CN112730976A - 基于宏观石墨烯共形微带天线金属裂纹探测器和探测方法 - Google Patents
基于宏观石墨烯共形微带天线金属裂纹探测器和探测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及基于宏观石墨烯共形微带天线金属裂纹探测器，包括宏观石墨烯膜和柔性介质基底；所述宏观石墨烯膜设置于柔性介质基底上表面，所述宏观石墨烯膜与柔性介质基底组成宏观石墨烯共形微带天线，所述柔性介质基底下表面粘贴在待测金属结构外表面上；所述宏观石墨烯共形微带天线外接有线检测装置，所述有线检测装置用于检测宏观石墨烯共形微带天线的谐振频率，并根据频率数据得到裂纹的长度和方向。本发明可以实现对于复杂曲面金属结构是否有裂纹的实时检测，并且可以实现对于裂纹长度和方向的检测。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯材料应用技术领域，具体的讲是基于宏观石墨烯共形微带天线金属裂纹探测器和探测方法。
背景技术
当今社会金属结构被广泛的应用于航空航天、海洋轮船、汽车制造、机械设备和土木工程中，在长期负载和恶劣环境的工作情况下，金属结构很难避免产生裂缝，当金属裂缝开始形成时，金属结构还能正常工作，但是如果此时对于裂缝的检测不及时，当裂缝继续扩展到一定程度时，会引起极其严重的后果，目前金属裂缝已经成为影响金属结构正常工作的首要因素，为了保证金属结构能够长时间和安全的工作，对于金属结构裂缝检测就非常有必要了。
目前对于金属裂缝检测的常见方法有涡流检测、超声波检测、红外成像检测等方法。但是上述方法都有很明显的缺点，例如涡流检测技术具有检测范围小、检测距离近、检测精度差、只能检测接近表面裂缝等缺点，超声波检测技术具有信号处理过程复杂、价格成本高、存在检测盲区等缺点，红外成像检测的成本高、检测过程复杂。
近年来，基于微带天线传感器的金属裂缝检测技术由于其制作简单、可以实现实时检测、灵敏度高、价格便宜等优点收到了大量的研究，但是目前的研究主要利用金属作为微带天线的辐射体，由于金属本身柔性差，使得目前微带天线传感器主要检测平面金属结构的裂缝，同时由于金属的抗腐蚀性差、易氧化等缺点使其难以在恶劣环境下长时间稳定的工作，这些问题极大的限制了利用微微带天线传感器进行金属裂缝的检测。
石墨烯是由sp2杂化碳原子由共价键连接而形成的二维材料，以其独特的物理化学性能受到了广泛的关注和研究。由石墨烯堆叠组装而形成的宏观石墨烯膜，不仅保留了石墨烯的优异性能，例如良好的柔韧性，极高的导电、导热性、抗腐蚀性强、硬度高等，其极高的导电性使其可以代替金属作为天线的辐射体，良好的柔韧性使其可以很方便进行共形，而抗腐蚀性强、硬度高使其可以在恶劣环境长期稳定的工作。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对以上不足，提供基于宏观石墨烯共形微带天线金属裂纹探测器和探测方法，能够实时检测复杂曲面金属结构上的裂缝。
为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
基于宏观石墨烯共形微带天线金属裂纹探测器，包括宏观石墨烯膜和柔性介质基底；
所述宏观石墨烯膜设置于柔性介质基底上表面，所述宏观石墨烯膜与柔性介质基底组成宏观石墨烯共形微带天线，所述柔性介质基底下表面粘贴在待测金属结构外表面上；所述宏观石墨烯共形微带天线外接有线检测装置，所述有线检测装置用于检测宏观石墨烯共形微带天线的谐振频率，并根据频率数据得到裂纹的长度和方向。
进一步的，所述有线检测装置包括矢量网络分析仪和电脑终端，所述矢量网络分析仪与宏观石墨烯共形微带天线连接，所述矢量网络分析仪用于向宏观石墨烯共形微带天线进行馈电，并接收宏观石墨烯共形微带天线传输来的谐振频率，并将谐振频率数据传输给电脑终端，所述电脑终端用于处理谐振频率数据得到裂缝的长度和方向。
进一步的，所述宏观石墨烯共形微带天线上设置有SMA接头，所述矢量网络分析仪通过同轴线与SMA接头连接。
进一步的，所述宏观石墨烯膜的厚度为10-50μm，杨氏模量为0.1-20GPa，电导率104-106S/m。
基于宏观石墨烯共形微带天线金属裂纹探测方法，包括以下步骤：
步骤1、通过激光雕刻机制造宏观石墨烯膜，将宏观石墨烯膜粘贴于柔性介质基底顶部，将柔性介质基底的底部粘贴于待测金属表面，将宏观石墨烯共形微带天线与矢量网络分析仪连接；
步骤2、根据宏观石墨烯共形微带天线在两个基本模式TM01和TM10下对应的谐振频率f01和f10，设置矢量网络分析仪的扫频范围；
步骤3、矢量网络分析仪通过给宏观石墨烯共形微带天线进行发射信号，并接收宏观石墨烯共形微带天线传输来的反射信号，得到谐振频率f01和f10和频率变化量Δf01和Δf10；
步骤4、将宏观石墨烯共形微带天线传输来的谐振频率数据传输给电脑终端处理，得到裂缝的长度和方向。
进一步的，所述步骤2中：
其中c为光在真空中的速度，L为宏观石墨烯膜的长度，w为宏观石墨烯膜的宽度，εre为柔性介质基底的有效介电常数，εr为柔性介质基底的介电常数，h为柔性介质基底的厚度，ΔLoc是由于边缘效应所产生的扩展长度，TM01模式时，f01为宏观石墨烯共形微带天线TM01模式的谐振频率，此时宏观石墨烯共形微带天线上的电流沿着宏观石墨烯膜的长度方向；TM10模式时，f10为宏观石墨烯共形微带天线TM10模式的谐振频率，此时宏观石墨烯共形微带天线上的电流沿着宏观石墨烯膜的宽度方向。
进一步的，所述步骤4中：
若裂缝沿宏观石墨烯膜的长度方向时，会影响宏观石墨烯共形微带天线沿宽度方向上的电流流向，增加宏观石墨烯共形微带天线长度方向上的电流路径，使宏观石墨烯共形微带天线的f10谐振频率会持续减小；
若裂缝沿宏观石墨烯膜的宽度方向时，会影响宏观石墨烯共形微带天线沿长度方向上的电流流向，增加宏观石墨烯共形微带天线宽度方向上的电流路径，使宏观石墨烯共形微带天线的f01谐振频率会持续减小。
本发明采用以上技术方案后，与现有技术相比，具有以下优点：
本发明中基于宏观柔性石墨烯薄膜共形微带天线传感器结构合理，制作方便，由于使用了柔性基底和宏观柔性石墨烯薄膜，宏观柔性石墨烯薄膜共形微带天线传感器超薄质轻，利用石墨烯薄膜良好的柔性，可以很方便的实现微带天线传感器与待测金属结构的共形，实现对复杂曲面金属结构裂缝长度和方向的实时监测。
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的连接结构示意图；
图3为谐振频率f10随裂缝扩展的变化示意图；
图4为谐振频率f01随裂缝扩展的变化示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
11、矢量网络分析仪；12、电脑终端；2、宏观石墨烯膜；3、柔性介质基底；4、待测金属。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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。
如图1和图2所示，基于宏观石墨烯共形微带天线金属裂纹探测器，包括宏观石墨烯膜2和柔性介质基底3；
所述宏观石墨烯膜2设置于柔性介质基底3上表面，所述宏观石墨烯膜2与柔性介质基底3组成宏观石墨烯共形微带天线，所述柔性介质基底3下表面粘贴在待测金属结构外表面上；所述宏观石墨烯共形微带天线外接有线检测装置，所述有线检测装置用于检测宏观石墨烯共形微带天线的谐振频率，并根据频率数据得到裂纹的长度和方向。
作为一种实施方式，所述有线检测装置包括矢量网络分析仪11和电脑终端12，所述矢量网络分析仪11与宏观石墨烯共形微带天线连接，所述矢量网络分析仪11用于向宏观石墨烯共形微带天线进行馈电，并接收宏观石墨烯共形微带天线传输来的谐振频率，并将谐振频率数据传输给电脑终端12，所述电脑终端12用于处理谐振频率数据得到裂缝的长度和方向，根据不同的频率偏移来反应待测金属结构上出现的裂纹长度和方向；
作为一种实施方式，所述宏观石墨烯共形微带天线上设置有SMA接头，所述矢量网络分析仪11通过同轴线与SMA接头连接，实现对微带天线的谐振频率的实时检测，其中SMA接头的特性阻抗为50Ω。
作为一种实施方式，所述宏观石墨烯膜2的厚度为10-50μm，杨氏模量为0.1-20GPa，电导率104-106S/m；所述柔性介质基底3为柔性绝缘材料，柔性介质基底3可使用PET或有机硅膜制成。
本实施例中，宏观石墨烯共形微带天线的辐射贴片由宏观石墨烯膜2制成，宏观石墨烯膜2的尺寸为30mm*25mm*0.03mm，杨氏模量为0.1-20GPa，电导率104-106S/m；柔性介质基底3的材料选择PET，尺寸为60mm*50mm*0.5mm介电常数为3，待测金属4为可弯曲的铜箔，尺寸为80mm*80mm*0.0mm；宏观石墨烯共形微带天线的仿真值为f01＝2.62GHZ，f10＝3.433GHZ,由于是共形天线，所以天线会有一定的弯曲度，而天线的弯曲度对于天线谐振频率的影响可以由下式表达：
其中εre为天线在自然状态下的有效介电常数，η为比例因子，h是介质基底的厚度，r是宏观石墨烯共形微带天线的弯曲半径，d表示一个介于0.5到1之间的常数，在完全弯曲时为1，在自然状态下为0.5，由此可以知道随着天线弯曲度的增加，其有效介电常数会增大，而其谐振频率会下降，在本发明实施中，宏观石墨烯共形微带天线的弯曲度为30度，且弯曲方向为长度方向。
基于宏观石墨烯共形微带天线金属裂纹探测方法，包括以下步骤：
步骤1、通过激光雕刻机在宏观柔性石墨烯膜上雕刻出相应的形状，得到宏观石墨烯膜2，通过透明胶带将宏观石墨烯膜2粘贴于柔性介质基底3顶部，通过胶水将柔性介质基底3的底部粘贴于待测金属表面，得到宏观石墨烯共形微带天线，将宏观石墨烯共形微带天线上的SMA接头与矢量网络分析仪11的同轴线连接；
步骤2、根据宏观石墨烯共形微带天线在两个基本模式TM01和TM10下对应的谐振频率f01和f10，设置矢量网络分析仪11的扫频范围；
其中c为光在真空中的速度，L为宏观石墨烯膜2的长度，w为宏观石墨烯膜2的宽度，εre为柔性介质基底3的有效介电常数，εr为柔性介质基底3的介电常数，h为柔性介质基底3的厚度，ΔLoc是由于边缘效应所产生的扩展长度，TM01模式时，f01为宏观石墨烯共形微带天线TM01模式的谐振频率，此时宏观石墨烯共形微带天线上的电流沿着宏观石墨烯膜2的长度方向；TM10模式时，f10为宏观石墨烯共形微带天线TM10模式的谐振频率，此时宏观石墨烯共形微带天线上的电流沿着宏观石墨烯膜2的宽度方向。
步骤3、矢量网络分析仪11通过给宏观石墨烯共形微带天线进行发射信号，并接收宏观石墨烯共形微带天线传输来的反射信号，得到谐振频率f01和f10和频率变化量Δf01和Δf10；
步骤4、将宏观石墨烯共形微带天线传输来的谐振频率数据传输给电脑终端12处理，得到裂缝的长度和方向；
如图3所示，当裂缝沿宏观石墨烯膜2的长度方向时，会影响宏观石墨烯共形微带天线沿宽度方向上的电流流向，增加宏观石墨烯共形微带天线长度方向上的电流路径，使宏观石墨烯共形微带天线的f10谐振频率会持续减小；
如图4所示，当裂缝沿宏观石墨烯膜2的宽度方向时，会影响宏观石墨烯共形微带天线沿长度方向上的电流流向，增加宏观石墨烯共形微带天线宽度方向上的电流路径，使宏观石墨烯共形微带天线的f01谐振频率会持续减小。
根据宏观石墨烯共形微带天线的空腔模型得到TM01模式的电流方向与宏观石墨烯膜2的长度方向平行，及其相应的谐振频率f01；而TM10模的电流方向与宏观石墨烯膜2的宽度方向平行，及其相应的谐振频率f10，出现在待测金属4上不同方向的裂缝对于谐振频率f01和f10的影响程度不同，通过测量R＝Δf10/Δf01的值，来反映裂缝方向。
以上所述为本发明最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换，也在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.基于宏观石墨烯共形微带天线金属裂纹探测器，其特征在于，包括宏观石墨烯膜(2)和柔性介质基底(3)；
所述宏观石墨烯膜(2)设置于柔性介质基底(3)上表面，所述宏观石墨烯膜(2)与柔性介质基底(3)组成宏观石墨烯共形微带天线，所述柔性介质基底(3)下表面粘贴在待测金属结构外表面上；所述宏观石墨烯共形微带天线外接有线检测装置，所述有线检测装置用于检测宏观石墨烯共形微带天线的谐振频率，并根据频率数据得到裂纹的长度和方向。
2.根据权利要求1所述的基于宏观石墨烯共形微带天线金属裂纹探测器，其特征在于，所述有线检测装置包括矢量网络分析仪(11)和电脑终端(12)，所述矢量网络分析仪(11)与宏观石墨烯共形微带天线连接，所述矢量网络分析仪(11)用于向宏观石墨烯共形微带天线进行馈电，并接收宏观石墨烯共形微带天线传输来的谐振频率，并将谐振频率数据传输给电脑终端(12)，所述电脑终端(12)用于处理谐振频率数据得到裂缝的长度和方向。
3.根据权利要求1所述的基于宏观石墨烯共形微带天线金属裂纹探测器，其特征在于，所述宏观石墨烯共形微带天线上设置有SMA接头，所述矢量网络分析仪(11)通过同轴线与SMA接头连接。
4.根据权利要求1所述的基于宏观石墨烯共形微带天线金属裂纹探测器，其特征在于，所述宏观石墨烯膜(2)的厚度为10-50μm，杨氏模量为0.1-20GPa，电导率104-106S/m。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于宏观石墨烯共形微带天线金属裂纹探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、通过激光雕刻机制造宏观石墨烯膜(2)，将宏观石墨烯膜(2)粘贴于柔性介质基底(3)顶部，将柔性介质基底(3)的底部粘贴于待测金属表面，将宏观石墨烯共形微带天线与矢量网络分析仪(11)连接；
步骤2、根据宏观石墨烯共形微带天线在两个基本模式TM01和TM10下对应的谐振频率f01和f10，设置矢量网络分析仪(11)的扫频范围；
步骤3、矢量网络分析仪(11)通过给宏观石墨烯共形微带天线进行发射信号，并接收宏观石墨烯共形微带天线传输来的反射信号，得到谐振频率f01和f10和频率变化量Δf01和Δf10；
步骤4、将宏观石墨烯共形微带天线传输来的谐振频率数据传输给电脑终端(12)处理，得到裂缝的长度和方向。
6.根据权利要求5所述的基于宏观石墨烯共形微带天线金属裂纹探测方法，其特征在于，所述步骤2中：
其中c为光在真空中的速度，L为宏观石墨烯膜(2)的长度，w为宏观石墨烯膜(2)的宽度，εre为柔性介质基底(3)的有效介电常数，εr为柔性介质基底(3)的介电常数，h为柔性介质基底(3)的厚度，ΔLoc是由于边缘效应所产生的扩展长度，TM01模式时，f01为宏观石墨烯共形微带天线TM01模式的谐振频率，此时宏观石墨烯共形微带天线上的电流沿着宏观石墨烯膜(2)的长度方向；TM10模式时，f10为宏观石墨烯共形微带天线TM10模式的谐振频率，此时宏观石墨烯共形微带天线上的电流沿着宏观石墨烯膜(2)的宽度方向。
7.根据权利要求5所述的基于宏观石墨烯共形微带天线金属裂纹探测方法，其特征在于，所述步骤4中：
若裂缝沿宏观石墨烯膜(2)的长度方向时，会影响宏观石墨烯共形微带天线沿宽度方向上的电流流向，增加宏观石墨烯共形微带天线长度方向上的电流路径，使宏观石墨烯共形微带天线的f10谐振频率会持续减小；
若裂缝沿宏观石墨烯膜(2)的宽度方向时，会影响宏观石墨烯共形微带天线沿长度方向上的电流流向，增加宏观石墨烯共形微带天线宽度方向上的电流路径，使宏观石墨烯共形微带天线的f01谐振频率会持续减小。
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