一種具有溫度自補償功能的微帶天線裂紋監測傳感器制造技術

本發明專利技術公開了一種具有溫度自補償功能的微帶天線裂紋監測傳感器，包括輻射貼片，介電基質，溫度補償基質和金屬接地板；輻射貼片與金屬接地板采用金屬良導體；介電基質和溫度補償基質采用絕緣材料；輻射貼片位于傳感器最上層，金屬接地板位于傳感器最下層，介電基質和溫度補償基質位于傳感器中部，介電基質在上，溫度補償基質在下。本發明專利技術克服了傳統微帶天線傳感器在多溫度環境下裂紋監測不可靠的缺點，幾乎消除了溫度對裂紋監測的影響，提高了微帶天線傳感器的監測可靠性；相較于使用低溫度敏感性的基質材料來減少溫度影響，本發明專利技術的溫度補償方法成本更低；雙層基質材料的選擇也不受限制，為傳感器在多領域的應用提供了可能。為傳感器在多領域的應用提供了可能。為傳感器在多領域的應用提供了可能。

【技術實現步驟摘要】
一種具有溫度自補償功能的微帶天線裂紋監測傳感器


[0001]本專利技術屬于金屬結構裂紋監測
，尤其涉及一種具有溫度自補償功能的微帶天線裂紋監測傳感器。

技術介紹

[0002]金屬結構在長期交變載荷作用下，其薄弱部位所形成的裂紋會不斷擴展，不僅破壞了金屬結構的整體性，裂紋部位的應力集中還必然會降低金屬結構的承載能力，引發結構斷裂等事故。因此，為了保證金屬結構的工作穩定性和安全性，避免重大事故，金屬結構裂紋信息監測對于結構健康監測與定期維護具有重要意義。
[0003]微帶天線傳感器作為一種新型的金屬結構健康監測傳感器，具有結構簡單、重量輕、易與結構表面共形、適合面積布置等優點，受到了眾多學者的廣泛關注。其原理是通過檢測諧振頻率偏移量來對結構的相關參數進行檢測，目前已經實現了對金屬結構裂紋長度、寬度、深度和方向等多參數的監測，并能夠通過設計微帶天線陣列實現裂紋位置的識別。
[0004]然而溫度也會對微帶天線傳感器的諧振頻率產生影響，并且其改變引起的諧振頻率漂移會對裂紋(尤其是微小裂紋)的識別精確度有較大影響。季節變化、晝夜溫差等環境變化也要求天線傳感器在進行裂紋監測時必須在多溫度環境下保持穩定的性能，因此微帶天線傳感器的溫度補償研究成為了工程實際中必不可少的環節。

技術實現思路

[0005]有鑒于此，本專利技術提出了一種具有溫度自補償功能的微帶天線裂紋監測傳感器，該傳感器可以在多溫度環境下對裂紋進行比較準確的監測，避免了環境溫度的影響，提高了微帶天線傳感器的工作可靠性。
[0006]本專利技術公開的具有溫度自補償功能的微帶天線裂紋監測傳感器，包括輻射貼片(1)，介電基質(2)，溫度補償基質(3)和金屬接地板(4)；輻射貼片(1)與金屬接地板(4)采用金屬良導體；介電基質(2)和溫度補償基質(3)采用絕緣材料；所述輻射貼片(1)位于傳感器最上層，所述金屬接地板(4)位于傳感器最下層，所述介電基質(2)和溫度補償基質(3)位于傳感器中部，介電基質(2)在上，溫度補償基質(3)在下。
[0007]進一步的，所述介電基質(2)的介電常數溫度系數與溫度補償基質(3)的介電常數溫度系數符號相反，即式中，ε1為介電基質的相對介電常數，ε2為溫度補償基質的相對介電常數，T為溫度。
[0008]進一步的，所述輻射貼片(1)、介電基質(2)和溫度補償基質(3)的熱膨脹系數大小接近，以消除溫度引起的傳感器變形或失效。
[0009]進一步的，介電基質和溫度補償基質的相關參數滿足以下關系：
[0010][0011]其中，h1為介電基質的厚度，h2為溫度補償基質的厚度，α
ε1
為介電基質的熱膨脹系數，α
ε2
為溫度補償基質的熱膨脹系數，α
T
為輻射貼片的熱膨脹系數，ε1為介電基質的相對介電常數，v2為溫度補償基質的相對介電常數。
[0012]進一步的，輻射貼片的尺寸根據所需的諧振頻率設計。
[0013]進一步的，溫度補償天線傳感器的諧振頻率計算為：
[0014][0015]本專利技術產生的有益效果是：
[0016]本專利技術克服了傳統微帶天線傳感器在多溫度環境下裂紋監測不可靠的缺點，幾乎消除了溫度對裂紋監測的影響，提高了微帶天線傳感器的監測可靠性；相較于使用低溫度敏感性的基質材料來減少溫度影響，本專利技術的溫度補償方法成本更低；雙層基質材料的選擇也不受限制，為傳感器在多領域的應用提供了可能。
附圖說明
[0017]圖1一種具有溫度自補償功能的微帶天線傳感器結構示意圖；
[0018]圖2本專利技術與傳統天線傳感器的比較圖；
[0019]圖3微帶天線傳感器溫度自補償原理圖；
[0020]圖4溫度自補償微帶天線傳感器諧振頻率補償前后對比圖；
[0021]圖5裂紋監測時，溫度自補償天線傳感器與傳統天線傳感器對比圖。
[0022]附圖標記：1
?
輻射貼片，2
?
介電基質，3
?
溫度補償基質，4
?
金屬接地板，5
?
饋線，6
?
沿貼片長度方向的中心裂紋。
具體實施方式
[0023]下面結合附圖對本專利技術作進一步的說明，但不以任何方式對本專利技術加以限制，基于本專利技術教導所作的任何變換或替換，均屬于本專利技術的保護范圍。
[0024]本專利技術提出一種具有溫度自補償功能的微帶天線傳感器，包括輻射貼片1、介電基質2、溫度補償基質3和金屬接地板4，輻射貼片位于傳感器最上層，金屬接地板位于傳感器最下層，介電基質和溫度補償基質位于傳感器中部，介電基質在上，溫度補償基質在下。
[0025]傳感器兩層基質的介電常數溫度系數一正一負，即隨著溫度升高介電常數一個升高一個降低，通過合理選擇溫度系數異號的基質材料，設計兩種基質的厚度，使具有相反介電常數溫度系數的基質補償溫度引起的另一個基質介電常數和輻射貼片尺寸的變化，從而實現溫度補償。
[0026]由于溫度補償基質的插入，天線傳感器的各項參數計算與傳統的天線傳感器相比較發生了改變，因此溫度補償天線傳感器的諧振頻率可以計算為：
[0027][0028]其中，
[0029][0030][0031][0032]式中，f
10
表示TM
10
模式下諧振頻率，ε
e
為有效介電常數，c為真空中光速，L
e
表示電流長度(在理想無應變情況下分別與貼片的幾何長度、寬度相同，當分別取輻射貼片長度L和寬度W時，對應諧振頻率f
10
和f
01
)，ΔL表示邊緣效應引起的線延伸。ε
eff
為雙層基質的等效介電常數，ε1和ε2分別為上層基質和下層基質的相對介電常數，h1為介電基質厚度，h2為溫度補償基質厚度。
[0033]當h<<L且h<<W時，有效介電常數ε
e
可以近似為雙層基質的等效介電常數ε
eff
，即ε
e
≈ε
eff
，且ΔL可近似為0。因此，計算頻率的公式可以簡化為：
[0034][0035]傳感器在TM
10
模式下的頻移量δf
10
可以用兩層基質的介電常數ε1、ε2以及輻射貼片的長度L的變化量來表示：
[0036][0037]其中，
[0038][0039][0040][0041]因此，可以將天線頻移量δf
10
表示為：
[0042][0043]因為兩基質的介電常數ε1、ε2以及輻射貼片的長度L均與溫度有關，所以將上式表示為：
[0044][0045]其中α
ε1
表示介電基質的介電常數溫度系數，α
ε2
表示溫度補償基質的介電常數溫度系數，α
T
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【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種具有溫度自補償功能的微帶天線裂紋監測傳感器，其特征在于，包括輻射貼片(1)，介電基質(2)，溫度補償基質(3)和金屬接地板(4)；輻射貼片(1)與金屬接地板(4)采用金屬良導體；介電基質(2)和溫度補償基質(3)采用絕緣材料；所述輻射貼片(1)位于傳感器最上層，所述金屬接地板(4)位于傳感器最下層，所述介電基質(2)和溫度補償基質(3)位于傳感器中部，介電基質(2)在上，溫度補償基質(3)在下。2.根據權利要求1所述的具有溫度自補償功能的微帶天線裂紋監測傳感器，其特征在于，所述介電基質(2)的介電常數溫度系數與溫度補償基質(3)的介電常數溫度系數符號相反，即式中，ε1為介電基質的相對介電常數，ε2為溫度補償基質的相對介電常數，T為溫度。3.根據權利要求1所述的具有溫度自補償功能的微帶天線裂紋監測傳感器，其特征在于，所述輻射貼片(1)、介電基質(2)和溫度補償基質(3)的熱膨脹系數大小接近，以消除溫度引起的傳感器變形或失效。4.根據權利要求1所述的具有溫度自補償功能的微帶天線裂紋監測傳感器...

【專利技術屬性】
技術研發人員：許晨旭，李云飛，胡東明，巫波，徐鵬程，王元昊，
申請(專利權)人：江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院，
類型：發明
國別省市：