CN112816650B - 一种基于频率选择性的传感器模型的构建方法及传感器 - Google Patents

一种基于频率选择性的传感器模型的构建方法及传感器 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种基于频率选择性的传感器模型的构建方法及传感器，构建方法通过第一梯度过渡条带模型、第一周期性H形条带模型、第一连接带模型、矩形环模型、第二连接带模型、第二周期性H形条带模型和第二梯度过渡条带模型构成人工表面等离子体激元波导模型将传输能量束缚在波导表面传输，大大提高了能量的传输效率，利用背置开口环形谐振器模型和矩形环模型进行耦合连接后构成基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型将能量束缚在环形磁场内，可产生频率选择效应，利用陷波增强裂纹处的电磁场强度，从而在对金属样品模型表面裂纹进行检测时，提高与裂纹的相互作用的敏感性，提高传感器的检测灵敏度，可检测亚毫米级的裂纹。

Description

一种基于频率选择性的传感器模型的构建方法及传感器
技术领域
本申请涉及裂纹检测传感器技术领域，尤其涉及一种基于频率选择性的传感器模型的构建方法及传感器。
背景技术
裂纹是金属设施常见的损伤形态，而裂纹检测是一项金属设施维护中必不可少的环节。裂纹检测最常用的检测技术是结构健康监测技术，是通过提取和分析损伤敏感指标，为结构完整性维护提供必要的信息。而这一技术必不可少的结构就是裂纹传感器。
在各种传感器中，天线传感器具有结构简单、制造成本低、重量轻的优点。为了能够探测到亚毫米级的裂缝，要求天线传感器对电磁波具有很高的束缚能力，从而达到较高的灵敏度。而目前的裂纹传感器无法检测亚毫米级裂纹，而且，其检测灵敏度较低。
因此，目前亟需一种检测灵敏度高且可检测亚毫米级裂纹的裂纹传感器。
发明内容
本申请提供了一种基于频率选择性的传感器模型的构建方法及传感器，用于解决裂纹传感器无法检测亚毫米级裂纹且检测灵敏度低的技术问题。
有鉴于此，本申请第一方面提供了一种基于频率选择性的传感器模型的构建方法，包括以下步骤：
S1：通过仿真软件构建介质基板模型、第一梯度过渡条带模型、第一周期性H形条带模型、第一连接带模型、矩形环模型、第二连接带模型、第二周期性H形条带模型、第二梯度过渡条带模型和背置开口环形谐振器模型；
S2：将所述第一梯度过渡条带模型、所述第一周期性H形条带模型、所述第一连接带模型、所述矩形环模型、所述第二连接带模型、所述第二周期性H形条带模型和所述第二梯度过渡条带模型按照由左至右依次连接后设置于所述介质基板模型的上表面，从而构成人工表面等离子体激元波导模型；
S3：在所述第一梯度过渡条带模型和所述第二梯度过渡条带模型的最外端均设置激励端口，所述激励端口用于接收外部激励信号；
S4：将所述背置开口环形谐振器模型设置于所述矩形环模型内部，且将所述背置开口环形谐振器模型和所述矩形环模型进行耦合连接后产生环形磁场，从而构成基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型；
S5：将所述基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型放置于预设的有裂纹的金属样品模型的裂纹的上表面，并使所述裂纹与所述背置开口环形谐振器模型位置相对应，从而通过所述基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型对所述预设的有裂纹的金属样品模型的所述裂纹进行裂纹剖面仿真检测，进而获得陷波频率；
S6：调整所述基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型的尺寸，从而使得所述基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型的输入阻抗与所述激励端口的特征阻抗相匹配，进而输出阻抗匹配后的基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型。
优选地，所述步骤S2具体包括：将所述第一梯度过渡条带模型、所述第一周期性H形条带模型、所述第一连接带模型、所述矩形环模型、所述第二连接带模型、所述第二周期性H形条带模型和所述第二梯度过渡条带模型按照由左至右依次连接后设置于所述介质基板模型的上表面，将所述第一梯度过渡条带模型与所述第二梯度过渡条带模型镜像对称布置，将所述第一周期性H形条带模型与所述第二周期性H形条带模型镜像对称布置，从而形成人工表面等离子体激元波导模型。
优选地，所述第一梯度过渡条带模型与所述第二梯度过渡条带模型均为H形梯度结构模型，其条带高度均以预设步进值由最外端向内端方向连续渐增。
优选地，所述预设步进值为1mm，所述第一梯度过渡条带模型与所述第二梯度过渡条带模型的最外端的条带高度均为2mm，其最内端的条带高度均为9mm。
优选地，所述介质基板模型为预置介电常数的柔性聚酰亚胺材料。
优选地，所述第一连接带模型与所述第二连接带模型以所述矩形环模型的中心轴线非对称设置。
优选地，所述步骤S5具体包括：
S501：将所述基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型放置于预设的有裂纹的金属样品模型的裂纹的上表面，并使所述裂纹与所述背置开口环形谐振器模型位置相对应；
S502：通过所述仿真软件对所述激励端口以准横电磁模式的电磁波进行模拟激励；
S503：通过所述第一梯度过渡条带模型与所述第二梯度过渡条带模型将所述准横电磁模式的电磁波转换为人工表面等离子体激元模式的电磁波；
S504：通过所述第一周期性H形条带模型与所述第二周期性H形条带模型将所述人工表面等离子体激元模式的电磁波传输至所述矩形环模型内部后，通过所述基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型将所述人工表面等离子体激元模式的电磁波限制于所述环形磁场内，从而产生陷波模式；
S505：对模拟仿真电磁场结果进行求解从而获得S21参数，进而根据所述S21参数获得陷波频率。
优选地，所述步骤S6中调整所述基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型的尺寸的步骤具体为：根据所述S21参数的幅值调整所述人工表面等离子体激元波导模型的尺寸。
优选地，所述步骤S6之后包括：
将基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型用于对所述预设的有裂纹的金属样品模型的不同剖面的裂纹进行仿真检测，从而获得裂纹剖面与所述陷波频率之间的对应关系，从而通过所述陷波频率的偏移量表征裂纹剖面。
第二方面，本申请还提供了一种基于频率选择性的传感器，该基于频率选择性的传感器根据上述的基于频率选择性的传感器模型的构建方法得到的基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型制成。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：
本发明提供了一种基于频率选择性的传感器模型的构建方法，通过第一梯度过渡条带模型、第一周期性H形条带模型、第一连接带模型、矩形环模型、第二连接带模型、第二周期性H形条带模型和第二梯度过渡条带模型按照由左至右依次连接后构成人工表面等离子体激元波导模型将传输能量束缚在波导表面传输，大大提高了能量的传输效率，当能量传输至矩形环内后，利用背置开口环形谐振器模型和矩形环模型进行耦合连接后构成基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型将能量束缚在环形磁场内，由于大部分要能量聚集在矩形环上下两侧的，也即矩形环内的背置开口环内耦合的能量也大部分集中在矩形环上下边与背置开口环的间隙处，使得磁场能量分布在两个背置开口环形谐振器的间隙处达到最大值，可产生频率选择效应，利用陷波增强裂纹处的电磁场强度，从而在对金属样品模型表面裂纹进行检测时，提高与裂纹的相互作用的敏感性，提高传感器的检测灵敏度，可检测亚毫米级的裂纹。本发明提供的传感器通过上述的基于频率选择性的传感器模型的构建方法制成，其有益效果与上述一致。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种基于频率选择性的传感器模型的构建方法的流程图；
图2为本申请另一实施例提供的一种基于频率选择性的传感器模型的构建方法的流程图；
图3为本申请另一实施例提供的一种基于频率选择性的传感器模型的构建方法中步骤S205的流程图；
图4为本申请实施例提供的一种基于频率选择性的传感器的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的一种基于频率选择性的传感器的电场分布示意图；
图6为本申请实施例提供的一种基于频率选择性的传感器的磁场分布示意图；
图7为本申请实施例提供的一种基于频率选择性的传感器在裂纹宽度为0.1mm情况下的S21参数仿真结果示意图；
图8为本申请实施例提供的一种基于频率选择性的传感器在裂纹深度为0.1mm情况下的S21参数仿真结果示意图；
图9为本申请实施例提供的一种基于频率选择性的传感器的陷波频率与裂纹深度和裂纹宽度之间对应关系示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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他实施例，都属于本申请保护的范围。
为了便于理解，请参阅图1，本申请提供的一种基于频率选择性的传感器模型的构建方法，包括以下步骤：
S101：通过仿真软件构建介质基板模型、第一梯度过渡条带模型、第一周期性H形条带模型、第一连接带模型、矩形环模型、第二连接带模型、第二周期性H形条带模型、第二梯度过渡条带模型和背置开口环形谐振器模型；
需要说明的是，本实施例中的仿真软件采用HFSS仿真软件，在HFSS仿真软件建立上述结构模型后，通过HFSS仿真软件导入各个结构模型的材料属性。
同时，第一周期性H形条带模型和第二周期性H形条带模型均由若干个H形条带模型连续连接构成。
S102：将第一梯度过渡条带模型、第一周期性H形条带模型、第一连接带模型、矩形环模型、第二连接带模型、第二周期性H形条带模型和第二梯度过渡条带模型按照由左至右依次连接后设置于介质基板模型的上表面，从而构成人工表面等离子体激元波导模型；
需要说明的是，第一梯度过渡条带模型、第一周期性H形条带模型、第一连接带模型、矩形环模型、第二连接带模型、第二周期性H形条带模型和第二梯度过渡条带模型按照由左至右依次连接后的组合结构可以将电磁能量束缚在波导表面传输，而介质基板不会对能量的传输产生任何影响，这就能够激发人工表面等离子体激元模式，因此，构成了人工表面等离子体激元波导模型。同时，在微波或太赫兹波段，人工表面等离子体激元具有与表面等离子体激元相似的场分布特性，表面波的电场沿表面垂直方向呈指数衰减，并沿表面平行传播，可以将近场能量限制在亚波长区域，具有低损耗、高传输效率等优点，拥有极高的传输效率。
S103：在第一梯度过渡条带模型和第二梯度过渡条带模型的最外端均设置激励端口，激励端口用于接收外部激励信号；
S104：将背置开口环形谐振器模型设置于矩形环模型内部，且将背置开口环形谐振器模型和矩形环模型进行耦合连接后产生环形磁场，从而构成基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型；
需要说明的是，由于人工表面等离子体激元波导模型将电磁能量传输至矩形环内，同时，大部分电磁能量集中到矩形环上下边，由法拉第电磁感应定律可知，在背置开口环形谐振器上会产生感生电流，且其方向与对应矩形环上的电流相反，产生环磁模式，也即产生环形磁场，从而构成基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型，该传感器模型在测量不同的裂纹深度和宽度的裂纹会获得对应的不同的谐振频率，也即频率选择性。
S105：将基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型放置于预设的有裂纹的金属样品模型的裂纹的上表面，并使裂纹与背置开口环形谐振器模型位置相对应，从而通过基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型对预设的有裂纹的金属样品模型的裂纹进行裂纹剖面仿真检测，进而获得陷波频率；
S106：调整基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型的尺寸，从而使得基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型的输入阻抗与激励端口的特征阻抗相匹配，进而输出阻抗匹配后的基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型。
本实施例中，通过第一梯度过渡条带模型、第一周期性H形条带模型、第一连接带模型、矩形环模型、第二连接带模型、第二周期性H形条带模型和第二梯度过渡条带模型按照由左至右依次连接后构成人工表面等离子体激元波导模型将传输能量束缚在波导表面传输，大大提高了能量的传输效率，当能量传输至矩形环内后，利用背置开口环形谐振器模型和矩形环模型进行耦合连接后构成基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型将能量束缚在环形磁场内，由于大部分要能量聚集在矩形环上下两侧的，也即矩形环内的背置开口环内耦合的能量也大部分集中在矩形环上下边与背置开口环的间隙处，使得磁场能量分布在两个背置开口环形谐振器的间隙处达到最大值，可产生频率选择效应，利用陷波增强裂纹处的电磁场强度，从而在对金属样品模型表面裂纹进行检测时，提高与裂纹的相互作用的敏感性，提高传感器的检测灵敏度，可检测亚毫米级的裂纹。
以上为本发明提供的一种基于频率选择性的传感器模型的构建方法的一个实施例的详细描述，以下为本发明提供的一种基于频率选择性的传感器模型的构建方法的另一个实施例的详细描述。
为了方便理解，请参阅图2，本申请提供的一种基于频率选择性的传感器模型的构建方法，包括以下步骤：
S201：通过仿真软件构建介质基板模型、第一梯度过渡条带模型、第一周期性H形条带模型、第一连接带模型、矩形环模型、第二连接带模型、第二周期性H形条带模型、第二梯度过渡条带模型和背置开口环形谐振器模型；
需要说明的是，本实施例中的仿真软件采用HFSS仿真软件，在HFSS仿真软件建立上述结构模型后，通过HFSS仿真软件导入各个结构模型的材料属性。在一个具体实施例中，介质基板模型为预置介电常数的柔性聚酰亚胺材料，其中，预置介电常数为3.1，损耗角正切值为0.008。
同时，第一周期性H形条带模型和第二周期性H形条带模型均由若干个H形条带模型连续连接构成。第一梯度过渡条带模型与第二梯度过渡条带模型均为H形梯度结构模型，其条带高度均以预设步进值由最外端向内端方向连续渐增。在一个具体实施例中，预设步进值为1mm，第一梯度过渡条带模型与第二梯度过渡条带模型的最外端的条带高度均为2mm，其最内端的条带高度均为9mm，即条带高度以1mm的步进值从2mm逐渐增加至9mm。
S202：将第一梯度过渡条带模型、第一周期性H形条带模型、第一连接带模型、矩形环模型、第二连接带模型、第二周期性H形条带模型和第二梯度过渡条带模型按照由左至右依次连接后设置于介质基板模型的上表面，将第一梯度过渡条带模型与第二梯度过渡条带模型镜像对称布置，将第一周期性H形条带模型与第二周期性H形条带模型镜像对称布置，从而形成人工表面等离子体激元波导模型；
需要说明的是，第一梯度过渡条带模型、第一周期性H形条带模型、第一连接带模型、矩形环模型、第二连接带模型、第二周期性H形条带模型和第二梯度过渡条带模型按照由左至右依次连接后的组合结构可以将电磁能量束缚在波导表面传输，而介质基板不会对能量的传输产生任何影响，这就能够产生人工表面等离子体激元模式，因此，构成了人工表面等离子体激元波导模型。同时，在微波或太赫兹波段，人工表面等离子体激元具有与表面等离子体激元相似的场分布特性，表面波的电场沿表面垂直方向呈指数衰减，并沿表面平行传播，可以将近场能量限制在亚波长区域，具有低损耗、高传输效率等优点，拥有极高的传输效率。
S203：在第一梯度过渡条带模型和第二梯度过渡条带模型的最外端均设置激励端口，激励端口用于接收外部激励信号；
S204：将背置开口环形谐振器模型设置于矩形环模型内部，且将背置开口环形谐振器模型和矩形环模型进行耦合连接后产生环形磁场，从而构成基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型；
需要说明的是，由于人工表面等离子体激元波导模型将电磁能量传输至矩形环内，同时，大部分电磁能量集中到矩形环上下边，由法拉第电磁感应定律可知，在背置开口环形谐振器上会产生感生电流，且其方向与对应矩形环上的电流相反，产生环磁模式，也即产生环形磁场，从而构成基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型，该传感器模型在测量不同的裂纹深度和宽度的裂纹会获得对应的不同的谐振频率，也即频率选择性。
S205：将基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型放置于预设的有裂纹的金属样品模型的裂纹的上表面，并使裂纹与背置开口环形谐振器模型位置相对应，从而通过基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型对预设的有裂纹的金属样品模型的裂纹进行裂纹剖面仿真检测，进而获得陷波频率；
具体地，如图3所示，步骤S205具体包括：
S2051：将基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型放置于预设的有裂纹的金属样品模型的裂纹的上表面，并使裂纹与背置开口环形谐振器模型位置相对应；
可以理解的是，裂纹与矩形环模型位置相对应，能够提高背置开口环形谐振器模型与裂纹之间的相互作用的敏感性。
S2052：通过仿真软件对激励端口以准横电磁模式的电磁波进行模拟激励；
S2053：通过第一梯度过渡条带模型与第二梯度过渡条带模型将准横电磁模式的电磁波转换为人工表面等离子体激元模式的电磁波；
S2054：通过第一周期性H形条带模型与第二周期性H形条带模型将人工表面等离子体激元模式的电磁波传输至矩形环模型内部后，通过基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型将人工表面等离子体激元模式的电磁波限制于环形磁场内，从而产生陷波模式；
需要说明的是，位于矩形环内部的背置开口环形谐振器与矩形环进行强耦合连接，使得背置开口环形谐振器可以强耦合到人工表面等离子体激元波导模型中，从而将电磁能量聚集到矩形环内，产生环形磁场，将磁场束缚在矩形环内，从而会产生某个频点的陷波。
S2055：对模拟仿真电磁场结果进行求解从而获得S21参数，进而根据S21参数获得陷波频率。
可以理解的是，陷波频率是根据S21参数的陷波频点确定的，也即S21参数的波谷对应的频率为陷波频率。
此外，第一连接带模型与第二连接带模型以矩形环模型的中心轴线非对称设置，电磁能量才能顺利的传输至矩形环内，从而实现将大部分电磁能量耦合至背置开口环形谐振器上，否则，大部分能量都将反射，无法流入矩形环，导致达不到陷波的效果。
S206：调整基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型的尺寸，从而使得基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型的输入阻抗与激励端口的特征阻抗相匹配，进而输出阻抗匹配后的基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型；
需要说明的是，根据微波工程中传输线理论，微带线的长度和宽度会影响其阻抗，即本实施例中的人工表面等离子体激元波导的长度和宽度会影响其阻抗，在一般示例中，激励端口的特征阻抗一般为50欧姆，需将基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型的输入阻抗设计为50欧姆，从而达到阻抗匹配的效果。同时，通过基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型检测裂纹的仿真结果获得陷波频率，从而根据陷波频率调整其尺寸大小。
在一个具体实施例中，根据S21参数的幅值调整人工表面等离子体激元波导模型的尺寸，从而使得基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型的输入阻抗与激励端口的特征阻抗相匹配。
S207：将基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型用于对预设的有裂纹的金属样品模型的不同剖面的裂纹进行仿真检测，从而获得裂纹剖面与陷波频率之间的对应关系，从而通过陷波频率的偏移量表征裂纹剖面。
可以理解的是，裂纹的剖面由宽度和深度两个特征值决定。
在本实施例中，由于介质基板模型为预置介电常数的柔性聚酰亚胺材料，同时，本实施例中的人工表面等离子体激元波导模型可为极薄的结构，因此，制成的传感器是可任意弯曲，可实现易与待测金属结构共形。
本实施例中，通过第一梯度过渡条带模型、第一周期性H形条带模型、第一连接带模型、矩形环模型、第二连接带模型、第二周期性H形条带模型和第二梯度过渡条带模型按照由左至右依次连接后构成人工表面等离子体激元波导模型将传输能量束缚在波导表面传输，大大提高了能量的传输效率，当能量传输至矩形环内后，利用背置开口环形谐振器模型和矩形环模型进行耦合连接后构成基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型将能量束缚在环形磁场内，由于大部分要能量聚集在矩形环上下两侧的，也即矩形环内的背置开口环内耦合的能量也大部分集中在矩形环上下边与背置开口环的间隙处，使得磁场能量分布在两个背置开口环形谐振器的间隙处达到最大值，可产生频率选择效应，利用陷波增强裂纹处的电磁场强度，从而在对金属样品模型表面裂纹进行检测时，提高与裂纹的相互作用的敏感性，提高传感器的检测灵敏度，可检测亚毫米级的裂纹。
为了方便理解，请参阅图4，本申请还提供了一种基于频率选择性的传感器，该基于频率选择性的传感器根据上述实施例中的基于频率选择性的传感器模型的构建方法得到的基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型制成。
具体地，一种基于频率选择性的传感器包括介质基板1、第一梯度过渡条带2、第一周期性H形条带3、第一连接带4、矩形环5、第二连接带6、第二周期性H形条带7、第二梯度过渡条带8和背置开口环形谐振器9；
其中，第一周期性H形条带3和第二周期性H形条带7均由若干个H形条带连续连接构成。
其中，第一梯度过渡条带2、第一周期性H形条带3、第一连接带4、矩形环5、第二连接带6、第二周期性H形条带7和第二梯度过渡条带8按照由左至右依次连接后设置于介质基板1的上表面，从而构成人工表面等离子体激元波导结构；背置开口环形谐振器9设置于矩形环5内部，且将背置开口环形谐振器9和矩形环5进行耦合连接后产生环形磁场，从而构成基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器。基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器的输入阻抗与激励端口的特征阻抗相匹配。
其中，在第一梯度过渡条带2和第二梯度过渡条带8的最外端均设置激励端口10、11，激励端口10、11用于接收外部激励信号。
其中，第一连接带4和第二连接带6非对称设置。
将该基于频率选择性的传感器放置于有裂纹的金属样品的裂纹的上表面，并使裂纹与背置开口环形谐振器9相对应，如图5所示，a区域和c区域分别表示为裂纹深度和宽度均为0.1mm情况下的不同频率的基于频率选择性的传感器的电场分布情况，由a区域和c区域可以看出，分别在频点为3.835GHz和5.855GHz情况下，电场从左端的激励端口传输至右端的激励端口，由b区域可以看出，在频点为4.909GHz情况下，通过背置开口环形谐振器9产生陷波模式，将磁场聚集到待测裂纹正上方，在频率选择效应的作用下，得到陷波频率。如图6所示，a区域和c区域分别表示为裂纹深度和宽度均为0.1mm情况下的不同频率的基于频率选择性的传感器的磁场分布情况，由a区域和c区域可以看出，分别在频点为3.835GHz和5.855GHz情况下，磁场从左端的激励端口传输至右端的激励端口，由b区域可以看出，在频点为4.909GHz情况下，通过背置开口环形谐振器9产生陷波模式，将磁场聚集到待测裂纹正上方，在频率选择效应的作用下，得到陷波频率。
由此可以看出，背置开口环形谐振器9只在特定的频点即陷波频率产生陷波模式，而在其它频率是不会产生陷波模式，也即只会产生一个陷波频率，该传感器正是利用特定陷波频率发生偏移情况来表征裂纹。
如图7所示，表示为本实施例中基于频率选择性的传感器放置在裂纹深宽度为0.1mm的裂纹处，不同裂纹宽度下的S21参数仿真结果，由图7可以看出，在0.5GHz～7GHz频段内的S21参数的波动范围在3dB内，因此，在此频带内具有良好的传输性能(能量传输过程损耗低)，即说明该传感器具有大带宽。同时，由图7可以看出，深度从0mm变化到0.4mm时，在4.910GHz频率处，波形突然下陷，S21数值降至-10dB左右，这表明在此频点处电磁波没有从左端激励端口传输到右端激励端口，即表明在4.910GHz处产生了一个陷波模式，出现频率选择效应。当裂纹宽度固定为0.1mm，深度从0mm变化到0.4mm时，陷波频率从4.910GHz到4.887GHz变化，根据检测灵敏度计算公式
Figure BDA0002860162750000121
式中，S为检测灵敏度，Δf为陷波频率变化量，ΔL为裂纹剖面的特征值变化量，由上式计算得出该传感器的检测灵敏度为-575MHz/mm2。
如图8所示，表示为本实施例中基于频率选择性的传感器放置在裂纹深度为0.1mm的裂纹处，不同裂纹宽度下的S21参数仿真结果，由图8可以看出，在0.5GHz～7GHz频段内的S21参数的波动范围在3dB内，因此，在此频带内具有良好的传输性能(能量传输过程损耗低)，即说明该传感器具有大带宽。同时，由图8可以看出，宽度从0mm变化到0.4mm时，在4.910GHz频率处，波形突然下陷，S21数值降至-10dB左右，这表明在此频点处电磁波没有从左端激励端口传输到右端激励端口，即表明在4.910GHz处产生了一个陷波模式，出现频率选择效应。当裂纹宽度固定为0.1mm，深度从0mm变化到0.4mm时，陷波频率从4.910GHz到4.879GHz变化，根据上述的检测灵敏度计算公式计算得出该传感器的检测灵敏度为-775MHz/mm2。
如图9所示，图9为通过图7和图8中获得的陷波频率和裂纹深度或裂纹宽度之间的对应关系所获得，由图9可以说明该传感器的分辨率可以达到亚毫米级别。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以通过一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：Read-OnlyMemory，英文缩写：ROM)、随机存取存储器(英文全称：Random Access Memory，英文缩写：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于频率选择性的传感器模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过仿真软件构建介质基板模型、第一梯度过渡条带模型、第一周期性H形条带模型、第一连接带模型、矩形环模型、第二连接带模型、第二周期性H形条带模型、第二梯度过渡条带模型和背置开口环形谐振器模型；
S2：将所述第一梯度过渡条带模型、所述第一周期性H形条带模型、所述第一连接带模型、所述矩形环模型、所述第二连接带模型、所述第二周期性H形条带模型和所述第二梯度过渡条带模型按照由左至右依次连接后设置于所述介质基板模型的上表面，从而构成人工表面等离子体激元波导模型；
所述步骤S2具体包括：将所述第一梯度过渡条带模型、所述第一周期性H形条带模型、所述第一连接带模型、所述矩形环模型、所述第二连接带模型、所述第二周期性H形条带模型和所述第二梯度过渡条带模型按照由左至右依次连接后设置于所述介质基板模型的上表面，将所述第一梯度过渡条带模型与所述第二梯度过渡条带模型镜像对称布置，将所述第一周期性H形条带模型与所述第二周期性H形条带模型镜像对称布置，从而形成人工表面等离子体激元波导模型；
S3：在所述第一梯度过渡条带模型和所述第二梯度过渡条带模型的最外端均设置激励端口，所述激励端口用于接收外部激励信号；
S4：将所述背置开口环形谐振器模型设置于所述矩形环模型内部，且将所述背置开口环形谐振器模型和所述矩形环模型进行耦合连接后产生环形磁场，从而构成基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型；
S5：将所述基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型放置于预设的有裂纹的金属样品模型的裂纹的上表面，并使所述裂纹与所述背置开口环形谐振器模型位置相对应，从而通过所述基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型对所述预设的有裂纹的金属样品模型的所述裂纹进行裂纹剖面仿真检测，进而获得陷波频率；
S6：调整所述基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型的尺寸，从而使得所述基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型的输入阻抗与所述激励端口的特征阻抗相匹配，进而输出阻抗匹配后的基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型。
2.根据权利要求1所述的基于频率选择性的传感器模型的构建方法，其特征在于，所述第一梯度过渡条带模型与所述第二梯度过渡条带模型均为H形梯度结构模型，其条带高度均以预设步进值由最外端向内端方向连续渐增。
3.根据权利要求2所述的基于频率选择性的传感器模型的构建方法，其特征在于，所述预设步进值为1mm，所述第一梯度过渡条带模型与所述第二梯度过渡条带模型的最外端的条带高度均为2mm，其最内端的条带高度均为9mm。
4.根据权利要求1所述的基于频率选择性的传感器模型的构建方法，其特征在于，所述介质基板模型为预置介电常数的柔性聚酰亚胺材料。
5.根据权利要求1所述的基于频率选择性的传感器模型的构建方法，其特征在于，所述第一连接带模型与所述第二连接带模型以所述矩形环模型的中心轴线非对称设置。
6.根据权利要求1所述的基于频率选择性的传感器模型的构建方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：
S501：将所述基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型放置于预设的有裂纹的金属样品模型的裂纹的上表面，并使所述裂纹与所述背置开口环形谐振器模型位置相对应；
S502：通过所述仿真软件对所述激励端口以准横电磁模式的电磁波进行模拟激励；
S503：通过所述第一梯度过渡条带模型与所述第二梯度过渡条带模型将所述准横电磁模式的电磁波转换为人工表面等离子体激元模式的电磁波；
S504：通过所述第一周期性H形条带模型与所述第二周期性H形条带模型将所述人工表面等离子体激元模式的电磁波传输至所述矩形环模型内部后，通过所述基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型将所述人工表面等离子体激元模式的电磁波限制于所述环形磁场内，从而产生陷波模式；
S505：对模拟仿真电磁场结果进行求解从而获得S21参数，进而根据所述S21参数获得陷波频率。
7.根据权利要求6所述的基于频率选择性的传感器模型的构建方法，其特征在于，所述步骤S6中调整所述基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型的尺寸的步骤具体为：根据所述S21参数的幅值调整所述人工表面等离子体激元波导模型的尺寸。
8.根据权利要求1所述的基于频率选择性的传感器模型的构建方法，其特征在于，所述步骤S6之后包括：
将基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型用于对所述预设的有裂纹的金属样品模型的不同剖面的裂纹进行仿真检测，从而获得裂纹剖面与所述陷波频率之间的对应关系，从而通过所述陷波频率的偏移量表征裂纹剖面。
9.一种基于频率选择性的传感器，其特征在于，该基于频率选择性的传感器根据权利要求1～8中任一项所述的基于频率选择性的传感器模型的构建方法得到的基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型制成。
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