使用寿命，需要对金属结构的服役状态进行实时健康监测。微带贴片天线传感器具备体积小、重量轻、制造简单、成本低、易薄膜化且可无源无线的优点，近年来被广泛应用于金属结构的安全监测领域。但是常规的微带贴片天线传感器只能单独进行裂纹或应变的测量，由于测量信息存在耦合干扰，难以同时进行裂纹和应变测量，这就给复杂工况下工程设备金属结构的安全评估带来了困难。

经检索发现，公开号CN107747900B的中国专利于2020年2月18日公开了一种基于二元贴片天线阵列的应变与裂纹解耦测量装置，该专利提出的“应变、裂纹解耦方式”采用贴片阵列形式，即一个自带接地板的贴片天线用于测试应变，另外一个贴片天线用于测试裂纹，在阵列布置过程中存在测试盲区，即当裂纹出现在应变测试贴片下方时，裂纹测试贴片不会出现谐振频率偏移，导致裂纹监测盲区的发生。公开号CN110375686A的中国专利于2019年10月25日公开了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，该专利申请在阵列布置过程中，同样存在测试盲区。前述专利中提出的应变裂纹解耦监测阵列未能准确的实现应变与裂纹的解耦监测，即应变测试在一个区域，裂纹测试在另外一个区域，结构应变对裂纹测试贴片的影响在前述专利中采用忽略不计的方式完成，从而降低了裂纹监测的精度。

因此，本申请提供一种基于多层微带天线的应变裂纹解耦测量传感器，将应变测试与裂纹测试在同一个区域，可以通过应变测量值对裂纹测试进行微小补偿，从而得到更为精确的裂纹监测解耦值；同时，本申请通过多层结构形式实现单个贴片天线传感器的多参数解耦监测，结构更为紧凑，在缩小监测盲区的同时也减少了制作成本。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于多层微带天线的应变裂纹解耦测量传感器，将多层结构用于贴片天线传感器的制备，基于多谐振腔模型，通过多层结构形式实现单个贴片天线传感器的多参数解耦监测，结构更为紧凑，在缩小监测盲区的同时也减少了制作成本。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

一种基于多层微带天线的应变裂纹解耦测量传感器，将多层结构与微带天线传感器结合，包括多层测量贴片天线和信号收发贴片天线；所述多层测量贴片天线包括裂纹测量贴片和应变测量贴片，所述裂纹测量贴片布置在应变测量贴片的下层，所述裂纹测量贴片和应变测量贴片分别通过不同的馈电线结构与信号收发贴片天线连接；所述信号收发贴片天线与外部设备进行数据通信。

作为进一步的技术方案，所述测量传感器包括三层，其中，上层为布置有应变测量贴片的介质基层，中间层为布置有裂纹测量贴片的介质基层，下层为金属接地板。

作为进一步的技术方案，所述裂纹测量贴片的尺寸大于应变测量贴片的尺寸；所述信号收发贴片天线的尺寸与裂纹测量贴片和应变测量贴片的尺寸均不同。

作为进一步的技术方案，不同的所述馈电线的一端均与信号收发贴片天线的中点连接，另一端与裂纹测量贴片或应变测量贴片的1/4长度处连接。

作为进一步的技术方案，根据1/4波长阻抗转换器原理对应变、裂纹测量贴片的馈线结构进行设计，贴片与激励端口之间通过一段传输线进行连接，传输线长度为1/4贴片天线波长，贴片输入阻抗Z₁、传输线特性阻抗Z_c与端口特性阻抗Z₀之间满足：

馈线宽度W_l根据特性阻抗进行设计：

式中，Z为馈线的特性阻抗，ε_r为相对介电常数，h为传感器的介质基层厚度。

作为进一步的技术方案，裂纹测量贴片布置在下层，应变测量贴片布置在上层，运用多谐振腔模型理论，结构裂纹仅对下层贴片产生影响，下层贴片受应变影响可通过上层贴片应变测量值进行微小补偿，从而实现裂纹和应变的解耦测量，应变补偿公式：

式中，ε为上层贴片测出的应变值，δ为上下层应变传输效率，可通过试验标定。

进一步地，所述信号收发贴片天线通过号角天线与矢量网络分析仪进行信息交互，通过滤波器和二路功分器整合多层贴片天线的谐振频率和回波损耗信号。

进一步地，所述号角天线的工作频率范围0～6GHz。号角天线由支架固定。

作为进一步的技术方案，所述应变测量贴片的长度分别为32mm，宽度为28mm，厚度为0.035mm。

进一步地，所述应变测量贴片的长度分别为30mm，宽度为25mm，厚度为0.035mm。

作为进一步的技术方案，所述裂纹测量贴片的长度为110mm，宽度为80mm，厚度为0.035mm。

作为进一步的技术方案，所述信号收发贴片天线的长度和宽度均为10mm，厚度0.035mm。

作为进一步的技术方案，所述的应变测量贴片和裂纹测量贴片均采用良导体铜材料，介质基层采用FR4材料，金属接地板为金属结构。

进一步地，介质基层的材料是绝缘材料，上层介质基层长度为170mm，宽度为170mm，厚度为1mm，下层介质基层长度为170mm，宽度为170mm，厚度为1mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明包括多层测量贴片天线、信号收发贴片天线；多层测量贴片天线包括裂纹测量贴片和应变测量贴片，通过尺寸不同的馈电线结构与信号收发贴片天线连接；信号收发贴片天线通过号角天线、二路功分器、滤波器与外部设备进行数据通信；本发明通过运用多层结构设计贴片天线传感器，同时实现了裂纹和应变的解耦监测，大大提高了微带天线传感器的工作可靠性。

(2)本发明将应变测试与裂纹测试布置在同一个区域，可以通过应变测量值对裂纹测试进行微小补偿，相对于现有技术将应变测量和裂纹测量分区布置且忽略结构应变对裂纹测量的影响的方式，本发明能够得到更为精确的裂纹监测解耦值。

(3)本发明的多层微带贴片天线应变裂纹测量传感器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单一参数监测的缺点；实现了裂纹和应变的解耦测量，大大提高了传感器的监测性能；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增强耐用性和提高监测灵敏度；馈线结构根据实际功率分配和阻抗匹配进行优化。

附图说明

图1为根据本发明实施例的基于多层微带天线的应变裂纹解耦测量传感器的结构示意图。

图2为根据本发明实施例的基于多层微带天线的应变裂纹解耦测量传感器的测量示意图。

图3(a)为根据本发明实施例的下层贴片裂纹测量谐振频率示意图。

图3(b)为根据本发明实施例的上层贴片应变测量谐振频率示意图

图4为根据本发明实施例的谐振频率与裂纹长度的示意图。

图中：1、应变测量贴片；2、上介质基层；3、裂纹测量贴片；4、下介质基层；5、金属接地板；6、应变测量贴片馈线；7/8、信号收发贴片天线；9、裂纹测量贴片馈线；10、号角天线；11、多层贴片天线传感器；12、号角支架；13、滤波器；14、二路功分器；15、矢量网络分析仪；16、待测结构裂纹。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述发实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例

如附图1所示，本发明的基于多层微带天线的应变裂纹传感器包括应变测量贴片1、应变测量贴片馈线6，裂纹测量贴片3、裂纹测量贴片馈线9、信号收发贴片天线7和8、上介质基层2和下介质基层4、金属接地板5。应变信号和裂纹信号由号角天线10进行远程获取，实现无线测量。

信号收发贴片7和8尺寸与应变、裂纹监测贴片尺寸均不同，以免在信号收发时产生干扰。裂纹测量贴片3尺寸与应变测量贴片1尺寸也不同，前者尺寸大，以增大裂纹监测范围；后者尺寸小，提高应变监测灵敏度。此外，本发明中的尺寸只是取了两个代表性的尺寸，实际中，应变、裂纹测量贴片尺寸不唯一，可以根据实际测量的需求按设计标准进行独立设计。

应变测量贴片馈线6的一端与信号收发贴片天线7的中点连接，另一端与应变测量贴片1的1/4长度处连接；裂纹测量贴片馈线9的一端与信号收发贴片天线8的中点连接，另一端与裂纹测量贴片3的1/4长度处连接。

信号收发贴片在工作时只激发单一工作模式。具体来说，信号收发贴片可以同时收发，此处单一工作模式是因为要匹配号角天线的单线极化，即一次只能激励测试贴片的一种模态信号，测量贴片的两种工作模态信息需要分开激励得到(与号角天线的放置方向有关)。

应变、裂纹测量贴片的馈线结构在考虑功率合理分配的前提下，根据1/4波长阻抗转换器原理进行设计，贴片与激励端口之间通过一段传输线进行连接，传输线长度为1/4贴片天线波长，贴片输入阻抗Z₁、传输线特性阻抗Z_c与端口特性阻抗Z₀之间满足：

馈线宽度W_l根据特性阻抗进行设计：

式中，Z为馈线的特性阻抗，ε_r为相对介电常数，h为传感器的介质基层厚度。

图2展示了本发明的一种实施方式，监测装置包括多层贴片天线传感器11，号角天线10，号角天线支架12，滤波器13，二路功分器14，矢量网络分析仪15。待测结构裂纹16的长度16mm，宽度0.5mm，深度贯穿，位于结构中心向两边扩展；结构平面应力状态为x方向的应力为75Mpa。通过号角天线完成矢量网络分析仪和信号收发贴片之间的信息交互，通过滤波器、二路功分器整合多层贴片天线的谐振频率和回波损耗信号。

多层贴片天线传感器由多层辐射贴片、多层基质和接地板组成，其中上层辐射贴片与下层辐射贴片构成谐振腔模型，下层辐射贴片与接地板构成谐振腔模型。

当接地板上出现裂纹时，表面电流会在裂纹尖端产生绕行现象，从而降低下层辐射贴片的谐振频率，根据谐振频率的偏移量可以推算出接地板的裂纹长度，而此时，由于谐振腔的存在，上层辐射贴片天线的谐振频率不会受到影响。

进一步地，裂纹引起结构表面电流分布改变，导致谐振频率偏移，裂纹扩展过程中的理论谐振频率计算公式如下所示：

式中，ε_e代表有效介电常数，L代表贴片长度，ΔL_crack代表裂纹引起的电流绕行长度，ΔL代表贴片边缘效应引起的电长度增量。裂纹扩展过程中，由于裂纹尖端电流绕行引起ΔL_crack变化，由于裂纹具有长度、宽度和深度等多种参数，对ΔL_crack有不同的影响，目前理论解析方面还在研究过程中，现有的裂纹监测是基于仿真分析和试验验证手段进行的定性分析，本专利以宽度为0.5mm的贯穿裂纹为例，得出了谐振频率与裂纹长度的变化趋势图(如图4所示)，拟合曲线函数为

y＝-0.00005x²+0.000793x+0.873445，

其中y代表谐振频率(GHz)，x代表裂纹长度(mm)，拟合度高达0.9991，根据拟合趋势，利用测试谐振频率即可推算出裂纹的长度值。

当结构平面受载时，处于不同的应力状态，使得上层贴片受应变影响产生尺寸上的变化，从而使得贴片对应模态的谐振频率产生偏移，通过应变传递效率标定进行校准，从而对结构平面的应变状态进行较为准确的推断。

如图3所示，在多层贴片传感器中，标记下层贴片为α，上层贴片分别为b，下层贴片天线宽度方向的谐振频率设计值为f₀₁ ^a＝0.879GHz，上层贴片天线长度方向的谐振频率设计值为f₁₀ ^b＝2.0467GHz:下层贴片天线的谐振频率测量值为f₀₁ ^a＝0.8726GH2，上层贴片天线长度方向的谐振频率测量值为f₁₀ ^b＝2.0452GHz,根据传感器的裂纹、应变监测原理，可以推算出裂纹长度约为16.98mm，与待测裂纹16的长度相比，误差为6.12％，推算出x方向的应力为73.44Mpa，与设定应力状态相比，误差分别为2.08％，利用应变测试值对裂纹测试值进行补偿校准，推算出裂纹长度约为16.35mm，与待测裂纹16的长度相比，误差为2.18％。

具体地，由贴片可测试出结构应变，结构应变与应力之间有公式计算：σ＝Eε，其中σ为应力，E为弹性模量，ε为应变，由此可推算出x方向的应力。

本发明设计的基于多层微带天线的应变裂纹解耦测量传感器无源无线、结构简单、体积小，适用于长期实时的结构健康状态监测。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

最后应说明的是：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：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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实施例技术方案。

Claims (10)

1.一种基于多层微带天线的应变裂纹解耦测量传感器，其特征在于，将多层结构与微带天线传感器结合，包括多层测量贴片天线和信号收发贴片天线；所述多层测量贴片天线包括裂纹测量贴片和应变测量贴片，所述裂纹测量贴片布置在应变测量贴片的下层，所述裂纹测量贴片和应变测量贴片分别通过不同的馈电线结构与信号收发贴片天线连接；所述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所述的基于多层微带天线的应变裂纹解耦测量传感器，其特征在于，所述测量传感器包括三层，其中，上层为布置有应变测量贴片的介质基层，中间层为布置有裂纹测量贴片的介质基层，下层为金属接地板。

3.根据权利要求1所述的基于多层微带天线的应变裂纹解耦测量传感器，其特征在于，所述裂纹测量贴片的尺寸大于应变测量贴片的尺寸；所述信号收发贴片天线的尺寸与裂纹测量贴片和应变测量贴片的尺寸均不同。

4.根据权利要求1所述的基于多层微带天线的应变裂纹解耦测量传感器，其特征在于，不同的所述馈电线的一端均与信号收发贴片天线的中点连接，另一端与裂纹测量贴片或应变测量贴片的1/4长度处连接。

5.根据权利要求1所述的基于多层微带天线的应变裂纹解耦测量传感器，其特征在于，根据1/4波长阻抗转换器原理对应变、裂纹测量贴片的馈线结构进行设计，贴片与激励端口之间通过一段传输线进行连接，传输线长度为1/4贴片天线波长，贴片输入阻抗Z₁、传输线特性阻抗Z_c与端口特性阻抗Z₀之间满足：

馈线宽度W_l根据特性阻抗进行设计：

式中，Z为馈线的特性阻抗，ε_r为相对介电常数，h为传感器的介质基层厚度。

6.根据权利要求1所述的基于多层微带天线的应变裂纹解耦测量传感器，其特征在于，利用应变测量贴片的测试值对裂纹测量贴片的应变误差进行补偿：

式中，ε为上层贴片测出的应变值，δ为上下层应变传输效率，可通过试验标定。

7.根据权利要求1所述的基于多层微带天线的应变裂纹解耦测量传感器，其特征在于，所述应变测量贴片的长度分别为32mm，宽度为28mm，厚度为0.035mm。

8.根据权利要求1所述的基于多层微带天线的应变裂纹解耦测量传感器，其特征在于，所述裂纹测量贴片的长度为110mm，宽度为80mm，厚度为0.035mm。

9.根据权利要求1所述的基于多层微带天线的应变裂纹解耦测量传感器，其特征在于，所述信号收发贴片天线的长度和宽度均为10mm，厚度0.035mm。

10.根据权利要求2所述的基于多层微带天线的应变裂纹解耦测量传感器，其特征在于，所述的应变测量贴片和裂纹测量贴片均采用良导体铜材料，介质基层采用FR4材料，金属接地板为金属结构。

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