CN115166022A - 一种石墨烯柔性金属裂纹检测传感器和系统 - Google Patents

一种石墨烯柔性金属裂纹检测传感器和系统 Download PDF

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杨应平
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Abstract

本发明公开了一种石墨烯柔性金属裂纹检测传感器和系统，其中，石墨烯柔性金属裂纹检测传感器的参考地层和谐振结构的材料均为石墨烯宏观膜，谐振结构可以是通过激光雕刻机在参考地层上雕刻而成。石墨烯宏观薄膜具有优良的机械柔性、导电性和导热性，且耐高温，抗腐蚀性好。其在机械形变下能表现出极好的电学稳定性，对于复杂环境具有非常好的适应性，更加易与待测金属共形。

Description

一种石墨烯柔性金属裂纹检测传感器和系统
技术领域
本发明涉及金属检测技术领域，特别涉及一种石墨烯柔性金属裂纹检测传感器和系统。
背景技术
金属具有导电性好、导热性好、硬度大、熔点高等诸多优点，被广泛的应用于各个领域中。金属结构通常会受到外界因素的影响，而产生疲劳裂纹等缺陷，进而会对工程结构的安全性产生极大的威胁。对金属结构进行结构健康监测是非常重要的一个环节。疲劳裂纹是金属结构损伤中最常见的缺陷形式。因金属结构失效而发生的灾难性事故不在少数。因此，这是十分必要的对金属结构安全情况进行周期性的探测和及时发现疲劳裂纹的出现。
出现在超材料研究中的开口谐振环、互补开口谐振环等结构构成的射频传感器被提出用于金属表面裂纹的检测。这些谐振结构具有非常好的电磁场束缚特性，对亚毫米裂纹的灵敏较好，且能够较为精确的定位裂纹位置。用于金属裂纹检测传感器均是采用金属和刚性基底设计制作的，柔性差，不适用于曲面等复杂金属结构检测。实际上，金属结构弯曲部分最容易发生崩坏，最容易产生疲劳裂纹，因此如何保证传感器能够与弯曲金属结构共形是一个值得研究的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石墨烯柔性金属裂纹检测传感器和系统，其能够改善上述问题。
本发明的实施例是这样实现的：
第一方面，本发明提供一种石墨烯柔性金属裂纹检测传感器，其包括：
参考地层和谐振结构；所述参考地层中心位置设置有镂空区域，所述镂空区域内设置有所述谐振结构；
所述参考地层和所述谐振结构的材料均为石墨烯宏观膜。
所述参考地层和所述谐振结构的材料均为石墨烯宏观膜。
可以理解，本发明公开了一种石墨烯柔性金属裂纹检测传感器，谐振结构可以是通过激光雕刻机在参考地层上雕刻而成，即谐振结构与参考地层一体成型。石墨烯宏观薄膜具有优良的机械柔性、导电性和导热性，且耐高温，抗腐蚀性好。其在机械形变下能表现出极好的电学稳定性，对于复杂环境具有非常好的适应性，更加易与待测金属共形。
在本发明可选的实施例中，所述谐振结构包括：第一环形结构、第二环形结构、第一连接结构、第二连接结构和接地结构；
所述第二环形结构设置于所述第一环形结构的轮廓内；所述第一环形结构被第一开口断开，形成第一端头和第二端头；所述第二环形结构被第二开口断开，形成第三端头和第四端头；
所述第一连接结构连接所述第一端头和所述第三端头，所述第二连接结构连接所述第二端头和所述第四端头，所述第一连接结构还通过所述接地结构与所述参考地层连接。
可以理解，本发明公开了一种石墨烯柔性金属裂纹检测传感器，其参考地层上设置的谐振结构包括嵌套设置的两个带有开口环形结构，两个环形结构的两端分别通过各自连接结构连接，其中一个连接结构通过接地结构与参考地层连接。与传统谐振结构相比，增加了电流路径，引入了等效电感，可以实现在保证检测灵敏度的同时，降低传感器的工作频率。
在本发明可选的实施例中，第一环形结构和第二环形结构为圆环形结构。电流分布更接近于环形，能够提高传感结构和参考地相连接方向的检测灵敏度。其中，第一环形结构的圆心和第二环形结构的圆心重合设置。
在本发明可选的实施例中，所述第一连接结构和所述第二连接结构呈直条型结构。其中，所述第一连接结构的一端与所述接地结构连接，所述第二连接结构的另一端伸入所述第二环形结构的轮廓内；所述第二连接结构的一端与所述第二端头连接，所述第二连接结构的另一端伸入所述第二环形结构的轮廓内。其中，所述第一连接结构和所述第二连接结构插入所述第二环形结构的长度相等。
在本发明可选的实施例中，所述石墨烯柔性金属裂纹检测传感器还包括与所述参考地层层叠设置的介质基底层，所述介质基底层背离所述参考地层的表面设置有微带线；所述石墨烯柔性金属裂纹检测传感器还包括设置于所述介质基底层相对两侧面的第一接头和第二接头；所述第一接头与所述参考地层和所述微带线的第一端连接，所述第二接头与所述参考地层和所述微带线的第二端连接。
其中，第一接头和第二接头可以是超小型A版(SubMiniature version A，SMA)接头。本发明通过采用SMA接头实现了石墨烯柔性金属裂纹检测传感器与后续的矢量网络分析仪稳定连接，保证了检测数据传输的准确性。
第二方面，本发明公开了一种金属裂纹检测传感系统，包括如第一方面任一项所述石墨烯柔性金属裂纹检测传感器和矢量网络分析仪；所述石墨烯柔性金属裂纹检测传感器的所述参考地层上放置待测金属；所述矢量网络分析仪的电磁信号输出端通过第一信号连接线与所述第一接头电连接，所述第二接头通过第二信号连接线与所述矢量网络分析仪的电磁信号输入端电连接；
所述矢量网络分析仪通过所述激励电磁信号输出端向所述石墨烯柔性金属裂纹检测传感器发出激励电磁信号，使得载有所述待测金属的所述石墨烯柔性金属裂纹检测传感器产生谐振，所述石墨烯柔性金属裂纹检测传感器通过所述第二接头向所述矢量网络分析仪传输反馈电磁信号。
可以理解，所述矢量网络分析仪通过分析所述反馈电磁信号计算得到载有所述待测金属的所述石墨烯柔性金属裂纹检测传感器的当前谐振频率；在所述当前谐振频率小于标准谐振频率的情况下判断所述待测金属存在裂纹。其中标准谐振频率即待测金属不存在裂纹的情况下，载有所述待测金属的所述石墨烯柔性金属裂纹检测传感器的谐振频率。即石墨烯柔性金属裂纹检测传感器测到待测金属存在裂纹时，当前谐振频率会发生明显偏移。
具体的检测原理如下：矢量网络分析仪给石墨烯柔性金属裂纹检测传感器提供一个宽频的矢量信号，该信号经由微带线耦合到谐振结构。谐振结构和正上方的待测金属相互耦合，当检测到待测金属中存在裂缝时，石墨烯柔性金属裂纹检测传感器的谐振频率会发生明显偏移。在整个检测过程中，由于参考地层和待测金属没有接触，因此不会对待测金属引入新的缺陷，从而达到无损检测的目的。
在本发明可选的实施例中，所述参考地层上朝向所述待测金属的表面上还设置有绝缘保护层。
可以理解，该绝缘保护层可以进一步保证参考地层和待测金属没有接触，避免对待测金属引入新的缺陷。
此外，还可以在待测金属表面涂布保护涂层，通过涂覆保护涂层可以有效避免所述参考地层与待测金属直接接触。
有益效果：
本发明公开了一种石墨烯柔性金属裂纹检测传感器，其中，参考地层和谐振结构的材料均为石墨烯宏观膜，谐振结构可以是通过激光雕刻机在参考地层上雕刻而成。石墨烯宏观薄膜具有优良的机械柔性、导电性和导热性，且耐高温，抗腐蚀性好。其在机械形变下能表现出极好的电学稳定性，对于复杂环境具有非常好的适应性，更加易与待测金属共形。
此外，本发明公开的石墨烯柔性金属裂纹检测传感器，其参考地层上设置的谐振结构包括嵌套设置的两个带有开口环形结构，两个环形结构的两端分别通过各自连接结构连接，其中一个连接结构通过接地结构与参考地层连接。与传统谐振结构相比，增加了电流路径，引入了等效电感，可以实现在保证检测灵敏度的同时，降低传感器的工作频率。两个环形结构可以为圆环形结构，电流分布更接近于环形，能够提高传感结构和参考地相连接方向的检测灵敏度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举可选实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明提供的一种石墨烯柔性金属裂纹检测传感器的参考地层示意图；
图2是本发明提供的一种石墨烯柔性金属裂纹检测传感器的结构示意图；
图3是图2所示的石墨烯柔性金属裂纹检测传感器的实物照片图；
图4是本发明提供的一种金属裂纹检测传感系统的示意图；
图5是载有待测金属的石墨烯柔性金属裂纹检测传感器的结构示意图；
图6是图4所示的金属裂纹检测传感系统得出的当前谐振频率随待测金属裂缝宽度扩展的变化关系示意图；
图7是图4所示的金属裂纹检测传感系统得出的当前谐振频率随待测金属裂缝深度扩展的变化关系示意图。
附图标号：
石墨烯柔性金属裂纹检测传感器100、矢量网络分析仪200、待测金属300、保护涂层400、参考地层10、谐振结构20、第一环形结构21、第二环形结构22、第一连接结构23、第二连接结构24、接地结构25、介质基底层30、微带线40、第一接头51、第二接头52。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
第一方面，如图1所示，本发明提供一种石墨烯柔性金属裂纹检测传感器100，其包括：参考地层10和谐振结构20；参考地层10中心位置设置有镂空区域11，镂空区域11内设置有谐振结构20。
参考地层10和谐振结构20的材料均为石墨烯宏观膜。
可以理解，本发明公开了一种石墨烯柔性金属裂纹检测传感器，谐振结构20可以是通过激光雕刻机在参考地层10上雕刻而成，即谐振结构20与参考地层10一体成型。石墨烯宏观薄膜具有优良的机械柔性、导电性和导热性，且耐高温，抗腐蚀性好。其在机械形变下能表现出极好的电学稳定性，对于复杂环境具有非常好的适应性，更加易与待测金属共形。
在本发明可选的实施例中，谐振结构20包括：第一环形结构21、第二环形结构22、第一连接结构23、第二连接结构24和接地结构25；第二环形结构22设置于第一环形结构21的轮廓内；第一环形结构21被第一开口断开，形成第一端头和第二端头；第二环形结构22被第二开口断开，形成第三端头和第四端头；第一连接结构23连接第一端头和第三端头，第二连接结构24连接第二端头和第四端头，第一连接结构23还通过接地结构25与参考地层10连接。
根据射频谐振原理的现有结构射频传感器检测灵敏度越大，传感器谐振频率会越高，对设备的要求和成本也会越高。所以如何在保证检测灵敏度的前提下尽量降低射频传感器的工作频率，是一个值得研究的问题。
可以理解，本发明公开了一种石墨烯柔性金属裂纹检测传感器100，其参考地层10上设置的谐振结构20包括嵌套设置的两个带有开口环形结构，两个环形结构的两端分别通过各自连接结构连接，其中一个连接结构通过接地结构25与参考地层10连接。与传统谐振结构相比，增加了电流路径，引入了等效电感，可以实现在保证检测灵敏度的同时，降低传感器的工作频率。
在本发明可选的实施例中，第一环形结构21和第二环形结构22为圆环形结构。电流分布更接近于环形，能够提高传感结构和参考地相连接方向的检测灵敏度。其中，第一环形结构21的圆心和第二环形结构22的圆心重合设置。
在本发明可选的实施例中，第一连接结构23和第二连接结构24呈直条型结构。其中，第一连接结构23的一端与接地结构25连接，第二连接结构24的另一端伸入第二环形结构22的轮廓内；第二连接结构24的一端与第二端头连接，第二连接结构24的另一端伸入第二环形结构22的轮廓内。其中，第一连接结构23和第二连接结构24插入第二环形结构22的长度相等。
在本发明可选的实施例中，如图2和图3所示，石墨烯柔性金属裂纹检测传感器100还包括与参考地层10层叠设置的介质基底层30，介质基底层30背离参考地层10的表面设置有微带线40；石墨烯柔性金属裂纹检测传感器100还包括设置于介质基底层30相对两侧面的第一接头51和第二接头52；第一接头51与参考地层10和微带线40的第一端连接，第二接头52与参考地层10和微带线40的第二端连接。
其中，第一接头51和第二接头52可以是超小型A版(SubMiniature version A，SMA)接头。本发明通过采用SMA接头实现了石墨烯柔性金属裂纹检测传感器100与后续的矢量网络分析仪200稳定连接，保证了检测数据传输的准确性。
第二方面，如图4和图5所示，本发明公开了一种金属裂纹检测传感系统，包括如第一方面任一项石墨烯柔性金属裂纹检测传感器100和矢量网络分析仪200；石墨烯柔性金属裂纹检测传感器100的参考地层10上放置待测金属；矢量网络分析仪200的电磁信号输出端通过第一信号连接线与第一接头51电连接，第二接头52通过第二信号连接线与矢量网络分析仪200的电磁信号输入端电连接。
矢量网络分析仪200通过激励电磁信号输出端向石墨烯柔性金属裂纹检测传感器100发出激励电磁信号，使得载有待测金属的石墨烯柔性金属裂纹检测传感器100产生谐振，石墨烯柔性金属裂纹检测传感器100通过第二接头52向矢量网络分析仪200传输反馈电磁信号。
可以理解，矢量网络分析仪200通过分析反馈电磁信号计算得到载有待测金属的石墨烯柔性金属裂纹检测传感器100的当前谐振频率；在当前谐振频率小于标准谐振频率的情况下判断待测金属存在裂纹。其中标准谐振频率即待测金属不存在裂纹的情况下，载有待测金属的石墨烯柔性金属裂纹检测传感器100的谐振频率。即石墨烯柔性金属裂纹检测传感器100测到待测金属存在裂纹时，当前谐振频率会发生明显偏移。
具体的检测原理如下：矢量网络分析仪200给石墨烯柔性金属裂纹检测传感器100提供一个宽频的矢量信号，该信号经由微带线40耦合到谐振结构20。谐振结构20和正上方的待测金属相互耦合，当检测到待测金属中存在裂缝时，石墨烯柔性金属裂纹检测传感器100的谐振频率会发生明显偏移。在整个检测过程中，由于参考地层10和待测金属没有接触，因此不会对待测金属引入新的缺陷，从而达到无损检测的目的。
如图6所示，在通过三维电磁仿真软件CST仿真评估本发明石墨烯柔性金属裂纹检测传感器100对于裂纹宽度检测性能。裂纹深度保持为2mm，长度为20mm，本实施例中裂纹宽度以0.05mm的步长从0mm增加到0.2mm，传感器的谐振频率持续向低频偏移，偏移量为300MHz。
如图7所示，在通过三维电磁仿真软件CST仿真评估本发明石墨烯柔性金属裂纹检测传感器100对于裂纹深度检测性能。裂纹宽度保持为0.2mm，长度为20mm，本实施例中裂纹深度以0.5mm的步长从0mm增加到2mm，传感器的谐振频率持续向低频偏移，偏移量为300MHz。基于石墨烯宏观膜的金属裂纹检测柔性传感器对裂纹深度的检测灵敏度随着深度的增大而减小。
在本发明可选的实施例中，参考地层10上朝向待测金属的表面上还设置有绝缘保护层。
可以理解，该绝缘保护层可以进一步保证参考地层10和待测金属没有接触，避免对待测金属引入新的缺陷。
此外，还可以在待测金属表面涂布保护涂层400，如图5所示，通过涂覆保护涂层400可以有效避免参考地层10与待测金属300直接接触。
在本公开的各种实施方式中所使用的表述“第一”、“第二”、“所述第一”或“所述第二”可修饰各种部件而与顺序和/或重要性无关，但是这些表述不限制相应部件。以上表述仅配置为将元件与其它元件区分开的目的。例如，第一用户设备和第二用户设备表示不同的用户设备，虽然两者均是用户设备。例如，在不背离本公开的范围的前提下，第一元件可称作第二元件，类似地，第二元件可称作第一元件。
当一个元件(例如，第一元件)称为与另一元件(例如，第二元件)“(可操作地或可通信地)联接”或“(可操作地或可通信地)联接至”另一元件(例如，第二元件)或“连接至”另一元件(例如，第二元件)时，应理解为该一个元件直接连接至该另一元件或者该一个元件经由又一个元件(例如，第三元件)间接连接至该另一个元件。相反，可理解，当元件(例如，第一元件)称为“直接连接”或“直接联接”至另一元件(第二元件)时，则没有元件(例如，第三元件)插入在这两者之间。
以上描述仅为本发明的可选实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
以上所述仅为本发明的可选实施例而已，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)

1.一种石墨烯柔性金属裂纹检测传感器，其特征在于，包括：
参考地层和谐振结构；所述参考地层中心位置设置有镂空区域，所述镂空区域内设置有所述谐振结构；
所述参考地层和所述谐振结构的材料均为石墨烯宏观膜。
2.根据权利要求1所述的石墨烯柔性金属裂纹检测传感器，其特征在于，
所述谐振结构包括：第一环形结构、第二环形结构、第一连接结构、第二连接结构和接地结构；
所述第二环形结构设置于所述第一环形结构的轮廓内；所述第一环形结构被第一开口断开，形成第一端头和第二端头；所述第二环形结构被第二开口断开，形成第三端头和第四端头；
所述第一连接结构连接所述第一端头和所述第三端头，所述第二连接结构连接所述第二端头和所述第四端头，所述第一连接结构还通过所述接地结构与所述参考地层连接。
3.根据权利要求2所述的石墨烯柔性金属裂纹检测传感器，其特征在于，
第一环形结构和第二环形结构为圆环形结构。
4.根据权利要求3所述的石墨烯柔性金属裂纹检测传感器，其特征在于，
第一环形结构的圆心和第二环形结构的圆心重合设置。
5.根据权利要求2所述的石墨烯柔性金属裂纹检测传感器，其特征在于，
所述第一连接结构和所述第二连接结构呈直条型结构。
6.根据权利要求5所述的石墨烯柔性金属裂纹检测传感器，其特征在于，
所述第一连接结构的一端与所述接地结构连接，所述第二连接结构的另一端伸入所述第二环形结构的轮廓内；
所述第二连接结构的一端与所述第二端头连接，所述第二连接结构的另一端伸入所述第二环形结构的轮廓内。
7.根据权利要求6所述的石墨烯柔性金属裂纹检测传感器，其特征在于，
所述第一连接结构和所述第二连接结构插入所述第二环形结构的长度相等。
8.根据权利要求2所述的石墨烯柔性金属裂纹检测传感器，其特征在于，
所述石墨烯柔性金属裂纹检测传感器还包括与所述参考地层层叠设置的介质基底层，所述介质基底层背离所述参考地层的表面设置有微带线；
所述石墨烯柔性金属裂纹检测传感器还包括设置于所述介质基底层相对两侧面的第一接头和第二接头；
所述第一接头与所述参考地层和所述微带线的第一端连接，所述第二接头与所述参考地层和所述微带线的第二端连接。
9.一种金属裂纹检测传感系统，其特征在于，
包括如权利要求8所述石墨烯柔性金属裂纹检测传感器和矢量网络分析仪；所述石墨烯柔性金属裂纹检测传感器的所述参考地层上放置待测金属；所述矢量网络分析仪的电磁信号输出端通过第一信号连接线与所述第一接头电连接，所述第二接头通过第二信号连接线与所述矢量网络分析仪的电磁信号输入端电连接；
所述矢量网络分析仪通过所述激励电磁信号输出端向所述石墨烯柔性金属裂纹检测传感器发出激励电磁信号，使得载有所述待测金属的所述石墨烯柔性金属裂纹检测传感器产生谐振，所述石墨烯柔性金属裂纹检测传感器通过所述第二接头向所述矢量网络分析仪传输反馈电磁信号。
10.根据权利要求9所述的金属裂纹检测传感系统，其特征在于，所述参考地层上朝向所述待测金属的表面上还设置有绝缘保护层。
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