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制造方法及图纸

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A decoupling measure device and method for strain and crack based on two element patch antenna array

The invention discloses a strain and crack decoupling measurement device and method of two element patch antenna array based on the method comprises the following steps: S1, the antenna and the measurement of antenna compensation are pasted on the measured structure on the surface; S2, wireless device to real-time inquiries and measuring antenna antenna compensation sweep frequency electromagnetic wave, respectively. To obtain the resonance frequency according to the reflected signal; S3, when the measured crack surface structure, ground compensation antenna isolation used to structure surface crack influence on resonant frequency, only the perception of strain, strain and crack sensing measurement of antenna integrated information; according to the real-time measurement of antenna and antenna resonant frequency compensation. According to the length and the initial resonant frequency, decouple strain and crack information. The invention realizes the decoupling and accurate measurement of the strain and crack information on the surface of the metal structure by the patch antenna, and has the advantages of simple device structure and no wire connection.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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；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。进一步地，本专利技术的步骤S3中计算应变和裂纹信息的方法为：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：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；进而分离出裂纹引起的谐振频率为：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。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术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，本专利技术结构简单，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。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术实施例的结构示意图；图2是本专利技术实施例的补偿天线的结构示意图及其无线问询装置；图3是本专利技术的具体实施例的示意图；图中，1-补偿天线，2-测量天线，3-无线问询装置。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1所示，本专利技术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。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。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。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。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。本专利技术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：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；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。利用上述的装置，本专利技术通过如下原理来实现。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：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，其谐振频率变本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于二元贴片天线阵列的应变与裂纹解耦测量装置，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种基于二元贴片天线阵列的应变与裂纹解耦测量装置，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的基于二元贴片天线阵列的应变与裂纹解耦测量装置，其特征在于，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。3.根据权利要求2所述的基于二元贴片天线阵列的应变与裂纹解耦测量装置，其特征在于，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。4.根据权利要求1所述的基于二元贴片天线阵列的应变与裂纹解耦测量装置，其特征在于，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。5.根据权利要求4所述的基于二元贴片天线阵列的应变与裂纹解耦测量装置，其特征在于，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。6.根据权利要求1所述的基于二元贴片天线阵列的应...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志平，柯亮，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42