一种无线微带贴片天线传感器及在脱粘缺陷检测领域的应用制造技术

本发明专利技术涉及一种无线微带贴片天线传感器及在脱粘缺陷检测领域的应用。本发明专利技术提供的无线微带贴片天线传感器包含脱粘检测天线、误差天线及发射天线，脱粘检测天线以CFRP加固层为接地板，出现脱粘时接地板电导率突变迫使接地板电流路径改变，致使天线传感信号变化；误差天线的设置则可规避温度、湿度等因素对脱粘检测的不利影响；通过发射天线可实现无线检测。该无线微带贴片天线贴敷在CFRP加固层表面对结构影响小，柔韧性好、尺寸灵活可调、测试使用简便、误差影响小、不受缺陷大小的限制，不依靠变形传感脱粘信号，避免了无变形情况下检测失效，可实现覆盖整个结构CFRP加固层的大面积无损检测。损检测。损检测。

【技术实现步骤摘要】
一种无线微带贴片天线传感器及在脱粘缺陷检测领域的应用


[0001]本专利技术属于贴片传感器
，具体涉及一种无线微带贴片天线传感器、所述传感器的制备方法及其在CFRP加固结构脱粘缺陷检测领域的应用。

技术介绍

[0002]公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]混凝土结构在服役过程中由于环境、外力等的作用往往无法达到设计使用年限，使用高性能材料加固修复受损结构以延长结构使用寿命，同时节省重建成本、保护生态环境。碳纤维布加固技术(CFRP)较传统的加固技术具有强度高、效果好，加固后能显著提高结构耐腐性及耐久性，基本不增加结构自重和截面尺寸，柔性好、易于剪裁、可应用于各种结构类型和构件的加固，具有施工简便、工期短等优点，得到广泛的运用。
[0004]碳纤维材料织成碳纤维布后，很难保证其中的各碳纤维丝完全同时工作，在低荷载情况下，承受应力水平较高的碳纤维丝首先达到抗拉强度退出工作，此后各碳纤维丝逐渐断裂，直至整体破环。粘结剂的使用可有效保证碳纤维丝的共同工作，因此粘结剂对CFRP布加固技术起关键作用，既保证碳纤维丝共同工作，又保证CFRP布与结构共同工作。因此CFRP布脱粘是导致加固失效的一大诱因，为保证加固质量，必须采取有效的检测手段对结构加固用CFRP布的界面粘结层进行检测。
[0005]目前对复合材料界面层的无损检测方法主要有射线、涡流、声发射、激光散斑、微波、太赫兹、超声和红外热成像等。射线检测设备复杂，对操作人员和安防要求严格。涡流法具有趋肤效应，仅能检测表面和近表面的缺陷，且检测不同工件需使用不同的线圈。声发射技术检测信号微弱且难以重复。激光散斑技术仅适用于近表面的检测。微波检测灵敏度受工作频率的限制，同样具有趋肤效应。太赫兹检测速度较慢，在狭小作业面操作不便。超声波检测需要通过耦合介质才能使声波射入被检物，显示结果不直观，对操作人员技术水平要求较高。红外热成像技术受环境因素影响较大。中国专利CN109142396A公布了一种碳纤维缠绕壳体脱粘缺陷的检测方法，使用X射线机对碳纤维缠绕壳体进行透照，该方法要求X射线束必须与检测面保持垂直，在狭小检测面和高处作业时十分不便，而且X射线机参数设定对测试的准确度影响较大。中国专利CN112577933A提供了一种界面脱粘的荧光检测法，该方法是在纤维增强材料生产过程中加入具有力学荧光响应特性的聚集诱导发光分子，以脱粘区域和未脱粘区域的变形差异使得聚集诱导发光分子在紫外辐射下发出不同的荧光，聚集诱导发光分子的加入增加了纤维增强材料的生产成本，且若被检测结构处于无荷载状态，变形很微小甚至不存在时，通过该方式检测脱粘缺陷有可能失效。
[0006]天线传感器作为天线和传感单元的统一体，具有体积小、结构简单、无需供能、应变灵敏度高、测试结果准确、易于结构表面共形、兼具收发信号和传感功能的特点，在SHM无线测量领域的应用潜力逐渐凸显。天线传感器缺陷检测的相关研究中，通过变形来进行检
测时当缺陷的大小接近天线贴片长度时，贴片无传感信号。同时无法有效规避温度、湿度等因素对检测天线带来的影响。另天线传感器多采用有线测量，该方法布线复杂、成本高、测试复杂，难以实现恶劣气候环境下对大型工程的有效监测。而且在测量过程中射频线需与天线传感器端口时刻保持连接，但由于其具有一定刚度，在测量过程中射频线可能会对传感器产生一定的牵引或压迫力，影响传感器与待监测结构的胶结力，进而对传感器产生干扰。

技术实现思路

[0007]本专利技术目的在于提供一种可用于碳纤维布层(CFRP)脱粘缺陷检测的无线微带贴片天线传感器，该传感器粘贴在CFRP加固结构表面，能有效的感知CFRP布与加固结构间的粘结力变化，表现为天线谐振频率的变化，而且具有柔韧性好、尺寸可灵活调整、测试使用简便、误差影响小等优点，可紧密地粘敷到结构表面并且不会影响结构及材料的性能，进而实现覆盖整个CFRP加固结构的脱粘无损检测。
[0008]基于上述技术效果，本专利技术提供以下技术方案：
[0009]本专利技术第一方面，提供一种无线微带贴片天线传感器，包括无线测量系统及传感信号接收系统用于实现信号的收发，上述传感器的特征在于，所述无线测量系统包括脱粘检测天线、误差天线及发射天线；
[0010]其中，所述误差天线由辐射贴片、介质板、接地板、馈电微带线、阻抗变换器、SAM射频连接器组成，所述介质板为一端弯折的矩形平板，平板部分其中一面具有辐射贴片，另一表面的对应位置设置接地板，所述弯折部分埋设馈电微带线，端部设置SAM射频连接器并通过射频电缆延迟线与发射天线相连；辐射贴片通过阻抗变换器与馈电微带线连接；
[0011]所述脱粘检测天线与误差天线的区别在于不包括接地板，其余设置与误差天线相同。
[0012]本专利技术提供的上述贴片天线传感器可用于检测CFRP布与加固结构之间的脱粘缺陷，脱粘检测天线本身不设置接地板，而是以结构加固层CFRP布作为接地板。当CFRP布与加固结构间产生脱粘缺陷时，电导率突变迫使接地板的电流路径改变，进而导致天线传感器谐振频率、输入阻抗及S11等的变化，通过实验可以得到缺陷大小和谐振频率、输入阻抗及S11等的关系，由谐振频率、输入阻抗及S11可反演缺陷大小。从而可不受缺陷大小的限制获取覆盖整个结构CFRP加固层的脱粘缺陷信息。该检测方式不依靠变形传感脱粘信号，避免了无变形情况下检测失效。
[0013]上述传感器中同时设置误差天线以规避温度、湿度等因素对脱粘检测天线带来的影响，由于误差天线与脱粘检测天线具有完全相同的参数，故在以上误差因素的作用下两者发生相同的变形产生相同的误差信号，而误差天线本身具有接地板不具备脱粘检测能力，因此，本专利技术获取的脱粘信号应为脱粘检测天线信号去除误差天线信号之外的信号，避免了温度、湿度等因素对检测结果的影响。而且通过射频电缆延迟线连接检测天线与发射天线组成的无线检测系统无需布线、测试位置不受限、成本低、射频器对传感器影响小，可有效弥补有线检测系统的弊端。
[0014]另外，上述介质板在馈电微带线处具有弯折，将传感器微带线处做折叠设计，可以避免SAM射频连接器造成传感器与CFRP结构粘贴不紧密以及测试位置受限。优选的方案中，
所述弯折的角度为85～95
°
，具体实例为90
°
。
[0015]优选的，所述辐射贴片为导电材料，可采用金属导电材料，如铜箔、铝箔等，或采用金属导电浆料印刷涂覆于介质板上形成辐射贴片。
[0016]优选的，所述介质板材质可为特氟龙、聚酰亚胺、环氧玻璃纤维布(FR4)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。
[0017]进一步，当采用金属导电材料作为辐射贴片时，所述辐射贴片通过粘合剂粘贴在介质板表面。
[0018]又一种优选的实施方式中，可直接采用覆铜板替代介质板与辐射贴片；该系列的实施方式中，所述脱粘天线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无线微带贴片天线传感器，其特征在于，包括无线测量系统及传感信号接收系统用于实现信号的收发，所述无线测量系统包括脱粘检测天线、误差天线及发射天线；其中，所述误差天线由辐射贴片、介质板、接地板、馈电微带线、阻抗变换器、SAM射频连接器组成，所述介质板为一端弯折的矩形平板，平板部分的其中一面具有辐射贴片，另一表面的对应位置设置接地板，所述弯折部分埋设馈电微带线，端部设置SAM射频连接器并通过射频电缆延迟线与发射天线相连；辐射贴片通过阻抗变换器与馈电微带线连接；所述脱粘检测天线与误差天线的区别在于不包括接地板，其余设置与误差天线相同。2.如权利要求1所述无线微带贴片天线传感器，其特征在于，所述介质板弯折的角度为85～95
°
，进一步的，为90
°
。3.如权利要求1所述无线微带贴片天线传感器，其特征在于，所述辐射贴片为导电材料，可采用金属导电材料，如铜箔、铝箔；或采用金属导电浆料印刷涂覆于介质板上形成辐射贴片；或，所述介质板材质可为特氟龙、聚酰亚胺、环氧玻璃纤维布、聚对苯二甲酸乙二酯或聚二甲基硅氧烷；进一步，当采用金属导电材料作为辐射贴片时，所述辐射贴片通过粘合剂粘贴在介质板表面；或，所述传感器中，采用覆铜板替代介质板与辐射贴片，将脱粘天线不粘贴接地板或将覆铜板另一面的铜完全剥去。4.如权利要求1所述无线微带贴片天线传感器，其特征在于，所述传感信号接收系统包括接收天线及网络分析仪，所述传感信号接收系统先接收误差天线信号，再接收脱粘检测天线信号，脱粘信号为脱粘检测天线信号减去误差天线信号的差值；优选的，所述网络分析仪为矢量网络分析仪，更进一步的，为手持式矢量网络分析仪。5.权利要求1
‑
4任一项所述无线微带贴片天线传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：根据“谐振腔模型”理论计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗健林，周晓阳，钟国麟，崔爱琪，张纪刚，滕飞，高乙博，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：