[发明专利]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

说明书

本发明公开了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，该方法包括以下步骤：S1、将补偿天线和测量天线分别粘贴在待测结构表面上；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；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，结合其长度和初始谐振频率，实现应变和裂纹信息的解耦。本发明实现了利用贴片天线对金属结构表面应变与裂纹信息的解耦与精确测量，且具有装置结构简单、无需导线连接等优点。

技术领域

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

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。

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

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。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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：

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；

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；