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
技术领域
[0001] 本
发明涉及金属结构的应变与裂纹测量领域，尤其涉及
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。
背景技术
[0002] 常见的金属结构健康监测
传感器包括箔式应变片、光纤传感器、超声传感器等，这些传感器能在一定程度上满足工程应用的需求，但也存在线缆连接、成本高昂、装置复杂等缺点。近年来，国内外学者提出将微带贴片天线用于金属结构的应变与裂纹测量领域。微带贴片天线具有构造简单、重量轻、生产成本低、被动无线问询、易与曲面共形等特点，能有效克服上述传感器的不足，具有良好的工程应用前景。
[0003] 目前，贴片天线测量应变与裂纹尚未进入工程实际，仅仅处于实验室研发阶段。现有的研究结果表明，贴片天线作为应变传感器时，其谐振
频率随着应变增加而线性减小；作为裂纹传感器时，其谐振频率随裂纹特征变化而变化，在一定程度上可测量裂纹的长度和方向。然而，贴片天线测量应变和裂纹的观测指标均为谐振频率变化，当用于实际的金属结构时，贴片天线传感器将同时受到结构应变和裂纹的影响，则应变和裂纹引起的谐振频率变化互相耦合，容易造成应变和裂纹参数的误判。这种耦合效应将极大阻碍贴片天线传感器的工程应用与推广，特别是对应变和裂纹测量
精度要求较高时，合适的解耦测量方法显得尤为必要。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题在于针对
现有技术中难以准确测量金属结构表面应
力和裂纹参数的
缺陷，提供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。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006] 本发明提供一种基于二元贴片天线阵列的应变与裂纹解耦测量装置，该装置包括补偿天线、测量天线和无线问询装置，补偿天线和测量天线是两个结构和尺寸均不相同的矩形贴片天线，补偿天线和测量天线分别粘贴在待测结构表面上；补偿天线和测量天线均为
谐振腔结构，无线问询装置分别向补偿天线和测量天线发射扫频
电磁波，根据反射回来的
信号分别获得其谐振频率，进而根据谐振频率解耦测量得到粘贴测量天线处的应变大小和贴片下方的裂纹特征。
[0007] 进一步地，本发明的补偿天线包括
辐射贴片、基质和接地板，基质设置在辐射贴片和接地板之间，通过强力胶
水将接地板下方粘贴到待测结构表面。
[0008] 进一步地，本发明的补偿天线的基质的材料为FR4，辐射贴片和接地板的材料为
铜，采用印刷
电路板工艺将铜沉积到FR4基质的上下表面制作而成。
[0009] 进一步地，本发明的测量天线包括辐射贴片和基质，通过强力胶水将基质下方粘贴到待测结构表面。
[0010] 进一步地，本发明的测量天线的基质的材料为FR4，辐射天线的材料为铜，采用印刷
电路板工艺将铜沉积到FR4基质的上表面制作而成。
[0011] 进一步地，本发明的无线问询装置包括号
角天线、射频环行器、网络分析仪和
数据处理模
块，用于
访问补偿天线和测量天线并获取二者的实时谐振频率。
[0012] 本发明提供一种基于二元贴片天线阵列的应变与裂纹解耦测量方法，包括以下步骤：
[0013] S1、在待检测的结构表面，将补偿天线和测量天线分别粘贴在待测结构表面上，分别记录补偿天线和测量天线的初始谐振频率；
[0014] S2、无线问询装置实时向补偿天线和测量天线发射扫频电磁波，根据反射回来的信号分别获取其谐振频率；
[0015] S3、当待测结构表面发生裂纹时，补偿天线的接地板隔离了待测结构表面裂纹对其谐振频率的影响，仅
感知应变，测量天线感知应变和裂纹综合信息；根据补偿天线和测量天线的实时谐振频率，结合其初始谐振频率，实现应变和裂纹信息的解耦测量。
[0016] 进一步地，本发明的步骤S3中计算应变和裂纹信息的方法为：
[0017] 获得补偿天线和测量天线的实时谐振频率fA和fB后，根据以下公式计算应变大小ε：
[0018]
[0019] 其中，补偿天线的初始谐振频率为f0A，补偿天线的应变灵敏度为sAε；
[0020] 进而分离出裂纹引起的谐振频率为：
[0021]
[0022] 其中，测量天线的初始谐振频率为f0B，测量天线的应变灵敏度为sBε。
[0023] 本发明产生的有益效果是：本发明的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，通过粘贴在待测结构表面的补偿天线和测量天线，实现了金属结构应变和裂纹信息的分离，通过无线问询装置向补偿天线和测量天线实时发射扫频电磁波，根据反射回来的信号分别获得其谐振频率，进而根据谐振频率精确的计算得到待测结构表面的
应力和裂纹特征，本发明结构简单，成本低，无线的方式克服了传统方法中布线困难的问题，且克服了单个贴片天线传感器测量应变和裂纹的耦合效应，保证了应变与裂纹测量的准确性。
附图说明
[0024] 下面将结合附图及
实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0025] 图1是本发明实施例的结构示意图；
[0026] 图2是本发明实施例的补偿天线的结构示意图及其无线问询装置；
[0027] 图3是本发明的具体实施例的示意图；
[0028] 图中，1-补偿天线，2-测量天线，3-无线问询装置。
具体实施方式
[0029] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0030] 如图1所示，本发明实施例的基于二元贴片天线阵列的应变与裂纹解耦测量装置，该装置包括补偿天线1、测量天线2和无线问询装置3，补偿天线1和测量天线2是两个结构和尺寸均不相同的矩形贴片天线，补偿天线1和测量天线2分别粘贴在待测结构表面上；补偿天线1和测量天线2均为谐振腔结构，无线问询装置3分别向补偿天线1和测量天线2发射扫频电磁波，根据反射回来的信号分别获得其谐振频率，进而根据谐振频率解耦测量得到粘贴测量天线2处的应变大小和贴片下方的裂纹特征。
[0031] 补偿天线1和测量天线2具有不同的初始谐振频率，测量天线2的面积大于补偿天线1的面积，使测量天线2能够
覆盖更多的测量面积。
[0032] 补偿天线1包括辐射贴片、基质和接地板，基质设置在辐射贴片和接地板之间，通过强力胶水将接地板下方粘贴到待测结构表面。补偿天线1的基质的材料为FR4，辐射贴片和接地板的材料为铜，采用印刷电路板工艺将铜沉积到FR4基质的上下表面制作而成。
[0033] 测量天线2包括辐射贴片和基质，通过强力胶水将基质下方粘贴到待测结构表面。测量天线2的基质的材料为FR4，辐射天线的材料为铜，采用印刷电路板工艺将铜沉积到FR4基质的上表面制作而成。
[0034] 无线问询装置3包括号角天线、射频环行器、网络分析仪和数据处理模块，用于访问补偿天线和测量天线并获取二者的实时谐振频率。
[0035] 本发明实施例的基于二元贴片天线阵列的应变与裂纹解耦测量方法，包括以下步骤：
[0036] S1、在待检测的结构表面，将补偿天线和测量天线分别粘贴在待测结构表面上，分别记录补偿天线和测量天线的初始谐振频率；
[0037] S2、无线问询装置实时向补偿天线和测量天线发射扫频电磁波，根据反射回来的信号分别获取其谐振频率；
[0038] S3、当待测结构表面发生裂纹时，补偿天线的接地板隔离了待测结构表面裂纹对其谐振频率的影响，仅感知应变，测量天线感知应变和裂纹综合信息；根据补偿天线和测量天线的实时谐振频率，结合其初始谐振频率，实现应变和裂纹信息的解耦测量。
[0039] 利用上述的装置，本发明通过如下原理来实现。
[0040] 设补偿天线和测量天线的辐射贴片工作方向长度分别为L0A和L0B，基质FR4的
介电常数为β，
真空中的光速为c。则两个传感器的初始谐振频率分别为f0A和f0B，其表达式为：
[0041]
[0042]
[0043] 当金属结构处于某一工作状态时，二元贴片天线阵列随结构承受应变。由于自带接地板，补偿天线可隔离金属结构表面裂纹的影响，其谐振频率仅随应变而变化；而测量天线同时受到应变和金属结构表面裂纹的影响，其谐振频率变化中包含了应变和裂纹的综合信息。设此工作状态下的应变为ε，且测量天线下方存在垂直于其工作方向的裂纹，则此时补偿天线的辐射贴片承受应变，其谐振频率变为fA；测量天线的辐射贴片承受应变且其
电流路径受到裂纹的干扰，谐振频率变为fB。fA和fB的表达式为(式中ΔLAε、ΔLBε表示应变引起的补偿天线和测量天线的电长度变化，ΔLBcrack表示裂纹引起的测量天线的电长度变化)：
[0044]
[0045]
[0046] 设补偿天线的应变灵敏度为sAε，测量天线的应变灵敏度为sBε，测量天线的裂纹长度灵敏度为sBcrack，二元贴片天线阵列设计完成后，sAε、sBε和sBcrack均为已知参数。一次测量中，利用无线问询装置可获得fA和fB的值，此时可根据(5)式得出粘贴处的结构应变大小。测得应变后，可根据(6)式计算出应变引起的测量天线的谐振频率变化ΔfBε，然后根据(7)式计算出裂纹引起的测量天线的谐振频率变化ΔfBcrack。
[0047]
[0048] ΔfBε＝εsBε (6)
[0049] ΔfBcrack＝fB-f0B-ΔfBε (7)
[0050] 即
[0051]
[0052] 于是，测量天线下方的裂纹长度lcrack可根据(8)式得出：
[0053]
[0054] 当测量天线下方是斜裂纹时，需要观测其长宽方向对应的两个谐振频率。从两个谐振频率变化中减去应变成分，得到裂纹单独作用引起的谐振频率变化量，则可反映出裂纹的长度和方向信息。
[0055] 相比于现有的技术手段，本发明的有益效果在于：提供基于二元贴片天线阵列的应变与裂纹解耦测量方法，该方法采用两个矩形贴片天线实现了金属结构应变和裂纹信息的分离，克服了单个贴片天线传感器测量应变和裂纹的耦合效应，保证了应变与裂纹测量的准确性。
[0056] 在本发明的另一个具体实施例中：
[0057] 如图1所示，利用强力胶水将设计好的二元贴片天线阵列粘贴到金属结构表面待测区域，其中补偿天线自带接地板仅感知应变信息，测量天线感知应变和裂纹综合信息。当金属结构处于某一工作状态时，利用无线问询装置访问补偿天线和测量天线，获得二者的谐振频率fA和fB。根据fA和fB的值以及两个贴片天线的设计灵敏度参数，即可算得该工作状态下的应变大小以及贴片下方的裂纹特征。
[0058] 图2是本发明中补偿天线的结构及其无线问询装置示意图。补偿天线的辐射贴片、基质和接地板三者形成谐振腔，可通过无线问询装置向其发射扫频电磁波，根据反射回来的信号获得其谐振频率。无线问询装置由号角天线、射频环行器、网络分析仪以及相应的
信号处理模块组成。
[0059] 图3为本发明的一个具体实施例。如图所示，二元贴片天线阵列布置于
钢结构表面，该钢结构受到水平方向的
载荷作用。补偿天线在应变作用下，其长度方向谐振频率降低；测量天线受应变作用，且下方有垂直于长度方向的裂纹，应变和裂纹均造成其长度方向谐振频率降低。传感器布置完成后，钢结构正常工作，某一时刻利用无线问询装置测得两个贴片天线的谐振频率fA和fB，并根据二元贴片天线阵列的设计参数通过公式(5)—(8)准确计算出粘贴处的应变大小和贴片天线下方的裂纹长度。
[0060] 应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附
权利要求的保护范围。
