基于微带天线传感器的金属结构应变测量与裂纹识别方法

发布时间：2020-06-10 04:26

【摘要】：金属结构在长期的受载过程中,会难以避免地产生各种损伤和缺陷。当损伤和缺陷积累到一定程度时,会造成结构的承载能力和抗疲劳性能降低,进而酿成严重的后果。为了保证金属结构在服役期间安全运行并延长其使用寿命,普遍的方法是利用传感器对金属结构进行健康监测。传统的结构健康监测技术历经了几十年的发展,已经形成了一个较完善的体系,常用到的传感器包括金属箔式应变片、光纤传感器、基于超声原理的传感器、涡流传感器、压电传感器等。这些传感器能在一定情况下满足工程实际需求,但仍各自存在一些问题限制了其推广与应用。微带天线传感器是近年来出现的一种新型结构健康监测传感器,其构造简单、重量轻、制作方便、成本低,能无线被动式地测量金属结构应变和识别裂纹,具有广泛的应用前景。本文设计了一种微带天线传感器,并通过理论推导、有限元仿真、试验验证等方法研究了其应变测量和裂纹识别性能。主要研究内容如下:(1)根据“传输线模型”设计微带天线传感器参数,并推导传感器谐振频率与所受应变之间的理论关系。基于“谐振腔模型”推导传感器内部的电磁场解析解,得到贴片和接地板表面的电流密度解析表达式,进而分析传感器的裂纹识别原理以及应变和裂纹对传感器谐振频率的耦合作用机理。(2)利用Ansoft HFSS软件模拟微带天线传感器的应变测量和裂纹识别,探究传感器谐振频率随应变大小和裂纹参数变化的响应规律。在COMSOL Multi-physics软件中建立传感器的“力学-电磁学”双物理场耦合仿真模型,分析应变和裂纹耦合工况下传感器的谐振频率响应情况。(3)制作微带天线传感器试件,搭建试验平台,首先测试不同应变或裂纹单独作用时传感器的谐振频率响应规律,然后测试应变和裂纹耦合工况下传感器的谐振频率变化情况。将测试结果与有限元仿真结果进行比较验证,得到微带天线传感器在金属结构健康监测领域应用的主要结论。上述研究工作验证了微带天线传感器用于金属结构健康监测的可行性,并定量地阐释了传感器的应变测量和裂纹识别特性,在该领域具有显著的学术参考价值,也将为微带天线传感器的实际工程应用奠定基础。
【图文】：

微带天线,应变测量,团队,传感器

图 1-1 H. Huang团队的微带天线传感器应变测量研究年，该团队在此基础上做了该微带天线传感器的无线访问试无线测量。作者利用号角天线与矢量网络分析仪的端口连接频信号，并接收其返回信号；用快速傅里叶反变换将频域内的域信号，经一系列处理后用矩形窗函数截断，再进行快速傅里信号即可得到传感器的谐振频率[40]。年，该研究团队介绍了一种微带天线的无线问询技术。在微

微带天线,传感器,动态应变测试

图 1-2 基于微带天线的剪切传感器利用微带天线传感器进行实时振动监动态应变测试领域。作者利用连续调线的反射信号进行幅度调制，从而实样频率下可达到 9.26ppm 的频率分辨得的动态应变数据与箔式应变片获也相应增大，，可能是基质材料的非理
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG115

【相似文献】