CN113108685A - 一种减材双频差分式微带天线应变传感器及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于应变测量技术领域，特别涉及一种减材双频差分式微带天线应变传感器及方法；其中金属接地板粘附在介质基片的一面，介质基片的另一面刻蚀有导体贴片、馈电装置波长阻抗转换器和微带线，且介质基片上设有呈n排、m列布置的孔阵，孔阵上的孔为减材均匀孔，且孔半径越大传感器灵敏度越大；通过传感器及双频差分方法实现灵敏度放大及自温度补偿，从而使微带天线用于应变传感时，灵敏度是普通微带天线应变传感器的2倍，线性度也大大提高且此微带天线应变传感器不会受到外界温度的影响，实现自温度补偿。

Description

一种减材双频差分式微带天线应变传感器及方法
技术领域
本发明属于应变测量技术领域，特别涉及一种减材双频差分式微带天线应变传感器及方法。
背景技术
微带天线在飞机、电站、桥梁、大坝、建筑物、大型机械等结构健康监测中发挥着重要作用。传感天线这一主题是天线与传感器相结合的新研究领域，具有巨大的研究潜力。微带天线应变传感器在日常生活和工业物联网中均具有广泛的应用前景。
应变传感器主要包括微带天线应变传感器，电阻应变传感器和光纤应变传感器等。相比于其他的应变传感器，微带天线传感器的主要优点包括无线传输、低功耗、小型化等，因此更适用于结构将康监测和工业物联网。
现有的天线传感器可以测量各种物理参数，例如温度和应变等。虽然现有的微带天线传感器的理论研究已经讨论了应变方向对频移的影响，但微带天线传感器仍有很多问题亟需解决，包括灵敏度、无线传输距离限制、线性度、小型化、外界环境影响等。其中外界温度发生变化时，天线传感器的传感性能也会发生变化，所以有必要对微带天线应变传感器进行温度补偿。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提供一种减材双频差分式微带天线应变传感器及方法，该传感器为基于在导体贴片正下方的介质基片部分上减材(打孔)的微带天线应变传感器，通过传感器及双频差分方法实现灵敏度放大其自温度补偿，从而使微带天线用于应变传感时，灵敏度是普通微带天线应变传感器的2倍，线性度也大大提高且此微带天线应变传感器不会受到外界温度的影响，实现自温度补偿。
一种减材双频差分式微带天线应变传感器，包括导体贴片1、介质基片2，金属接地板3、馈电装置波长阻抗转换器4和微带线5，其中金属接地板3粘附在介质基片2的一面，介质基片2的另一面刻蚀有导体贴片1、馈电装置波长阻抗转换器4和微带线5，且介质基片2上设有呈n排、m列布置的孔阵，孔阵上的孔为减材均匀孔6。
其中所述的传感器中心频率与传感器相关参数的关系如下所示：
Figure BDA0003015387870000021
Figure BDA0003015387870000022
Figure BDA0003015387870000023
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Figure BDA0003015387870000028
其中：f10和f01表示TM10和TM01工作模式下的谐振频率；δf10和δf01表示待测物质所受的应变量对应谐振频率的改变量；δT表示温度变化量；αεr表示沿长度方向的介质基片2的介电常数的热系数；αTL和αTW表示沿介质基片2长度和宽度方向的热膨胀系数；εL表示沿导体贴片1长度方向施加的应变量；ν表示泊松比；KTL和KTW表示沿导体贴片1长度和宽度方向温度敏感性；KεL和KεW表示沿导体贴片1长度和宽度的应变敏感性。
所述导体贴片1、馈电装置波长阻抗转换器4和微带线5为一个整体，且材料均相同。
所述介质基片2上孔阵的中心孔所在的中心点为导体贴片1的中心点。
所述n排和m列中n与m个数相同。
所述减材均匀孔6为圆孔、方孔或正三角形孔。
所述导体贴片1、金属接地板3、波长阻抗转换器4和微带线5材质均为铜。
一种应用上述减材双频差分式微带天线应变传感器实现自温度补偿的方法，选取各个方向的热膨胀系数都为0的绝缘材料作为介质基片2。
所述介质基片2为氧化铝陶瓷材料。
本发明的有益效果：
本发明通过改变介质基片上的孔半径的大小，即改变其介质基片的介电常数，能够实现对检测的应变结果进行放大，从而改变微带天线传感器的灵敏度，且其线性度也会大大提高。且在打孔式微带天线的基础上对两个TM01和TM10的工作模式下的f10的偏移量与f10的比值和f01的偏移量与f01的比值进行差分，进一步可以放大打孔式微带天线应变传感器的灵敏度，最终可以实现是普通不打孔的微带天线灵敏度的2倍，线性度R2值可达到0.99以上且介质基片选用氧化铝陶瓷材料，即使得αTL＝αTW＝0，消除δT前系数，通过
Figure BDA0003015387870000031
与
Figure BDA0003015387870000032
差分之后，此种减材双频差分式微带天线应变传感器可实现进一步的自温度补偿。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为在微带天线介质基片上减材(打孔)孔半径1mm的结构图。
图3为在微带天线介质基片上减材(打孔)孔半径2mm的结构图。
图4为在微带天线介质基片上减材(打孔)孔半径3mm的结构图。
图5为在微带天线介质基片上减材(打孔)孔半径4mm的结构图。
图6为减材双频差分式微带天线应变传感器f10的灵敏度、线性度和减材打孔半径的关系图。
图7为减材双频差分式微带天线应变传感器f01的灵敏度、线性度和减材打孔半径的关系图.
图8为减材双频差分式微带天线应变传感器
Figure BDA0003015387870000033
的灵敏度、线性度和减材打孔半径的关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
一种减材双频差分式微带天线应变传感器，包括导体贴片1、介质基片2，金属接地板3、馈电装置波长阻抗转换器4和微带线5，其中金属接地板3粘附在介质基片2的一面，介质基片2的另一面刻蚀有导体贴片1、馈电装置波长阻抗转换器4和微带线5，且介质基片2上设有呈n排、m列布置的孔阵，孔阵上的孔为减材均匀孔6。
导体贴片1上的孔不用特意加工，它是在已经打好孔的介质基片2上刻蚀的一层金属铜，介质基片2上有孔，导体贴片1上就有对应的孔。
所述导体贴片1、馈电装置波长阻抗转换器4和微带线5为一个整体，且材料均相同。
所述介质基片2上孔阵的中心孔所在的中心点为导体贴片1的中心点。
所述n排和m列中n与m个数相同。
所述减材均匀孔6为圆孔、方孔、正三角形孔。
所述导体贴片1、金属接地板3、波长阻抗转换器4和微带线5材质均为铜。
一种应用上述减材双频差分式微带天线应变传感器实现自温度补偿的方法，选取各个方向的热膨胀系数都为0的绝缘材料作为介质基片2。
所述介质基片2为氧化铝陶瓷材料。
如图1所示，一种减材双频差分式微带天线应变传感器，包括导体贴片1、均匀分布有减材均匀孔6的介质基片2、金属接地板3、馈电装置波长阻抗转换器4和微带线5。导体贴片1和馈电装置波长阻抗转换器4和微带线5采用铜这种导电性比较好的材料，通过光刻，腐蚀在介质基片2的一个表面。所述的介质基片2采用已知介电常数的绝缘材料(氧化铝陶瓷)，金属接地板3通过强力胶粘附在介质基片2的另一面。
如图2-5所示，选取5块同样材料的介质基片2，且在介质基片2部分上均匀减材(打孔)，介质基片2打孔位置以导体贴片1中心为中心孔位置点，孔距长度方向9mm，宽度方向12mm，3x3阵列打孔，打孔半径分别取1mm、2mm、3mm、4mm，其中有一介质基片2上不打孔。
使用时，分别将五种打孔半径不同的介质基片2用强力胶粘贴于待测结构表面即金属接地板3，通过对两个工作模式下的谐振频率偏移进行监测并进行差分后处理可以获知结构产生的应变。本发明涉及的传感器结构简单、方便安装、可靠性高、能够实现对结构应变实时在线的监测，满足使用要求。
其中所述的传感器中心频率与传感器相关参数的关系如下列关系所示：
Figure BDA0003015387870000041
Figure BDA0003015387870000042
Figure BDA0003015387870000043
Figure BDA0003015387870000051
Figure BDA0003015387870000052
Figure BDA0003015387870000053
Figure BDA0003015387870000054
Figure BDA0003015387870000055
αTL＝αTW，
Figure BDA0003015387870000056
式中，f10和f01表示谐振频率(f10和f01分别表示TM10和TM01工作模式下的谐振频率，其中，TM10和TM01分别表示传感器工作于第(1,0)模和(0,1)模；(1,0)模和(0,1)模代表传感器的两种模序；δf10和δf01表示待测物质所受的应变量对应谐振频率的改变量；δT表示温度变化量；αεr表示沿长度方向的介质基片2的介电常数的热系数；αTL和αTW表示沿介质基片2长度和宽度方向的热膨胀系数；εL表示沿导体贴片1长度方向施加的应变量；ν表示泊松比；KTL和KTW表示沿导体贴片1长度和宽度方向温度敏感性；KεL和KεW表示沿导体贴片1长度和宽度的应变敏感性。
所述的计算公式是矩形的导体贴片1所受温度和应变两个物理参量时的理论公式，本发明的工作原理为：当被测物质即金属接地板3处于恶劣环境时(温度和应变变化)，将带有导体贴片1的介质基片2用强力胶粘贴于待测结构表面，当待测结构即金属接地板3发生变形且外界温度变化时，应变和温度传递到整个传感器上，整个传感器相应的两种TM10和TM01工作模式下对应的谐振频率f10和f01会发生偏移，偏移量与温度和应变同时存在线性关系，且在介质基片2上打了均匀孔(减材)以后，微带天线的介质基片2的介电常数会发生变化，此种应变传感器的灵敏度会随着打孔半径的增大而增大；将
Figure BDA0003015387870000057
与
Figure BDA0003015387870000058
进行差分处理，打孔式的微带天线的灵敏度会进一步的放大，且线性度也提高到0.99以上；但应变仍然会受到温度的影响，
Figure BDA0003015387870000061
与
Figure BDA0003015387870000062
差分之后，只要使得沿介质基片2长度和宽度方向的热膨胀系数即αTL＝αTW，即使得δT前面的系数为0，则可使得减材双频差分式微带天线应变传感器做到自温度补偿。温度补偿的原理就是消除δT，消除δT就让他前面的系数为0就行了，αTL＝αTW就让δT前面系数是0了，故依据此选择各个方向的热膨胀系数都为0的绝缘材料——氧化铝陶瓷材料作为介质基片2的材料。
TM10和TM01这两种工作模式是一起触发的，跟馈电装置波长阻抗转换器4和微带线5的位置有关系，只要他在1/4波导初位置，就是双频天线，要是设置在中间位置就是单频天线，一个谐振频率对应一种工作模式。
实施例1
本实施例所述的新型微带天线传感器中介质基片2材料选用氧化铝陶瓷材料，尺寸74.3mm×74.52mm×1.6mm(长×宽×厚)，导体贴片1采用铜，尺寸27.9mm×37.26mm×0.05mm(长×宽×厚)，金属接地板3材料选择铜，尺寸74.3mm×74.52mm×0.8mm(长×宽×厚)的薄膜，且采用1/4波长馈电，馈电装置波长阻抗转换器4尺寸17.45mm×1.16mm×0.05mm，微带线5尺寸15mm×2.98mm×0.05mm，导体贴片1光刻在介质基片2上，介质基片2的另一面通过强力胶粘贴到金属接地板3上；上述样品准备5个，5个样品上以导体贴片1中心点为中心孔位置点，孔距长度方向9mm，宽度方向12mm，3x3阵列打孔(减材)，打孔半径分别取1mm、2mm、3mm、4mm，其中有一样品上不打孔，将5个样品通过强力胶粘到金属接地板3上。将整个传感器通过SMA接口和同轴电缆连接到矢量网络分析仪上，通过向传感器发送微波调频信号并接收从传感器反射回来的向后散射信号，从向后散射信号中提取传感器的谐振频率，得到双频的谐振频率的偏移量并与对应应变后的谐振频率值相除之后差分，即可获得5个样品传感器应变的大小，并且此测量应变的大小完全不会受到外界温度的影响。如图6-8所示，未经过减材的微带天线应变传感器的灵敏度为1KHz/με，而该减材双频差分式微带天线应变传感器的灵敏度为2KHz/με，且线性度高达0.99以上，且实现了进一步的自温度补偿。

Claims (9)

1.一种减材双频差分式微带天线应变传感器，其特征在于包括导体贴片(1)、介质基片(2)，金属接地板(3)、馈电装置波长阻抗转换器(4)和微带线(5)，其中金属接地板(3)粘附在介质基片(2)的一面，介质基片(2)的另一面刻蚀有导体贴片(1)、馈电装置波长阻抗转换器(4)和微带线(5)，且介质基片(2)上设有呈n排、m列布置的孔阵，孔阵上的孔为减材均匀孔(6)。
2.根据权利要求1所述的一种减材双频差分式微带天线应变传感器，其特征在于所述传感器中心频率与传感器相关参数的关系如下所示：
Figure RE-FDA0003049055540000011
Figure RE-FDA0003049055540000012
Figure RE-FDA0003049055540000013
Figure RE-FDA0003049055540000014
Figure RE-FDA0003049055540000015
Figure RE-FDA0003049055540000016
Figure RE-FDA0003049055540000017
Figure RE-FDA0003049055540000018
其中：f10和f01表示TM10和TM01工作模式下的谐振频率；δf10和δf01表示待测物质所受的应变量对应谐振频率的改变量；δT表示温度变化量；αεr表示沿长度方向的介质基片2的介电常数的热系数；αTL和αTW表示沿介质基片2长度和宽度方向的热膨胀系数；εL表示沿导体贴片1长度方向施加的应变量；ν表示泊松比；KTL和KTW表示沿导体贴片1长度和宽度方向温度敏感性；KεL和KεW表示沿导体贴片1长度和宽度的应变敏感性。
3.根据权利要求1所述的一种减材双频差分式微带天线应变传感器，其特征在于所述导体贴片(1)、馈电装置波长阻抗转换器(4)和微带线(5)为一个整体，且材料均相同。
4.根据权利要求3所述的一种减材双频差分式微带天线应变传感器，其特征在于所述介质基片(2)上孔阵的中心孔所在的中心点为导体贴片(1)的中心点。
5.根据权利要求4所述的一种减材双频差分式微带天线应变传感器，其特征在于所述n排和m列中n与m个数相同。
6.根据权利要求5所述的一种减材双频差分式微带天线应变传感器，其特征在于所述减材均匀孔(6)为圆孔、方孔或正三角形孔。
7.根据权利要求4所述的一种减材双频差分式微带天线应变传感器，其特征在于所述导体贴片(1)、金属接地板(3)、波长阻抗转换器(4)和微带线(5)材质均为铜。
8.一种减材双频差分式微带天线应变传感器实现自温度补偿的方法，其特征在于选取各个方向的热膨胀系数都为0的绝缘材料作为介质基片(2)。
9.根据权利要求8所述的一种减材双频差分式微带天线应变传感器实现自温度补偿的方法，其特征在于所述介质基片(2)为氧化铝陶瓷材料。
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