CN116818804A - 一种适用于金属网栅薄膜无损检测的自激励式微波传感器 - Google Patents
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Abstract
一种适用于金属网栅薄膜无损检测的自激励式微波传感器，属于微波传感器技术，由谐振传感结构、微波放大器、相移元件、带通滤波器、射频检波器、数模转换器和微处理器构成；其中，谐振传感结构、微波放大器、相移元件和带通滤波器构成自激振荡环路，谐振传感结构具有带通特性，位于环路的反馈支路，其谐振频率与带通滤波器中心频率一致，环路增益与相移在该频率处满足自激振荡条件；通过合理设置微波放大器增益并实时采集自激振荡信号功率，所述传感器能够实现对宽度亚毫米级裂纹破损的检测以及对高方阻样品的识别，检测灵敏度高，结构紧凑、体积小、成本低，无需外接其他微波分析仪器，可应用于对金属网栅薄膜的现场无损检测中。
Description
技术领域
本发明属于微波传感器领域，主要涉及一种适用于金属网栅薄膜无损检测的自激励式微波传感器。
背景技术
随着空间中电磁波强度日益增强以及应用波段不断展宽，使得电磁环境日益复杂化，因此在诸多领域中都提出了对电磁波屏蔽的要求。而对于航空航天装备领域的探测和观测所使用的光学仪器，在保证强电磁屏蔽性能的同时需要满足高透光性，使得传统电磁屏蔽材料无法应用。金属网栅薄膜作为一种透明导电膜，其生产成本低，制备工艺简单，目前已经在航空航天装备等领域的透明窗口电磁屏蔽中得到了应用。
金属网栅光学窗口应用于航空装备等领域，长期使用后会出现裂纹、破损甚至大面积脱落现象，使电磁屏蔽效率下降甚至完全失效。同时，暴露在空气中的氧化和腐蚀作用以及外力剐蹭，会导致金属网栅的导电率下降以及厚度降低，导致方阻增加，屏蔽效能降低。因此，急需开展相应的金属网栅无损检测技术，对金属网栅薄膜破损与方阻增加的现象进行评估。
然而，目前针对金属网栅薄膜无损检测技术的研究极少，专利201410131635.5“一种检测与识别金属网栅缺陷的方法”中，描述了一种基于光学成像和图像缺陷识别算法的检测方法。然而，该方法需要已知网栅结构的先验信息，且后续数据处理冗杂，整体检测效率低，无法对网栅方阻进行评估。同时，基于光学成像的方法存在对背景光要求较高的问题，在复杂背景下难以保证破损检出率。因此，需要一种能够提取缺陷物理场特性的金属网栅薄膜检测方法。
微波传感器具有体积小、灵敏度高、非接触式检测等优点，在金属表面裂纹检测、介质介电常数测量，人体脉搏测量等方面具有应用潜力，目前主流的微波传感器需要利用矢量网络分析仪作为激励源和传感信号读出设备，而商用微波分析仪器体积大、成本高，难以适用于实验室以外的大多数场景的测试，因此低成本微型化的微波传感器成为该领域发展的新趋势。
1.专利202011591212.3“基于微带互补开环谐振器结构的有源微波传感器”描述了一种测量介质材料复介电常数的微波传感器，该传感器引入了有源放大元件，提高了品质因数和检测灵敏度。该传感器采用端接SMA接头馈电，导致检测空间受限，不适用于检测大面积金属网栅薄膜，同时该传感器本质还是利用矢量网络分析仪作为检测手段。
2.专利202122725602.1“一种基于谐振偏移的微带金属裂纹检测传感器”描述了一种接触式测量的微波传感器，该传感器将待测金属作为缺陷地结构的补偿平面，在检测到裂纹时谐振频率发生偏移。该传感器的检测方式为接触式检测，不适用于对金属网栅这类易划伤微纳金属结构的检测。
3.专利202110687461.0“一种面向多检测场景的微波传感器检测电路及其设计方法”描述了一种由锁相环单频点驱动的微波传感器，该传感器利用功率检波器检测插入损耗的变化来表征待测参量的变化，无需使用矢量网络分析仪。然而该专利仅描述了该类传感器的框架与设计方法，并未面向金属网栅无损检测这一应用场景对传感器进行专门的细化设计，且该方法需构建锁相环路，电路设计较为复杂。
4.中国科学技术大学的谢子朋在发表的文章“ASimple High-Resolution Near-Field Probe for Microwave Non-Destructive Test and Imaging”中提出了一种用于表面微小裂纹检测及成像的单端口传感结构，利用接有短微带线的微带圆环激励互补螺旋谐振器，可实现对大面积金属样品的裂纹缺陷检测，然而其谐振频率较低，用于金属网栅薄膜检测时谐振效果较差，同时该传感器本质还是利用矢量网络分析仪作为检测手段。
5.台湾大学的Chao-Hsiung Tseng在发表的文章“ANovel Microwave Phased-andPerturbation Injection-Locked Sensor With Self-Oscillating ComplementarySplit-Ring Resonator for Finger and Wrist Pulse Detection”中提出了一种用于检测人体脉搏的扰动注入锁定传感器，该传感器利用自激式互补分裂谐振环和锁相环路实现了在不使用微波分析仪的情况下对人体脉搏信号的解调。其构建的锁相环路较为复杂，且应用领域与金属网栅无损检测不同。
发明内容
为解决光学成像法检测效率低，在复杂背景下难以保证检出率，无法识别高方阻网栅以及传统的微波传感器需要大体积微波分析仪器进行激励和信号读出的问题。本发明基于腔体微扰和自激振荡原理，设计了一种适用于金属网栅薄膜无损检测的自激励式微波传感器。该传感器能够在无需外接微波分析仪器的情况下对大面积金属网栅薄膜上不同方向亚毫米宽度的裂纹破损与局部方阻升高进行实时的定位与识别；所述传感器体积小，成本低，可形成手持式小型化测量设备。
本发明的技术方案如下：
一种适用于金属网栅薄膜无损检测的自激励式微波传感器，包括谐振传感结构、微波放大器、相移元件、带通滤波器、射频检波器、数模转换器、微处理器；谐振传感结构、微波放大器、相移元件和带通滤波器共同构成自激振荡环路；所述谐振传感结构具有带通特性，位于自激振荡环路上的反馈支路，带通滤波器的中心频率f1和无缺陷情况下的谐振传感结构谐振频率f2一致，相移元件满足在f1频率处环路整体相移等于2π的整数倍；微波放大器满足在f1频率处：1.05<环路开环增益<1.2，在无缺陷情况下自激振荡环路产生频率为fo＝f1的自激振荡信号，待测样品的裂纹和氧化分别引起该自激振荡信号的消失和功率降低；自激振荡信号被射频检波器转化为与功率成正相关的直流信号，直流信号经数模转换器转换为数字信号后，传输到微处理器进行储存和显示。
作为一种优选结构，谐振传感结构为刻蚀在微带波导地平面上的谐振结构，包括互补分裂谐振环、互补螺旋谐振器，谐振结构上方微带线具有缝隙。
作为一种优选结构，相移元件包括固定长度的传输线或传输线和可控相移器件的组合。
作为一种优选结构，传感器整体集成在一张双层PCB板上，电子元件全部焊接在顶层，PCB底面除刻蚀谐振结构以外全部覆铜，底部平整无凸起；或可用多个分立模块进行组合，其中包含谐振传感结构的PCB板与其他部分之间需采用直插式SMA接头连接，保证该PCB板底部平整无凸起。
作为一种优选结构，传感器可检测的金属网栅薄膜金属材料包括铜、铝、金、银；基底材料包括普通玻璃、石英玻璃、红外材料及透明树脂材料；金属网栅线宽范围1-20μm；金属网栅周期范围50-400μm，金属网栅厚度范围50-1000nm，金属网栅单元形状和排布方式包括方格网栅、圆环网栅、三角分布圆环及子圆环阵列网栅、基于随机分布圆环的金属网栅、基于多周期金属圆环嵌套阵列网栅。
本发明具有以下优点及突出效果：
本发明提出的适用于金属网栅薄膜无损检测的自激励式微波传感器采用谐振传感结构、微波放大器、相移元件和带通滤波器共同构成自激振荡环路，利用自激振荡信号激励谐振传感结构，并使用功率检波器检测自激振荡信号功率来表征金属网栅薄膜的缺陷情况，相比于光学成像方法，本微波传感器对缺陷响应速度快，能够实现实时检测；同时，该传感器无需使用复杂的微波分析仪器进行激励与信号读出，同时无需参考频率源与锁相环路，极大地精简了电路硬件设计，符合当今传感器小型化、集成化的发展趋势。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的图仅仅是本申请中记载的一些实施例，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它附图。
图1为本发明一种适用于金属网栅薄膜无损检测的微波传感器组成结构示意图。
图2为实施例1中的自激振荡环路正面结构示意图。
图3为实施例1中的自激振荡环路背面示意图。
图4为实施例1中的谐振传感结构放大示意图。
图5为实施例1针对不同宽度裂纹破损的检测结果。
图6为实施例1针对不同方阻网栅样品的检测结果。
件号：图中1—谐振传感结构，2—微波放大器，3—相移元件，4—带通滤波器，5—射频检波器，6—数模转换器，7—微处理器。
具体实施方式
下面参照附图和优选实施例对本发明进一步的描述：本发明的目的是这样实现的：一种适用于金属网栅薄膜无损检测的微波传感器，包括谐振传感结构、微波放大器、相移元件、带通滤波器、射频检波器、数模转换器、微处理器、电源；图1为本发明一种适用于金属网栅薄膜无损检测的微波传感器组成结构示意图；谐振传感结构、微波放大器、相移元件和带通滤波器共同构成自激振荡环路，产生单频率振荡信号；该信号被射频检波器转化为与其功率成正相关的直流信号，直流信号经数模转换器转换为数字信号后，传输到微处理器进行储存和显示；当传感器检测到裂纹破损时，由于谐振结构的传输特性改变，导致环路自激条件被打破，射频检波器开始输出0功率对应直流电压；当传感器检测到方阻增加时，开环增益降低，放大器非线性减弱，自激环路输出功率降低，射频检波器输出电压随之降低。
为便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更清楚、完整的描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
实施例1：
根据本发明的一个实施例如图2、图3和图4所示，该实施例中谐振传感结构为图4中具有五螺旋的互补螺旋谐振器，每个螺旋线的轨迹方程为：
其中，螺旋线宽s为0.16mm、相邻螺旋线间距w为0.12mm、螺旋终角θ为540°；谐振结构(3)由上述刻蚀螺旋线旋转5次得到，每次旋转角度为72°；谐振器上方馈电微带线开槽宽度d为0.5mm；该谐振结构在0.3mm的检测距离下，检测无缺陷网栅样品时谐振频率为7.05GHz，当网栅具有0.6mm宽，6mm长的裂纹破损时，谐振频率下移470MHz；图2和图3分别为实施例1中自激振荡环路的正面和背面示意图，该微波自激振荡环路由标准PCB工艺制造，PCB板材为Rogers 4350B，板厚0.762mm，微波放大器型号为ATF-36163，栅-源电压VGS＝0V，漏-源电压VDS＝0.45V，漏极电流ID＝15mA；栅极与源极的直流通路上分别设有接地电容隔离射频信号；相移元件为固定长度的微带线，使环路满足自激振荡的相移条件；带通滤波器由两个微带耦合滤波器和放大器的输入输出匹配枝节共同组成，其中心频率等于待测样品无缺陷条件下的谐振频率；射频检波器型号为LTC5582，射频检波器、数模转换器、微处理器集成在一块PCB上，与通过射频同轴线与自激振荡环路输出端相连。
本发明的效果可通过图5和6进一步说明：
图5为实施例1在提离距离0.3mm时检测不同宽度的裂纹缺陷时检波器的直流输出电压；当检测到裂纹缺陷时，输出电压由1.8V左右下降到0.8V，此时自激振荡停止；图6为实施例1检测不同方阻样品时检波器的直流输出电压，可见传感器直流输出电压随网栅方阻的增加而显著降低；以上结果说明上述实施例能够实现对亚毫米级宽度网栅裂纹的精确检出和对不同网栅方阻阻值的识别。
以上描述仅是本发明的1个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (5)
1.一种适用于金属网栅薄膜无损检测的自激励式微波传感器，包括谐振传感结构(1)、微波放大器(2)、相移元件(3)、带通滤波器(4)、射频检波器(5)、数模转换器(6)、微处理器(7)，谐振传感结构(1)、微波放大器(2)、相移元件(3)和带通滤波器(4)共同构成自激振荡环路；其特征在于，所述谐振传感结构(1)具有带通特性，位于自激振荡环路上的反馈支路，带通滤波器(4)的中心频率f1和无缺陷情况下的谐振传感结构(1)谐振频率f2一致，相移元件(3)满足在f1频率处环路整体相移等于2π的整数倍；微波放大器(2)满足在f1频率处：1.05<环路开环增益<1.2，在无缺陷情况下自激振荡环路产生频率为fo＝f1的自激振荡信号，待测样品的裂纹和氧化分别引起该自激振荡信号的消失和功率降低；自激振荡信号被射频检波器(5)转化为与功率成正相关的直流信号，直流信号经数模转换器(6)转换为数字信号后，传输到微处理器(7)进行储存和显示。
2.如权利要求1所述的一种适用于金属网栅薄膜无损检测的自激励式微波传感器，其特征在于：谐振传感结构(1)为刻蚀在微带波导地平面上的谐振结构，包括互补分裂谐振环、互补螺旋谐振器，谐振结构上方微带线具有缝隙。
3.如权利要求1所述的一种适用于金属网栅薄膜无损检测的自激励式微波传感器，其特征在于：相移元件(3)包括固定长度的传输线或包括传输线和可控相移器件的组合。
4.如权利要求1所述的一种适用于金属网栅薄膜无损检测的自激励式微波传感器，其特征在于：传感器整体集成在一张双层PCB板上，电子元件全部焊接在顶层，PCB底面除刻蚀谐振结构以外全部覆铜，底部平整无凸起；或可用多个分立模块进行组合，其中包含谐振传感结构(1)的PCB板与其他部分之间需采用直插式SMA接头连接，保证该PCB板底部平整无凸起。
5.如权利要求1所述的一种适用于金属网栅薄膜无损检测的微波传感器，其特征在于：传感器可检测的金属网栅薄膜金属材料包括铜、铝、金、银；基底材料包括普通玻璃、石英玻璃、红外材料及透明树脂材料；金属网栅线宽范围1-20μm，金属网栅周期范围50-400μm，金属网栅厚度范围50-1000nm，金属网栅单元形状和排布方式包括方格网栅、圆环网栅、三角分布圆环及子圆环阵列网栅、基于随机分布圆环的金属网栅、基于多周期金属圆环嵌套阵列网栅。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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