[发明专利]一种基于微带天线的无源无线温度裂纹二元传感器阵列

说明书

本发明公开了一种基于微带天线的无源无线温度裂纹二元传感器阵列，包括信号收发贴片天线和测量贴片天线阵列；测量贴片天线阵列包括裂纹监测阵元和温度监测阵元，通过长度不同的延时传输馈线与信号收发贴片天线连接；信号收发贴片天线与外部设备进行数据通信。本发明消除环境温度对裂纹传感器监测性能的影响，大大提高了微带天线传感器的工作可靠性。

技术领域

本发明涉及金属结构安全监测，尤其涉及一种基于微带天线的无源无线的温度裂纹二元传感器阵列。

背景技术

金属结构特别是钢结构被广泛应用于航空、汽车、起重机械等领域，为了保证金属结构在服役期间能安全运行并延长其使用寿命，需要对金属结构进行结构健康监测。微带贴片天线传感器由于体积小、重量轻、制造简单、成本低且可以无源无线长期监测结构的健康状况，近年来被广泛应用于金属结构的安全监测。如中国专利CN201310232310.1公开了一种基于微带天线的裂纹检测传感器及其检测方法，其特征在于，包括介质基片，介质基片的一面上设置有导体贴片，设置方法包括刻蚀、沉积或腐蚀，介质基片另一面附于被测结构上构成完整的传感器；利用本发明可以建立裂纹长度及方向与分别平行于微带天线贴片长度方向和宽度方向辐射模态的谐振频率之间的关系，可以通过谐振频率漂移得出裂纹长度及方向，本发明所用微带天线传感器具有体积小,重量轻,低剖面,能与载体共形,制造简单,成本低等优点；且应用微波检测技术，便于无线检测及信号处理。但是常规的微带贴片天线传感器只关注结构损伤而忽视温度变化引起的传感器谐振频率的偏移，这对准确掌握结构的安全状况带来了困难。

发明内容

本发明提出了一种基于微带天线的无源无线的温度裂纹二元传感器阵列，该传感器阵列可对金属结构的裂纹和温度同时进行监测，消除环境温度对裂纹传感器监测性能的影响，大大提高了微带天线传感器的工作可靠性。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于微带天线的无源无线的温度裂纹二元传感器阵列，其特征在于，包括设置于介质基层上表面的信号收发贴片天线和测量贴片天线阵列。测量贴片天线阵列包括裂纹监测阵元和温度监测阵元，通过长度不同的延时传输馈线与信号收发贴片天线连接。信号收发贴片天线与外部设备进行数据通信。通过温度监测阵元监测温度变化引起的谐振频率的偏移，来修正裂纹监测阵元的谐振频率并推算出裂纹长度。

接上述技术方案，温度监测阵元的长度为40mm，宽度为28mm，厚度为0.035mm

接上述技术方案，裂纹监测阵元的长度为100mm，宽度为60mm，厚度为0.035mm。

接上述技术方案，测量贴片天线阵列中相邻阵元之间的延时传输馈线长度差最小值Δd应该满足：

Δd≥ξc

式中，ξ为信号分析装置时域分析的分辨率，c为光速。

延时传输馈线的长度L_l根据待测结构的尺寸进行选择，宽度W_l由阻抗匹配公式确定：

式中，Z_c为延时传输馈线的特性阻抗，ε_r为相对介电常数，h为介质基层厚度。

接上述技术方案，信号收发贴片天线的长度和宽度均为20mm，厚度0.035mm。

接上述技术方案，介质基层的材料是绝缘材料，其长度为200mm，宽度为90mm，厚度为0.5mm。

接上述技术方案，所述传感器阵列还包括号角天线，所述号角天线的工作频率范围为0～6GHz。

接上述技术方案，温度监测阵元和裂纹监测阵元采用良导体铜材料，介质基层采用FR4材料，设置于介质基层下方的接地板为金属结构。

接上述技术方案，号角天线由一支架固定。