一种具有温度自补偿功能的微带天线裂纹监测传感器

技术领域

本发明属于金属结构裂纹监测技术领域，尤其涉及一种具有温度自补偿功能的微带天线裂纹监测传感器。

背景技术

金属结构在长期交变载荷作用下，其薄弱部位所形成的裂纹会不断扩展，不仅破坏了金属结构的整体性，裂纹部位的应力集中还必然会降低金属结构的承载能力，引发结构断裂等事故。因此，为了保证金属结构的工作稳定性和安全性，避免重大事故，金属结构裂纹信息监测对于结构健康监测与定期维护具有重要意义。

微带天线传感器作为一种新型的金属结构健康监测传感器，具有结构简单、重量轻、易与结构表面共形、适合面积布置等优点，受到了众多学者的广泛关注。其原理是通过检测谐振频率偏移量来对结构的相关参数进行检测，目前已经实现了对金属结构裂纹长度、宽度、深度和方向等多参数的监测，并能够通过设计微带天线阵列实现裂纹位置的识别。

然而温度也会对微带天线传感器的谐振频率产生影响，并且其改变引起的谐振频率漂移会对裂纹(尤其是微小裂纹)的识别精确度有较大影响。季节变化、昼夜温差等环境变化也要求天线传感器在进行裂纹监测时必须在多温度环境下保持稳定的性能，因此微带天线传感器的温度补偿研究成为了工程实际中必不可少的环节。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种具有温度自补偿功能的微带天线裂纹监测传感器，该传感器可以在多温度环境下对裂纹进行比较准确的监测，避免了环境温度的影响，提高了微带天线传感器的工作可靠性。

本发明公开的具有温度自补偿功能的微带天线裂纹监测传感器，包括辐射贴片(1)，介电基质(2)，温度补偿基质(3)和金属接地板(4)；辐射贴片(1)与金属接地板(4)采用金属良导体；介电基质(2)和温度补偿基质(3)采用绝缘材料；所述辐射贴片(1)位于传感器最上层，所述金属接地板(4)位于传感器最下层，所述介电基质(2)和温度补偿基质(3)位于传感器中部，介电基质(2)在上，温度补偿基质(3)在下。

进一步的，所述介电基质(2)的介电常数温度系数与温度补偿基质(3)的介电常数温度系数符号相反，即

进一步的，所述辐射贴片(1)、介电基质(2)和温度补偿基质(3)的热膨胀系数大小接近，以消除温度引起的传感器变形或失效。

进一步的，介电基质和温度补偿基质的相关参数满足以下关系：

其中，h

进一步的，辐射贴片的尺寸根据所需的谐振频率设计。

进一步的，温度补偿天线传感器的谐振频率计算为：

本发明产生的有益效果是：

本发明克服了传统微带天线传感器在多温度环境下裂纹监测不可靠的缺点，几乎消除了温度对裂纹监测的影响，提高了微带天线传感器的监测可靠性；相较于使用低温度敏感性的基质材料来减少温度影响，本发明的温度补偿方法成本更低；双层基质材料的选择也不受限制，为传感器在多领域的应用提供了可能。

附图说明

图1一种具有温度自补偿功能的微带天线传感器结构示意图；

图2本发明与传统天线传感器的比较图；

图3微带天线传感器温度自补偿原理图；

图4温度自补偿微带天线传感器谐振频率补偿前后对比图；

图5裂纹监测时，温度自补偿天线传感器与传统天线传感器对比图。

附图标记：1-辐射贴片，2-介电基质，3-温度补偿基质，4-金属接地板，5-馈线，6-沿贴片长度方向的中心裂纹。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。

本发明提出一种具有温度自补偿功能的微带天线传感器，包括辐射贴片1、介电基质2、温度补偿基质3和金属接地板4，辐射贴片位于传感器最上层，金属接地板位于传感器最下层，介电基质和温度补偿基质位于传感器中部，介电基质在上，温度补偿基质在下。

传感器两层基质的介电常数温度系数一正一负，即随着温度升高介电常数一个升高一个降低，通过合理选择温度系数异号的基质材料，设计两种基质的厚度，使具有相反介电常数温度系数的基质补偿温度引起的另一个基质介电常数和辐射贴片尺寸的变化，从而实现温度补偿。

由于温度补偿基质的插入，天线传感器的各项参数计算与传统的天线传感器相比较发生了改变，因此温度补偿天线传感器的谐振频率可以计算为：

其中，

式中，f

当h<

传感器在TM

其中，

因此，可以将天线频移量δf

因为两基质的介电常数ε

其中α

传感器的温度自补偿要求频移量δf

由于α

附图3展示了本发明的实施方式。温度会影响微带天线传感器基质和辐射贴片的尺寸以及基质的介电常数，从而影响传感器的谐振频率。为解决这一问题，参考图2和图3，本发明通过在原有基质的基础上插入一层补偿基质改变传感器基质的等效介电常数温度系数来实现传感器的温度自补偿，形成了一种具有温度自补偿功能的微带天线传感器。温度补偿基质与原有基质长宽相等，但介电常数温度系数与原本的介电基质符号相反。温度补偿基质的厚度和介电基质的厚度关系由以下公式计算：

其中，ε

然后通过仿真优化传感器各结构的尺寸参数，使得传感器达到最佳温度补偿性能；最后，对设计的传感器进行裂纹识别性能仿真，证明其裂纹识别的可行性，完成温度自补偿天线传感器的设计。

如附图1-图2所示，此传感器由四层结构组成，分别是最上层的辐射贴片、最下层的金属接地板以及中间的两层绝缘基质(上层的介电基质和下层的温度补偿基质)。

实施例一

传感器的辐射贴片1材料选择为铜，尺寸设计为50mm*36mm*0.035mm。传感器的介电基质2材料选择为FR4层压板(介电常数为4.4，介电常数温度系数为160ppm/℃)，尺寸设计为62mm*48mm*0.36mm。

进一步的，温度补偿基质3材料选择为RT/duroid 5880层压板(介电常数为2.2，介电常数温度系数为-125ppm/℃)，尺寸设计为62mm*48mm*0.508mm。这样可以得出设计的天线传感器的基频：f

为激发传感器的两个工作模式，还需要对传感器进行馈电。本发明利用边缘侧馈的方式对传感器进行馈电。馈线5的材料选择为铜，馈线宽为1mm，长为6mm，位置处于贴片的1/4处。

为了使补偿效果更加直观，还设置了一个对照组，对照组的天线传感器除没有补偿基质以外，其余尺寸、条件均与本发明的温度补偿天线传感器相同。

通过馈线对传感器进行馈电，使传感器工作。通过测量不同温度下的传感器谐振频率偏移量，即可得到温度对传感器基频的影响。

如附图4所示，以TM10模式下的谐振频率f

实施例二

本例主要是对温度自补偿天线传感器的裂纹监测效果进行验证。其传感器尺寸参数均与例一相同。

以监测沿贴片长度方向的中心裂纹6长度为例，如附图5，可以看出，在0℃-60℃的温度环境下，未温度补偿的天线传感器的“裂纹长度-谐振频率”曲线随温度的升高而向下偏移，而温度自补偿天线传感器的“裂纹长度-谐振频率”曲线几乎重合在一起，温度补偿效果良好。

本发明产生的有益效果是：

本发明克服了传统微带天线传感器在多温度环境下裂纹监测不可靠的缺点，几乎消除了温度对裂纹监测的影响，提高了微带天线传感器的监测可靠性；相较于使用低温度敏感性的基质材料来减少温度影响，本发明的温度补偿方法成本更低；双层基质材料的选择也不受限制，为传感器在多领域的应用提供了可能。

本文所使用的词语“优选的”意指用作实例、示例或例证。本文描述为“优选的”任意方面或设计不必被解释为比其他方面或设计更有利。相反，词语“优选的”的使用旨在以具体方式提出概念。如本申请中所使用的术语“或”旨在意指包含的“或”而非排除的“或”。即，除非另外指定或从上下文中清楚，“X使用A或B”意指自然包括排列的任意一个。即，如果X使用A；X使用B；或X使用A和B二者，则“X使用A或B”在前述任一示例中得到满足。

而且，尽管已经相对于一个或实现方式示出并描述了本公开，但是本领域技术人员基于对本说明书和附图的阅读和理解将会想到等价变型和修改。本公开包括所有这样的修改和变型，并且仅由所附权利要求的范围限制。特别地关于由上述组件(例如元件等)执行的各种功能，用于描述这样的组件的术语旨在对应于执行所述组件的指定功能(例如其在功能上是等价的)的任意组件(除非另外指示)，即使在结构上与执行本文所示的本公开的示范性实现方式中的功能的公开结构不等同。此外，尽管本公开的特定特征已经相对于若干实现方式中的仅一个被公开，但是这种特征可以与如可以对给定或特定应用而言是期望和有利的其他实现方式的一个或其他特征组合。而且，就术语“包括”、“具有”、“含有”或其变形被用在具体实施方式或权利要求中而言，这样的术语旨在以与术语“包含”相似的方式包括。

本发明实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以多个或多个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。上述的各装置或系统，可以执行相应方法实施例中的存储方法。

综上所述，上述实施例为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、代替、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。