用于金属裂缝检测和测量的微带天线传感器

康文芳，董和磊，刘龙飞，李 焕，卫凯龙，王 鑫

(1.中北大学电子测试重点实验室，山西太原 030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051；3.西安航天精密机电研究所，陕西西安 710100)

0 引言

金属结构退化是世界许多行业面临的问题[1-2]，在机械制造、冶金、风力发电、航空航天、铁路运输等工程领域尤为严重。为了延长这些金属结构的使用寿命并确保其安全运行提出了很多方法，常见的方法是进行频繁的检查和维护，然而，这些系统的检查和维护涉及劳动力成本、材料和由于停机时间造成的经济损失。因此，在这些结构上加入适当的结构健康监测系统具有重要的意义[3-5]。由于大多数结构退化是由疲劳裂缝引起的[6]，因此大多数结构检测的系统是对结构裂缝的检测。国内外研究人员提出了关于裂缝检测的方法，常见有基于振动、超声和应变的裂缝检测技术。基于振动技术的裂缝检测传感器是通过监测结构振动参数的变化完成监测[7-9]，在大多数情况下，裂缝对振动参数的影响通常很小，因此，只能检测到大裂纹，而且，根据振动参数的变化是难以检测裂缝扩展的。超声波传感器可以通过研究超声波与裂缝之间的相互作用来检测相对大的区域上的裂缝[10-12]，超声波可以在一个长距离的结构中传播，因此只需要很少的传感器来监测大面积裂缝的存在，但是使用超声波检测裂缝通常需要一个参考信号，并且需要很多专业知识来分析超声波信号。基于应变裂纹检测技术是通过使用分布式应变传感器测量裂缝附近的应变变化来检测裂缝[13-16]，但是这种传感器需要大量的传感器网络对结构进行评估。

这些检测方法大多是检测裂缝的存在，并不能对裂缝的宽度进行量化的检测，而裂缝宽度是构件受损程度评估的重要指标，最重要的是以上一些测量方法受到范围测量的限制。文中设计了一种既能检测裂缝存在而且能对裂缝的宽度进行量化表征的天线传感器。本传感器最大的特点是可以应用到高温、高压、高旋转、高负载环境下，如航天发动机涡轮叶片，同时传感器具有高灵敏度、快速、实时、低轮廓、质量轻、制造成本低、能有效的检测裂缝等优点。

1 传感器的工作原理

如图1所示，裂缝检测传感器由接地板、介质层、辐射贴片、馈电线组成，辐射贴片和接地板由导电金属制成，辐射贴片和金属接地板形成特定谐振频率的电磁谐振腔。谐振腔有两个重要的参数，即谐振频率和回波损耗。由于设计的微带天线传感器的辐射贴片是矩形，因此它以两种基本的谐振模式辐射：一个辐射模式平行于传感器辐射贴片的几何长度(TM01模式)，另一个辐射模式平行于传感器辐射贴片的几何宽度(TM10)模式。谐振模式(TM01和TM10)的谐振频率(f01和f10)与辐射模式的电气长度成反比。通常大尺寸导致较低的谐振频率，谐振频率还取决于接地平面的特性，例如，当沿宽度方向存在裂缝时，裂缝的存在改变了沿长度方向的电流而对沿宽度方向流动的电流没有太大的影响，这使得沿长度方向的电流路径增大，因此f01会变小，而f10不会发生改变。同样，当裂缝沿着长度方向存在时，沿长度方向的裂缝会增加宽度方向的电流路径，而对沿长度方向的电流不会有太大的影响，因此f10会改变，而f01不会改变。谐振频率的偏移量与金属裂缝的宽度成反比的，因此可通过谐振频率的偏移量确定金属裂缝的宽度。

图1 传感器的结构

由于本文检测的是金属结构上的裂纹，为了满足设计要求，把被测的金属结构作为传感器的金属地，如图2所示，这种情况并不会对传感器的性能参数造成影响[17-18]。

图2 当被测金属充当传感器地时的传感器结构

2 传感器的设计与制备

首先通过计算公式对传感器的尺寸进行估算，其中介质基板的介电常数为ε，传感器的工作频率f，辐射贴片的长度为L1、宽度为W1，其中长度和宽度由式(1)、式(2)估算出。

(1)

(2)

式中：c为光速；2ΔLoc为辐射贴片长边的等效辐射缝隙的长度；2Δwoc为辐射贴片宽边的等效缝隙宽度；εre为介质层的介电常数。

为了对传感器有一个更合理的设计，借助高频仿真软件HFSS(high requency structure simulator)对传感器结构参数进行设计，所得的传感器结构尺寸如表1所示，仿真结果如图3所示。

表1 传感器的尺寸参数

图3 传感器的仿真图

为了使传感器可以工作在高温、高压、高氧化环境下工作，选用耐高温抗氧化的氧化铝陶瓷作为介质基底层。具体制备工艺如下：切割一片40 mm×40 mm×1 mm的氧化铝陶瓷片，采用6 142 g银金属浆料，利用定制好的钢丝网板在氧化铝陶瓷片的一面印刷上辐射贴片。印刷辐射贴片的陶瓷片放入马弗炉中，以10 ℃/min的速度加热到400 ℃，为了使陶瓷片中的有机物挥发，在400 ℃保持1 h，然后以10 ℃/min的速度加热到850 ℃，为了使金属浆料完全烧结，在850 ℃ 保持1 h，最后自然冷却到室温，最终完成了传感器的制作,图4为传感器的实物图。

图4 传感器的实物图

3 传感器的测试

图5为传感器的测试示意图，传感器直接和Agilengt8364B网络分析仪相连接，传感器直接放置在被测的金属上，由于传感器的辐射片位于传感器的正中心，因此被测的金属裂缝应正对传感器的正中心。为了研究不同宽度裂缝对传感器的影响，裂缝宽度从0到2 mm，每次增加0.2 mm。同时研究了两个不同方向裂缝对传感器的影响，这两个方向分别为：沿辐射贴片宽度方向、沿辐射贴片长度方向。

图5 传感器的测试示意图

当沿辐射贴片宽度方向加载不同的裂缝的宽度，发现传感器的谐振频率f01向左偏移，其中数据测试如图6所示，并且裂缝每增加0.2 mm，传感器的谐振频率向左偏移量约为3.6 MHz，偏差是非常小的，在某种程度上这种微小的偏差是可以忽略，为了减小这种微小的偏差，进行了多次的测量，最后发现这种偏差是不可避免的，通过比较几次测试数据，最后选取了一组最优的数据做了线性拟合，线性拟合直线如图7所示。从图中可以看出传感器的线性拟合直线的线性度非常理想。

图6 当沿长度方向加载裂缝时传感器的S11曲线

图7 谐振频率f01的线性拟合直线

沿辐射贴片的长度方向加载裂缝，谐振频率f10发生了变化，测试数据如图8所示。同样当裂缝宽度增加时传感器的谐振频率向左偏移，每增加0.2 mm，传感器的谐振偏移约为5.5 MHz，经过多次测试，筛选了一组最优的数据进行了线性拟合，线性拟合直线如图9所示，从图中可以看出传感器的线性度非常理想，检测灵敏度为27.5 MHz/mm。

图8 当沿宽度方向加载裂缝时传感器的S11曲线

图9 谐振频率f10的线性拟合直线

4 结论

本文基于微带天线辐射原理制作了用于金属裂缝检测和表征的传感器。传感器由耐高温氧化铝陶瓷和金属银浆料通过丝网印刷工艺制作成型，然后在马弗炉中高温烧结而成，这样可以使传感器应用到一些高温、高压的恶劣环境下。从传感器辐射贴片的两个方向对金属裂缝进行了测试，通过实验发现辐射贴片的两个方向都能很好的表征金属裂缝，两个方向的检查灵敏度分别为18 MHz/mm、27.5 MHz/mm,还发现每当金属裂缝每增加0.1 mm时，传感器的谐振频率都会有几MHz的偏移，充分说明传感器的具有亚毫米裂纹的检测能力。