CN115144438A - 一种无线微带贴片天线传感器及在脱粘缺陷检测领域的应用 - Google Patents
一种无线微带贴片天线传感器及在脱粘缺陷检测领域的应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115144438A CN115144438A CN202210762590.6A CN202210762590A CN115144438A CN 115144438 A CN115144438 A CN 115144438A CN 202210762590 A CN202210762590 A CN 202210762590A CN 115144438 A CN115144438 A CN 115144438A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- antenna
- debonding
- detection
- wireless
- plate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 90
- 230000007547 defect Effects 0.000 title claims abstract description 42
- 239000004918 carbon fiber reinforced polymer Substances 0.000 claims abstract description 55
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 claims abstract description 15
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 9
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 36
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims description 25
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 18
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 claims description 11
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 8
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 7
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 7
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 6
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 5
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 5
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 claims description 5
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 5
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 5
- -1 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 claims description 5
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims description 4
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 4
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 claims description 3
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 claims description 3
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 claims description 3
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 claims description 3
- 238000007639 printing Methods 0.000 claims description 3
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 claims description 2
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 claims description 2
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 claims description 2
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 claims description 2
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 claims description 2
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims description 2
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 claims description 2
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 claims description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 2
- 238000005476 soldering Methods 0.000 claims description 2
- 239000002002 slurry Substances 0.000 claims 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 abstract description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 230000035772 mutation Effects 0.000 abstract description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 abstract 1
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 12
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 12
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 3
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000002500 effect on skin Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 238000001931 thermography Methods 0.000 description 2
- 229920000742 Cotton Polymers 0.000 description 1
- 239000002390 adhesive tape Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- 238000001917 fluorescence detection Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 239000012761 high-performance material Substances 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 description 1
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000005201 scrubbing Methods 0.000 description 1
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
- G01N27/041—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
- G01N27/20—Investigating the presence of flaws
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Waveguide Aerials (AREA)
Abstract
本发明涉及一种无线微带贴片天线传感器及在脱粘缺陷检测领域的应用。本发明提供的无线微带贴片天线传感器包含脱粘检测天线、误差天线及发射天线，脱粘检测天线以CFRP加固层为接地板，出现脱粘时接地板电导率突变迫使接地板电流路径改变，致使天线传感信号变化；误差天线的设置则可规避温度、湿度等因素对脱粘检测的不利影响；通过发射天线可实现无线检测。该无线微带贴片天线贴敷在CFRP加固层表面对结构影响小，柔韧性好、尺寸灵活可调、测试使用简便、误差影响小、不受缺陷大小的限制，不依靠变形传感脱粘信号，避免了无变形情况下检测失效，可实现覆盖整个结构CFRP加固层的大面积无损检测。
Description
技术领域
本发明属于贴片传感器技术领域，具体涉及一种无线微带贴片天线传感器、所述传感器的制备方法及其在CFRP加固结构脱粘缺陷检测领域的应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
混凝土结构在服役过程中由于环境、外力等的作用往往无法达到设计使用年限，使用高性能材料加固修复受损结构以延长结构使用寿命，同时节省重建成本、保护生态环境。碳纤维布加固技术(CFRP)较传统的加固技术具有强度高、效果好，加固后能显著提高结构耐腐性及耐久性，基本不增加结构自重和截面尺寸，柔性好、易于剪裁、可应用于各种结构类型和构件的加固，具有施工简便、工期短等优点，得到广泛的运用。
碳纤维材料织成碳纤维布后，很难保证其中的各碳纤维丝完全同时工作，在低荷载情况下，承受应力水平较高的碳纤维丝首先达到抗拉强度退出工作，此后各碳纤维丝逐渐断裂，直至整体破环。粘结剂的使用可有效保证碳纤维丝的共同工作，因此粘结剂对CFRP布加固技术起关键作用，既保证碳纤维丝共同工作，又保证CFRP布与结构共同工作。因此CFRP布脱粘是导致加固失效的一大诱因，为保证加固质量，必须采取有效的检测手段对结构加固用CFRP布的界面粘结层进行检测。
目前对复合材料界面层的无损检测方法主要有射线、涡流、声发射、激光散斑、微波、太赫兹、超声和红外热成像等。射线检测设备复杂，对操作人员和安防要求严格。涡流法具有趋肤效应，仅能检测表面和近表面的缺陷，且检测不同工件需使用不同的线圈。声发射技术检测信号微弱且难以重复。激光散斑技术仅适用于近表面的检测。微波检测灵敏度受工作频率的限制，同样具有趋肤效应。太赫兹检测速度较慢，在狭小作业面操作不便。超声波检测需要通过耦合介质才能使声波射入被检物，显示结果不直观，对操作人员技术水平要求较高。红外热成像技术受环境因素影响较大。中国专利CN109142396A公布了一种碳纤维缠绕壳体脱粘缺陷的检测方法，使用X射线机对碳纤维缠绕壳体进行透照，该方法要求X射线束必须与检测面保持垂直，在狭小检测面和高处作业时十分不便，而且X射线机参数设定对测试的准确度影响较大。中国专利CN112577933A提供了一种界面脱粘的荧光检测法，该方法是在纤维增强材料生产过程中加入具有力学荧光响应特性的聚集诱导发光分子，以脱粘区域和未脱粘区域的变形差异使得聚集诱导发光分子在紫外辐射下发出不同的荧光，聚集诱导发光分子的加入增加了纤维增强材料的生产成本，且若被检测结构处于无荷载状态，变形很微小甚至不存在时，通过该方式检测脱粘缺陷有可能失效。
天线传感器作为天线和传感单元的统一体，具有体积小、结构简单、无需供能、应变灵敏度高、测试结果准确、易于结构表面共形、兼具收发信号和传感功能的特点，在SHM无线测量领域的应用潜力逐渐凸显。天线传感器缺陷检测的相关研究中，通过变形来进行检测时当缺陷的大小接近天线贴片长度时，贴片无传感信号。同时无法有效规避温度、湿度等因素对检测天线带来的影响。另天线传感器多采用有线测量，该方法布线复杂、成本高、测试复杂，难以实现恶劣气候环境下对大型工程的有效监测。而且在测量过程中射频线需与天线传感器端口时刻保持连接，但由于其具有一定刚度，在测量过程中射频线可能会对传感器产生一定的牵引或压迫力，影响传感器与待监测结构的胶结力，进而对传感器产生干扰。
发明内容
本发明目的在于提供一种可用于碳纤维布层(CFRP)脱粘缺陷检测的无线微带贴片天线传感器，该传感器粘贴在CFRP加固结构表面，能有效的感知CFRP布与加固结构间的粘结力变化，表现为天线谐振频率的变化，而且具有柔韧性好、尺寸可灵活调整、测试使用简便、误差影响小等优点，可紧密地粘敷到结构表面并且不会影响结构及材料的性能，进而实现覆盖整个CFRP加固结构的脱粘无损检测。
基于上述技术效果，本发明提供以下技术方案：
本发明第一方面，提供一种无线微带贴片天线传感器，包括无线测量系统及传感信号接收系统用于实现信号的收发，上述传感器的特征在于，所述无线测量系统包括脱粘检测天线、误差天线及发射天线；
其中，所述误差天线由辐射贴片、介质板、接地板、馈电微带线、阻抗变换器、SAM射频连接器组成，所述介质板为一端弯折的矩形平板，平板部分其中一面具有辐射贴片，另一表面的对应位置设置接地板，所述弯折部分埋设馈电微带线，端部设置SAM射频连接器并通过射频电缆延迟线与发射天线相连；辐射贴片通过阻抗变换器与馈电微带线连接；
所述脱粘检测天线与误差天线的区别在于不包括接地板，其余设置与误差天线相同。
本发明提供的上述贴片天线传感器可用于检测CFRP布与加固结构之间的脱粘缺陷，脱粘检测天线本身不设置接地板，而是以结构加固层CFRP布作为接地板。当CFRP布与加固结构间产生脱粘缺陷时，电导率突变迫使接地板的电流路径改变，进而导致天线传感器谐振频率、输入阻抗及S11等的变化，通过实验可以得到缺陷大小和谐振频率、输入阻抗及S11等的关系，由谐振频率、输入阻抗及S11可反演缺陷大小。从而可不受缺陷大小的限制获取覆盖整个结构CFRP加固层的脱粘缺陷信息。该检测方式不依靠变形传感脱粘信号，避免了无变形情况下检测失效。
上述传感器中同时设置误差天线以规避温度、湿度等因素对脱粘检测天线带来的影响，由于误差天线与脱粘检测天线具有完全相同的参数，故在以上误差因素的作用下两者发生相同的变形产生相同的误差信号，而误差天线本身具有接地板不具备脱粘检测能力，因此，本发明获取的脱粘信号应为脱粘检测天线信号去除误差天线信号之外的信号，避免了温度、湿度等因素对检测结果的影响。而且通过射频电缆延迟线连接检测天线与发射天线组成的无线检测系统无需布线、测试位置不受限、成本低、射频器对传感器影响小，可有效弥补有线检测系统的弊端。
另外，上述介质板在馈电微带线处具有弯折，将传感器微带线处做折叠设计，可以避免SAM射频连接器造成传感器与CFRP结构粘贴不紧密以及测试位置受限。优选的方案中，所述弯折的角度为85～95°，具体实例为90°。
优选的，所述辐射贴片为导电材料，可采用金属导电材料，如铜箔、铝箔等，或采用金属导电浆料印刷涂覆于介质板上形成辐射贴片。
优选的，所述介质板材质可为特氟龙、聚酰亚胺、环氧玻璃纤维布(FR4)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。
进一步，当采用金属导电材料作为辐射贴片时，所述辐射贴片通过粘合剂粘贴在介质板表面。
又一种优选的实施方式中，可直接采用覆铜板替代介质板与辐射贴片；该系列的实施方式中，所述脱粘天线不粘贴接地板或将覆铜板另一面的铜完全剥去。
优选的，所述传感信号接收系统包括接收天线及网络分析仪，所述传感信号接收系统先接收误差天线信号，再接收脱粘检测天线信号，脱粘信号为脱粘检测天线信号减去误差天线信号的差值。
进一步的，所述网络分析仪为矢量网络分析仪，更进一步的，可采用手持式矢量网络分析仪。
本发明第二方面，提供第一方面所述无线微带贴片天线传感器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：根据“谐振腔模型”理论计算传感器的几何参数，包括辐射区域宽度W、辐射区域长度L和介质板厚度H；根据上述几何参数将辐射贴片、接地板、介质板裁剪成所需尺寸并进行粘接；将介质板的一端弯折并在弯折处埋设馈电微带线，前端焊接SAM射频连接器；通过阻抗变换器连接辐射贴片与馈电微带线，分别得到脱粘检测天线及误差天线，再通过射频电缆延迟线连接SAM射频连接器与发射天线。
上述第二方面中，根据“谐振腔模型”理论计算传感器辐射区域宽度W、辐射区域长度L和介质板厚度H，通过以下公式进行计算：
式中介电常数εr、介质板厚度H和谐振频率f由介质板的材料决定，通过公式(1)确定辐射区域的宽度，公式(2)确定辐射区域的长度，确定天线开槽尺寸及位置，得到无线微带贴片天线传感器的几何参数。
优选的，所述辐射贴片、接地板、介质板裁剪的具体方式包括手工雕刻、机械雕刻、印刷或化学蚀刻等方式。
优选的，焊接SAM射频连接器时，SAM射频连接器接头的引脚与馈电微带线末端接触并导通，令其法兰盘与接地板接触并导通，最后利用焊锡将其固定；进一步的，为了确认上述焊接效果，可以采用万用表检测导电性是否良好。
本发明第三方面，提供第一方面所述无线微带贴片天线传感器在脱粘缺陷检测领域的应用。
优选的，所述无线微带贴片天线传感器用于CFRP布层与加固结构之间脱粘缺陷的检测；在该检测方法中，所述无线微带贴天线传感器中，脱粘检测天线的下表面与CFRP布层连接，以CFRP布层为接地板。
进一步，所述误差天线与CFRP布层之间为绝缘状态，可行的方式包括在误差天线接地板下表面涂刷绝缘涂层。
本发明第四方面，提供一种CFRP加固层脱粘缺陷的检测方法，将第一方面所述无线微带贴片天线传感器粘贴在CFRP加固结构表面，通过接收天线与网络分析仪连接组成的接受装置检测无线微带贴片天线谐振频率、输入阻抗及S11等的变化情况。
上述检测方法中，所述无线微带贴片天线传感器的尺寸可根据检测面积进行相应的调整。
优选的，所述CFRP加固层可以为任意包含CFRP加固层的建筑结构，包括但不限于房屋、桥梁或隧道。
以上一个或多个技术方案的有益效果是：
目前检测CFRP加固结构脱粘缺陷的主要难点在于缺陷覆盖在CFRP布之下。微带贴片天线主要由辐射贴片、介质板和接地板三部分组成，接地板电导率的变化迫使接地板电流路径改变，引起天线谐振频率、输入阻抗及S11等的变化，通过实验可以得到缺陷大小和谐振频率、输入阻抗及S11等的关系，由谐振频率、输入阻抗及S11可反演缺陷大小。
本发明将无接地板微带贴片天线粘贴在CFRP加固结构上以结构加固层CFRP布作为接地板形成一个“结构-CFRP-介质板-辐射贴片”天线，当加固结构与CFRP布间脱粘时电导率发生突变进而引起天线谐振频率、输入阻抗及S11等的变化，从而可不受缺陷大小的限制实现对整个结构CFRP加固层的脱粘无损检测。该检测方式不依靠变形传感脱粘信号，避免了无变形情况下检测失效。同时设置误差天线以规避温度、湿度等因素对脱粘检测天线带来的影响，由于误差天线与脱粘检测天线具有完全相同的参数，故在以上误差因素的作用下两者发生相同的变形产生相同的误差信号，而误差天线本身具有接地板不具备脱粘检测能力，因此脱粘信号应为脱粘检测天线信号除去误差天线信号之外的信号。而且通过射频电缆延迟线连接检测天线与发射天线组成的无线检测系统无需布线、测试位置不受限、成本低、射频器对传感器影响小，可有效弥补有线检测系统弊端。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明无线微带贴片天线传感器传感示意图；
图中所示附图标记为：1.脱粘检测天线；2.误差天线；3.射频电缆延迟线；4.结构；5.脱粘缺陷；6.碳纤维布；7.绝缘涂层；8.手持矢量网络分析仪；9.喇叭天线(发射天线、接收天线)；
图2为本发明实施例1的无线微带贴片天线传感器俯视与侧视示意图；
图中所示附图标记为：1.脱粘检测天线；2.误差天线；3.辐射贴片；4.介质板；5.馈电微带线；6.绝缘刻线；7.阻抗变换器；8.SAM射频连接器；9.误差天线接地板；10.绝缘涂层。
图3为本发明实施例1的无线微带贴片天线谐振频率；
图4为本发明实施例1的无线微带贴片天线输入阻抗变化图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
(1)无线微带贴片天线传感器的设计
依据“谐振腔模型”理论计算天线的几何参数，COMSOL仿真软件最终优化后的天线传感器辐射贴片长宽均为40mm，天线开槽尺寸长为2.5mm、宽为1.5mm，介质板厚0.787mm，误差天线接地板厚17.5μm，馈电微带线长18.25mm、宽2.38mm，阻抗变换器长26.8mm、宽0.59mm；
(2)无线微带贴片天线传感器的雕刻
将COMSOL仿真软件中最终优化后的天线传感器几何模型另存为.dxf格式导入Auto CAD软件，并对传感器的内外几何轮廓做闭合处理。将处理后的CAD模型信息导入雕刻机控制电脑上的LPKF CircuitPro 2.3软件中，并根据内置导航器的提示，设定基于RT/duroid 5880板材和处理系统的加工参数以及铜箔剥除区域。使用专用胶带将RT/duroid5880介质板材平整地固定于雕刻机的工作台面上，首先利用End mill 1mm/2mm端面剥铜刀具剥去辐射区域之外和覆铜板背面的铜箔，然后使用Universal cutter 0.2-0.5mm通用刻线刀具雕刻表面绝缘刻线，最后使用End mill long 1mm/2mm刀具切割板材，得到平面脱粘检测天线(无接地板)。采用同一流程雕刻平面误差天线，雕刻误差天线无需剥去覆铜板背面的铜箔，在误差天线与CFRP加固层粘结面即接地板下表面涂覆聚氨酯绝缘漆，最终得到平面脱粘检测天线(无接地板)和平面误差天线；
层压覆铜板介质层厚0.787mm，上下表面覆铜厚度17.5μm；
(3)平面传感器的弯折
将平面脱粘检测天线(无接地板)和平面误差天线分别在馈电微带线处弯折90°使之呈L形，在对L形馈电微带线的测试中，将馈电微电线的两个端口与PNA的两个端口连接检测散射参数，L形馈电微带线与直线形馈电微带线相差很小，信号在入射端口处的反射率低于19.95％，满足设计要求；两端口间的正向传输系数S21(以趋近0dB为优)，在测频范围内直线形和L形微带线分别为-0.4dB和-0.9dB左右，两者相差不大且均大于设计要求值-3dB。由此证明L形馈电微带线对微带线的信号传输及阻抗匹配情况几乎无影响；
(4)焊接SAM射频连接器
将SAM射频连接器使用电烙铁与步骤(3)所得的3D传感器的微带线前端焊接，用万用表检测导电性是否良好；
(5)连接发射天线
将SAM射频连接器通过射频电缆延迟线与LB-340-10-C喇叭发射天线相连，最终得到无线微带贴片天线传感器。
制作CFRP试件并设置大小不同的人工缺陷，用射频线将LB-340-10-C喇叭接收天线与KEYSIGHT N9926A手持矢量网络分析仪连接，用解胶剂擦洗脱粘检测天线(无接地板)粘贴面和CFRP加固结构表面，用棉纱将其擦拭干净，将充分搅拌均匀的环氧树脂AB胶均匀地涂在无线微带贴片天线和CFRP加固结构待粘贴区域，沿单方向将气泡挤出。首先测量误差天线传感器的谐振频率，再测量脱粘检测天线(无接地板)信号，脱粘信号应为脱粘检测天线(无接地板)信号除去误差天线信号之外的信号；缺陷面积增加时，脱粘检测天线的谐振频率随之降低，但谐振频率偏移量随着缺陷面积的增加而增加；输入阻抗极小值随缺陷面积的增大逐渐增大。无缺陷时脱粘检测天线传感器的谐振频率为1.88GHz，输入阻抗极小值为44.1Ω；缺陷面积为4mm2(边长2mm)谐振频率为1.86GHz，输入阻抗极小值为45Ω；缺陷面积为16mm2(边长4mm)谐振频率为1.83GHz，输入阻抗极小值为45.3Ω；缺陷面积为36mm2(边长6mm)谐振频率为1.77GHz，输入阻抗极小值为45.9Ω；缺陷面积为64mm2(边长8mm)谐振频率为1.73GHz，输入阻抗极小值为46.2Ω；缺陷面积为100mm2(边长10mm)谐振频率为1.67Ghz，输入阻抗极小值为46.8Ω。无线感知距离为80m时，仍可读取脱粘信号。灵敏度为-70.59ppm/mm2。
实施例2
本实施例无线微带贴片天线传感器制法和结构同实施例1。
对某城市CFRP加固立交桥进行脱粘检测，将无线微带贴片天线粘贴在CFRP加固层表面，用射频线将LB-340-10-C喇叭接收天线与KEYSIGHT N9926A手持矢量网络分析仪连接，感知范围130m2，感知距离78.6m，脱粘检测天线与误差天线谐振频率均为1.81GHz，输入阻抗极小值均为44.3Ω；180d后，脱粘检测天线谐振频率为1.74GHz，输入阻抗极小值为43.2Ω；误差天线谐振频率为1.83GHz，输入阻抗极小值为44.6Ω，脱粘检测天线与误差天线信号出现差异，CFRP加固立交桥发生了脱粘。
实施例3
本实施例无线微带贴片天线传感器制法和结构同实施例1。不同的是：该实施例中无线微带贴片传感器辐射贴片具有两个开槽呈“H”形，辐射贴片长宽均为37mm，天线开槽尺寸长为14mm、宽为13mm。
对某厂房CFRP加固钢屋架进行脱粘检测，将无线微带贴片天线粘贴在CFRP加固层表面，用射频线将LB-340-10-C喇叭接收天线与KEYSIGHT N9926A手持矢量网络分析仪连接，感知范围92.1m2，感知距离69.3m，脱粘检测天线与误差天线谐振频率均为1.63GHz，输入阻抗极小值均为42.1Ω；90d后，脱粘检测天线谐振频率为1.55GHz，输入阻抗极小值为38.8Ω；误差天线谐振频率为1.60GHz，输入阻抗极小值为42.6Ω，脱粘检测天线与误差天线信号出现差异，CFRP加固钢屋架发生了脱粘。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种无线微带贴片天线传感器，其特征在于，包括无线测量系统及传感信号接收系统用于实现信号的收发，所述无线测量系统包括脱粘检测天线、误差天线及发射天线；
其中，所述误差天线由辐射贴片、介质板、接地板、馈电微带线、阻抗变换器、SAM射频连接器组成，所述介质板为一端弯折的矩形平板，平板部分的其中一面具有辐射贴片，另一表面的对应位置设置接地板，所述弯折部分埋设馈电微带线，端部设置SAM射频连接器并通过射频电缆延迟线与发射天线相连；辐射贴片通过阻抗变换器与馈电微带线连接；
所述脱粘检测天线与误差天线的区别在于不包括接地板，其余设置与误差天线相同。
2.如权利要求1所述无线微带贴片天线传感器，其特征在于，所述介质板弯折的角度为85～95°，进一步的，为90°。
3.如权利要求1所述无线微带贴片天线传感器，其特征在于，所述辐射贴片为导电材料，可采用金属导电材料，如铜箔、铝箔；或采用金属导电浆料印刷涂覆于介质板上形成辐射贴片；
或，所述介质板材质可为特氟龙、聚酰亚胺、环氧玻璃纤维布、聚对苯二甲酸乙二酯或聚二甲基硅氧烷；
进一步，当采用金属导电材料作为辐射贴片时，所述辐射贴片通过粘合剂粘贴在介质板表面；
或，所述传感器中，采用覆铜板替代介质板与辐射贴片，将脱粘天线不粘贴接地板或将覆铜板另一面的铜完全剥去。
4.如权利要求1所述无线微带贴片天线传感器，其特征在于，所述传感信号接收系统包括接收天线及网络分析仪，所述传感信号接收系统先接收误差天线信号，再接收脱粘检测天线信号，脱粘信号为脱粘检测天线信号减去误差天线信号的差值；
优选的，所述网络分析仪为矢量网络分析仪，更进一步的，为手持式矢量网络分析仪。
5.权利要求1-4任一项所述无线微带贴片天线传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：根据“谐振腔模型”理论计算传感器的几何参数，包括辐射区域宽度W、辐射区域长度L和介质板厚度H；根据上述几何参数将辐射贴片、接地板介质板裁剪成所需尺寸并进行粘接；将介质板的一端弯折并在弯折处埋设馈电微带线，前端焊接SAM射频连接器；通过阻抗变换器连接辐射贴片与馈电微带线，分别得到脱粘检测天线及误差天线，再通过射频电缆延迟线连接SAM射频连接器与发射天线。
6.权利要求5所述无线微带贴片天线传感器的制备方法，其特征在于，所述辐射贴片、接地板、介质板裁剪的具体方式选自手工雕刻、机械雕刻、印刷或化学蚀刻方式；
或，焊接SAM射频连接器时，SAM射频连接器接头的引脚与馈电微带线末端接触并导通，令其法兰盘与接地板接触并导通，最后利用焊锡将其固定。
7.权利要求1-4任一项所述无线微带贴片天线传感器在脱粘缺陷检测领域的应用。
8.权利要求7所述所述无线微带贴片天线传感器在脱粘缺陷检测领域的应用，其特征在于，所述无线微带贴片天线传感器用于CFRP布层与加固结构之间脱粘缺陷的检测；应用于该检测时，所述无线微带贴天线传感器中，脱粘检测天线的下表面与CFRP布层连接，以CFRP布层为接地板；
进一步，所述误差天线与CFRP布层之间为绝缘状态，通过在误差天线接地板下表面涂刷绝缘涂层实现。
9.一种CFRP加固层脱粘缺陷的检测方法，其特征在于，所述检测方法包括：将权利要求1-4任一项所述无线微带贴片天线传感器粘贴在CFRP加固结构表面，通过接收天线与网络分析仪连接组成的接受装置检测无线微带贴片天线谐振频率、输入阻抗及S11的变化情况。
10.如权利要求9所述CFRP加固层脱粘缺陷的检测方法，其特征在于，所述无线微带贴片天线传感器的尺寸可根据检测面积进行相应的调整；
或，所述CFRP加固层为任意包含CFRP加固层的建筑结构，包括但不限于房屋、桥梁或隧道。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210762590.6A CN115144438A (zh) | 2022-06-30 | 2022-06-30 | 一种无线微带贴片天线传感器及在脱粘缺陷检测领域的应用 |
| PCT/CN2023/102581 WO2024002040A1 (zh) | 2022-06-30 | 2023-06-27 | 一种无线微带贴片天线传感器及在脱粘缺陷检测领域的应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210762590.6A CN115144438A (zh) | 2022-06-30 | 2022-06-30 | 一种无线微带贴片天线传感器及在脱粘缺陷检测领域的应用 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115144438A true CN115144438A (zh) | 2022-10-04 |
Family
ID=83410593
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210762590.6A Pending CN115144438A (zh) | 2022-06-30 | 2022-06-30 | 一种无线微带贴片天线传感器及在脱粘缺陷检测领域的应用 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115144438A (zh) |
| WO (1) | WO2024002040A1 (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116642410A (zh) * | 2023-07-26 | 2023-08-25 | 西安交通大学 | 一种非接触式cfrp结构损伤监测系统及方法 |
| WO2024002040A1 (zh) * | 2022-06-30 | 2024-01-04 | 青岛理工大学 | 一种无线微带贴片天线传感器及在脱粘缺陷检测领域的应用 |
Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040095279A1 (en) * | 2002-11-13 | 2004-05-20 | Alps Electric Co., Ltd. | Patch antenna having suppressed defective electrical continuity |
| CN1722290A (zh) * | 2004-07-13 | 2006-01-18 | 富士通株式会社 | 光记录介质无线标签天线结构及带该天线的光记录介质盒 |
| JP2009017308A (ja) * | 2007-07-05 | 2009-01-22 | Ntn Corp | 誘電体アンテナ |
| WO2009103042A2 (en) * | 2008-02-15 | 2009-08-20 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Passive wireless antenna sensor for strain, temperature, crack and fatigue measurement |
| KR20160002074A (ko) * | 2014-06-30 | 2016-01-07 | 서울과학기술대학교 산학협력단 | 안테나를 이용한 기판 물성 측정방법 |
| CN107367247A (zh) * | 2017-06-09 | 2017-11-21 | 北京工业大学 | 一种倍频式微带贴片天线应变传感器 |
| CN107656015A (zh) * | 2017-09-15 | 2018-02-02 | 武汉理工大学 | 一种cfrp加固钢结构的端部脱胶检测装置及方法 |
| CN107747900A (zh) * | 2017-09-15 | 2018-03-02 | 武汉理工大学 | 一种基于二元贴片天线阵列的应变与裂纹解耦测量装置及方法 |
| CN108593713A (zh) * | 2018-04-20 | 2018-09-28 | 武汉理工大学 | 基于rfid技术的无源无线贴片天线传感器及无线测量方法 |
| CN110375686A (zh) * | 2019-07-09 | 2019-10-25 | 武汉理工大学 | 用于金属结构裂纹和应变监测的无线柔性微带贴片天线传感器阵列 |
| 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 |
| KR20210018052A (ko) * | 2019-08-05 | 2021-02-17 | 삼성전기주식회사 | 안테나 모듈 및 이를 포함하는 전자기기 |
Family Cites Families (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1041739A (ja) * | 1996-07-22 | 1998-02-13 | Nec Corp | マイクロストリップ線路及びそれを形成したマイクロ ストリップアンテナ |
| JPH10253561A (ja) * | 1997-03-06 | 1998-09-25 | Toray Ind Inc | 炭素繊維シート |
| JP2001210432A (ja) * | 2000-01-27 | 2001-08-03 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | マイクロストリップコネクタ |
| JP2006129202A (ja) * | 2004-10-29 | 2006-05-18 | Nec Corp | マイクロストリップライン共振器およびマイクロ波発振器 |
| EP2297559A2 (en) * | 2008-06-17 | 2011-03-23 | Lumimove, Inc., Dba Crosslink | Compliant and wireless health monitoring sensors for composite structures |
| CN105375099A (zh) * | 2015-09-25 | 2016-03-02 | 西安电子科技大学 | 一种二频段天线及天线的信号发射、接收方法 |
| CN106596714B (zh) * | 2016-12-27 | 2019-11-29 | 南昌航空大学 | 一种碳纤维复合材料脱粘缺陷检测装置及方法 |
| CN107085035A (zh) * | 2017-05-05 | 2017-08-22 | 武汉理工大学 | 基于天线传感器的frp加固钢结构胶层退化量化方法 |
| CN108548718A (zh) * | 2018-05-18 | 2018-09-18 | 武汉理工大学 | 基于微带天线传感器的疲劳裂纹扩展监测系统及其监测方法 |
| CN110635230A (zh) * | 2018-06-25 | 2019-12-31 | 哈尔滨工业大学（威海） | 基于sicl谐振腔圆环缝隙和印刷振子的非对称双极化天线装置 |
| CN109142396A (zh) * | 2018-08-30 | 2019-01-04 | 湖北三江航天江北机械工程有限公司 | 一种碳纤维缠绕壳体分层、脱粘缺陷检测评定方法 |
| CN109596678A (zh) * | 2018-11-27 | 2019-04-09 | 中国人民解放军火箭军工程大学 | 一种在线健康监测的微型压电阻抗装置及方法 |
| CN111896399B (zh) * | 2020-08-05 | 2023-08-18 | 辽宁工业大学 | 研究类cfrp约束热损伤煤样蠕变-冲击耦合试验系统及方法 |
| CN112577933B (zh) * | 2020-12-05 | 2022-08-19 | 中国科学院新疆理化技术研究所 | 一种纤维增强高分子复合材料界面脱粘的荧光检测方法 |
| CN115144438A (zh) * | 2022-06-30 | 2022-10-04 | 青岛理工大学 | 一种无线微带贴片天线传感器及在脱粘缺陷检测领域的应用 |
-
2022
- 2022-06-30 CN CN202210762590.6A patent/CN115144438A/zh active Pending
-
2023
- 2023-06-27 WO PCT/CN2023/102581 patent/WO2024002040A1/zh unknown
Patent Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040095279A1 (en) * | 2002-11-13 | 2004-05-20 | Alps Electric Co., Ltd. | Patch antenna having suppressed defective electrical continuity |
| CN1722290A (zh) * | 2004-07-13 | 2006-01-18 | 富士通株式会社 | 光记录介质无线标签天线结构及带该天线的光记录介质盒 |
| JP2009017308A (ja) * | 2007-07-05 | 2009-01-22 | Ntn Corp | 誘電体アンテナ |
| WO2009103042A2 (en) * | 2008-02-15 | 2009-08-20 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Passive wireless antenna sensor for strain, temperature, crack and fatigue measurement |
| KR20160002074A (ko) * | 2014-06-30 | 2016-01-07 | 서울과학기술대학교 산학협력단 | 안테나를 이용한 기판 물성 측정방법 |
| CN107367247A (zh) * | 2017-06-09 | 2017-11-21 | 北京工业大学 | 一种倍频式微带贴片天线应变传感器 |
| CN107656015A (zh) * | 2017-09-15 | 2018-02-02 | 武汉理工大学 | 一种cfrp加固钢结构的端部脱胶检测装置及方法 |
| CN107747900A (zh) * | 2017-09-15 | 2018-03-02 | 武汉理工大学 | 一种基于二元贴片天线阵列的应变与裂纹解耦测量装置及方法 |
| CN108593713A (zh) * | 2018-04-20 | 2018-09-28 | 武汉理工大学 | 基于rfid技术的无源无线贴片天线传感器及无线测量方法 |
| CN110375686A (zh) * | 2019-07-09 | 2019-10-25 | 武汉理工大学 | 用于金属结构裂纹和应变监测的无线柔性微带贴片天线传感器阵列 |
| KR20210018052A (ko) * | 2019-08-05 | 2021-02-17 | 삼성전기주식회사 | 안테나 모듈 및 이를 포함하는 전자기기 |
| 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 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 王玲玲: "简并正交模贴片天线应变传感器及其应变监测技术研究", 《万方数据》, pages 61 - 62 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024002040A1 (zh) * | 2022-06-30 | 2024-01-04 | 青岛理工大学 | 一种无线微带贴片天线传感器及在脱粘缺陷检测领域的应用 |
| CN116642410A (zh) * | 2023-07-26 | 2023-08-25 | 西安交通大学 | 一种非接触式cfrp结构损伤监测系统及方法 |
| CN116642410B (zh) * | 2023-07-26 | 2023-10-10 | 西安交通大学 | 一种非接触式cfrp结构损伤监测系统及方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2024002040A1 (zh) | 2024-01-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN115144438A (zh) | 一种无线微带贴片天线传感器及在脱粘缺陷检测领域的应用 | |
| Mohammad et al. | Monitoring fatigue crack growth and opening using antenna sensors | |
| CN110375686B (zh) | 用于金属结构裂纹和应变监测的无线柔性微带贴片天线传感器阵列 | |
| EP2217884B1 (en) | Sensing system and method | |
| Matsuzaki et al. | Antenna/sensor multifunctional composites for the wireless detection of damage | |
| CN106225742A (zh) | 一种基于缝隙耦合微带天线的应变传感器 | |
| CN100392379C (zh) | 一种微波吸收材料反射率的测量方法 | |
| CN108548718A (zh) | 基于微带天线传感器的疲劳裂纹扩展监测系统及其监测方法 | |
| EP2569616A1 (en) | Rf reflection for inspecting composite materials | |
| CN109959712B (zh) | 钢-混组合结构界面粘结滑移的实时监测系统 | |
| Li et al. | Review of microwave techniques used in the manufacture and fault detection of aircraft composites | |
| Balasubramaniam | Lamb-wave-based structural health monitoring technique for inaccessible regions in complex composite structures. | |
| CN107656015B (zh) | 一种碳纤维复合材料加固钢结构的端部脱胶检测装置及方法 | |
| CN107367247A (zh) | 一种倍频式微带贴片天线应变传感器 | |
| US8770031B2 (en) | Capacitive acoustic inspection apparatus | |
| CN216051494U (zh) | 一种钢梁与碳纤维板粘接强度的监测系统 | |
| CN113835047B (zh) | 跨金属壁埋植式单端口无源烧损传感装置、监测及制备方法 | |
| US6788244B1 (en) | Inspection device for radar absorbing materials | |
| KR101757590B1 (ko) | 구조물 보강재의 결함 진단 시스템 및 방법 | |
| CN108918650A (zh) | 监测焊缝裂纹的无源无线贴片天线传感器 | |
| WO2011081526A1 (en) | Method and system for detecting faults in laminated structures | |
| CN221077546U (zh) | 一种水泥基材料用应变传感器 | |
| Kharkovsky et al. | Measurement and monitoring of gap in concrete-metal structures using microwave sensor technologies | |
| JP4163543B2 (ja) | 複合材料の生涯モニタリング方法 | |
| Xu et al. | Antenna Sensor Array Design for Structural Strain and Crack Monitoring. |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |