CN112485330A - 一种四频阵列式微带贴片天线应变传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四频阵列式微带贴片天线应变传感器，具有体积小、重量轻、能与载体共形的优点，因此成为结构健康监测领域的研究热点。承载结构受载荷应力集中的影响极易萌生裂纹，通过贴片天线传感器对应力集中处进行监测，能够有效评估结构健康状态。利用微带贴片天线传感器谐振频率的偏移量可以确定结构应变大小和方向，进而实现结构应变/裂纹检测。但是目前微带贴片天线传感器检测范围小，无线检测距离较短，应用时存在制约。利用四频阵列式微带贴片天线应变传感器，可以实现大面积金属结构应变/裂纹监测，比较不同频率下天线传感器之间信号的差异，进而实现大面积结构应变/裂纹的量化表征，为结构健康监测提供新的研究思路。
Description
技术领域
本发明设计一种四频阵列式微带贴片天线应变传感器，该方法主要用于四频阵列式微带天线对大面积金属结构应变/裂纹的检测，涉及结构健康监测技术和无损检测技术领域。
背景技术
近几十年以来，飞机在空中失事导致解体的事故时常发生，事故发生以后，人员的存活率极低，而造成飞机解体的一大部分原因是飞机在飞行过程中机体某些结构失效，结构失效是由于应力集中进而萌生裂纹，裂纹会逐渐扩展，最终导致飞机解体，带来巨大的损失。因此，对飞机机体的关键结构部位进行健康监测对于保证人员生命安全是至关重要的。目前现有的应变传感器存在结构复杂多变、价格昂贵和检测灵敏度低的缺点，且难以判断应力集中位置、应变检测范围较小，在结构健康监测应用过程中存在制约。
考虑到传统结构应变传感器存在许多不足，且单个频率的微带贴片天线传感器对于应变/裂纹的检测区域小，不同结构位置间的检测灵敏度存在差异。本文将阵列技术与传感器技术结合在一起，研制了一种成本低、应变检测范围大、检测灵敏度高且适合大规模检测的新型四频阵列式微带贴片天线应变传感器，对于飞机机体的结构健康监测具有重要意义。四频阵列式微带贴片天线传感器主要由四个不同频率的天线传感器按照一定的电气组合方式组成阵列天线，通过调节金属馈线的尺寸，将四个不同频率的天线连接起来，并连接到与SMA转接头相连接的总馈线上，最终实现阻抗匹配。通过SMA转接头和同轴线将网络分析仪和四频阵列式天线相连，就可以实现大面积结构应变/裂纹检测。通过对比不同频率天线传感器回波损耗信号的差异，可以判断应变/裂纹存在的区域，进而实现结构应变/裂纹的定量表征。本发明将四频阵列式微带贴片天线传感器应用于飞机机体结构健康监测，可以实现大面积、多方位结构检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种四频阵列式微带贴片天线应变传感器，具有结构简单、应变检测范围大、能够分析不同结构位置信号的差异、实时监测等优点，完全能够达到实验检测的需要。
为实现上述目的，本发明提出一种四频阵列式微带贴片天线应变传感器，四频阵列式微带贴片天线应变传感器的整体装配图如图1，传感器内部结构示意图如图2所示。该天线传感器由辐射单元、介质基层5、金属接地板6和金属馈线四部分组成，本发明包含了如下部件：辐射单元包括第一辐射元1、第二辐射元2、第三辐射元3和第四辐射元4；介质基层5和金属接地板6；八条金属馈线分别为第一金属馈线7、第二金属馈线8、第三金属馈线9、第四金属馈线10、第五金属馈线11、第六金属馈线12、第七金属馈线13和第八金属馈线14。
辐射单元是印制在介质基层5中心位置上的金属贴片，且辐射单元的下表面与介质基层5的上表面贴合，金属贴片为整个应变传感器的核心部件，介质基层5设置在金属接地板6上，且介质基层5的下表面与金属接地板6的上表面贴合。八条金属馈线的上表面与介质基层5的下表面贴合。第八金属馈线14通过SMA转接头与网络分析仪相连接，实现对应变传感器的频率检测。第一辐射元1、第二辐射元2、第三辐射元3和第四辐射元4呈阵列分布。
辐射单元和介质基层5决定应变天线传感器的谐振频率，谐振频率越高，应变传感器的灵敏度越高。辐射单元和金属接地板6、第一金属馈线7均为导体，介质基层5为绝缘材料。第一辐射元1、第二辐射元2、第三辐射元3和第四辐射元4通过八条金属馈线彼此连接并实现阻抗匹配。每相邻两个辐射元，即第一辐射元1、第三辐射元3与第二辐射元2、第四辐射元4为不等距分布，且位于第八金属馈线14的两侧，呈不对称发布，在结构上组成阵列的排布方式，并采用并联馈电的方式进行馈电，辐射元之间以及辐射元与馈电网络之间都相对独立，且能有效地解决辐射元之间互耦效应。
第一辐射元1的长度取值范围为14mm～15mm，宽度为12mm～13mm，厚度t为0.03mm～0.05mm。
第二辐射元2的长度取值范围为11mm～12mm，宽度为9mm～10mm，厚度t为0.03mm～0.05mm。
第三辐射元3的长度取值范围为10mm～11mm，宽度为8mm～9mm，厚度t为0.03mm～0.05mm。
第四辐射元4的长度取值范围为8mm～9mm，宽度为6mm～7mm，厚度t为0.03mm～0.05mm。
介质基层5是绝缘材料，其长度为70mm～80mm，宽度为40mm～50mm，厚度y1为0.2mm～0.3mm。
金属接地板6的长度为70mm～80mm，宽度为40mm～50mm，厚度y2为0.03mm～0.05mm。
第一金属馈线7长度为10mm～11mm，宽度为0.7mm～1mm，厚度t在0.03mm～0.05mm。
第二金属馈线8长度为12mm～13mm，宽度为0.7mm～1mm，厚度t在0.03mm～0.05mm。
第三金属馈线9长度为11mm～12mm，宽度为0.7mm～1mm，厚度t在0.03～0.05mm。
第四金属馈线10长度为12mm～13mm，宽度为0.7mm～1mm，厚度t在0.03～0.05mm。
第五金属馈线11长度为19mm～20mm，宽度为0.7mm～1mm，厚度t在0.03～0.05mm。
第六金属馈线12长度为19mm～20mm，宽度为0.7mm～1mm，厚度t在0.03～0.05mm。
第七金属馈线13长度为14mm～15mm，宽度为0.7mm～1mm，厚度t在0.03～0.05mm。
第八金属馈线14长度为16mm～17mm，宽度为0.7mm～1mm，厚度t在0.03～0.05mm。
辐射单元、金属接地板、八条金属馈线均为铜箔片；介质基层(5)为聚四氟乙烯材料制成。
与现有的微带天线传感器相比，本发明的优势为：
(1)本发明的四频阵列式微带贴片天线传感器与传统微带天线相比，增益较高且检测灵敏度变大。
(2)本发明的四频阵列式微带贴片天线传感器具有四个不同的谐振频率，且应变检测范围变大，能够同时实现对大面积金属结构不同位置的应变/裂纹检测，通过分析四个中心频率的信号差异，判定应变/裂纹存在的位置，实现应变与裂纹的量化表征。
(3)本发明的四频阵列式微带贴片天线采用并馈馈电的方式，设计简单直接，易与放大器、移相器等其他微波器件集成。
(4)本发明的四频阵列式微带贴片天线制作成本较低、能与载体共形。
附图说明
图1传感器整体装配图；
图2传感器俯视图；
图3传感器正视图；
图4频率范围在7GHz～15GHz的回程损耗图；
具体实施方式
下面以一个传感器实例对具体的实施方式作进一步的说明。传感器介质基层5的材料均选择Rogers RT druid 5880(tm)，辐射元1、2、3、4和金属接地板6、金属馈线7、8、9、10、11、12、13、14均选用铜箔作为材料。
天线传感器的回波损耗图如图4所示，传感器的理论谐振频率在8GHz、10GHz、12GHz、14GHz，回程损耗S11的四个最低点为四频阵列式天线的谐振频率点。当检测结构应变时，天线与被测结构相贴合，即辐射元1、2、3、4覆盖的金属接地板6下表面通过高频性能好的环氧树脂胶粘合在被测结构的应变集中处。由于天线传感器能与载体共形，当被测结构受力产生形变时，天线传感器的尺寸会产生改变，其谐振频率会产生偏移。
经过实验证实，四频阵列式微带贴片天线传感器对于金属结构的应变检测范围大，检测灵敏度高，可同时得到不同位置下的应变/裂纹检测灵敏度。本发明设计的传感器结构简单、成本较低、检测范围大，能够得到不同结构位置信号的差异，并且可以实现结构应变/裂纹的有线/无线监测。
Claims (8)
1.一种四频阵列式微带贴片天线应变传感器，其特征在于：该天线传感器由辐射单元、介质基层(5)、金属接地板(6)和金属馈线四部分组成，辐射单元包括第一辐射元(1)、第二辐射元(2)、第三辐射元(3)和第四辐射元(4)；介质基层(5)和金属接地板(6)；八条金属馈线分别为第一金属馈线(7)、第二金属馈线(8)、第三金属馈线(9)、第四金属馈线(10)、第五金属馈线(11)、第六金属馈线(12)、第七金属馈线(13)和第八金属馈线(14)。
2.根据权利要求1所述的一种四频阵列式微带贴片天线应变传感器，其特征在于：辐射单元是印制在介质基层(5)中心位置上的金属贴片，且辐射单元的下表面与介质基层(5)的上表面贴合，金属贴片为整个应变传感器的核心部件，介质基层(5)设置在金属接地板(6)上，且介质基层(5)的下表面与金属接地板(6)的上表面贴合。
3.根据权利要求1所述的一种四频阵列式微带贴片天线应变传感器，其特征在于：八条金属馈线的上表面与介质基层(5)的下表面贴合。
4.根据权利要求1所述的一种四频阵列式微带贴片天线应变传感器，其特征在于：第八金属馈线(14)通过SMA转接头与网络分析仪相连接，实现对应变传感器的频率检测。
5.根据权利要求1所述的一种四频阵列式微带贴片天线应变传感器，其特征在于：第一辐射元(1)、第二辐射元(2)、第三辐射元(3)和第四辐射元(4)呈阵列分布。
6.根据权利要求1所述的一种四频阵列式微带贴片天线应变传感器，其特征在于：辐射单元和介质基层(5)决定应变天线传感器的谐振频率，谐振频率越高，应变传感器的灵敏度越高；辐射单元和金属接地板(6)、第一金属馈线(7)均为导体，介质基层(5)为绝缘材料；第一辐射元(1)、第二辐射元(2)、第三辐射元(3)和第四辐射元(4)通过八条金属馈线彼此连接并实现阻抗匹配；每相邻两个辐射元，即第一辐射元(1)、第三辐射元(3)与第二辐射元(2)、第四辐射元(4)为不等距分布，且位于第八金属馈线(14)的两侧，呈不对称发布，在结构上组成阵列的排布方式，并采用并联馈电的方式进行馈电，辐射元之间以及辐射元与馈电网络之间都相对独立，且能解决辐射元之间互耦效应。
7.根据权利要求1所述的一种四频阵列式微带贴片天线应变传感器，其特征在于：第一辐射元(1)的长度取值范围为14mm～15mm，宽度为12mm～13mm，厚度t为0.03mm～0.05mm；
第二辐射元(2)的长度取值范围为11mm～12mm，宽度为9mm～10mm，厚度t为0.03mm～0.05mm；
第三辐射元(3)的长度取值范围为10mm～11mm，宽度为8mm～9mm，厚度t为0.03mm～0.05mm；
第四辐射元(4)的长度取值范围为8mm～9mm，宽度为6mm～7mm，厚度t为0.03mm～0.05mm；
介质基层(5)是绝缘材料，其长度为70mm～80mm，宽度为40mm～50mm，厚度y1为0.2mm～0.3mm；
金属接地板(6)的长度为70mm～80mm，宽度为40mm～50mm，厚度y2为0.03mm～0.05mm；
第一金属馈线(7)长度为10mm～11mm，宽度为0.7mm～1mm，厚度t在0.03mm～0.05mm；
第二金属馈线(8)长度为12mm～13mm，宽度为0.7mm～1mm，厚度t在0.03mm～0.05mm；
第三金属馈线(9)长度为11mm～12mm，宽度为0.7mm～1mm，厚度t在0.03～0.05mm；
第四金属馈线(10)长度为12mm～13mm，宽度为0.7mm～1mm，厚度t在0.03～0.05mm；
第五金属馈线(11)长度为19mm～20mm，宽度为0.7mm～1mm，厚度t在0.03～0.05mm；
第六金属馈线(12)长度为19mm～20mm，宽度为0.7mm～1mm，厚度t在0.03～0.05mm；
第七金属馈线(13)长度为14mm～15mm，宽度为0.7mm～1mm，厚度t在0.03～0.05mm；
第八金属馈线(14)长度为16mm～17mm，宽度为0.7mm～1mm，厚度t在0.03～0.05mm。
8.根据权利要求1所述的一种四频阵列式微带贴片天线应变传感器，其特征在于：辐射单元、金属接地板、八条金属馈线均为铜箔片；介质基层(5)为聚四氟乙烯材料制成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210312 |