CN114543652A - 用于数控机床滚动轴承的柔性应变分层传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于数控机床滚动轴承的柔性应变分层传感器，为了解决结构健康监测系统难以在弯曲结构表面部署测量的问题。在RFID标签天线发生纵向形变时，天线的谐振频率会逐渐减小，两者呈线性关系。当其发生横向形变时，谐振频率不发生任何变化，具有很好的单向应变性。故可以通过检测RFID标签天线谐振频率的偏移情况，从而确定柔性材料是否发生了形变。因为本发明制作的传感器是以柔性材料为基底，所以本发明可应用于数控机床滚动轴承表面进行结构健康检测。

Description

用于数控机床滚动轴承的柔性应变分层传感器
技术领域
本发明涉及一种用于数控机床滚动轴承的柔性应变分层传感器。
背景技术
结构的维护和检查是结构继续发挥功能的基石。结构需要在达到临界状态之前通过及时的监测确保其健康和安全使其寿命最大化。因此，实时的结构健康监测(SHM)对提高在役结构的寿命是非常重要的。由于现有监测技术存在传感器布设工作量巨大、需要内置电源操作微处理器和传感器、人工维护困难等问题。无源RFID天线作为应变传感器来监测结构健康可以解决上述问题。
然而在SHM中，具有刚性特质的RFID应变传感器不适合贴合在弯曲结构、阀杆等弯曲表面测量，目前应用的硬质射频标签也存在易断裂等缺点，故RFID应变传感器的应用受到很大限制，因此提出柔性射频标签概念。让传感器具有柔软灵活的特性可允许其与弯曲结构紧密贴合。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于数控机床滚动轴承的柔性应变分层传感器。
为解决上述问题，本发明提供一种用于数控机床滚动轴承的柔性应变分层传感器，包括：
第一介质基板、第二介质基板、微带天线和馈电线；
所述微带天线呈矩形，且长边为38.3mm，短边为25.7mm；
所述馈电线呈矩形，且长边为30mm，短边为2mm；
所述馈电线的短边固定连接所述微带天线的长边；
所述微带天线和所述馈电线均位于所述第一介质基板与所述第二介质基板之间。
进一步的，在上述用于数控机床滚动轴承的柔性应变分层传感器中，所述微带天线包括两个谐振频率f01和f10，且f01＝1.82GHz、f10＝2.34GHz。
进一步的，在上述用于数控机床滚动轴承的柔性应变分层传感器中，所述第一介质基板具有第一平面，所述第一平面与所述微带天线的顶面紧密贴合，所述第一平面与所述馈电线的顶面紧密贴合。
进一步的，在上述用于数控机床滚动轴承的柔性应变分层传感器中，所述第二介质基板具有第二平面，所述第二平面与所述微带天线的底面紧密贴合，所述第二平面与所述馈电线的底面紧密贴合.
进一步的，在上述用于数控机床滚动轴承的柔性应变分层传感器中，所述第一介质基板和所述第二介质基板的形状为100mm*100mm*1.6mm的长方体。
进一步的，在上述用于数控机床滚动轴承的柔性应变分层传感器中，所述第一介质基板的材料为FR4。
进一步的，在上述用于数控机床滚动轴承的柔性应变分层传感器中，所述第二介质基板的材料为Rogers RO4350。
进一步的，在上述用于数控机床滚动轴承的柔性应变分层传感器中，所述第一介质基板的介电常数为3.66.
进一步的，在上述用于数控机床滚动轴承的柔性应变分层传感器中，所述第二介质基板的介电常数为4.4。
与现有技术相比，本发明包括：第一介质基板、第二介质基板、微带天线和馈电线；所述微带天线呈矩形，且长边为38.3mm，短边为25.7mm；所述馈电线呈矩形，且长边为30mm，短边为2mm；所述馈电线的短边固定连接所述微带天线的长边；所述微带天线和所述馈电线均位于所述第一介质基板与所述第二介质基板之间。可应用于数控机床滚动轴承的RFID应变传感器，有效地对弯曲结构进行监测。本发明的微带双层天线，进行分层可以减少馈电线对矩形微带天线的电磁干扰，并且当矩形微带天线放置于待测金属结构时，此时金属结构有外部应力作用，该作用力会使得矩形微带天线产生形变，因为本发明设计的是分层式矩形微带天线，外部作用力无法使得微带天线部分产生形变，减少待检测金属结构进行应变检测过程中的误差影响，使得矩形微带天线进行应变检测时更加准确无误。
附图说明
图1是本发明一实施例的用于数控机床滚动轴承的柔性应变分层传感器的爆炸图；
图2是本发明一实施例的用于数控机床滚动轴承的柔性应变分层传感器的结构图；
图3是本发明一实施例的用于数控机床滚动轴承的柔性应变分层传感器的正面图；
图4是本发明一实施例的用于数控机床滚动轴承的柔性应变分层传感器的背面图；
图5是本发明一实施例的用于数控机床滚动轴承的柔性应变分层传感器的侧面图；
图6是本发明一实施例的用于数控机床滚动轴承的柔性应变分层传感器的数控机床轴承无应变微带天线的工作频率图；
图7是本发明一实施例的用于数控机床滚动轴承的柔性应变分层传感器的谐振频率偏移图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的目的在于制作出可应用于数控机床滚动轴承的RFID应变传感器，有效地对弯曲结构进行监测。为了解决结构健康监测系统难以在弯曲结构表面部署测量的问题。在RFID标签天线发生纵向形变时，天线的谐振频率会逐渐减小，两者呈线性关系。当其发生横向形变时，谐振频率不发生任何变化，具有很好的单向应变性。故可以通过检测RFID标签天线谐振频率的偏移情况，从而确定柔性材料是否发生了形变。因为本发明制作的传感器是以柔性材料为基底，所以本发明可应用于数控机床滚动轴承表面进行结构健康检测。
为了达到以上的目的，本发明采用的技术方案是：
实现柔性皮肤RFID应变传感器，其特征在于：包括以下步骤
本申请提供一种微带双层天线，微带双层天线将微带天线与微带馈电线进行分层处理，当微带双层用于结构健康监测时，待监测结构上存在水平方向的作用力只会使微带馈电线产生形变，不会对微带天线产生影响，从而减少外界因素对微带天线进行结构健康监测时的工作频率的影响，保证微带天线工作频率偏移只与待测结构的参数变化相关。
其中，一种微带双层天线，运用于结构健康检测系统，所述微带双层天线包括第一介质基板、第二介质基板、微带天线和馈电线；微带天线呈矩形，且长边为38.3mm、短边为25.7mm；馈电线呈矩形，且长边为30mm。短边为2mm；馈电线的短边固定连接所述微带天线的长边；微带天线和所述馈电线均位于所述第一介质基板与所述第二介质基板之间。
其中，微带双层天线，其特征在于，微带天线包括两个谐振频率f01和f10，且f01＝1.82GHz、f10＝2.34GHz。
其中，微带双层天线，其特征在于，第一介质基板具有第一平面，第一平面与微带天线的顶面相紧密贴合，第一平面与馈电线的顶面紧密贴合；第二介质基板具有第二平面，第二平面与所述微带天线的低面相紧密贴合，第一平面与馈电线的低面紧密贴合；
其中，微带双层天线，第一介质基板和第二介质基板的形状为100mm*100mm*1.6mm的长方体。第一介质基板的材料为FR4和第二介质基板的材料为Rogers 5880。第一介质基板的介电常数为4.4；第二介质基板的介电常数为2.2。
其中，微带双层天线，馈电方式为偏心馈电，根据所述匹配阻抗计算出偏心馈电对应的最优馈电位置(x0，y0)，所述x0＝10mm,y0＝5mm。
以2.41GHZ的中心频率设计矩形微带贴片天线的尺寸，辐射贴片的尺寸长(纵)为36.12mm，宽(横)为45mm，采用微带线馈电的方法，微带线尺寸为15mm*2.98mm，1/4波长阻抗匹配线尺寸为18.7mm*1.05mm；
由于采用了以上的方案，本方案不但可以对平整结构进行监测，也可以对弯曲结构进行监测，克服了需要供电、巨大的人力物力、布设复杂等缺点。可以提高结构健康监测的监测范围。
本发明实施例提供了反映数控机床滚动轴承应变信息的方法，为更清楚的描述本发明的方案。下面先介绍一些本申请实施例提供的反映机床滚动轴承应变信息的方法所涉及的知识。
1.频率偏移：当应变出现在机床滚动轴承上，会影响着微带天线的工作频率。
2.分离式：将微带线与矩形微带天线分离，减少馈电网络对矩形贴片天线的干扰，而且可使矩形微带天线和馈电网络独立工作，同时当检测机床滚动轴承应变。
如图1至图7所示，本案例所叙微带双层天线，所述矩形微带天线尺寸为长38.3mm、宽25.7mm，所述矩形微带天线使用两块介质基板，所述矩形微带天线上方的介质基板使用的是介电常数为4.4的FR4介质基板，所述矩形微带线下方介质基板使用的是介电常数为2.2的Rogers5880介质基板，所述FR4的介电常数大，能够检测较大的区域的裂纹变化情况，所述介质基板尺寸为100mm*100mm*1.6mm，将分离式矩形微带天线放置于需要检测的数控机床滚动轴承上，并固定在数控机床滚动轴承上。
本实施例所述的一种微带双层天线，所述5052铝板是一种AL-Mg系合金铝板，镁是主要的合金元素，是金属结构体应用最广、较为关键的一种材料。
本实施例所述的一种微带双层天线，馈电方式和馈电点都会影响着微带天线的回波损耗，天线性能主要由回波损耗反映。
本实施例所述的一种微带双层天线，选择微带馈电方式，为了使双频矩形微带天线在两种馈电模式TM10和TM01工作，必须匹配谐振频率f01和f10所对应的输入阻抗，微带天线必须在最佳的位置进行馈电，位置好的馈电点可以很好地提高天线工作的性能，使得实验结果更佳。馈电点位置可以根据下式(1)和(2)确定：
Figure BDA0003515416630000061
Figure BDA0003515416630000062
本实施例所述的一种微带双层天线，微带天线分别在TM01馈电模式和TM10馈电模式激励出谐振频率f01和谐振频率f10，谐振频率具有较大的回波损耗，很容易识别。
本实施例所述的一种微带双层天线，TM01馈电模式下的谐振频率f01与微带天线物理宽度W相关；TM10馈电模式下的谐振频率f10与微带天线物理长度L相关。金属裂纹相对微带天线的角度会影响着天线谐振频率f01和f10的变化。
本实施例所述的一种微带双层天线，不同倾斜角度下的应变都会以不同的方式影响着微带天线的谐振频率f01和f10，因此通过监测谐振频率f01和f10偏移情况可以很好的检测到金属裂纹方向变化。
本实施例所述的一种微带双层天线，谐振频率f01和f10的偏移分别对应着铝板出现纵向应变和横向应变。
本实施例所述的一种微带双层天线，结合图6所示，当铝板没有裂纹时，微带天线的S21参数中谐振频率f01＝1.82GHz、f10＝2.34GHz；结合图7所示，机床滚动轴承发生应变时，S21参数发生变化，谐振频率f01、f10都可以监测铝板上裂纹的变化情况。
本实施例所述的一种微带双层天线，天线将微带平面和矩形天线平面分离。
本发明的微带双层天线，进行分层可以减少馈电线对矩形微带天线的电磁干扰，并且当矩形微带天线放置于待测金属结构时，此时金属结构有外部应力作用，该作用力会使得矩形微带天线产生形变，因为本发明设计的是分层式矩形微带天线，外部作用力无法使得微带天线部分产生形变，减少待检测金属结构进行应变检测过程中的误差影响，使得矩形微带天线进行应变检测时更加准确无误。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本发明中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种用于数控机床滚动轴承的柔性应变分层传感器，其特征在于，包括：第一介质基板、第二介质基板、微带天线和馈电线；
所述微带天线呈矩形，且长边为38.3mm，短边为25.7mm；
所述馈电线呈矩形，且长边为30mm，短边为2mm；
所述馈电线的短边固定连接所述微带天线的长边；
所述微带天线和所述馈电线均位于所述第一介质基板与所述第二介质基板之间。
2.如权利要求1所述的用于数控机床滚动轴承的柔性应变分层传感器，其特征在于，
所述微带天线包括两个谐振频率f01和f10，且f01＝1.82GHz、f10＝2.34GHz。
3.根据权利要求1所述的用于数控机床滚动轴承的柔性应变分层传感器，其特征在于，所述第一介质基板具有第一平面，所述第一平面与所述微带天线的顶面紧密贴合，所述第一平面与所述馈电线的顶面紧密贴合。
4.根据权利要求1所述的用于数控机床滚动轴承的柔性应变分层传感器，其特征在于，所述第二介质基板具有第二平面，所述第二平面与所述微带天线的底面紧密贴合，所述第二平面与所述馈电线的底面紧密贴合。
5.根据权利要求1所述的用于数控机床滚动轴承的柔性应变分层传感器，其特征在于，所述第一介质基板和所述第二介质基板的形状为100mm*100mm*1.6mm的长方体。
6.根据权利要求1所述的用于数控机床滚动轴承的柔性应变分层传感器，其特征在于，所述第一介质基板的材料为FR4。
7.根据权利要求1所述的用于数控机床滚动轴承的柔性应变分层传感器，其特征在于，所述第二介质基板的材料为Rogers RO4350。
8.根据权利要求1所述的用于数控机床滚动轴承的柔性应变分层传感器，其特征在于，所述第一介质基板的介电常数为3.66。
9.根据权利要求1所述的用于数控机床滚动轴承的柔性应变分层传感器，其特征在于，所述第二介质基板的介电常数为4.4。
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Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120075069A1 (en) * 2010-09-23 2012-03-29 North Carolina State University Reversibly deformable and mechanically tunable fluidic antennas
CN106225742A (zh) * 2016-08-19 2016-12-14 北京工业大学 一种基于缝隙耦合微带天线的应变传感器
CN106785403A (zh) * 2017-01-09 2017-05-31 成都信息工程大学 双频段5g微带天线
CN109768386A (zh) * 2019-02-01 2019-05-17 永康国科康复工程技术有限公司 一种可拉伸天线及其制备方法
CN110600875A (zh) * 2019-09-19 2019-12-20 重庆大学 具有高选择性的低剖面、紧凑型线极化及圆极化滤波天线
CN111197956A (zh) * 2020-02-21 2020-05-26 青岛理工大学 一种应变测量系统和测试方法
CN111257380A (zh) * 2020-01-16 2020-06-09 武汉理工大学 一种基于微带天线的无源无线温度裂纹二元传感器阵列
CN112254760A (zh) * 2020-09-23 2021-01-22 武汉理工大学 一种基于多层微带天线的应变裂纹解耦测量传感器
CN112485330A (zh) * 2020-11-06 2021-03-12 北京工业大学 一种四频阵列式微带贴片天线应变传感器
CN113208582A (zh) * 2021-04-01 2021-08-06 武汉理工大学 无线可穿戴石墨烯角度传感器

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120075069A1 (en) * 2010-09-23 2012-03-29 North Carolina State University Reversibly deformable and mechanically tunable fluidic antennas
CN106225742A (zh) * 2016-08-19 2016-12-14 北京工业大学 一种基于缝隙耦合微带天线的应变传感器
CN106785403A (zh) * 2017-01-09 2017-05-31 成都信息工程大学 双频段5g微带天线
CN109768386A (zh) * 2019-02-01 2019-05-17 永康国科康复工程技术有限公司 一种可拉伸天线及其制备方法
CN110600875A (zh) * 2019-09-19 2019-12-20 重庆大学 具有高选择性的低剖面、紧凑型线极化及圆极化滤波天线
CN111257380A (zh) * 2020-01-16 2020-06-09 武汉理工大学 一种基于微带天线的无源无线温度裂纹二元传感器阵列
CN111197956A (zh) * 2020-02-21 2020-05-26 青岛理工大学 一种应变测量系统和测试方法
CN112254760A (zh) * 2020-09-23 2021-01-22 武汉理工大学 一种基于多层微带天线的应变裂纹解耦测量传感器
CN112485330A (zh) * 2020-11-06 2021-03-12 北京工业大学 一种四频阵列式微带贴片天线应变传感器
CN113208582A (zh) * 2021-04-01 2021-08-06 武汉理工大学 无线可穿戴石墨烯角度传感器

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